长安大学交流调速课程设计.pdf

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1、变频恒压供水控制系统设计一一 摘要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。随着社会经济的发展，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部分，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、控制技术的发展，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CPM1APLC 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，

2、操作方便。二二 设计要求设计要求一楼宇供水系统，正常供水量为 30m3/小时，最大供水量 40m3/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。1变频恒压供水控制系统设计 具有自动、 手开工作方式， 各种保护、 报警装置。 采用 OMRON CPM1APLC、富士变频器完成设计。三三 方案的论证分析方案的论

3、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应， 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， 停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，也使浪费加大，从而限制了其发展。 水塔高位水箱供水方式水塔高位水箱供水具有

4、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2变频恒压供水控制系统设计资源；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、自动可靠的方向发展， 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

5、四 变频恒压的理论分析及控制方案确实定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 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，且成本高，故实用性不好。c. 根据

6、公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速 n 基本上与电源频率 f 成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良360 f(1s)p变频恒压供水控制系统设计好、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部分主要由水泵、 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

7、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4变频恒压供水控制系统设计改变流量。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

8、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 PLC， 一台变频器， 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。五五 系统的设计原理说明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

9、PID 调节器，经运算与给定压力参数进行比较，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。5变频恒压供水控制系统设计图 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 01

10、002 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，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6变频恒压供水控制系统设计障，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

11、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 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

12、。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7变频恒压供水控制系统设计图 4 PLC 外部接线图8变频恒压供水控制系统设计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0100001001手动/自动切换旋钮 SA100000VVVF 启动信

13、号继电器 KA工作/备用选择旋钮 SA200001接触器 KM11 号泵启动 SB1000021 号泵接触器 KM4手动1 号泵停车 SB3000042 号泵接触器 KM52 号泵停车 SB400005工频运行指示灯 L21、2 号泵启动自动SB51、2 号泵停止SB6变频器报警 30A、30C水位下线报警信号1 号泵热保护触电 FR12 号泵热保护触电 FR2000061 号泵接触器 KM2000072 号泵接触器 KM3000081 号泵故障报警指示灯 L3000092 号泵故障报警指示灯 L400010故障报警铃 HA00011010020100301006010070100801004

14、2 号泵启动 SB200003工频运行指示灯 L101005六主要设备选型六主要设备选型1. 水泵的容量选择已知该系统正常供水量为 30m3/小时，最大供水量 40m3/小时，扬程24 米。查得求水泵容量的公式：N=Q(m3/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，流量小的取小值；9变频恒压供水控制系统设计所以，本系统选 g=0.6，N=40*24/367/0.6=水泵功率=轴功率*安全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

15、，从小到大有：1.1kW，2.2kW，3kW，4kW， 5.5kW， 7.5kW， 11kW， 15kW， 18.5kW， 22kW， 30kW， 37kW， 45kW，55kW，75kW，90kW，110kW，132kW故选择的水泵电机功率为 5.5kw.查水泵电机型号如下：因为该系统的最大供水量 40m3/小时，扬程 24 米，且电机的功率初选为 kw，所以水泵型号为 65SG40-40，其流量为 40m3/小时，扬程40m，符合要求。其额定电流为： I=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富士 FRENIC7.5G11S4

16、，此变频器为 380AC 供电。部分端子功能如下：1其中 R、S、T 为变频器输入端子；U、V、W 为变频器输出端10变频恒压供水控制系统设计子；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，则换用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

17、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 DC010V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

18、和资料查的 PID 控制器参数的工程整定：PID11变频恒压供水控制系统设计参数的经验数据为温度:P=20-60% T=180-600s D=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，基本就能确定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 M1、M2 的功率均为 5.5KW，由P 3UICOS得 INI=IN2=750033800.9A ， 而低压断路器的额定电流只需大于或者等于被保护

19、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，

20、热继电器12变频恒压供水控制系统设计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，则此型号满足要求。(5)接触器：型号为LC1-D16，额定电流为16A；接触器选择原则是主触点的额定电流IKNIN，故此接触器可满足要求。(6)频率计：选型为 YCT-MS6100/PN001715；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。七操作使用说明七操作使用说明1. 自开工作：将旋钮开关 SA1 旋到自动档位，如选择 1 号泵为工作泵，则将其工作选择开关SA2旋到1号泵工作档位。 如选择2号泵为工作泵，则将其工作选择开关 SA2 旋到 2 号泵工作档位。按下启动按钮 SB5

21、，则系统可自开工作。按下自动停止按钮 SB6 则可使整个系统停止运行。2. 手开工作：将旋钮开关 SA1 旋到手动档位，按下 SB1 启动 1 号泵工作，按下SB2 启动 2 号泵工作，按下SB3 停止 1 号泵工作，按下SB4 停止 2 号泵工作。3. 故障排除：根据指示灯可判断其故障具体位置。 当 L3 点亮时，说明一号泵出现故障 。当 L4 点亮时，说明二号泵出现故障 。当 L3，L4 同时点亮时，说明变频器出现故障 。13变频恒压供水控制系统设计八主要参考资料八主要参考资料1. 建筑电气控制技术马小军机工2. 过程控制金以慧清华3. 富士变频器使用手册4. 水暖空调电气控制技术孙光伟建工5. 交流电机变频调速及其应用6. 有关杂志、资料九附录九附录附录附录附录附录一：元件明细表14张承慧机工变频恒压供水控制系统设计序号1223456789101112名称低压断路器低压断路器接触器热继电器旋钮按钮信号灯信号灯变频器规格DZX72522DZX72520LC1-D16LR1-D16LAY3-11XLAY3-11XDY1-N/42XDY1-N/41数量31522622备注常开常闭触点各一对绿色红色FRENIC7.5G11S41112PID 调节器XMPA-9000远程压力表 YTT-150水泵电机PLC65SG30-27CPM1A15