输油泵变频调速控制系统课程设计(论文)

沈阳理工大学课程设计.设计背景随着IT技术的迅速普及，以及人类思维理念的改变，变频器相关技术的发展迅速，未来主要朝以网络智能化、专门化和一体化、环保无公害和适应新能源等方面发展。将来的变频器就要适应这样的新能源，既要高效，又要低耗。得了日新月异的进步。这种进步集中体现在交流调速装置的大容量化，变频器的高性能化和多功能化，结构的小型化一些方面输油泵机变频调速节能技术是实现输油系统节能的有效技术途径，它将原阀门节流调节方式改为调节输油离心泵转速工况的方式，泵出口阀全开，有效免了输油泵出口阀的节流损失延长其维护保养周期及使用寿命、减小对电网的冲击、节约维修费用、增加输油量等，同时还能减小输油泵机组的机械冲击/磨损和噪声，延长其维护保养周期输。油泵是生产运行中主要能耗设备，由于泵的特性和管路特性不匹配，在实际运行中需要根据运行工况控制输油泵出口阀的开度来调节流量，这使输油泵出口阀前后产生较大的泵管压差，耗大量的能量。使用变频器技术，通过改变油泵的转速进行不同的工况调节，消除泵管压差而产生的节流损失，保证了安全生产的同时也节约了成本。2.变频器简介2.1变频器定义变频器（Variable-frequencyDrive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。2.2变频器工作原理主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路。整流器大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。平波回路在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。逆变器同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路:以装在异步电动机轴机上的速度检测器(tg、plg等)的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏。逆变电路逆变电路与整流电路相反，逆变电路是将直流电压变换为所要频率的交流电压，以所确定的时间使上桥、下桥的功率开关器件导通和关断。从而可以在输出端U、V、W三相上得到相位互差120电角度的三相交流电压。大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。2.3变频器的控制方式1.差频率控制转差频率控制就是通过控制转差频率来控制转矩和电流。转差频率控制需要检出电动机的转速，构成速度闭环，速度调节器的输出为转差频率，然后以电动机速度与转差频率之和作为变频器的给定频率。与U/f控制相比，其加减速特性和限制过电流的能力得到提高，另外，它有速度调节器，利用速度反馈构成闭环控制，速度的静态误差小。然而要达到自动控制系统稳态控制，还达不到良好的动态性能。2.矢量控制矢量控制，也称磁场定向控制。它是70年代初由西德F.B1asschke等人首先提出，直流电机和交流电机比较的方法阐述了这一原理。由此开创了交流电动机和等效直流电动机的先河。矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子交流Ia、Ib、Ic通过三相-二相变换成等效成两相静止坐标系下的交流电流la1、Ib1再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流lm1、It1。Im1当于直流电动机的励磁电流，It1相当于直流电动机的电枢电流，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换实现对异步电动机的控制。矢量控制方法的出现，使异步电动机变频调速在电动机的调速领域里全方位的处于优势地位。但是，矢量控制技术需要对电动机参数进行正确估算，如何提高参数的准确性是一直研究的话题。3.直接转矩控制直接转矩控制的优越性在于转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息，控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好，所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息，能方便的实现无速度传感器，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。4.转矩负载多数负载具有恒转矩特性，但在转速精度及动态性能等方面要求一般不高，例如挤压机，搅拌机，传送带，厂内运输电车，吊车的平移机构，吊车的提升机构和提升机等。选型时可选V/f控制方式的变频器，但是最好采用具有恒转矩控制功能的变频器。要求控制系统具有良好的动态，静态性能。由于被控对象的千差万别，性能指标要求的各不相同，变频器的选择及配置远不如上述所列几种。要做到熟练应用还应在工程实践中认真探索。变频器的控制方式代表着变频器的性能和水平，在工程应用中根据不同的负载及不同控制要求，合理选择变频器以达到资源的最佳配置，具有重要的意义。2.4变频器的功能1.变频节能变频器节能主要表现在风机、水泵的应用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时都留有一定的富余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功功率的消耗，造成电能的浪费。风机、泵类等设备传统的调速方法是通过调节入口或出口的描板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在挡板、阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如果流量要求减小，通过降低泵或JA机的转速即可满足要求。2.功率因数补偿节能无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，从而减少了无功耗，增加了电网的有功功率。3.软启动节能电机硬启动对电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备的维护费用。2.5输油泵变频调速原理图2.3.1流量与量程的关系泵类机械所输送的是液态物质，水泵装置中存在一个由吸入侧和排出侧之间液位差所造成的固定的管路阻抗分量，即实际扬程，根据离心泵的特性，其工调节主要是调节流量，而离心泵调节流量最常用2种方法是通过调节泵出口阀的开度进行调节和通过改变离心泵的转速进行调节，前者虽然调节方便，但能源浪费严重，通过变频改变输油泵电机转速，来实现输油泵的工况调节，是满足工艺条件下运行的可行的技术途径。如果离心泵转速有很小的降低，则离心泵所需的输入功率会大幅度降低，从而产生明显的节能效果。离心泵转速降低在额定转速20%以内时，其特性曲线的形状与原来相似，当离心泵转速n降为n1时，其特性曲线为一条与原曲线平行的曲线，设原管路特性曲线为一条与原曲线平行的曲线，设管路特性曲线R，R与H-Q(n)相交于A点，即为原工况点。在变频状态下，离心泵转速为n1时，其特性曲线为H1-Q1(n1)，由于此时泵出口阀被全开，管路特性曲线变为较为平坦的R1(n1)，此时R1(n1)与H1-Q(n1)交于A1点，即为新的工况点，此时Q1=Q，即保持离心泵排量不变，但泵的扬程由H减少为Hl，因此在保证满足输油量的情况下，通过削减离心泵扬程节约的能量为HAA1H1的面积，这就是离心输油泵变频节能的原理。改变电机定子的电压频率从而改变电机转速。图1.3.2示出了采用不同调节方式时，电动机输入功率(即电源提供的功率)、轴输出功率(泵的轴功率〉与流量之间的关系曲线。曲线l为排除管路阀门控制时电动机的输入功率曲线，曲线2为转差功率调速(采用转差电动机、液力精器)时电动机的出入功率曲线，曲线3为变频器周速控制时电动机的输入功率曲线。由图可见变频调速控制时节能效果最好。图2.3.2流量与输入功率及轴功率的关系2.6输油泵变频调速的主电路图2.4主电路图由主电路图可见，接触器1KM2用于变频器输出，接到油泵M1，而接触器1KM3将工频电源接到该台油泵。变频器可以对该台油泵启动和恒压供水控制。空气开关（QL）是当电动机过载时自动将电动机从电网中断开热继电器（FR）是利用电流的热效应原理工作的保护电路，它在电路中用作电动机的过载保护。2.7硬件接线图使用的主要硬件设备如下：1:三相异步电动机2:编码器3:变频器4:西门子PLC200图2.5.1变频器接线图图2.5.2PLC接线图图2.5.3电动机接线图3.变频器选择及参数设置3.1变频器的控制方式低压通用变频器输出电压在38O～65OV，输出功率在O．75—400kW，工作频率在O～400Hz，它的主电路都采用交一直一交电路。其控制方式经历四代。1.第一代以U/f＝Const，正弦脉宽调制（SPWM）控制方式。其特点是：控制电路结构简单、成本较低，但系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。2.第二代以电压空间矢量（磁通轨迹法），又称SVPWM控制方式。它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形。以内切多边形逼近圆的方式而进行控制的。经实践使用后又有所改进：引人频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流成闭环，以提高动态的精度和稳定度。控制电路环节较多没有引人转矩的调节，所以系统性能没有得到根本改善。3.第三代以矢量控制（磁场定向法）又称VC控制。其实质是将交流电动机等效直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。然而转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，实际效果不如理想的好。4.第四代以直接转矩控制，又称DTC控制。其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。3.2控制方式的合理选用控制方式是决定变频器使用性能的关键所在。目前市场上低压通用变频器品牌很多，包括欧、美、日及国产的共约5O多种。选用变频器时不要认为档次越高越好，其实只要按负载的特性，满足使用要求就可，以便做到量才使用、经济实惠。下表为控制方式的比较控制方式U/f=C控制电压空间矢量控制矢量控制直接转矩控制反馈装置不带PG带PG或PID调节器不要不带PG带PG或编码器速比I<1:401:601:1001:1001:10001:100起动转矩（在3Hz）150%150%150%150%零转速时为150%零转速时为>150%~200%静态速度精度/%±（0.2~0.3）±（0.2~0.3）±0.2±0.2±0.02±0.2适用场合一般风机、泵类等较高精度调速，控制一般工业上的调速或控制所有调速或控制伺服拖动、高精传动、转矩控制负荷起动、起重负载转矩控制系统，恒转矩波动大负载*直接转矩控制，在带PG或编码器后I可扩展至1:1000，静态速度精度可达±0.01%。选择U/F。3.3选型原则首先要根据机械对转速(最高、最低)和转矩(起动、连续及过载)的要求，确定机械要求的最大输入功率(即电机的额定功率最小值),其大小由下式计算:

P=n*T/9550(kW)

式中:P——机械要求的输入功率(kW)；

n——机械转速(r/min)；

T——机械的最大转矩(N·m)。然后，选择电机的极数和额定功率。电机的极数决定了同步转速，要求电机的同步转速尽可能地覆盖整个调速范围。为了充分利用设备潜能，避免浪费，可允许电机短时超出同步转速，但必须小于电机允许的最大转速。转矩设备在起动、连续运行、过载或最高转速等状态下的最大转矩。最后，根据变频器输出功率和额定电流稍大于电机的功率和额定电流的原则来确定变频器的参数与型号。需要注意的是，变频器的额定容量及参数是针对一定的海拔高度和环境温度而标出的，一般指海拔1000m以下，温度在40℃或25℃以下。若使用环境超出该规定，则在确定变频器参数、型号时要考虑到环境造成的影响。经对各种变频调速系统技术经济性能论证，选用MM430西门子的变频调速系统应用于泵机组上。3.4PLC及压力传感器的选择水泵M1可变频运行，也可工频运行，需要2个输出点，根据系统设计要求需要1个输入点，则选择西门子的S7-200系列PLC。压力传感器采用CY-YZ-1001型绝对传感器。该传感器采用硅压阻效应原理实现压力测量的力-电转换。传感器由敏感芯体和信号调理电路组成，当压力作用于传感器时，敏感芯体内硅片上的惠斯登电桥的输出电压发生变化，信号调理电路将输出的电压信号作放大处理，同时进行温度补偿、非线性补偿，使传感器的电性能满足技术指标的要求。传感器的量程为0～2.5MPa，工作温度为5℃～60℃，输出电压为0～5V，作为本系统的反馈信号供给PLC。3.5MM420变频器特性MM420变频器为“通用型”变频器，主要应用于三相电动机的变速驱动，也可以用于泵类、风机等节能负载。是现行西门子“通用型”主流变频器。其功能为线性U/f控制，多点设定的U/f控制，磁通电流控制，内置PID控制器，矢量控制。功率范围为0.12～250kW。面板控制如下：图3.5.面板操作图3.6电动机参数设置实例P0010=1(快速调试)P0100=0(功率单位为KW；f的缺省值为50Hz)P0304=380(电动机的额定电压)P0305=188.2(电动机的额定电流)P0307=100（电动机的额定功率）P0310=50(电动机的额定频率)P0311=1470（电动机的额定转速）P0700=2(变频器命令源选择为模入端子/数字输入)P1000=2(模拟设定值)P1080=30(电动机最小频率)P1082=50(电动机最大频率)P1120=10（电动机从静止停车加速到最大电动机频率所需时间）P1121=10（电动机从最大频率减速到静止停车所需的时间）P1300=2（控制方式为抛物线V/f控制）P3900=1(结束快速调试)表1变频器的参数设置参数号设置值说明P00101快速调试P01000功率单位为KW；f的缺省值为50HzP0304380电动机的额定电压P0305188.2电动机的额定电流P0307100电动机的额定功率P031050电动机的额定频率P03111470电动机的额定转速P07002变频器命令源选择为模入端子/数字输入P10002模拟设定值P108030电动机最小频率P108250电动机最大频率P112010电动机从静止停车加速到最大电动机频率所需时间P112110电动机从最大频率减速到静止停车所需的时间P13002控制方式为抛物线V/f控制P39001结束快速调试4.PLC程序设计4.1梯形图介绍梯形图（LAD,LadderLogicProgrammingLanguage）是PLC使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似，具有直观易懂的优点，很容易被工厂电气人员掌握，特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序，梯形图的设计称为编程4.2PLC语句表语句表程序设计语言是用布尔助记符来描述程序的一种程序设计语言。语句表程序设计语言与计算机中的汇编语言非常相似，采用布尔助记符来表示操作功能。语句表程序设计语言具有下列特点：(1)

采用助记符来表示操作功能，具有容易记忆，便于撑握的特点；(2)

在编程器的键盘上采用助记符表示，具有便于操作的特点，可在无计算机的场合进行编程设计；(3)

用编程软件可以将语句表与梯形图可以相互转换4.3梯形图程序总结通过本论文研究的是输油泵变频调速系统，此系统以变频器与PLC为核心进行设计。PLC控制变频器进行PID调节，同时变频器输出频率值控制输油泵的转速。按实际情况设定压力给定值，根据压力变送器的反馈信号与设定值的压差调整水泵的工作情况。该系统可靠性高、效率高、节能效果好以及动态响应速度快，更好的实现恒压输油。在日常生活中非常重要，基于PLC和变频器技术设计的控制系统可靠性高、效率高、节能效果显著、动态响应速度快。因实现了恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，节省了人力，提高了供水质量，减轻了劳动强度，可实现无人值班。对整个过程来说，系统的可扩展性好，管理人员可根据每个季节的用水情况，选择不同的压力设定范围，达到了更优的节能方式，实现供油的最优化控制和稳定性控制。经过本次课设，我复习了变频器与PLC的相关知识，将所学的知识运用到了实际的设计中，这令我更直观地了解变频器的用途，也提高了我们动手动脑的能力。在遇到不会的问题的时候通过小组同学的相互讨论和老师的帮助也使之迎刃而解。感谢老师和同学的帮助，使我通过做本次课设能有所提高！参考文献[1]李良仁.变频调速技术与应用.北京：电子工业出版社，2004.[2]韩安荣.通用变频器及其应用.北京：机械工业出版社，2000.[3]西门子变频调速器MM440使用手册.西门子（中国）有限公司.[4]李志明.变频器的应用[M].北京：中国机械出版社，1998.[5]李华德,白晶,李志明.交流调速控制系统[M].北京:电子工业出版社基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能