变频恒压供水设计说明书2.

1、交流调速课程设计说明书2013年5 月31 日、设计目的 21、设计任务22.1 设计内容22.1 设计原始资料*、 亠丿户人、人 、r* 二、方案论证3.1 供水方式 3四、变频恒压供水系统理论分析 34.1 离心泵的工作特性 34.2 变频调速原理 4五、方案设计 55.1 主电路设计 55.2 控制电路设计 55.3 软件设计 7六、元器件的选型96.1 水泵电机的选择 96.2 变频器的选择 96.3 低压断路器的选择 106.4 接触器的选择 116.5 热继电器的选择 116.6 中间继电器的选择 116.7 压力传感器的选择 126.8 PID 调节器的选择 126.9 数字频率

2、计的选择 12七、使用说明书 12八、总结 13参考文献 13附录（元件明细表、指令语言、电气原理图、梯形图） 14一、设计目的初步掌握交流变频调速系统的设计方法及理论知识的应用能力。提高调 速系统设计方面的实践技能，培养综合运用知识，分析和解决实际问题的能力。 通过控制系统的设计，初步掌握交流变频调速控制系统设计的方法。二、设计任务2.1设计内容（论文阐述的问题）变频调速是一种新兴的技术，将变频调速技术用于供水控制系统中，具有高效节能、水压恒定等优点。本课程设计是电气工程及其自动化专业 交流调 速课程的实践性环节，其主要目的是培养学生初步掌握交流变频调速系统的 设计方法及理论知识的应用能力。

3、本课程设计的基本任务是提高学生在调速系 统设计方面的实践技能，培养学生综合运用知识，分析和解决实际问题的能力。 通过控制系统的设计，初步掌握交流变频调速控制系统设计的方法。2.2设计原始资料（实验、研究方案）一楼宇供水系统，正常供水量为 35mV小时，最大供水量40mV小时，扬程 25米。采用变频调速技术组成一闭环调节系统，控制水泵的运行，保证用户水 压恒定。当用水量增大或减小时，水泵电动机速度发生变化，改变流量，以保证 水压恒定。设计要求：1 设二台水泵。一台工作，一台备用。正常工作时，始终由一台水泵供水。当工作泵出现故障时，备用泵自投。2.二台泵可以互换。3 给定压力可调。压力控制点设在水

4、泵出口处。4 具有自动、手动工作方式，各种保护、报警置。采用OMRON CPM1A P、（富士变频器完成设计。2.3设计完成后提交的文件和图表1. 课程设计说明书，包括：方案的确定系统的工作原理水泵电机的容量、主电路元件型号的确定 操作使用说明书。2、图纸部分：电气控制原理图3.1供水方式方案一：管网供水，设备简单，在室外管网的水压在任何时候都能满 足室内管网最不利点所需的水压，并能保证官网昼夜所需的流量时，常用的给水 方式。方案二：能储备一定量的水，但是高位水箱重量大，位于屋顶，需要 考虑建筑的承重力问题，且存在二次污染。方案三：气压式供水，将高位水箱用一个密闭的容器(压力罐)取代，具有调节

5、和贮存水量、保持需要压力的作用。压力罐可根据情况，安装于任何适 宜的地点，无二次污染的问题，也无建筑承重力的考虑。方案四：变频恒压供水，有压力传感器、变频器、PLG调节器构成的单闭环负反馈调速系统。具有高效节能，用水压力恒定、延长设备使用寿命、功 能齐全的特点，无二次污染的问题，也无建筑承重力的考虑。经综合分析比较，并结合设计要求，选用变频恒压供水的方式。四、变频恒压供水系统的理论分析变频恒压供水的系统调节原理框图如下图所示：4.1离心泵的工作特性供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线f(Q)，19如图4-1所

6、示图1-1供水系统的基本特征由图可以看出，流量Q越大，扬程H越小。由于在阀门开度和水泵转 速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q(u)间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为 前提，表明阀门在某一开度下，扬程 H与流量Q之间的关系H J (Qu )。管阻 特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力 的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程 H越大，流量Q也越大。由于 阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量 Qc之间的关系H f (Qc

7、)。扬程特 性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图中A点。在这一点, 用户的用水流量Qu和供水系统的供水流量 Qc处于平衡状态，供水系统既满足了 扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。图 4-1供水系统的基本特征。4.2变频调速原理交流电动机的转速表达式:（式 4-2）n=120X f x (1-s)/P参数说明：n-水泵电机转速f电机电源频率P电机极数转差率有式（4-1 ）可知，均匀的改变电机频率f,就可以平滑的改变电机的同步转 速，即可改变电机转速。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的， 是一种理想的高效率、高性能的调速方式。五、方案设计5.1主电路设计主电路

8、原理图如图5-1所示:图5-1利用低压断路器进行短路、欠压保护，热继电器进行过载保护，接触器控制 主电路的通断，中间继电器 KA控制自动状态，水泵电机的接通，压力传感器检 测管网实时压力，将420mA勺直流信号传送至PID调节器，经PID调节，将420mA 的直流信号传送至VVVF变频器，变频器由此改变输出频率，控制电机转速，实 现闭环负反馈控制，以此实现变频恒压供水。当然也有相应的手动运行状态可操 作。5.2控制电路设计根据系统的控制要求，采用 OMROCPM1療列PLC为中心控制单元，根据控 制要求列出I/O分配表如下：PLC控制的I/O分配表输入输出现场信号PLC地址现场信号PLC地址工

9、作方式切换旋钮SA100000电源接触器KM01000工作泵选择SA200001电源接触器KM101001启动按钮SB1（自动）00002电源接触器KM201002停机按钮SB2（自动）00003电源接触器KM301003M1启动按钮SB3（手动）00004电源接触器KM401004M1停机按钮SB4（手动）00005中间继电器KA01005M2启动按钮SB5（手动）00006紧急停机指示灯HL001006M2停机按钮SB6（手动）00007VVVF故障指示灯HL701007紧急停机按钮SB00008M1过载指示灯HL801100液位下限信号SL00009M2过载指示灯HL901101VVVF

10、故障信号00010液位下限指示HL1001102热继电器触点FR100011报警器HA01103热继电器触点FR200100有I/O分配表可知，需要输入/输出点数为13/12点。增加10%20的可扩 展余量后，得到输入/输出点数为16/15点。因此选用OMRON CPM系列PLC作 为中心控制单元，其I/O点数为40点，其中输入/输出点数分别为24/16，输入 接口模块的外部接线方式为汇点式，输出接口模块的外部接线方式为分组式。根据控制要求及I/O分配表，设计控制电路PLC外部接线图如下图5-2:匸=Ji:MJJ-:-o =-=-=一工一”1 斗工-:ra -5-=-3-1-JblX.Z _

11、-3-Z-Z-CB hTE-3d OO.二二 oo-t L_0:u-5T-rxjc- - - - 3-_ -l_命 - _ T -一1X S1*+H图5-25.3软件设计根据控制要求及I/O分配表编写梯形图如下:00006匚）0100401004M2手动运行将SA1置于常开位置，系统处于手动运行状态，接入电源，按下启动按钮SB3（或者SB5），输出点01002 （或者01004）被接通，电机 M1（或者M2）启动,处于手动运行状态，当按下停机按钮 SB4（或者SB6时，电机停机。当水池液 位达到液位下限（或者电机过载），相应的运行M1（或者M2电机便会自动停机 将SA1置于常闭位置， 系统处于

12、自动运行状态，将SA2置于常闭位置时，按下自 动状态启动按钮SB1,电机M1（或者M2以及变频器的接触器触KM1或者KM3） KM触点闭合，将SA2置于常闭位置时，电机 M伪工作泵，M2为备用泵，反之， M2为工作泵，M伪泵用泵。当电机M1或者M2过载时，备用泵M2或者M1）自 动投入运行，其中20000、20002、20004是内部辅助继电器，2000是自动运行启 停控制,20002、2004分别是M2 M1过载时，泵用泵自投的接通。按下停机按钮 SB2电机与变频器均失电停机。当水池液位达到液位下限（或者变频器故障） 电机以及变频器自动失电停机。2OOQCJ2004毗自动运行状态控制0100

13、3M丄过载M2吕投亦过戟0002电机M1（或者M2以及变频器的接触器触 KM1或者KM3） KM触点闭合,经TIM000延时30s,中间继电器看KA得电，其常开闭合，变频器FWD点闭合，电 机M1（或者M2）得电，当电机M1（或者M2过载时，同时中间继电器KA也会失电, 变频器FW点断开，备用泵M2（或者M1）自动投入，经TIM000延时30s，KA得电, 电机被接通，正常工作。T戸二亡宀匚二jd:二厂oyojLxoy3L|io电机过载，液位到达液位下限，变频器故障的指示灯点亮，与报警。六、元器件的选型6.1水泵电机的选择水泵电机采用离心式水泵，由离心泵功率计算公式：P=流量(Q x扬程(H)

14、x 9.81 x介质比重十3600十泵效率(n )设计要求：Qmax=40m3/h H=25m水的比重=1000kg/m3,取离心泵效率为n =60%则离心水泵的功率：P=40X 25X 9.81 x 1000/(3600 X 60%)=4541.7朋4.542KW选择型号为CK50/32LB的离心泵。其技术参数如下：流量： 6.1112.22L/S(21.943.9m3/h)，扬程：26-29.4m，转速：1450r/min，电机功 率：7.5KW 效率：47%-60%轴功率：5.34KW 以效率47%来算看所选水泵电机 功率是否满足要求，则有：P=40X 25X 9.81 X 1000/(

15、3600 X 47%)=5797.9W 5.798KW7.5KW水泵可达 流量及扬程值也都在设计要求的范围内，因此选用CK50/32LB满足要求。6.2变频器的选择泵类负载在静态、动态性能指标及裹在能力方面呢要求较低，其负载转矩与 速度的二次方成正比，故变频器选型时以廉价为主要原则，选择普通功能型变频器。在这里，选用富士 FRN7.5G11S-4JE变频器。其控制电路接线及端子功能介 绍如下：(1) 模拟输入端子(13、12、C1、11)外界电位器用电源 设定电压信号输入，从12和公共端11输入，进行频率设定，输入 阻抗为220K?，输入直流电压0 10V,亦可输入PID控制的反馈信 号。设定

16、电流信号输入。从C1和公共端11输入，进行频率设定，输入 阻抗为250?，输入直流电流为420mA亦可输入PID控制的反馈信号。（2）开关量输入端子（FWD CMFWD为正传开/停，CM为其公共点。（3）开关量输出端子（FMP CM 30A、30B 30C）总报警输出继电器，有30A、30B30C输出，触电容量为AC250V/0.3A, 可控制总报警输出保护动作的报警信号。数字脉冲计数输出，从FMP和公共端CM俞出脉冲波形输出监视信号。 可接数字频率计。6.3低压断路器的选择低压断路器具有过载、短路、欠电压保护作用，其额定电流及过电流脱扣器 的额定电流应大于或等于被保护电路的计算电流。所选择电

17、机M1 M2的功率均为7.5KW，则有：P = ,3UICOS:，功率因数取0.9，,得M1 M2的额定电流为：|N1 =|N2 =p/（ .3UCOS：） =7500/（ .3 380 0.9）=12.66A变频器额定电流I12.66A，稍大于12.66A。则所用于控制总电源通断的断路器 QF的额定电流约为：In = Z In2 I N3 = 39.78 A故，在此处，QF选用天水二一三GSM1-63L/3的三极低压断路器，其电流 调整范围为663A控制各电机线路电源及变频器通断的断路器 QF1 QF2 QF3的额定电流均约 为为：I N = IN1 = IN2 = |N3 =12.66A故

18、，在此处QF1QF2QF3选用天水二一三 GSM1-63L/3三极低压断路器，其电流调整范围为663A可以满足要求。PLC正常工作电源为AC220V其工作电流比较小，甚至不到1A,故，控制PLC 电源通断的低压断路器QF4，选用天水二一三DZX4-3/2两级低压断路器,其 额定电流为3A。控制PLC输出负载通断的低压断路器 QF5其额定电流约为各负 载额定电流之和，指示灯、报警器的额定电流都比较小，因此主要为通过接触器 线圈的额定电流之和，约为76A,因此，选用QF5天水二一三DZX2-100两级低压 断路器，其额定电流为100A。6.4接触器的选择所用电源为三相交流电，因此，所选用接触器为交

19、流接触器接触器的额定电压应等于负载的额定电压， 额定工作电流近似等于控制功率 的2倍或者根据P = 3UIC0S 计算。分别控制M1、M2的接触器KM1 KM2 KM3 KM4的额定工作电压，额定工作 电流为：UN1 =UN2=UN3=UN4 = 38CV|N1 = |N2 二 p/(、3u COS：) =7500/( .3 380 0.9) = 12.66AIn1 = In2 = In3 = In4 =12.66 A故，在此，接触器KM1 KM2 KM3 KM4选用接触器型号为CJX2-18,其额 定电流为18A。控制变频器电源通断的接触器 KM的额定工作电压、额定工作电流约为：Un =38

20、0VIn =P/(、3U COS：) =7500/( -3 380 0.9) =12.66A故，在此KM选用型号为CJX2-18的接触器，其额定电流为18A.6.5热继电器的选择热继电器用于对电机负载进行过载保护，热继电器的脱扣电流应约为负载额定电流的(11.1)倍。对M1 M2电机所带负载进行过载保护的热继电器的脱扣电流约为：I1=I2=12.6613.9A故，在此FR1、FR2选用型号为JR36-20的热继电器，额定工作电流为 20A。6.6中间继电器的选择中间继电器KA选用型号为JZC4-22,其常开常闭触点均为2个，额定发热 电流 10A, AC22Q6.7压力传感器的选择远程压力表除

21、就地指示压力值外，还能连续输出与压力值成线性的 0-10mA 或4-20mA直流信号，可与DDZ-II或DDZ-III型变送单元组合仪表配合应用， 组 成显示、记录、调节、控制等自动化系统。因此，此处选用YTT-150-Z型远程压力表，其供电电源为 24VDC由配电器供电，选择其输出直流信号为：4-20mA 其端子接线图如图6-1所示：150 P图6-76.8压力控制器（PID调节器）的选择（1）PID参数的整定利用经验整定法对PID的参数进行整定，液体压力调节，无时滞，因此， 只需要PI调节，则微分参数TD=0比例度为初整定为80%周期初整定为5s。 更精确地整定需要经过试验重复调试来确定。

22、（2）PID调节器选择PID调节器选用型号为SWP-D805-070-23-HL自整定PID调节仪，可根据被 控对象自动演算出最佳PID控制参数。可分别带有一路PID控制输出及一路变送 输出，手/自动无扰动切换，手动状态下可修改参数，具有多种调节输出方式（PWM 输出、可控规触发输出、固态继电器输出及电压 /电流输出）。6.9数字频率计的选择采用数字频率计对变频器的输出频率进行显示，在此选用型号为HP53131A的数字频率计。七、使用说明书旋钮SA1是工作方式切换旋钮，而旋钮 SA2是在自动状态下，工作泵选择旋钮手动状态下，将SA1置于常开位置，变频恒压供水系统处于手动运行状态， 合上压断路器

23、QF QF2 QF3 QF4 QF4接入电源，按下启动按钮SB3或者SB5）, 电机M1或者M2）启动，处于手动运行状态，电机 M1（或者M2手动运行指示灯 HL3（或者HL5）亮，当按下停机按钮SB4（或者SB6时，电机停机。当水池液位 达到液位下限（或者电机过载），相应的运行M1 （或者M2电机便会自动停机， 同时拉响报警器HA点亮液位下限指示灯HL1Q或者电机过载指示灯HL&HL9）。自动状态下，将SA1置于常闭位置，变频恒压供水系统处于自动运行状态， 将SA2置于常闭位置时，电机 M1为工作泵，M2为备用泵，反之，M2为工作泵， M1为泵用泵。按下自动状态启动按钮 SB1,电机M1 （

24、或者M2以及变频器的接 触器触KM1或者KM3） KM触点闭合，经延时30s,中间继电器看KA得电，其常 开闭合，变频器FWD点闭合，电机M1（或者M2得电，开始运行，同时相应运行 指示灯HL2（或者HL4）亮。当电机M1（或者M2过载时，同时中间继电器KA失电 断开，变频器FWD点断开，备用泵M2（或者M1）自动投入，同时拉响报警器，点 亮M1（或者M2）过载指示HL8（HL9,经延时30s,继电器KA得电接通变频器FWD 点闭合，备用泵开始接通运行。按下停机按钮 SB2,电机与变频器均失电停机。 当水池液位达到液位下限（或者变频器故障）电机以及变频器自动失电停机，同 时拉响报警器，点亮液位

25、下限指示灯 HL10（或变频器故障指示HL7）。不论在自动还是手动运行状态下，遇到需要紧急停车时，只要按下紧急停车 按钮，电机以及变频器都会失电停机，同时紧急停机指示灯HL0亮。八、总结经过此次课设，了解变频调速系统的设计过程与步骤，加深了对变频调速 系统中诸多的问题的理解，也提升了自己动手操作设计的能力，有理论知识的学 习上升到了实践认知，这为以后的毕业设计以及为以后从事电气设计工作打下了 一定的基础。课设的过程中认识到了自身很多的不足，同时也学到了很多的知识。 在此感谢老师对课设耐心的指导与解答！参考文献：建筑电气控制技术马小军机械工业出版社过程控制金以慧清华大学出版社富士变频器使用手册水

26、暖空调电气控制技术孙光伟建工出版社交流电机变频调速及其应用张承慧机械工业出版社附录：附录一：原件明细表序号代号型号数量备注1KM KM1KM2 KM3 KM4CJX2-185额定电流18A2FR1、FR2JR36-202额定电流20A3QF QF1QF2 QF3GSM1-63L/34电流调整范围为663A4QF4DZX4-3/21额定电流3A5QF5DZX2-1001额定电流100A6M1 M2CK50/32LB2功率为7.5KW7PLCOMRON CPM1A 1I/O点数为408VVVFFRN7.5G11S-4JE1变频器9PIDSWP-D805-070-23-HL1PID调节器10YTT-150-Z1远程压力表，DC24V11KAJZC4-221AC220V额定发热电流10A12HL1、HL2HL3、HL4、HL5 HL6AD16-16/g316开孔尺寸为22mm绿色13HL0 HL7HL8 HL9