长安大学交流调速课程设计

1、一. 摘要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。随着社会经济的开展，绿色、 节能、环保已成为社会建设的主题。对于一个城市的建设，供水系统 的建设是其中重要的一局部，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影 响到居民的生活质量。近年来，随着自动化技术、控制技术的开展， 以及这些技术在供水系统的应用，高性能、高节能的变频恒压控制的 供水系统已成为现在城市供水管理的必然趋势。本次课程设计采用 CPM1A PLC控制器结合富士变频器控制两台水泵的各种转换，实现 变频恒压供水系统的功能，并且实现故障转换与报警等保护功能， 使 得系统控制可靠，操作方便。二.

2、 设计要求一楼宇供水系统，正常供水量为 30mV小时，最大供水量40nV小时, 扬程24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。要求设计实现：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。二台泵可以互换。给定压力可调。压力控制点设在水泵出口处具有自动、手开工作方式，各种保护、报警装置。采用OMRON CPM1APLG富士变频器完成设计。三. 方案的论证分析传统的小区供水方式有：恒速泵加压供水方式该方式无法对供水管网的压力做出及时的反响

3、， 水泵的增减都依 赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于 满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长 期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应， 目前较少采用。气压罐供水方式气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此 方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、 系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比拟高， 致使水泵在低效段工作，也使浪费加大，从而限制了其开展。水塔高位水箱供水方式水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维 修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面

4、积大，维护不 方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴 器，目前主要应用于高层建筑。综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在浪费水力、电力资源；效率低；可靠性差；自动化程度不高等缺点。目前的供水方式 朝向高效节能、自动可靠的方向开展，基于PLC和变频技术的恒压供 水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进 行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性， 同时系统具有良好的节 能性，对于提高企业效率以及人民的生活水平、 降低能耗等方面具有 重要的现实意义。四. 变频恒压的理论分析及控制方案确实定1. 系统原理分析水泵电机多采用三相异步电动机，其转速公式为：n 6

5、0 (1 s)P从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：变极对数调速变转差率调速变频调速三种方式。a. 变极调速的调控方式控制简单，只需要改变鼠笼型异步电机的定 子绕组的连接组别，便能到达变极的目的。这种方式节能效果显 著，效率高，但是有级调速，因此转速变化较大，转矩也变化大， 在实际中适用范围小。b. 改变转差率调速一般采用串级调速的方式，该种方式属于转差功 率回馈型调速，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于 复杂，增加了中间环节的电能损耗，且本钱高，故实用性不好。c. 根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n根本上与电源频率f成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变 电

6、动机的转速。随着电力电子技术的开展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频调速的广泛 应用。2. 变频恒压供水的控制方案确实定图1变频恒压供水系统框图变频恒压供水系统的供水局部主要由水泵、 电动机、管道和阀门 等构成。通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水， 并且把电机和水泵 做成一体，通过变频器调节异步电机的转速， 从而改变水泵的出水流 量而实现恒压供水的。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频 率来改变同步转速而实现调速的。在供水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门 控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量， 水泵电机转速保持不变。其

7、实质是通过改变水路中的阻力大小来改变 流量，因此，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由 于实际用水中，需水量是变化的，假设阀门开度在一段时间内保持不 变，必然要造成超压或欠压现象的出现。 转速控制法是通过改变水泵 电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能 改变流量。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻特性 不变。变频调速供水方式属于转速控制。其工作原理是根据用户用水 量的变化自动地调整水泵电机的转速， 使管网压力始终保持恒定，当 用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。调速控制方式要比 阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。整个系统由一台PL

8、C 台变频器，水泵机组，一个远程压力表，低压电器及一些辅助部件构成。各局部功能如下：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压力表将管网水压力转换成电信号；3变频调速器用于调节水泵转速以调节管网中水流量；4PLC用于水泵的逻辑切换、控制等。五. 系统的设计原理说明1. 系统主电路的设计系统工作原理：通过安装在出水管网上的压力传感器， 把出口压 力信号变成4-20mA的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力 参数进行比拟，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的 转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变

9、化，这样就 构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。 通过PLC实现变频器的启 停、故障报警和备用泵自投。在手动状态下，不再使用变频器，直接 手动启停水泵。EI引4图2变频恒压供水主电路图2. 系统控制电路的设计根据图2所示的主电路图设计控制电路。系统控制过程分析：1自动控制将旋钮开关SA1旋到自动档位，此时按下起动按钮 SB5触点 00006接通，输出继电器01002得电，接触器KM2接通了 1号泵的 控制；按下起动按钮SB6触点00007接通，输出继电器01003得电， 接通了 2号泵的控制接触器KM3 KM2或KM3接通后，再接通链接变 频器与电源的接触器KM1此时输出继电器01000得电

10、，KA常开触点 闭合，变频器的正传启停按钮闭合，水泵开始变频运行。一旦出现故 障，将通过中间继电器进行切换。2手动控制手动启动1号泵：将旋钮开关SA1旋到手动档位，此时按下开关 按钮SB1,触点00002闭合，输出继电器01004得电，KM4常开触点 闭合，启动1号泵工频工作。手动停止1号泵：按下SB3触电00004断开，输出继电器01004 失电，KM4常开触点断开，1号泵停止工作。手动启动2号泵：按下SB2启动2号泵工作，触点00003闭合， 输出继电器01005得电，KM5常开触点闭合，启动2号泵工频工作。手动停止2号泵：按下SB4,触点00005断开，输出继电器01005 失电，KM5

11、常开触点断开，2号泵停止工作。3故障报警控制1号泵过载时，FR1常开触点00010闭合，输出继电器01006得 电，点亮L3。2号泵过载时，FR2常开触点00011闭合，输出继电 器01007得电，点亮L4。当变频器出现故障时，输入端子 KA动作， 触点00008闭合，使输出继电器 01006和01007同时接通，L3、L4 同时点亮。当低水箱到达水位下限的时候，水位开关 S自动断开，对 应的常闭触点00009断开，自动控制系统断电停止工作。同时，1、2 号泵故障使输出继电器01008得电，警铃接通报警，从而实现了声光 报警。详细控制原理参见梯形图 图3 系统梯形图wewwewW1K iJ1

12、g7010 H-创 8*DCK-CK：ng d-31 r W1 + urd- 剂 & 鼻 BJLD 5k 一吊 气一 图4 PLC外部接线图3. PLC的I/O 口分配及其外围接线图表一 I/O 分配表输入输出手动/自动切换旋钮SA100000VVVF启动信号继电器KA01000工作/备用选择旋钮SA200001接触器KM101001手动1号泵启动SB1000021号泵接触器KM4010042号泵启动SB200003工频运行指示灯L11号泵停车SB3000042号泵接触器KM5010052号泵停车SB400005工频运行指示灯L2自动1、2号泵启动SB5000061号泵接触器KM2010021

13、、2号泵停止SB6000072号泵接触器KM301003变频器报警30A、30C000081号泵故障报警指示灯L301006水位下线报警信号000092号泵故障报警指示灯L4010071号泵热保护触电FR100010故障报警铃HA010082号泵热保护触电FR200011六. 主要设备选型1. 水泵的容量选择该系统正常供水量为30mV小时，最大供水量 40nV小时，扬程24米。查得求水泵容量的公式：N=Q(m/h)*H(m)/367/g(0.60.85)N：轴功率，单位是千瓦kWQ流量，单位是立方米每小时m3/hH:扬程，单位是米(m)367:常数，是一个固定值:水泵的效率，一般流量大的取大值

14、，流量小的取小值；所以，本系统选 g=0.6 , N=40*24/367/0.6二水泵功率二轴功率*平安系数所以初选水泵功率=1.2*=kw一般水泵的功率有一些模数，从小到大有：1.1kW, 2.2kW, 3kW4kW 5.5kW, 7.5kW, 11kW 15kW 18.5kW, 22kW 30kW 37kW 45kW 55kW 75kW 90kW 110kW 132kW-应选择的水泵电机功率为5.5kw.查水泵电机型号如下：5OSG3D-10D3010065223302600E5S阳 QT5氏3015652.2360砂。65SG3D-27es3027B543302BOO65SG40-406

15、54040657,533065SG30-506530SO5S7.53302600因为该系统的最大供水量40mV小时，扬程24米，且电机的功率初选为kw,所以水泵型号为65SG40-4Q其流量为40mi/小时，扬程40m符合要求。其额定电流为：匸2. 变频器选型此系统中对于流量和扬程的需求均很小，而且对供水系统无任何 特殊要求，因此选择通用型变频器 一富士 FRENIC7.5G11 4 ,此变 频器为380 AC供电。局部端子功能如下：1其中R、S、T为变频器输入端子；U、V、W为变频器输出端子；2本系统中PID调节模块输出的调节信号为420mA的电流信号，故此变频器采用电流信号进行频率设定。3

16、设定开关量输入端子FWD为电动机的启停信号本次系统中 电动机选择正转或反转，用FWD或REV端子作为启停控制信号；如 果设为正转，水泵电机抽不出水，那么换用 REV端子进行控制，实现水 泵反转运行。430A、30B、30C为变频器的报警输出信号，系统中使用 30A、 30C即选用常开触点，将此触点接入PLC,当变频器故障时，故障 信号进入信号PLC,通过继电器断开主电路，使得变频器停止运行， 同时进行声光报警。5FMA为模拟量输出端子。从FMA和公共端11输出DC0 10V 的模拟监视信号，可监视输出频率、输出电压，输出电流等内容。此 系统中在FMA和公共端11接频率计，监视输出频率。按偏差的

17、比例、积分和微分进行控制的调节器，简称为PID调节器，是连续系统中技术成熟且应用广泛的一种调节器。它的结构简单，不一定需要系统确实切数学模型，参数易于调整，在长期应用中 己积累了丰富经验。将它移植到电脑控制系统，通过软件予以实现， 对于大多数控制对象都能获得满意的控制效果，此系统采用独立的 PID调节器，根据经验和资料查的PID控制器参数的工程整定：PID 参数的经验数据为温度:P=20-60%T=180-600sD=3-180s压力：P=30-70%T=24-180s液位:P=20-80%T=60-300s流量:P=40-100%T=6-60s居中取值，P=50%,T=102s根据这两个参数

18、，根本就能确定PID调节 器的型号。4. 其他设备的选择(1) QF1、QF2的选型主电路的电压为交流 380V,电动机 Ml M2的功率均为5.5KW由P -3UIC0S得Ini=In2= 譬 A ,而低压断路器的额定电流只需大V 3 X 380 X 0.9于或者等于被保护电路的计算电流，故低压断路器QF1 QF2的额定电流大于A即可，因此低压断路器 QF1 QF2选择DZX72520.2低压断路器QF的选择低压断路器QF用于电源的分配线上，手动模式下电动机 M1 M2 可能同时工作，而且 M1 M2的功率相同，所以QF的电流大于M1和 M2的电流之和，因此低压断路器 QF可以选择DZX72522 (额定电 流范围为10-16A)。3)断路器QF3的选择断路器QF3用于PLC的输出口，用于驱动负载，因此其额定电流为负载电流之和，QF3选择DZX72522。(4) 热继电器：型号为 LR1-D16;对于不频繁起动的电机，热继电器的额定电流应根据电机的额定电流选择，并留一定的裕量，故，那么此 型号满足要求。(5) 接触器：型号为LC1-D16,额定电流为16A;接触器选择原那么是主 触点的额定电流I In故此接触器可满足要求。(6) 频率计：选型为 YCT-MS6100/PN00171;5本设计对频率计的要求不是很高，上述频率计即可能够满足设计需求。七. 操作使