基于plc控制的变频恒压供水系统设计论文.doc

0 引言常规水泵大部分时间均在额定负荷下运行，特别是自来水厂和居民区生活供水，其设计均按最大用水负荷选择水泵，而每天24h用水负荷变化很大，在夜间用水量更少，采用变频恒压供水设备，可根据用水量的大小变化，自动调节水泵转速，同时确保供水压力恒定，可节约大量能源，延长设备使用寿命。在plc问世之前，工业控制领域中是继电器控制占主导地位。继电器控制系统有着十分明显的缺点：体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢、适应性差、尤其当生产工艺发生变化时，就必须重新设计、重新安装，造成时间和资金的严重浪费。为了改变这一现状，1968年美国最大的汽车制造商企业通用汽车公司(gm)，为了适应汽车型号不断更新的需求，一再激烈竞争的汽车工业中占据优势，提出要研制一种新型的工业控制装置来取代继电器控制装置，为此，特拟定了十项公开招标的技术要求。根据招标要求，1969年美国数字设备公司(dec)研制出世界上第一台plc(pdp-14型)，并在通用汽车公司自动装配线上试用，获得了成功，从而开创了工业控制新时代。plc的发展与计算机技术、半导体技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关，这些高新技术的发展推动了plc的发展，而plc的发展又对这些高新技术提出了更高、更新的要求，促进了它们的发展。随着工业自动化水平的迅速提高，计算机在工业领域的广泛应用，人们对工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的应用，使得传统的工业控制软件已无法满足用户的各种需求。在开发传统的工业控制软件时，当工业被控对象一旦有变动，就必须修改其控制系统的源程序，导致其开发周期长；已开发成功的工控软件又由于每个控制项目的不同而使其重复使用率很低，导致它的价格非常昂贵；在修改工控软件的源程序时，倘若原来的编程人员因工作变动而离去时，则必须同其他人员或新手进行源程序的修改，因而更是相当困难。通用工业自动化组态软件的出现为解决上还实际工程问题提供了一种崭新的方法，因为它能够很好地解决传统工业控制软件存在的种种问题，使用户能根据自己的控制对象和控制目的的任意组态，完成最终的自动化控制工程。虽然plc只有30多年的历史，但其发展势头迅猛，增长速度最快的工业控制器。plc将向两个方向发展，一方面向着大型化的方向发展，另一方面向着小型化的方向发展。其中，大型化向着大存储容量、高速度、高性能、增加i/o点数方向发展。主要表现在： 1) 增强网络通信功能。 2) 发展智能模块。 3) 外部故障诊断功能。 4) 编程语言、编程工具标准化、高级化。pid控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适时用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。而实际工业生产过程往往具有非线性、时变不确定性、难以建立精确的数学模型，应用常规pid控制其不能达到理想的控制效果；在实际生产现场中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规pid控制器参数往往整定不良，性能欠佳，对运行工况的适应性差。针对这些问题，长期以来，人们一直在寻找pid控制器参数的自整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求。随着微处理器的发展和数字智能式控制器的实际应用，这种设想已变成了现实。同时，随着现代控制理论(诸如智能控制、自适应模糊控制和神经网络技术等)研究和应用的发展与深入，为控制复杂无规则系统开辟了了新途径。近年来，出现了许多新型pid控制器，对于复杂对象，其控制效果远远超过常规pid控制。利用plc、变频器以及pid控制的变频恒压供水能够节省占地面积，有益于环境保护，而且操作简单、维护方便、同时在最大程度上降低了电能的损耗和电机启停时对电网的影响，系统的建立是时间短抗干扰能力强，因此，plc控制的变频恒压供水系统是现在化城市和生活小区供水较为理想的控制系统。1 概述1. 1课题的背景和研究的意义随着社会的飞速发展，人口的不断增长，近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量(包括城市公共设施等非生产用水)有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患(例如压力过高容易造成爆管事故)1。供水厂希望通过对原有系统的技术改造，提高生产过程的自动化水平。并在此基础之上配备相应的系统管理软件，改变传统的落后管理方式，使管理工作规范化，提高水厂的业务管理水平。由于水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统，所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行，设计一套取水和供水的自动控制系统，克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。在相当比较大规模的工业生产供水系统，以plc控制的变频调速恒压供水有它自身的特点：1) 供水量在短时间内(一天时间内)变化大，这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。2) 对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。3) 一般情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。从上即可结论：以plc为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。1. 2可编程控制器及变频调速技术在供水行业中的应用1. 2. 1可编程控制器的背景及特点早期的可编程序控制器(programmable logic controller，plc)，主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用2。1969年，美国数字设备公司(dec)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于plc，使得plc的功能大大增强。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程i/o模块和各种特殊功能模块。在软件方面，plc采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得plc所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高plc的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了plc软、硬件功能。在发达工业国家，plc已经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界plc以及软件市场报告称，1995年全球plc及其软件的市场经济规模约50亿美元。随着电子技术和计算机技术的发展，plc的功能得到大大的增强，具有以下特点：1) 可靠性高。plc的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。2) 具有丰富的i/o接口模块。plc针对不同的工业现场信号，有相应的i/o模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。3) 采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型plc以外，绝大多数plc均采用模块化结构。plc的各个部件，包括cpu、电源、i/o等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4) 编程简单易学。plc的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5) 安装简单，维修方便。plc不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。由于plc强大功能和优点，使得plc在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。plc在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、scada系统和供水管网信息管理系统等。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以监测等。1. 2. 2变频调速技术的发展及特点作为高性能的调速传动，直流发电机-电动机调速控制方法长期以来一直应用广泛。但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦，价格也相当昂贵。使异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。异步电机的调速方法很多，例如变极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用3。70年代以后，由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展，促使晶体管变频器的诞生。晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点，而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。到80年代末，交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由igbt或gtr模块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式是可节电4060，节水1530。由于变频调速具有调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流-直流-交流变频器和交流-交流变频器两大类，目前国内大都使用交-直-交变频器。自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。在短短的几年内，变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐被多泵调速系统所代替。虽然单泵调速系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵调速系统投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。1. 3本文的主要研究内容经过系统的调研和分析，并结合供水厂的生产实际，本次研究的主要内容和目标是基于plc的单台变频器拖动多台电机变频运行的恒位产水一巨压供水自适应平衡控制系统的研制，该系统利用变频器实现水泵电机的软起动和调速，摒弃了原有的自藕降压起动装置，同时把阀门控制和水泵电机控制都纳入自动控制系统。整个系统的操作控制实现微机自动化管理，设备管理达到最优效果，运行调节达到最佳节能，运行参数有记录。具体而言，论文包括以下内容：1) 对水泵电机的调控技术进行分析和比较，并对多泵恒压供水系统中的关键问题进行了论述；在此基础上，提出了本文的主要研究内容和研究方法。2) 从水泵理论和管网特性曲线分析入手，讨论水泵工作点(工况点)的确定方法和水泵工况调节的几种常用方法。在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。本文重点对变频调速恒压供水系统中水泵能耗机理进行深入研究，得出一些有益的结论。3) 介绍了基于plc的变频调速恒压自动控制供水系统，该系统由一台变频器拖动多台水泵电机变频运行。压力传感器采样管网压力信号经pid处理传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。重点对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程，控制系统的硬件设计和plc程序梯形图设计进行研究。2变频调速恒压供水系统分析2. 1变频调速恒压供水系统方案的选择传统的供水方式(包括水箱、水塔供水和气压供水)。1) 水箱/水塔供水：供水系统采用水箱/水塔，称为重力供水。供水压力比例恒定，且有贮水。但它是由位置高度形成的压力来进行供水的，为此，需要建造水塔或将水箱置于建筑物的顶上。即使如此，还常常不能满足最不利供水点的供水要求，难以满足不断增加的用水需求。同时由于在屋顶上形成很大的负重，增加了结构面积，也妨碍了美观。此外，屋顶水箱必须高出水面几米，建筑方面较难处理，而且投资周期长。2) 气压供水：气压给水系统不在屋顶上设置水箱，也不用单独建筑水塔，仅在地下室或某些空旷之处加压送到管网中去。其优点是灵活性大，建设快，少受污染，不妨碍美观，有利于扩展与消除管道中的水锤与噪声，且可以通过改变压力罐的压力来满足不断增加的供水需求。缺点是需要压力罐，其体积和投资大，压力变化大，运行效率低，还需要使用张力膜或设置空气压缩机冲气。因此，电能消耗大，运行费用高。给水方式的选择应以经济合理，技术先进，供水安全可靠为原则。随着交流电机变频调速技术的日益成熟，为实现恒压供水提供了可靠的技术条件。利用变频器、pid调节器、单片机、plc等器件的有机结合，构成控制系统调节水泵的输出流量，取代了水塔、水箱、气压罐等实现了恒压供水。其配置日趋合理，成为供水网系的替代产品。3) 变频调速恒压供水：变频调速恒压供水器由电动机、泵组和变频调速系统、压力仪表、管路系统等组成。电动机泵组多由同型号的水泵24台并联而成(以四台为例)。由变频器和工频电网供电，根据供水系统的运行状况自动调节和切换。主要优点：对电网冲击小，保护功能完善。消除了水泵电机直接启动时对电网的冲击和干扰，并且设备控制系统具有短路、过流、过压、过载、欠压、过热等多种保护功能，大大提高了工作效率，延长了水泵的使用寿命。当变频器发生故障时，能够自动转换至工频运行，确保供水不间断。突然停电后再来电，设备能够自动启动运行。因为实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中，其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。由于其节电效果明显，所以系统具有收回投资快、长期受益的特点，其产生的社会效益也是非常巨大的。水泵电动机采用软启动方式，避免了电动机启动时的电流冲击，也避免了电动机突然加速造成泵组系统的喘振。无塔供水系统不需要水塔、高位水箱和气罐，设备简单，控制实时性好，且能满足不断增加的供水需求。建筑高度增加时，无塔供水器只需要改变水压设定值和修正流量参数就能满足要求，而无需改变供水需求。变频调速恒压供水控制系统的主要应用场合：高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。1) 各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。2) 中央空调系统。3) 自来水场增压系统。4) 农田灌溉，污水处理，人造喷泉。5) 各种流体恒压控制系统。变频调速恒压供水控制系统的应用，为人民生活带来极大的方便，也为企业带来巨大的经济效益。并同时得到了科教工作者、企业家与广大民众的认可。将来的趋势必定是全面取代传统供水方式，成为供水系统的主流。2. 2变频调速恒压供水系统分析在变频调速供水系统中，是通过变频器来改变水泵的转速，从而改变水泵工作点来达到调节供水流量的目的。反映水泵运行工况的水泵工作点也称为水泵工况点，是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。在调节水泵转速的过程中，水泵工况点的调节是一个十分关键的问题。如果水泵工况点偏离设计工作点较远，不仅会引起水泵运行效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水。水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程，这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化。因此水泵工况点的确定和工况调节与这三者密切相关4。2. 3变频调速的节能、调速原理水泵机组应用变频调速技术，即通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速，可以相应地改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网最不利点压力恒定，达到节能效果。如图2-1所示，n为水泵特性曲线，a为管路特性曲线，h0为管网末端的服务压力， 为泵出口压力。当用水量达到最大qmax时，水泵全速运转，出口阀门全开，达到了满负荷运行，水泵的特性曲线n0和用水管路特性曲线a0汇交于b点，此时，水泵报出口压力为，末端服务压力刚好为h0。当用水量从qmax减少到q1的过程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。图2-1节能分析曲线图fig.2-1 curve of energy-saving analysis1) 水泵全速运转，靠关小泵出口阀门来控制：此时，管路阻力特性曲线变陡(a2)，水泵的工况点由b点上滑到c点，而管路所需的扬程将由b点滑到d点，这样，c点和d点扬程的差值即为全速水泵的能量浪费。2) 水泵变速运转，靠泵的出口压力恒定来控制：此时，当用水量由qmax下降时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒量方式工作。所以其工况点始终在上平移。在水量到达q1时，相应的水泵特性曲线为nx，面管路的特性曲线将向上平移到a1，两线交点e即为此时的工况点。这样，在水量减少到q1时，将导致管网不利点水压升高到h1h0，则h1即为水泵的能量浪费。3) 水泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制：此时，当用水量由qmax下降到q1时，水泵降低转速，水泵的特性曲线变为n1，其工况点为d点，正好落在管网特性曲线a0上，这样可以使水泵的工作点始终沿a0滑动。管网的服务压力h0恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费。此方案与泵出口恒压松散水相比，其能耗下降了h1。根据水泵的相似原理： q1/q2=n1/n2 (2-1)h1/h2= (n1/n2)*2 (2-2)p1/p2=(n1/n2)*3 (2-3)式中，q、h、p、n分别为泵流量、压力、轴的功率和转速。即通过控制转速可以减少轴功率。 根据以上分析表明，选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术落后相结合，达到最佳节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性等因素发生变化，最不利点的水压是恒定的。保证了居民用水压力的可靠。采用变频恒压供水系统除可节能外，还可以使水泵机组启动，降低了启动电流，避免了对供电系统产生冲击负荷，提高了供水供电的安全可靠性，另外，变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。由流体力学知：管网压力p、流量q和功率n的关系为：n = pq (2-4)又功率与水泵电机转速成三次方正比关系，基于转速控制比基于流量控制可以大幅度降低轴功率。2. 4变频调速恒压供水工况分析与能耗机理分析2. 4. 1管路水力损失及性能曲线管路水力损失分为沿程损失和局部损失两种，即 (2-5)沿程损失： (2-6) 局部损失： (2-7) 式中-管路沿程摩擦损失系数；-局部损失系数；l-管路长度(m)；-各局部损失的计算流速(m/s)；-过水截面的面积()。将式(2-6)和(2-7)代人(2-5)可得 (2-8)式中s被称为管路阻力系数。当水泵管路系统确定后，相应的、l、a等参数都能确定，s也就确定了。由式(2-8)可知管路水力损失与流量的平方成正比。当上下水位确定后，管路所需要的水头损失就等于上下水位差(即实际扬程)加上管路损失。 (2-9)由式(2-9)可以得到如图2-2所示的管路性能曲线。2. 4. 2水泵工作点的确定和调节1) 水泵工作点的确定如果把某一水泵的性能曲线(即hq曲线)和管路性能曲线画在同一坐标系中，如图2-2所示，则这两条曲线的交点a就是水泵的工作点。若把水泵的效率曲线-q也画在同一坐标系中，可以找出a点的扬程、流量以及效率。从图中可以看出，水泵在工作点a点提供的扬程和管路所需的水头损失相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。2) 水泵工作点的调节交流电动机的转速n与电源频率f具有如下关系： (2-10) 式中：p-极对数；s-转差率因此不改变电动机的极对数，只改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。变频器调速的工作原理就是通过选择电压频率比(v/f)曲线，设定加减速时间以及转矩补偿曲线，使电动机启动时转速从零开始逐渐升高，实现软启动，减少了启动电流。在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n从而改变水泵的转速。由于水泵的流量、扬程和消耗的功率都可以随其转速的变化而变化，变频调速技术可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况，大大扩展了水泵的高效运行范围。图2-2 水泵工作点的确定fig.2-2 at the pumps work identified当管网负载减小时，通过vvvf降低交流电的频率，电动机的转速从n1降低到n2。另外根据叶片泵工作原理和相似理论，改变转速n，可使供水泵流量q、扬程h和轴功率n以相应规律改变。泵的运行效率会大大下降。因此，水泵转速调节要尽量使水泵在高效区之内运行，避免使变频器频率下降得过低，而造成水泵在低效率段运行。2. 4. 3水泵变频调速节能分析水泵运行工况点a是水泵性能曲线n1和管路性能曲线r1的交点。在常规供水系统中，采用阀门控制流量。需要减少流量时关小阀门，使管路性能曲线由r1变为r2。运行工况点沿着水泵性能曲线从a点移到d点，扬程从h0上升到h1，流量从q0减少到q1。采用变频调速控制时，管路性能曲线r1保持不变，水泵的特性取决于转速。如果水泵转速从n0降到n1，水泵性能曲线从n0平移到n1，运行工况点沿着水泵性能曲线从a点移到c点，扬程从h0下降到h2，流量从q0减少到q1。在图2-3中，水泵运行在b点时消耗的轴功率与h1、b、q1、0的面积成正比，运行在c点时消耗的轴功率与h2、c、q1、0的面积成正比。从图上可以看出，在流量相同的情况下，采用变频调速控制比恒速泵控制节能效果十分明显。求出运行在b点的泵的轴功率： (2-11)运行在c点时泵的轴功率： (2-12)两者之差： (2-13)图2-3 水泵节能分析图fig.2-3 pumps of energy-saving plans也就是说，采用阀门控制流量时有的功率被白白浪费了，而且损耗随着阀门的关小而增加。相反，采用变频调速控制水泵电机时，当转速在允许范围内降低时，功率以转速的三次方下降，在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀门增加阻力的流量控制方式相比，节能效果十分显著。2. 5调速范围的确定考察水泵的效率曲线h-q，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下降得过低，避免水泵在低效率段运行。水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体最低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40hz以上，也就是说转速下降在20%以内，在此范围内，电动机的负载率在50%100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。启动频率一般来说，水泵在低速运行的意义并不大，有的水泵并不能从0hz开始启动，所以，应该预置运转开始频率一下，变频器处于待机状态，一利于更好的节能。所以，在变频启动无过流的前提下，运转开始频率可预置的高一些，一般设定范围为020hz(也可以通过预置下限频率来达到目的)。最高频率：水泵属于平方律负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加。例如，当转速超过额定转速10(nx1.1nn)时，转矩将比额定转矩超过21(tx1.21tn)，导致电动机严重过载。因此，变频器的工作频率是不允许超过额定转矩的，其最高频率只能与额定频率相等，fmaxfn50hz。一般来说，上限频率也以等于额定频率为宜，但有时也可以预置的略低一些，原因有二：1) 变频器由于内部往往具有转差补偿功能，所以，在同是50hz的情况下，水泵在变频运行时，实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了水泵和电机的负载；2) 变频调速系统在50hz下运行时，不如直接在工频下运行为好，可以减少变频器本身的损失，因此，将上限频率预置为49hz或49.5hz最合适。下限频率：在供水系统中，转速过低时会出现水泵的全扬程小于基本扬程(实际扬程)形成水泵“空转”的现象。所以，在多数情况下，下限频率应定为30hz35hz。3变频调速恒压供水系统的整体设计方案3. 1变频调速恒压供水系统构成及原理构成5：本系统以由三台主水泵(1#泵、2#泵、3#泵)、一台辅助水泵(4#泵)、一台变频器，一台plc、一个远传压力表及若干辅助部件构成，如图3-1所示。各部分功能如下：1) 水泵用来提高水压以实现向高处供水；2) 安装于供水管道上的远传压力表将管网水压力转换成4-20ma的电信号；3) 变频调速器用于调节水泵转速以调节管网中水流量；4) plc用于水泵的逻辑切换、控制及供水压力的pid控制等；5) 外围辅助电路可以当自动控制系统出现故障时可以通过人工调节方式维持系统运行，以保障连续生产。图3-1变频调速恒压供水系统构成图fig.3-1 the structeue chart of the constant pressure water supply system with changing frequency and speed abilities原理：原理图如图3-2所示。变频调速恒压供水系统中远传压力表将主水管网压力信号转换成电流信号再经plc的扩展模块pid运算送给变频器，并给出信号直接控制水泵电动机的转速和泵水量以使管网的压力稳定，由此构成压力闭环控制系统。变频器的上、下限频率信号及其持续时间长短可作为plc进行逻辑切换、起停泵的依据6。图3-2 变频调速恒压供水系统原理图fig.3-2 principle chart of the constant pressure water supply system with changing frequency and speed abilities当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，变频器的高速信号(即变频器的频率上限信号)被plc检测到，如果频率上限信号持续出现一定时间，plc自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行，同时将另一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证系统压力稳定。若两台泵全速运转仍不能达到设定压力，则将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。当用水量减少时，首先表现为变频器己工作在最低速信号(即变频器的频率下限信号)有效，如果频率下限信号持续出现，plc首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当变频器下限信号持续出现一定时间，plc再停掉一台工频运行的水泵电机，只剩一台泵用变频器控制供水，如果变频器下限信号还持续出现，则进入小容量的辅助水泵变频运行(特别适合深夜用水量较小时)7。3. 2系统要求实现的功能系统要求实现如下功能：1) 全自动运行合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0hz上升，同时pid调节程序将接收到自远传压力表的信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升，直到50hz，1#泵由变频切换为工频，同时对2#泵进行变频启动，变频器频率逐渐上升至需要值，加泵依次类推；如用水量减小(压力过大)，变频器下限频率持续出现，则将先启动的泵先切除。若有电源瞬时停电的情况，则系统停机。待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。变频自动控制功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软启动、停止、循环变频的全部操作过程。2) 手动运行当远传压力表故障或变频器故障时，为确保用水，四台泵可分别以手动控制方式工频运行。3) 停止转换开关置于停止位置，设备进入停机状态，任何设备不能启动。4) 采用“自动切换”和“先启先停”原则“自动切换”是指当一台单独运行水泵或者有两台同时运行的水泵，运行在这种状态下持续时间达到设定时间时自动换泵运行。“先启先停”是指哪一台先启动的水泵在压力过大时也先被切除，这样保证系统的每台泵运行时间接近，防止有的泵运行时间过长，而有的泵却长时间不用而锈死，从而延长了设备的使用寿命。 5) 平稳切换，恒压控制 远传压力表将主水管网压力信号经plc的扩展模块pid运算送给变频器，并给出信号直接控制水泵电动机的转速以使管网的压力稳定。当在运行的水泵全速运行，还未达到给定压力时，变频运行的泵被切换到工频运行，变频器将启动另一台泵(即采用软启动)。 6) 完善的各种保护、报警功能 对工频电源和变频电源在供电控制回路上实现机械和电气互锁，防止短路产生。当水泵的功率较大时，为防止直接启动电流过大，需要采用软启动方法，即用变频器来启动水泵。运行的水泵在断开电源后，利用其运行的惯性切换到工频，可避免切换过程中产生过电流。 电动机的热保护。虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小，但是当用户用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升速、降速状态，这时电动机的电流可能超过额定电流，导致电动机过热。因此电动机的热保护是必须的。具有缺水保护功能。当水泵工作在自动状态，为防止当水池没水时水泵空载运行，烧坏水泵电机，系统设计一缺水保护电路。当水池缺水时，保护电路中继电器常开触点断开，切断控制电路电源，从而保护系统。 7) 满足用户在用水高峰时的用水要求 根据用户最大用水量和供水高度的计算，本系统采用扬程61m，流量12.6立方米每小时，轴功率5.5kw的主泵三台；扬程48m，流量7立方米每小时，配套功率2.2kw辅泵一台。系统最大功率为16.5kw，扬程为61m。4变频调速恒压供水系统的硬件部分设计 变频调速恒压供水系统硬件部分主要由变频器、plc、远传压力表、气压罐、水泵等组成，硬件部分设计主要包括以上设备的选型和主电路、控制电路的设计。4. 1变频器的工作原理和选择 变频器是采用交-直-交电源变换技术、电力电子技术、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品，它通过改变电动机工作电源频率从而达到改变电动机转速的目的。它在变频调速恒压供水系统中起着非常重要作用，是水泵电机调速的执行者8。4. 1. 1变频调速基本原理 变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系： (4-1) 式中，n表示电机转速； f表示电源频率； s表示电机转差率； p表示电机磁极对数。 通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。变频器就是基于上述原理采用交-直-交电源变换技术、电力电子、微电脑控制等技术于一身的综合性电气产品。 实际上，若仅改变电源的频率则不能获得异步电动机满意的调整性能。因此，必须在调节的同时，对定子相电压也进行调节，使与之间存在一定的比例关系。故变频电源实际上是变频变压电源，而变频调速准确的称呼应是变频变压调速，其英文术语为variable voltage variable frequency，又简称为vvvf调速器。根据与的关系，变频调速原则上主要有以下两种： 1) 恒转矩变频调速(恒磁通变频调速)由异步电动机的电势方程知：电动机定子相电压近似与电源、磁通的乘积成正比。故若一定时，则必将随着的变化而变。若从额定值(我国通常为50hz)往下调节时，就增大。而电动机在设计时，为了充分利用铁芯材料，一般都把值选在接近磁饱和和数值附近。因此，的增大，就会导致磁路过饱和，励磁电流大大增加，这将使电动机带负载的能力降低，功率因数值变小，铁损增加，电动机过热，这是不允许的。反之，若从额定值往上调节时，就减小，这在一定的负载下又有过电流的危险.为此通常要求磁通恒定，即与成正比关系，即 (4-2)式(4-2)中，为电动机在非额定工况时的定子电压和电源频率。又由异步电动机的转矩方程式知，当有功电流额定时，一定时，电动机的转矩m也一定，故恒磁通即恒转矩。2) 恒功率变频调速当电动机在额定转速以上运转时，定子频率将大于额定频率。这时若仍采用恒磁通变频调速，则要求电动机的定子电压随着升高。可是电动机绕组本身不允许承受过高的电压，电压必须限制在允许的范围内，这就不能再应用恒磁通变频调速。在这种情况下，可以采用恒功率变频调速。根据推导可知，恒功率调速必须满足以下两个条件：定值 (4-3)由于恒功率变频调速时必将发生变化，故电动机效率和功率因数将有可能下降。从上面对恒磁通和恒功率的变频调速特性分析可以得知，变频调速从额定频率往频率下降的方向调速时，即次同步高速时，应采用恒转矩(恒磁通)变频调速；变频调速从额定频率往频率增加的方向调速时，即超过同步调速时，需要采用恒功率变频调速9。4. 1. 2变频器的分类及各种型式变频器的特点变频调速系统的主要设备是能提供变频电源的变频器。变频器的变流元件(电力开关元件)目前使用的主要有如下4种：晶闸管(可控硅)、大功率三极管(gtr，动力晶体管)、可关断晶闸管(gto可关断可控硅)、二极管。变频器可分为交流-直流-交流(简称交-直-交)变频器和交流-交流(简称交-交)变频器两类。交-直-交变频器是先将工频交流电通过整流器整流成直流；再把直流电经逆变器变成频率可调的交流电。交-交变频器将电网的交流电直接变为电压和频率都可调的交流电。由于交-交变频器的输出频率一般最高只能达到电源频率的1/21/3，所以它适用于低速大功率的传动，在泵与风机的调速节能中迄今很少使用。本文只讨论交-直-交变频器。交-直-交变频器又分为电流型和电压型两种，两者的主要区别是中间滤波环节的滤波方式不同。电压型变频器采用大容量的电容器进行滤波，直流回路的电压波形比较平直，输出呈低阻抗，类似于电压源。逆变器中电子开关的通断作用实质是将直流电压以一定的方向和次序分配给负载电动机的各个绕组，形成矩形波或阶梯形波的交流电压。电流型变频器则采用大电感的电抗器进行滤波，直流回路的电流波形比较平直，输出呈高阻抗，类似于电流源。逆变器中晶闸管等电子开关的通断作用实质上是将直流电以一定的方向和次序分配给负载电动机的各个绕组，形成矩形波或阶梯波的交流电流。除上述电流型和电压型变频器外，70年代后期又在电压型变频器的基础上发展出一种脉冲宽度调制(pwm)型变频器。以单相变频器通电型为例，电压型变频器输出的电压波形为矩形；而pwm型则是把电压型的矩形波分割成若千个脉冲，若适当选择脉冲个数和脉冲宽度，则其输出波形近和正弦波相当。这就减少了电压中的低次谐波，减少了谐波损失，扩大了装置系统调速范围，提高了电动机在低速运行时稳定性。pwm型变频器根据供给逆变器的直流电压是可变还是恒定又分为恒幅pwm型变频器和变幅(脉冲幅值可调的)pwm型变频器两种。恒幅pwm型变频器是由二极管整流器，逆变器组成，逆变器的输入恒定直流电压，通过调节其脉冲宽度和输出交流电压频率来实现既调压又调频，变频变压都由逆变器承担。由于输出电压由逆变器决定，所以恒幅pwm型变频器的调节速度快，系统的动态响应好；并且由于直流电源由整流桥整流得到，所以无需移相控制，功率因数高。这种变频器的逆变器的交流元件可采用大功率三极管(otr)(适用于中小容量)或可关断晶闸管(gto)(适用于大中容量)。由于gto和gtr均有自己关断的能力，故在变频调速系统中可省去复杂的换流电路和换流元件，从而消除了电路的换流损耗，故恒幅pwm型变频器具有高的调速效率和可靠性。脉冲幅值可调的pwm型变频器，它与普通电压型变频器相同，该电路由可控硅整流器，中间滤波环节和晶闸管(或其它换流元)逆变器组成，逆变器用于频率的控制。pwm型变频器虽多为上述电压型的，但近来也有电流型的。电流pwm变频器波形的特点是把宽的电流矩形波中间的保留不动，而把前后的波形切成脉冲状。普通的电流变频器的主要问题是由于它的输出电流为矩形波，由此产生的高次谐波成分将会对电动机和电源产生不良影响。如使供电电源质量下降，电动机的特性恶化；电动机产生转矩脉动问题等。为了减少高次谐波成分，除了采用前面所述的pwm技术以外，还可采用多重化技术，即把多组电流型变频器并联起来，以改善其输出电流波形特形。在泵与风机调速节能的变频调速系统中现己普遍采用这一多重化技术。由于变频调速在宽的转速范围都具有高的调速效率，所以是一种很有发展前途的调速。在德国，日本等先进工业国家，在泵与风机的调节方面已普遍应用变频调速。4. 1. 3变频器的选型变频器的选择包括变频器的型式选择、容量选择和变频器箱体结构的选择三个方面。其总的原则是首先保证可靠地满足工艺要求，再尽可能节省资金。变频器的型式选择根据控制功能可将通用变频器分为三种类：普通功能型u/f控制变频器、具有转矩控制功能的高性能u/f控制变频器知矢量控制高性能型变频器。变频器类型的选择要根据负载的要求进行。对于风机，泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择普通功能型的变频器。在变频器选型前应掌握传动系统的以下参数：1) 电动机的极数。一般电动机极数以不多于4极为宜，否则变频器容量要适当加大。2) 转矩特性。在同等电动机功率情况下，相对于高过载转矩模式，变频器规格可以降额选取。3) 电磁兼容性。为减少主电源千扰，使用时可在中间或变频器输入电路中增加电抗器，或安装前置隔离变压器。一般当电动机与变频器距离超过50m时，应在它们中间串入电抗器、滤波器或采用屏蔽防护电缆。变频器的选型应满足以下条件：1) 电压等级与驱动电动机相符。2) 额定电流为所驱动电动机额定电流的1.11.5倍。3) 根据被驱动设备的负载特性选择变频器的控制方式。变频器容量选择： 变频器的容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流量是一个反映半导体变频器装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。变频器的额定功率指的是它适用的4级交流异步电动机的功率。由于同容量电动机，其极数不同，电动机额定电流不同。随着电动机极数的增多，电动机额定电流增大。变频器的容量选择不能以电动机额定电流为依据。同时，对于原来采用变频器的改造项目，变频器的容量选择也不能以电动机额定电流为依据。这是因为，电动机的容量选择在考虑最大负载，富裕系数，电动机规格等因素，往往电动机的容量富裕较大，工业用电动机常常在50%60%额定负荷下运行。若以电动机额定电流为依据来选择变