課程設(shè)計(jì)變頻器恒壓供水系統(tǒng)(多泵)

1、目 錄1 變頻器恒壓供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介11.1變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析11.1.1變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能原理11.1.2 變頻恒壓控制理論模型31.2恒壓供水控制系統(tǒng)構(gòu)成31.3 變頻器恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義52 變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)62.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求62.2 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)62.3 系統(tǒng)工作過(guò)程73 器件的選型及介紹93.1 變頻器簡(jiǎn)介93.1.1 變頻器的基本結(jié)構(gòu)與分類93.1.2 變頻器的控制方式93.2 變頻器選型103.2.1 變頻器的控制方式103.2.2 變頻器容量的選擇113.2.3 變頻器主電路外圍設(shè)備選擇123.3 可編程控制器(PLC)153.3.1 PLC的定義及特點(diǎn)1

2、53.3.2 PLC的工作原理163.3.3 PLC及壓力傳感器的選擇164 PLC編程及變頻器參數(shù)設(shè)置174.1 PLC的I/O接線圖174.2 PLC程序174.3 變頻器參數(shù)的設(shè)置214.3.1 參數(shù)復(fù)位214.3.2 電機(jī)參數(shù)設(shè)置215 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)225.1 組態(tài)軟件簡(jiǎn)介225.2 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)225.2.1 組態(tài)王的通信參數(shù)設(shè)置225.2.2 新建工程與組態(tài)變量235.2.3 組態(tài)畫面245.2.4 監(jiān)控系統(tǒng)界面256總 結(jié)26參考文獻(xiàn)271 變頻器恒壓供水系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.1變頻恒壓供水系統(tǒng)理論分析變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能原理供水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開

3、度不變?yōu)榍疤幔砻魉迷谀骋晦D(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線f(Q)，如圖1-1所示。 圖1-1供水系統(tǒng)的基本特征圖1-2 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線 由圖可以看出，流量Q越大，揚(yáng)程H越小。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程H與用水流量Q(u)間的關(guān)系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?，表明閥門在某一開度下，揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系H J (Qu )。管阻特性反映了水泵的能量用來(lái)克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚(yáng)程H越大，流量Q也越大。由于閥門開度的改變，實(shí)際上是改變了

4、在某一揚(yáng)程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量Qc之間的關(guān)系H f (Qc )。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖中A點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量Qu和供水系統(tǒng)的供水流量Qc處于平衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。圖1-1供水系統(tǒng)的基本特征。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來(lái)供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是

5、通過(guò)改變定子供電頻率來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。在供水系統(tǒng)中，通常以流量為控制目的，常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法。閥門控制法是通過(guò)調(diào)節(jié)閥門開度來(lái)調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。其實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變水路中的阻力大小來(lái)改變流量，因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。由于實(shí)際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。轉(zhuǎn)速控制法是通過(guò)改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，是通過(guò)改變水的動(dòng)能改變流量。因此，揚(yáng)程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控制。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動(dòng)地調(diào)整

6、水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時(shí)電機(jī)加速，用水量減小時(shí)電機(jī)減速。由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時(shí)，水泵的輸出功率P與管網(wǎng)的水壓H及出水流量Q的乘積成正比；水泵的轉(zhuǎn)速n與出水流量Q成正比；管網(wǎng)的水壓H與出水流量Q的平方成正比。由上述關(guān)系有，水泵的輸出功率P與轉(zhuǎn)速n三次方成正比，即： （2.2） （2.3） (2.4) (2.5)式中k、k1、k2、k3為比例常數(shù)。當(dāng)用閥門控制時(shí)，若供水量高峰水泵工作在E點(diǎn)，流量為Q1，揚(yáng)程為H0，當(dāng)供水量從Q1減小到Q2時(shí)，必須關(guān)小閥門，這時(shí)閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從b3移到b1，揚(yáng)程特性曲線不變。而揚(yáng)程則從H0上升到H1，運(yùn)行工況點(diǎn)從

7、E點(diǎn)移到F點(diǎn)，此時(shí)水泵的輸出功率正比于H1×Q2。當(dāng)用調(diào)速控制時(shí)，若采用恒壓(H0)，變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為b2，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€n2，工作點(diǎn)從E點(diǎn)移到D點(diǎn)。此時(shí)水泵輸出功率正比于H0×Q2，由于H1>H0，所以當(dāng)用閥門控制流量時(shí)，有正比于(H1H0)×Q2的功率被浪費(fèi)掉，并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移，于是H1增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。 變頻恒壓控制理論模型變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口總

8、管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個(gè)常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。所以，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上 從圖1-2中可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，如果實(shí)際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個(gè)差值經(jīng)過(guò)計(jì)算和轉(zhuǎn)換，計(jì)算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個(gè)增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。該頻率使水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速增大，從而使實(shí)際供水壓力提高，在運(yùn)行過(guò)程中該過(guò)程將被重復(fù)，直到實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。如果

9、運(yùn)行過(guò)程中實(shí)際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻的輸出頻率將會(huì)降低，水泵的轉(zhuǎn)速減小，實(shí)際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等。圖1-2變頻恒壓控制原理圖1.2恒壓供水控制系統(tǒng)構(gòu)成變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動(dòng)機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵旋轉(zhuǎn)來(lái)供水，并且把電機(jī)和水泵連成一體，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水的。因此，供水系統(tǒng)變頻的實(shí)質(zhì)是異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是通過(guò)改變定子供電頻率來(lái)改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。壓力變送器給定值變頻器水泵用戶管網(wǎng)壓力+-圖1-3恒壓供水系統(tǒng)方框圖水

10、壓由壓力傳感器的信號(hào)4-20mA送入變頻器內(nèi)部的PID模塊，與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，并通過(guò)變頻器內(nèi)置PID運(yùn)算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號(hào)，以調(diào)整水泵電機(jī)的電源頻率，從而實(shí)現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。由于變頻器內(nèi)部自帶的PID調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法，所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時(shí)，為了保證水壓反饋信號(hào)值的準(zhǔn)確、不失值，可對(duì)該信號(hào)設(shè)置濾波時(shí)間常數(shù)，同時(shí)還可對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試更為簡(jiǎn)單、方便。圖1-4 供水系統(tǒng)方案圖西門子系列PLC編程采用STEP7軟件，它是西門子PLC的視窗軟件支持工具，提供完整的編程環(huán)境，可進(jìn)行離線編程和在線連接和調(diào)試，并能實(shí)現(xiàn)梯形圖與語(yǔ)句表的相互轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)程序包括主程序

11、和起動(dòng)子程序，主程序包括參與調(diào)節(jié)程序和電機(jī)切換程序；電機(jī)切換程序又包括加電機(jī)程序和減電機(jī)程序。起動(dòng)子程序?qū)嶋H上是清零子程序。在主程序中，設(shè)置兩個(gè)變頻器頻率上下限到達(dá)濾波時(shí)間繼電器，用于穩(wěn)定系統(tǒng)。1.3 變頻器恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義泵站擔(dān)負(fù)著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務(wù)，運(yùn)行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)有重大意義。我過(guò)泵站的特點(diǎn)是數(shù)量大、范圍廣、類型多、發(fā)展速度快，在工程規(guī)模上也有一定水平，但由于設(shè)計(jì)中忽視動(dòng)能經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)以及機(jī)電產(chǎn)品類型和質(zhì)量上存在的一些問(wèn)題等原因，至使在技術(shù)水平、工程標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比，還有一定的差距。目前，大量的動(dòng)能消耗在水泵

12、、風(fēng)機(jī)負(fù)載上，城鄉(xiāng)居民用水設(shè)備所消耗的電量在這類負(fù)載中占了相當(dāng)大的比例。因此，研究提水系統(tǒng)的能量模型，找出能夠節(jié)能的控制策略方法是目前較為重要的一件事。以變頻器為核心結(jié)合PLC組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性、強(qiáng)抗干擾能力、組合靈活、編程簡(jiǎn)單、維修方便和低成本等諸多特點(diǎn)，變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、防雷避雷技術(shù)、現(xiàn)代控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)與一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便的實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控；同時(shí)系統(tǒng)具有良好節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。2變頻恒壓供水系統(tǒng)

13、設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求本系統(tǒng)是以一個(gè)供水系統(tǒng)作為被控對(duì)象，PLC與變頻器協(xié)調(diào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與啟動(dòng)和停止。系統(tǒng)控制要求:(1) 工藝參數(shù): 供水系統(tǒng)由3臺(tái)水泵組成：母管壓力H0.8時(shí)，一臺(tái)定速，一臺(tái)變速，一臺(tái)備用。母管壓力H0.64時(shí)，一臺(tái)定速或變速，二臺(tái)備用。母管壓力H0.52時(shí)，一臺(tái)變速，二臺(tái)備用。(2) 電動(dòng)機(jī)參數(shù)：型號(hào)：JD-L-39-4 功率：75KW 額定頻率：50Hz 額定電壓：380VAC； 額定轉(zhuǎn)速：1470 r/min 額定電流：126.6 A(3) 水泵電機(jī)的起動(dòng)/停止、正轉(zhuǎn)、調(diào)速控制。(4) 變頻器采用遠(yuǎn)方控制方式。(5) 通過(guò)母管壓力變送器測(cè)得實(shí)際壓力大小，同時(shí)和壓

14、力給定組成閉環(huán)控制。(6) 變頻器的運(yùn)行狀態(tài)指示（如運(yùn)行、停止、過(guò)流、低壓等）。(7) 變頻器的報(bào)警處理。2.2系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)圖2-1 系統(tǒng)主電路圖由恒壓供水主電路圖可見(jiàn)，接觸器1KM2、2KM2、和3KM2用于變頻器輸出，分別接到水泵M1、M2和M3，而接觸器1KM3、2KM3和3KM3將工頻電源接到3臺(tái)水泵。變頻器可以對(duì)任何一臺(tái)水泵啟動(dòng)和恒壓供水控制?？諝忾_關(guān)（QL）是當(dāng)電動(dòng)機(jī)過(guò)載時(shí)自動(dòng)將電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)中斷開熱繼電器（FR）是利用電流的熱效應(yīng)原理工作的保護(hù)電路，它在電路中用作電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)。2.3系統(tǒng)工作過(guò)程1、減泵過(guò)程當(dāng)用水量減少、水壓上升、變頻器輸出頻率低于下限值時(shí)，但管網(wǎng)壓力仍偏高時(shí)

15、，則各泵將依次退出運(yùn)行，依次退出運(yùn)行的方式有兩種。(1)先開先停方式。PLC接收到下限頻率到達(dá)信號(hào)，延時(shí)一定時(shí)間后，接觸器1KM2失電復(fù)位，水泵M1脫離工頻電源停止運(yùn)行。變頻器輸出頻率仍然低于下限值，重復(fù)上述過(guò)程，水泵M2脫離工頻電源停止運(yùn)行，變頻器驅(qū)動(dòng)水泵M3恒壓供水，水壓穩(wěn)定在設(shè)定值上。這種方式稱為循環(huán)方式，通常用于各臺(tái)水泵的容量都相等的供水系統(tǒng)中。其優(yōu)點(diǎn)是可以自動(dòng)的使各泵運(yùn)行的時(shí)間比較均衡；缺點(diǎn)是工頻運(yùn)行狀態(tài)直接停機(jī)時(shí)，可能由于停機(jī)太快而使管網(wǎng)壓力發(fā)生較大波動(dòng)。(2)先開后停方式。首先使正在變頻運(yùn)行的M3減速停機(jī)，然后使變頻器的輸出頻率升至50Hz，將M2切換為變頻工作，依此類推這種方式

16、通常用于各臺(tái)水泵的容量不相等的供水系統(tǒng)中，其優(yōu)點(diǎn)是水泵的停機(jī)比較緩慢，管網(wǎng)壓力比較穩(wěn)定；缺點(diǎn)是不能自動(dòng)地循環(huán)變換。2、加泵過(guò)程首先由M1在變頻控制的情況下工作。當(dāng)用水量增大、水壓下降，變頻器輸出頻率上升到50Hz時(shí)水壓仍然不足，經(jīng)過(guò)短暫的延時(shí)，將M1切換為工頻工作，同時(shí)變頻器的輸出頻率迅速降低為0，然后使M2投入變頻運(yùn)行。當(dāng)M2也達(dá)到額定頻率而水壓仍不足時(shí)，重復(fù)開始運(yùn)行時(shí)的過(guò)程，水泵M2脫離變頻器驅(qū)動(dòng)，由工頻供電全速運(yùn)行，變頻器驅(qū)動(dòng)水泵M3變頻運(yùn)行，使水壓恒定在設(shè)定值上。3器件的選型及介紹3.1 變頻器簡(jiǎn)介變頻器的基本結(jié)構(gòu)與分類1、變頻器的基本結(jié)構(gòu)變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成

17、各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。變頻器包括控制電路、整流電路、中間直流電路及逆變電路組成。其中控制電路完成對(duì)主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。對(duì)于如矢量控制變頻器這種需要大量運(yùn)算的變頻器來(lái)說(shuō)，有時(shí)還需要一個(gè)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩計(jì)算的CPU以及一些相應(yīng)的電路。 2、變頻器的分類 變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和

18、矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。 變頻器的控制方式在交流變頻器中使用的非智能控制方式有V/f協(xié)調(diào)控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。 (1) V/f控制 V/f控制是為了得到理想的轉(zhuǎn)矩-速度特性，基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電動(dòng)機(jī)的磁通不變的思想而提出的，通用型變頻器基本上都采用這種控制方式。V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能達(dá)到較高的控制性能，而且，在低頻時(shí)，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。 (2) 轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制轉(zhuǎn)矩的控制方式，

19、它是在V/f控制的基礎(chǔ)上，按照知道異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電源頻率，并根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來(lái)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，就可以使電動(dòng)機(jī)具有對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。這種控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器，有時(shí)還加有電流反饋，對(duì)頻率和電流進(jìn)行控制，因此，這是一種閉環(huán)控制方式，可以使變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對(duì)急速的加減速和負(fù)載變動(dòng)有良好的響應(yīng)特性。 (3) 矢量控制 矢量控制是通過(guò)矢量坐標(biāo)電路控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位，以達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)在d、q、0坐標(biāo)軸系中的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流分別進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的。通過(guò)控制各矢量的作用順序和時(shí)間以及零矢量的作用時(shí)間，又可以形成各種PWM波，達(dá)到各種

20、不同的控制目的。例如形成開關(guān)次數(shù)最少的PWM波以減少開關(guān)損耗。目前在變頻器中實(shí)際應(yīng)用的矢量控制方式主要有基于轉(zhuǎn)差頻率控制的矢量控制方式和無(wú)速度傳感器的矢量控制方式兩種。 (4) 直接轉(zhuǎn)矩控制 直接轉(zhuǎn)矩控制是利用空間矢量坐標(biāo)的概念，在定子坐標(biāo)系下分析交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，控制電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，通過(guò)檢測(cè)定子電阻來(lái)達(dá)到觀測(cè)定子磁鏈的目的，因此省去了矢量控制等復(fù)雜的變換計(jì)算，系統(tǒng)直觀、簡(jiǎn)潔，計(jì)算速度和精度都比矢量控制方式有所提高。即使在開環(huán)的狀態(tài)下，也能輸出100%的額定轉(zhuǎn)矩，對(duì)于多拖動(dòng)具有負(fù)荷平衡功能。 (5) 最優(yōu)控制 最優(yōu)控制在實(shí)際中的應(yīng)用根據(jù)要求的不同而有所不同，可以根據(jù)最優(yōu)控制的理論對(duì)某一

21、個(gè)控制要求進(jìn)行個(gè)別參數(shù)的最優(yōu)化。例如在高壓變頻器的控制應(yīng)用中，就成功的采用了時(shí)間分段控制和相位平移控制兩種策略，以實(shí)現(xiàn)一定條件下的電壓最優(yōu)波形。 3.2 變頻器選型 變頻器的控制方式控制方式是決定變頻器使用性能的關(guān)鍵所在。目前市場(chǎng)上低壓通用變頻器品牌很多，包括歐、美、日及國(guó)產(chǎn)的共約5O多種。選用變頻器時(shí)不要認(rèn)為檔次越高越好，其實(shí)只要按負(fù)載的特性，滿足使用要求就可，以便做到量才使用、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。下表中參數(shù)供選用時(shí)參考。表3.1控制方式的比較控制方式U/f=C控制電壓空間矢量控制矢量控制直接轉(zhuǎn)矩控制反饋裝置不帶PG帶PG或PID調(diào)節(jié)器不要不帶PG帶PG或編碼器速比I<1:401:601:100

22、1:1001:10001:100起動(dòng)轉(zhuǎn)矩（在3Hz）150%150%150%150%零轉(zhuǎn)速時(shí)為150%零轉(zhuǎn)速時(shí)為>150%200%靜態(tài)速度精度/%±（0.20.3）±（0.20.3）±0.2±0.2±0.02±0.2適用場(chǎng)合一般風(fēng)機(jī)、泵類等較高精度調(diào)速，控制一般工業(yè)上的調(diào)速或控制所有調(diào)速或控制伺服拖動(dòng)、高精傳動(dòng)、轉(zhuǎn)矩控制負(fù)荷起動(dòng)、起重負(fù)載轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，恒轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大負(fù)載故選擇U/f=C控制變頻器容量的選擇變頻器的容量直接關(guān)系到變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，因此，合理的容量將保證最優(yōu)的投資。變頻器的容量選擇在實(shí)際操作中存在很多誤區(qū)，這里

23、給出了三種基本的容量選擇方法，它們之間互為補(bǔ)充。1、從電流的角度：大多數(shù)變頻器容量可從三個(gè)角度表述：額定電流、可用電動(dòng)機(jī)功率和額定容量。其中后兩項(xiàng)，變頻器生產(chǎn)廠家由本國(guó)或本公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達(dá)變頻器的能力。選擇變頻器時(shí)，只有變頻器的額定電流是一個(gè)反映半導(dǎo)體變頻裝置負(fù)載能力的關(guān)鍵量。負(fù)載電流不超過(guò)變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。需要著重指出的是，確定變頻器容量前應(yīng)仔細(xì)了解設(shè)備的工藝情況及電動(dòng)機(jī)參數(shù)，例如潛水電泵、繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)的額定電流要大于普通籠形異步電動(dòng)機(jī)額定電流，冶金工業(yè)常用的輥道用電動(dòng)機(jī)不僅額定電流大很多，同時(shí)它允許短時(shí)處于堵轉(zhuǎn)工作

24、狀態(tài)，且輥道傳動(dòng)大多是多電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。應(yīng)保證在無(wú)故障狀態(tài)下負(fù)載總電流均不允許超過(guò)變頻器的額定電流。 2、從效率的角度：系統(tǒng)效率等于變頻器效率與電動(dòng)機(jī)效率的乘積，只有兩者都處在較高的效率下工作時(shí)，則系統(tǒng)效率才較高。從效率角度出發(fā)，在選用變頻器功率時(shí)，要注意以下幾點(diǎn)：（1）變頻器功率值與電動(dòng)機(jī)功率值相當(dāng)時(shí)最合適，以利變頻器在高的效率值下運(yùn)轉(zhuǎn)。（2）在變頻器的功率分級(jí)與電動(dòng)機(jī)功率分級(jí)不相同時(shí)，則變頻器的功率要盡可能接近電動(dòng)機(jī)的功率，但應(yīng)略大于電動(dòng)機(jī)的功率。（3）當(dāng)電動(dòng)機(jī)屬頻繁起動(dòng)、制動(dòng)工作或處于重載起動(dòng)且較頻繁工作時(shí)，可選取大一級(jí)的變頻器，以利用變頻器長(zhǎng)期、安全地運(yùn)行。（4）經(jīng)測(cè)試，電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率確實(shí)

25、有富余，可以考慮選用功率小于電動(dòng)機(jī)功率的變頻器，但要注意瞬時(shí)峰值電流是否會(huì)造成過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作。（5）當(dāng)變頻器與電動(dòng)機(jī)功率不相同時(shí)，則必須相應(yīng)調(diào)整節(jié)能程序的設(shè)置，以利達(dá)到較高的節(jié)能效果。3、從計(jì)算功率的角度：對(duì)于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的變頻器必須同時(shí)滿足以下3個(gè)計(jì)算公式：(1)滿足負(fù)載輸出：PcnPm (3.1)(2)滿足電動(dòng)機(jī)容量：Pcn3KUeIe cos ×10-3(3.2)(3)滿足電動(dòng)機(jī)電流：IcnKIe(3.3)式中Pcn為變頻器容量（單位kW），PM-負(fù)載要求的電動(dòng)機(jī)軸輸出功率（單位kW），Ue為電動(dòng)機(jī)額定電壓（單位V），Ie為電動(dòng)機(jī)額定電流（單位A），為電動(dòng)機(jī)效率（通常約為085），

26、cos為電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)（通常約為075），k是電流波形補(bǔ)償系數(shù)（由于變頻器的輸出波形并不是完全的正弦波，而含有高次諧波的成分，其電流應(yīng)有所增加，通常K約為10511）。將本系統(tǒng)參數(shù)帶入求得所取變頻器容量最低為88KW故取100KW，額定電流139.26A，故取150A。 根據(jù)計(jì)算所得的所需參數(shù)可以選取西門子MicroMaster430（風(fēng)機(jī)水泵專業(yè)）變頻器，具體的可以選擇MM430-110K型號(hào)的變頻器，他配接電機(jī)的容量是110kw，額定電流為205A滿足使用需求，可以選擇。變頻器主電路外圍設(shè)備選擇1、斷路器當(dāng)變頻器需要檢修時(shí)，或者因某種原因而長(zhǎng)時(shí)間不用時(shí)，將QF切斷，使變頻器與電源隔離。當(dāng)變

27、頻器輸入側(cè)發(fā)生短路等故障時(shí)，進(jìn)行保護(hù)。選擇原則:(1)變頻器在剛接電源的瞬間，對(duì)電容器的充電電流可達(dá)額定電流的（2-3）倍；(2)變頻器的進(jìn)線電流是脈沖電流，其峰值?？赡艹^(guò)額定電流；(3)變頻器允許的過(guò)載能力為150%，1min。為了避免誤動(dòng)作，斷路器的額定電流應(yīng)選： (3.4)其中為變頻器的額定電流。故選擇斷路器額定電流選擇210A根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以選擇斷路器DW15400斷路器額定電壓為380V，額定電流為300滿足要求可以選擇。2、接觸器(1)主要作用：可通過(guò)按鈕開關(guān)方便地控制變頻器的通電與斷電；變頻器發(fā)生故障時(shí)，可自動(dòng)切斷電源。(2)選擇原則：由于接觸器自身并無(wú)保護(hù)功能，不存在誤動(dòng)作的

28、問(wèn)題，故選擇原則是主觸點(diǎn)的額定電流，應(yīng)該大于126.6A,可以選擇主觸點(diǎn)額定電流為130A的接觸器。根據(jù)上述數(shù)據(jù)施奈德的LC1D150，滿足參數(shù)要求，可以選擇3、主電路的線徑(1)電源和變頻器之間的導(dǎo)線一般說(shuō)來(lái)，和同容量普通電動(dòng)機(jī)的電線選擇方法相同。考慮到其輸入側(cè)的功率因數(shù)往往較低，應(yīng)本著宜大不宜小的原則來(lái)決定線徑。(2)變頻器和電機(jī)之間的導(dǎo)線因?yàn)轭l率下降時(shí)，電壓也要下降，在電流相等的情況下，線路電壓降在輸出電壓中的比例將上升，而電動(dòng)機(jī)得到電壓的比例則下降。這有可能導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)帶不動(dòng)負(fù)載并發(fā)熱。所以，在決定變頻器和電動(dòng)機(jī)之間導(dǎo)線的線徑時(shí)，最關(guān)鍵的因素便是線路電壓降的影響。一般要求： (3.5)的

29、計(jì)算公式是： (3.6)式中：額定相電壓，V ；電動(dòng)機(jī)額定電流，A ；單位長(zhǎng)度（每米）導(dǎo)線的電阻，m/m ；導(dǎo)線的長(zhǎng)度，m 。由上兩式可直接求出的取值范圍。根據(jù)Ro值確定導(dǎo)線面積。由公式（3.5）得：11.4）V由公式（3.6）得：0.69 m/m 1.04 m/m 根據(jù)表3.1判斷所需的導(dǎo)線截面積，為了滿足控制系統(tǒng)的要求，應(yīng)該選擇截面積為16的導(dǎo)線。表3.2 常用電動(dòng)機(jī)引出線的單位長(zhǎng)度電阻值。標(biāo)稱截面/mm21.01.52.54.06.010.016.025.035.0/(m/m)17.811.96.924.402.921.731.100.690.494、制動(dòng)電阻準(zhǔn)確計(jì)算制動(dòng)電阻值十分麻煩，

30、在實(shí)際工作中基本不用。許多變頻器的使用說(shuō)明書上給了一些計(jì)算方法，也有的直接提供了供用戶選用的制動(dòng)電阻的規(guī)格。但按說(shuō)明書上選擇電阻時(shí)須注意下面問(wèn)題，變頻器生產(chǎn)廠家為了減少制動(dòng)電阻檔次，常常對(duì)若干種不同容量的電動(dòng)機(jī)提供相同阻值和容量的制動(dòng)電阻。選用時(shí)，應(yīng)注意根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體情況進(jìn)行調(diào)整。對(duì)同一擋中電動(dòng)機(jī)容量較小者，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值偏大。為了減小能量的消耗，應(yīng)根據(jù)制動(dòng)過(guò)程的緩急程度以及飛輪力矩的大小，考慮能否選擇阻值較大的制動(dòng)電阻。對(duì)同一擋中電動(dòng)機(jī)容量較大者，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩的比值偏小。在一些飛輪力矩較大，又要求快速制動(dòng)的場(chǎng)合，或者如起重機(jī)械那樣，需要釋放位能的場(chǎng)合，上述制動(dòng)電阻有可能滿

31、足不了要求，靠考慮選擇阻值較小的一擋制動(dòng)電阻。3.3 可編程控制器(PLC)PLC的定義及特點(diǎn) 在PLC的發(fā)展過(guò)程中，美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)（NEMA）經(jīng)過(guò)4年的調(diào)查，于1980年把這種新型的控制器正式命名為可編程序控制器（Programmable Controller），英文縮寫為PC，并作如下定義：“可編程序控制器是一種數(shù)字式電子裝置。它使用可編程序的存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)指令，并實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算、順序控制、計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)和算術(shù)運(yùn)算功能，用來(lái)對(duì)各種機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制。PLC的特點(diǎn)如下：1、高可靠性(1)所有的I/O接口電路均采用光電隔離，使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC內(nèi)部電路之間電氣上隔離。(2)各輸入端均采用

32、R-C濾波器，其濾波時(shí)間常數(shù)一般為1020ms.(3)各模塊均采用屏蔽措施，以防止輻射干擾。(4)采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源。(5)對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。(6)良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟，硬件發(fā)生異常情況，CPU立即采用有效措施，以防止故障擴(kuò)大。(7)大型PLC還可以采用由雙CPU構(gòu)成冗余系統(tǒng)或有三CPU構(gòu)成表決系統(tǒng),使可靠性更進(jìn)一步提高。2、豐富的I/O接口模塊PLC針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，如： 交流或直流； 開關(guān)量或模擬量； 電壓或電流；脈沖或電位； 強(qiáng)電或弱電等。有相應(yīng)的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備，如： 按鈕 行程開關(guān) 接近開關(guān) 傳感器及變送器 電磁線圈 控制閥直接連接。

33、另外為了提高操作性能，它還有多種人-機(jī)對(duì)話的接口模塊; 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊，等等。3、采用模塊化結(jié)構(gòu) 為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型PLC以外，絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結(jié)構(gòu)。PLC的各個(gè)部件，包括CPU，電源，I/O等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來(lái)，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4、編程簡(jiǎn)單易學(xué) PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，不需要具備計(jì)算機(jī)的專門知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。5、安裝簡(jiǎn)單，維修方便PLC不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。使用時(shí)只需將現(xiàn)

34、場(chǎng)的各種設(shè)備與PLC相應(yīng)的I/O端相連接，即可投入運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過(guò)更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。PLC的工作原理PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，在PLC中用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結(jié)束符后又返回第一條，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。PLC的掃描過(guò)程分為內(nèi)部處理、通信操作、程序輸入處理、程序執(zhí)行、程序輸出幾個(gè)階段。全過(guò)程掃描一次所需的時(shí)間稱為掃描周期。當(dāng)PLC處于停狀態(tài)時(shí)，只進(jìn)行內(nèi)部處理和通信操作服務(wù)等內(nèi)容。在PLC處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，從內(nèi)部處理、通信操作

35、、程序輸入、程序執(zhí)行、程序輸出，一直循環(huán)掃描工作。PLC及壓力傳感器的選擇 水泵M1、M2、M3可變頻運(yùn)行，也可工頻運(yùn)行，需要6個(gè)輸出點(diǎn)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求需要五個(gè)輸入點(diǎn)，則選擇西門子的S7-200系列PLC。 壓力傳感器采用CY-YZ-1001型絕對(duì)傳感器。該傳感器采用硅壓阻效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量的力-電轉(zhuǎn)換。傳感器由敏感芯體和信號(hào)調(diào)理電路組成，當(dāng)壓力作用于傳感器時(shí)，敏感芯體內(nèi)硅片上的惠斯登電橋的輸出電壓發(fā)生變化，信號(hào)調(diào)理電路將輸出的電壓信號(hào)作放大處理，同時(shí)進(jìn)行溫度補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償，使傳感器的電性能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。傳感器的量程為02.5MPa，工作溫度為560，輸出電壓為05V，作為本系統(tǒng)的

36、反饋信號(hào)供給PLC。4 PLC編程及變頻器參數(shù)設(shè)置4.1 PLC的I/O接線圖K1K2K3K4K5K6220VACSB1SB2SB3SB4SD1LQ0.0Q0.1Q0.2Q0. 3Q0.4Q0.5NL1S7-200 PLC1MI0.0I0.1I0.2I0.3I0.4ML+圖4.1 PLC的I/0接線圖 輸出端接中間繼電器控制電機(jī)的工頻與變頻工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，輸入點(diǎn)I0.0控制系統(tǒng)電機(jī)的停止工作，I0.1控制系統(tǒng)電機(jī)工作及變頻器工作的開始。I0.2點(diǎn)用于在一號(hào)泵有故障時(shí)手動(dòng)啟用三號(hào)泵代替一號(hào)泵的工作。I0.4為當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到上限值時(shí)手動(dòng)閉合，使電動(dòng)機(jī)切換為工頻工作。4.2 PLC程序啟動(dòng)變頻

37、器工作PLC接收壓力變送器反饋的值，與設(shè)定值進(jìn)行以系列計(jì)算之后輸出一個(gè)值控制變頻器的輸出頻率，同時(shí)根據(jù)輸出AC0的值判斷電動(dòng)機(jī)工作的臺(tái)數(shù)與狀態(tài)。其中壓力變送器反饋值為05，內(nèi)部數(shù)據(jù)為032767，對(duì)應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換之后通過(guò)下面的程序進(jìn)行判斷，以控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。判斷反饋值為H0.8，則使一號(hào)水泵定速工作，同時(shí)使二號(hào)水泵變速工作。判斷反饋值為0.52H0.64，則一號(hào)變頻器定速或變速，當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到上限值時(shí)則手動(dòng)輸入有效水泵變?yōu)槎ㄋ龠\(yùn)行，否則變速運(yùn)行。判斷反饋值為H0.52時(shí)，則一號(hào)水泵變速運(yùn)行。停止按鈕按下，所有水泵停止供水此段程序的功能為在一號(hào)水泵有故障時(shí)，通過(guò)手動(dòng)切換使三號(hào)水泵代替一號(hào)水泵

38、的工作。達(dá)到穩(wěn)定供水。4.3 變頻器參數(shù)的設(shè)置參數(shù)復(fù)位1、P00033(選擇級(jí)別為專家級(jí))2、設(shè)定P0010303、設(shè)定P09701（設(shè)定P09701后變頻器將自動(dòng)進(jìn)入?yún)?shù)恢復(fù)程序，大約要1020秒鐘后才能將所有參數(shù)恢復(fù)為出廠缺省值，恢復(fù)的過(guò)程中變頻器顯示busy(忙)字樣并閃爍。）4、顯示P0970則復(fù)位操作完成電機(jī)參數(shù)設(shè)置P0010=1(快速調(diào)試)P0100=0(功率單位為KW；f的缺省值為50Hz)P0304=380(電動(dòng)機(jī)的額定電壓)P0305=126.6(電動(dòng)機(jī)的額定電)P0307=75（電動(dòng)機(jī)的額定功率）P0310=50(電動(dòng)機(jī)的額定頻率)P0311=1470（電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速）P

39、0700=2(變頻器命令源選擇為模入端子/數(shù)字輸入)P1000=2(模擬設(shè)定值)P1080=5(電動(dòng)機(jī)最小頻率)P1082=50(電動(dòng)機(jī)最大頻率)P1120=10（電動(dòng)機(jī)從靜止停車加速到最大電動(dòng)機(jī)頻率所需時(shí)間）P1121=10（電動(dòng)機(jī)從最大頻率減速到靜止停車所需的時(shí)間）P3900=1(結(jié)束快速調(diào)試)5 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.1 組態(tài)軟件簡(jiǎn)介 組態(tài)軟件一般有圖形界面系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、第三方程序接口組件和控制功能組件組成。圖形界面系統(tǒng)用于生成現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程圖形畫面；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)存儲(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)的參數(shù)；第三方程序接口組件用于組態(tài)軟件與其他應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)；控制功能組件用于生成監(jiān)控所需的控制策略。本

40、設(shè)計(jì)中選擇北京亞控公司的“組態(tài)王”軟件制作監(jiān)控系統(tǒng)。5.2 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 組態(tài)王的通信參數(shù)設(shè)置本設(shè)計(jì)中用S7-200的PPI編程電纜實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與CPU模塊的通信。由于使用串行通信接口1，故雙擊工程瀏覽器的設(shè)備文件夾中的“COM1”圖標(biāo)，在出現(xiàn)的對(duì)話框中設(shè)置波特率為19200bit/s，如圖5.1所示。圖5-1 串行通信接口參數(shù)設(shè)置選中“COM1”后，雙擊右側(cè)工作區(qū)出現(xiàn)的“新建”圖標(biāo)，在出現(xiàn)的對(duì)話框的“PLC”文件夾中選擇西門子的S7-200系列，通信協(xié)議為PPI（見(jiàn)圖5-2），設(shè)置好單擊“下一步”直至“完成”，這樣在右側(cè)會(huì)出現(xiàn)剛生成的“新IO設(shè)備”圖標(biāo)，通信設(shè)置結(jié)束。圖5-2 通信協(xié)議的設(shè)置 新建工程與組態(tài)變量圖5-3 定義變量對(duì)話框雙擊“組態(tài)王6.52”啟動(dòng)工程管理器，新建一個(gè)工程，名為“恒壓供水系統(tǒng)”，雙擊新建工程打開工程瀏覽器，點(diǎn)擊工程瀏覽器中的“數(shù)據(jù)詞典”圖標(biāo)，右面工作區(qū)會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)定義好的內(nèi)存變量。雙擊最下面的“新建”圖標(biāo)，彈出“定義變量”對(duì)話框（見(jiàn)圖5-3），開始定義輸入輸出變量。用同樣的方法組態(tài)所有變量（見(jiàn)圖5-4）。 組態(tài)