基于plc控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)設計論文.doc

0 引言常規(guī)水泵大部分時間均在額定負荷下運行，特別是自來水廠和居民區(qū)生活供水，其設計均按最大用水負荷選擇水泵，而每天24h用水負荷變化很大，在夜間用水量更少，采用變頻恒壓供水設備，可根據(jù)用水量的大小變化，自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，同時確保供水壓力恒定，可節(jié)約大量能源，延長設備使用壽命。在plc問世之前，工業(yè)控制領(lǐng)域中是繼電器控制占主導地位。繼電器控制系統(tǒng)有著十分明顯的缺點：體積大、耗電多、可靠性差、壽命短、運行速度慢、適應性差、尤其當生產(chǎn)工藝發(fā)生變化時，就必須重新設計、重新安裝，造成時間和資金的嚴重浪費。為了改變這一現(xiàn)狀，1968年美國最大的汽車制造商企業(yè)通用汽車公司(gm)，為了適應汽車型號不斷更新的需求，一再激烈競爭的汽車工業(yè)中占據(jù)優(yōu)勢，提出要研制一種新型的工業(yè)控制裝置來取代繼電器控制裝置，為此，特擬定了十項公開招標的技術(shù)要求。根據(jù)招標要求，1969年美國數(shù)字設備公司(dec)研制出世界上第一臺plc(pdp-14型)，并在通用汽車公司自動裝配線上試用，獲得了成功，從而開創(chuàng)了工業(yè)控制新時代。plc的發(fā)展與計算機技術(shù)、半導體技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通信網(wǎng)絡技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，這些高新技術(shù)的發(fā)展推動了plc的發(fā)展，而plc的發(fā)展又對這些高新技術(shù)提出了更高、更新的要求，促進了它們的發(fā)展。隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高，計算機在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應用，人們對工業(yè)自動化的要求越來越高，種類繁多的控制設備和過程監(jiān)控裝置在工業(yè)領(lǐng)域的應用，使得傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件已無法滿足用戶的各種需求。在開發(fā)傳統(tǒng)的工業(yè)控制軟件時，當工業(yè)被控對象一旦有變動，就必須修改其控制系統(tǒng)的源程序，導致其開發(fā)周期長；已開發(fā)成功的工控軟件又由于每個控制項目的不同而使其重復使用率很低，導致它的價格非常昂貴；在修改工控軟件的源程序時，倘若原來的編程人員因工作變動而離去時，則必須同其他人員或新手進行源程序的修改，因而更是相當困難。通用工業(yè)自動化組態(tài)軟件的出現(xiàn)為解決上還實際工程問題提供了一種嶄新的方法，因為它能夠很好地解決傳統(tǒng)工業(yè)控制軟件存在的種種問題，使用戶能根據(jù)自己的控制對象和控制目的的任意組態(tài)，完成最終的自動化控制工程。雖然plc只有30多年的歷史，但其發(fā)展勢頭迅猛，增長速度最快的工業(yè)控制器。plc將向兩個方向發(fā)展，一方面向著大型化的方向發(fā)展，另一方面向著小型化的方向發(fā)展。其中，大型化向著大存儲容量、高速度、高性能、增加i/o點數(shù)方向發(fā)展。主要表現(xiàn)在： 1) 增強網(wǎng)絡通信功能。 2) 發(fā)展智能模塊。 3) 外部故障診斷功能。 4) 編程語言、編程工具標準化、高級化。pid控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單、魯棒性好和可靠性高，被廣泛應用于工業(yè)過程控制，尤其適時用于可建立精確數(shù)學模型的確定性控制系統(tǒng)。而實際工業(yè)生產(chǎn)過程往往具有非線性、時變不確定性、難以建立精確的數(shù)學模型，應用常規(guī)pid控制其不能達到理想的控制效果；在實際生產(chǎn)現(xiàn)場中，由于受到參數(shù)整定方法繁雜的困擾，常規(guī)pid控制器參數(shù)往往整定不良，性能欠佳，對運行工況的適應性差。針對這些問題，長期以來，人們一直在尋找pid控制器參數(shù)的自整定技術(shù)，以適應復雜的工況和高指標的控制要求。隨著微處理器的發(fā)展和數(shù)字智能式控制器的實際應用，這種設想已變成了現(xiàn)實。同時，隨著現(xiàn)代控制理論(諸如智能控制、自適應模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)等)研究和應用的發(fā)展與深入，為控制復雜無規(guī)則系統(tǒng)開辟了了新途徑。近年來，出現(xiàn)了許多新型pid控制器，對于復雜對象，其控制效果遠遠超過常規(guī)pid控制。利用plc、變頻器以及pid控制的變頻恒壓供水能夠節(jié)省占地面積，有益于環(huán)境保護，而且操作簡單、維護方便、同時在最大程度上降低了電能的損耗和電機啟停時對電網(wǎng)的影響，系統(tǒng)的建立是時間短抗干擾能力強，因此，plc控制的變頻恒壓供水系統(tǒng)是現(xiàn)在化城市和生活小區(qū)供水較為理想的控制系統(tǒng)。1 概述1. 1課題的背景和研究的意義隨著社會的飛速發(fā)展，人口的不斷增長，近年來我國中小城市發(fā)展迅速，集中用水量急劇增加。據(jù)統(tǒng)計，從1990年到1998年，我國人均日生活用水量(包括城市公共設施等非生產(chǎn)用水)有175.7升增加到241.1升，增長了37.2%，與此同時我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。在用水量高峰期時供水量普遍不足，造成城市公用管網(wǎng)水壓浮動較大。由于每天不同時段用水對供水壓力的要求變化較大，僅僅靠供水廠值班人員依據(jù)經(jīng)驗進行人工手動調(diào)節(jié)很難及時有效的達到目的。這種情況造成用水高峰期時供水壓力不足，用水低峰期時供水壓力過高，不僅十分浪費能源而且存在事故隱患(例如壓力過高容易造成爆管事故)1。供水廠希望通過對原有系統(tǒng)的技術(shù)改造，提高生產(chǎn)過程的自動化水平。并在此基礎(chǔ)之上配備相應的系統(tǒng)管理軟件，改變傳統(tǒng)的落后管理方式，使管理工作規(guī)范化，提高水廠的業(yè)務管理水平。由于水廠原有的供水控制系統(tǒng)是一個完全依靠值班人員手動控制的系統(tǒng)，所以對該系統(tǒng)技術(shù)改造的要求是在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)進行，設計一套取水和供水的自動控制系統(tǒng)，克服由于采用單純手動控制系統(tǒng)進行控制帶來的控制不方便、控制系統(tǒng)對供水管網(wǎng)中壓力和水位變化反應遲鈍的問題，降低能源消耗和資源浪費，提高設備的可維護性和運行的可靠性，以達到降低自來水的生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)管理水平的目的。在相當比較大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)供水系統(tǒng)，以plc控制的變頻調(diào)速恒壓供水有它自身的特點：1) 供水量在短時間內(nèi)(一天時間內(nèi))變化大，這種變化在幾個小時內(nèi)甚至是幾倍或上十倍。2) 對供水壓力的要求比較嚴格，供水的壓力隨供水的流量的變化而變化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道壓力。3) 一般情況下，供水系統(tǒng)的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通過供水水泵的輸出來提供的。從上即可結(jié)論：以plc為主體構(gòu)成的恒壓供水系統(tǒng)不僅能夠最大程度滿足需要，也提高整個系統(tǒng)的效率，延長系統(tǒng)壽命、節(jié)約能源、而且能夠構(gòu)成復雜的功能強大的供水系統(tǒng)。1. 2可編程控制器及變頻調(diào)速技術(shù)在供水行業(yè)中的應用1. 2. 1可編程控制器的背景及特點早期的可編程序控制器(programmable logic controller，plc)，主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，可編程序控制器將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)與新興的計算機技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，具有可靠性高、功能強、應用靈活、編程簡單、使用方便等一系列優(yōu)點，以及良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動控制目標實現(xiàn)性能，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用2。1969年，美國數(shù)字設備公司(dec)研制出世界上第一臺可編程控制器。早期的可編程控制器由分離元件和中小規(guī)模集成電路組成，主要功能是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時等。70年代初期，體積小、功能強和價格便宜的微處理器被用于plc，使得plc的功能大大增強。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠程i/o模塊和各種特殊功能模塊。在軟件方面，plc采用極易為電氣人員掌握的梯形圖編程語言，除了保持原有的邏輯運算等功能以外，還增加了算術(shù)運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。進入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場價格大幅度下跌，使得plc所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進一步提高plc的處理速度，各制造廠商還研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片，大大提高了plc軟、硬件功能。在發(fā)達工業(yè)國家，plc已經(jīng)廣泛的應用在所有的工業(yè)部門。據(jù)“美國市場信息”的世界plc以及軟件市場報告稱，1995年全球plc及其軟件的市場經(jīng)濟規(guī)模約50億美元。隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，plc的功能得到大大的增強，具有以下特點：1) 可靠性高。plc的高可靠性得益于軟、硬件上一系列的抗干擾措施和它特殊的周期循環(huán)掃描工作方式。2) 具有豐富的i/o接口模塊。plc針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號，有相應的i/o模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人機對話的接口模塊；為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊。3) 采用模塊化結(jié)構(gòu)。為了適應各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型plc以外，絕大多數(shù)plc均采用模塊化結(jié)構(gòu)。plc的各個部件，包括cpu、電源、i/o等均采用模塊化設計，由機架及電纜將各模塊連接起來，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4) 編程簡單易學。plc的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對使用者來說，不需要具備計算機的專門知識，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。5) 安裝簡單，維修方便。plc不需要專門的機房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置，便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶可以通過更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復運行。由于plc強大功能和優(yōu)點，使得plc在我國的水工業(yè)自動化中得到廣泛的應用。plc在水工業(yè)自動化中的應用主要有水廠監(jiān)控系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、自動加氯、自動加礬、水泵變頻調(diào)速、scada系統(tǒng)和供水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)等。其主要功能是進行工藝參數(shù)的采集、生產(chǎn)過程控制、信息處理、設備運行狀態(tài)監(jiān)測以監(jiān)測等。1. 2. 2變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展及特點作為高性能的調(diào)速傳動，直流發(fā)電機-電動機調(diào)速控制方法長期以來一直應用廣泛。但是直流電動機由于換向器和電刷維護保養(yǎng)很麻煩，價格也相當昂貴。使異步電機實現(xiàn)性能好的調(diào)速一直是人們的理想。異步電機的調(diào)速方法很多，例如變極調(diào)速、有極調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、串級調(diào)速、變頻調(diào)速等。但是因為各種各樣的缺點沒有得到廣泛的應用3。70年代以后，由于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和微處理機技術(shù)的發(fā)展，促使晶體管變頻器的誕生。晶體管變頻器不但克服了以往交流調(diào)速的許多缺點，而且調(diào)速性能可以和直流電動機的調(diào)速性能相媲美。三相異步電動機具有維修方便、價格便宜、功率和轉(zhuǎn)速適應面寬等優(yōu)點，其變頻調(diào)速技術(shù)在小型化、低成本和高可靠性方面占有明顯的優(yōu)勢。到80年代末，交流電機的變頻調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展成為一項成熟的技術(shù)，它將供給交流電機的工頻交流電源經(jīng)過二極管整流變成直流，再由igbt或gtr模塊等器件逆變成頻率可調(diào)的交流電源，以此電源拖動電機在變速狀態(tài)下運行，并自動適應變負荷的條件。它改變了傳統(tǒng)工業(yè)中電機啟動后只能以額定功率、定轉(zhuǎn)速的單一運行方式，從而達到節(jié)能目的。現(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)應用于電力水泵供水系統(tǒng)中，較為傳統(tǒng)的運行方式是可節(jié)電4060，節(jié)水1530。由于變頻調(diào)速具有調(diào)速的機械特性好，效率高，調(diào)速范圍寬，精度高，調(diào)整特性曲線平滑，可以實現(xiàn)連續(xù)的、平穩(wěn)的調(diào)速，體積小、維護簡單方便、自動化水平高等一系列突出的優(yōu)點而倍受人們的青睞。尤其當它應用于風機、水泵等大容量負載時，可以獲得其它調(diào)速方式無法比擬的節(jié)能效果。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流-直流-交流變頻器和交流-交流變頻器兩大類，目前國內(nèi)大都使用交-直-交變頻器。自從通用變頻器問世以來，變頻調(diào)速技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應用。變頻調(diào)速恒壓供水設備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點，使我國供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從90年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)水泵電機無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量的變化自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時保持水壓恒定以滿足用水要求，是當今最先進、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實際應用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來越強。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設計變頻調(diào)速恒壓供水設備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。新型供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都具有無法比擬的優(yōu)勢，而且具有顯著的節(jié)能效果。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，引起國內(nèi)幾乎所有供水設備廠家的高度重視，并不斷投入開發(fā)、生產(chǎn)這一高新技術(shù)產(chǎn)品。目前該產(chǎn)品正向著高可靠性、全數(shù)字化微機控制，多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化，系列標準化是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設成片開發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。在短短的幾年內(nèi)，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)歷了一個逐步完善的發(fā)展過程，早期的單泵調(diào)速恒壓系統(tǒng)逐漸被多泵調(diào)速系統(tǒng)所代替。雖然單泵調(diào)速系統(tǒng)設計簡易可靠，但由于單泵電機深度調(diào)速造成水泵、電機運行效率低，而多泵調(diào)速系統(tǒng)投資更為節(jié)省，運行效率高，被實際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設計，很快發(fā)展成為主導產(chǎn)品。1. 3本文的主要研究內(nèi)容經(jīng)過系統(tǒng)的調(diào)研和分析，并結(jié)合供水廠的生產(chǎn)實際，本次研究的主要內(nèi)容和目標是基于plc的單臺變頻器拖動多臺電機變頻運行的恒位產(chǎn)水一巨壓供水自適應平衡控制系統(tǒng)的研制，該系統(tǒng)利用變頻器實現(xiàn)水泵電機的軟起動和調(diào)速，摒棄了原有的自藕降壓起動裝置，同時把閥門控制和水泵電機控制都納入自動控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的操作控制實現(xiàn)微機自動化管理，設備管理達到最優(yōu)效果，運行調(diào)節(jié)達到最佳節(jié)能，運行參數(shù)有記錄。具體而言，論文包括以下內(nèi)容：1) 對水泵電機的調(diào)控技術(shù)進行分析和比較，并對多泵恒壓供水系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題進行了論述；在此基礎(chǔ)上，提出了本文的主要研究內(nèi)容和研究方法。2) 從水泵理論和管網(wǎng)特性曲線分析入手，討論水泵工作點(工況點)的確定方法和水泵工況調(diào)節(jié)的幾種常用方法。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調(diào)節(jié)是通過改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。本文重點對變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機理進行深入研究，得出一些有益的結(jié)論。3) 介紹了基于plc的變頻調(diào)速恒壓自動控制供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一臺變頻器拖動多臺水泵電機變頻運行。壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力信號經(jīng)pid處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，改變水泵性能曲線來實現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。重點對變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成和工作過程，控制系統(tǒng)的硬件設計和plc程序梯形圖設計進行研究。2變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)分析2. 1變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)方案的選擇傳統(tǒng)的供水方式(包括水箱、水塔供水和氣壓供水)。1) 水箱/水塔供水：供水系統(tǒng)采用水箱/水塔，稱為重力供水。供水壓力比例恒定，且有貯水。但它是由位置高度形成的壓力來進行供水的，為此，需要建造水塔或?qū)⑺渲糜诮ㄖ锏捻斏?。即使如此，還常常不能滿足最不利供水點的供水要求，難以滿足不斷增加的用水需求。同時由于在屋頂上形成很大的負重，增加了結(jié)構(gòu)面積，也妨礙了美觀。此外，屋頂水箱必須高出水面幾米，建筑方面較難處理，而且投資周期長。2) 氣壓供水：氣壓給水系統(tǒng)不在屋頂上設置水箱，也不用單獨建筑水塔，僅在地下室或某些空曠之處加壓送到管網(wǎng)中去。其優(yōu)點是靈活性大，建設快，少受污染，不妨礙美觀，有利于擴展與消除管道中的水錘與噪聲，且可以通過改變壓力罐的壓力來滿足不斷增加的供水需求。缺點是需要壓力罐，其體積和投資大，壓力變化大，運行效率低，還需要使用張力膜或設置空氣壓縮機沖氣。因此，電能消耗大，運行費用高。給水方式的選擇應以經(jīng)濟合理，技術(shù)先進，供水安全可靠為原則。隨著交流電機變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，為實現(xiàn)恒壓供水提供了可靠的技術(shù)條件。利用變頻器、pid調(diào)節(jié)器、單片機、plc等器件的有機結(jié)合，構(gòu)成控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，取代了水塔、水箱、氣壓罐等實現(xiàn)了恒壓供水。其配置日趨合理，成為供水網(wǎng)系的替代產(chǎn)品。3) 變頻調(diào)速恒壓供水：變頻調(diào)速恒壓供水器由電動機、泵組和變頻調(diào)速系統(tǒng)、壓力儀表、管路系統(tǒng)等組成。電動機泵組多由同型號的水泵24臺并聯(lián)而成(以四臺為例)。由變頻器和工頻電網(wǎng)供電，根據(jù)供水系統(tǒng)的運行狀況自動調(diào)節(jié)和切換。主要優(yōu)點：對電網(wǎng)沖擊小，保護功能完善。消除了水泵電機直接啟動時對電網(wǎng)的沖擊和干擾，并且設備控制系統(tǒng)具有短路、過流、過壓、過載、欠壓、過熱等多種保護功能，大大提高了工作效率，延長了水泵的使用壽命。當變頻器發(fā)生故障時，能夠自動轉(zhuǎn)換至工頻運行，確保供水不間斷。突然停電后再來電，設備能夠自動啟動運行。因為實現(xiàn)恒壓自動控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動強度，節(jié)省了人力。由于變量泵工作在變頻工作狀態(tài)，在其運行過程中，其轉(zhuǎn)速是由外供水量決定的，故系統(tǒng)在運行過程中可節(jié)約可觀的電能，其經(jīng)濟效益是十分明顯的。由于其節(jié)電效果明顯，所以系統(tǒng)具有收回投資快、長期受益的特點，其產(chǎn)生的社會效益也是非常巨大的。水泵電動機采用軟啟動方式，避免了電動機啟動時的電流沖擊，也避免了電動機突然加速造成泵組系統(tǒng)的喘振。無塔供水系統(tǒng)不需要水塔、高位水箱和氣罐，設備簡單，控制實時性好，且能滿足不斷增加的供水需求。建筑高度增加時，無塔供水器只需要改變水壓設定值和修正流量參數(shù)就能滿足要求，而無需改變供水需求。變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的主要應用場合：高層建筑，城鄉(xiāng)居民小區(qū)，企事業(yè)等生活用水。1) 各類工業(yè)需要恒壓控制的用水，冷卻水循環(huán)，熱力網(wǎng)水循環(huán)，鍋爐補水等。2) 中央空調(diào)系統(tǒng)。3) 自來水場增壓系統(tǒng)。4) 農(nóng)田灌溉，污水處理，人造噴泉。5) 各種流體恒壓控制系統(tǒng)。變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的應用，為人民生活帶來極大的方便，也為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。并同時得到了科教工作者、企業(yè)家與廣大民眾的認可。將來的趨勢必定是全面取代傳統(tǒng)供水方式，成為供水系統(tǒng)的主流。2. 2變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)分析在變頻調(diào)速供水系統(tǒng)中，是通過變頻器來改變水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵工作點來達到調(diào)節(jié)供水流量的目的。反映水泵運行工況的水泵工作點也稱為水泵工況點，是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數(shù)。在調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的過程中，水泵工況點的調(diào)節(jié)是一個十分關(guān)鍵的問題。如果水泵工況點偏離設計工作點較遠，不僅會引起水泵運行效率降低、功率升高或者發(fā)生嚴重的氣穴現(xiàn)象，還可能導致管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定而影響正常的供水。水泵在實際運行時的工作點取決于水泵性能、管路水力損失以及所需實際揚程，這三種因素任一項發(fā)生變化，水泵的運行工況都會發(fā)生變化。因此水泵工況點的確定和工況調(diào)節(jié)與這三者密切相關(guān)4。2. 3變頻調(diào)速的節(jié)能、調(diào)速原理水泵機組應用變頻調(diào)速技術(shù)，即通過改變電動機定子電源頻率來改變電動機轉(zhuǎn)速，可以相應地改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚程適應管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)最不利點壓力恒定，達到節(jié)能效果。如圖2-1所示，n為水泵特性曲線，a為管路特性曲線，h0為管網(wǎng)末端的服務壓力， 為泵出口壓力。當用水量達到最大qmax時，水泵全速運轉(zhuǎn)，出口閥門全開，達到了滿負荷運行，水泵的特性曲線n0和用水管路特性曲線a0匯交于b點，此時，水泵報出口壓力為，末端服務壓力剛好為h0。當用水量從qmax減少到q1的過程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。圖2-1節(jié)能分析曲線圖fig.2-1 curve of energy-saving analysis1) 水泵全速運轉(zhuǎn)，靠關(guān)小泵出口閥門來控制：此時，管路阻力特性曲線變陡(a2)，水泵的工況點由b點上滑到c點，而管路所需的揚程將由b點滑到d點，這樣，c點和d點揚程的差值即為全速水泵的能量浪費。2) 水泵變速運轉(zhuǎn)，靠泵的出口壓力恒定來控制：此時，當用水量由qmax下降時，控制系統(tǒng)降低水泵轉(zhuǎn)速來改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。所以其工況點始終在上平移。在水量到達q1時，相應的水泵特性曲線為nx，面管路的特性曲線將向上平移到a1，兩線交點e即為此時的工況點。這樣，在水量減少到q1時，將導致管網(wǎng)不利點水壓升高到h1h0，則h1即為水泵的能量浪費。3) 水泵變速運轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)取不利點壓力恒定來控制：此時，當用水量由qmax下降到q1時，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵的特性曲線變?yōu)閚1，其工況點為d點，正好落在管網(wǎng)特性曲線a0上，這樣可以使水泵的工作點始終沿a0滑動。管網(wǎng)的服務壓力h0恒定不變，其揚程與系統(tǒng)阻力相適應，沒有能量的浪費。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗下降了h1。根據(jù)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分別為泵流量、壓力、軸的功率和轉(zhuǎn)速。即通過控制轉(zhuǎn)速可以減少軸功率。 根據(jù)以上分析表明，選擇供水管網(wǎng)最不利點允許的最低壓力為控制參數(shù)，通過壓力傳感器以獲得壓力信號，組成閉環(huán)壓力自控調(diào)速系統(tǒng)，以使水泵的轉(zhuǎn)速保持與調(diào)速裝置所設定的控制壓力相匹配，使調(diào)速技術(shù)和自控技術(shù)落后相結(jié)合，達到最佳節(jié)能效果。此外，最不利點的控制壓力還保證了用戶水壓的穩(wěn)定，無論管路特性等因素發(fā)生變化，最不利點的水壓是恒定的。保證了居民用水壓力的可靠。采用變頻恒壓供水系統(tǒng)除可節(jié)能外，還可以使水泵機組啟動，降低了啟動電流，避免了對供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊負荷，提高了供水供電的安全可靠性，另外，變頻器本身具有過電流、過電壓、失壓等多種保護功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。由流體力學知：管網(wǎng)壓力p、流量q和功率n的關(guān)系為：n = pq (2-4)又功率與水泵電機轉(zhuǎn)速成三次方正比關(guān)系，基于轉(zhuǎn)速控制比基于流量控制可以大幅度降低軸功率。2. 4變頻調(diào)速恒壓供水工況分析與能耗機理分析2. 4. 1管路水力損失及性能曲線管路水力損失分為沿程損失和局部損失兩種，即 (2-5)沿程損失： (2-6) 局部損失： (2-7) 式中-管路沿程摩擦損失系數(shù)；-局部損失系數(shù)；l-管路長度(m)；-各局部損失的計算流速(m/s)；-過水截面的面積()。將式(2-6)和(2-7)代人(2-5)可得 (2-8)式中s被稱為管路阻力系數(shù)。當水泵管路系統(tǒng)確定后，相應的、l、a等參數(shù)都能確定，s也就確定了。由式(2-8)可知管路水力損失與流量的平方成正比。當上下水位確定后，管路所需要的水頭損失就等于上下水位差(即實際揚程)加上管路損失。 (2-9)由式(2-9)可以得到如圖2-2所示的管路性能曲線。2. 4. 2水泵工作點的確定和調(diào)節(jié)1) 水泵工作點的確定如果把某一水泵的性能曲線(即hq曲線)和管路性能曲線畫在同一坐標系中，如圖2-2所示，則這兩條曲線的交點a就是水泵的工作點。若把水泵的效率曲線-q也畫在同一坐標系中，可以找出a點的揚程、流量以及效率。從圖中可以看出，水泵在工作點a點提供的揚程和管路所需的水頭損失相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達到能量和流量的平衡，這個平衡點是有條件的，平衡也是相對的。一旦當水泵或管路性能中的一個或同時發(fā)生變化時，平衡就被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。2) 水泵工作點的調(diào)節(jié)交流電動機的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f具有如下關(guān)系： (2-10) 式中：p-極對數(shù)；s-轉(zhuǎn)差率因此不改變電動機的極對數(shù)，只改變電源的頻率，電動機的轉(zhuǎn)速就按比例變動。變頻器調(diào)速的工作原理就是通過選擇電壓頻率比(v/f)曲線，設定加減速時間以及轉(zhuǎn)矩補償曲線，使電動機啟動時轉(zhuǎn)速從零開始逐漸升高，實現(xiàn)軟啟動，減少了啟動電流。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率f來改變電機的轉(zhuǎn)速n從而改變水泵的轉(zhuǎn)速。由于水泵的流量、揚程和消耗的功率都可以隨其轉(zhuǎn)速的變化而變化，變頻調(diào)速技術(shù)可以使水泵性能曲線改變，達到調(diào)節(jié)水泵工況，大大擴展了水泵的高效運行范圍。圖2-2 水泵工作點的確定fig.2-2 at the pumps work identified當管網(wǎng)負載減小時，通過vvvf降低交流電的頻率，電動機的轉(zhuǎn)速從n1降低到n2。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論，改變轉(zhuǎn)速n，可使供水泵流量q、揚程h和軸功率n以相應規(guī)律改變。泵的運行效率會大大下降。因此，水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)要盡量使水泵在高效區(qū)之內(nèi)運行，避免使變頻器頻率下降得過低，而造成水泵在低效率段運行。2. 4. 3水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析水泵運行工況點a是水泵性能曲線n1和管路性能曲線r1的交點。在常規(guī)供水系統(tǒng)中，采用閥門控制流量。需要減少流量時關(guān)小閥門，使管路性能曲線由r1變?yōu)閞2。運行工況點沿著水泵性能曲線從a點移到d點，揚程從h0上升到h1，流量從q0減少到q1。采用變頻調(diào)速控制時，管路性能曲線r1保持不變，水泵的特性取決于轉(zhuǎn)速。如果水泵轉(zhuǎn)速從n0降到n1，水泵性能曲線從n0平移到n1，運行工況點沿著水泵性能曲線從a點移到c點，揚程從h0下降到h2，流量從q0減少到q1。在圖2-3中，水泵運行在b點時消耗的軸功率與h1、b、q1、0的面積成正比，運行在c點時消耗的軸功率與h2、c、q1、0的面積成正比。從圖上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調(diào)速控制比恒速泵控制節(jié)能效果十分明顯。求出運行在b點的泵的軸功率： (2-11)運行在c點時泵的軸功率： (2-12)兩者之差： (2-13)圖2-3 水泵節(jié)能分析圖fig.2-3 pumps of energy-saving plans也就是說，采用閥門控制流量時有的功率被白白浪費了，而且損耗隨著閥門的關(guān)小而增加。相反，采用變頻調(diào)速控制水泵電機時，當轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)降低時，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)與恒速泵供水方式中用閥門增加阻力的流量控制方式相比，節(jié)能效果十分顯著。2. 5調(diào)速范圍的確定考察水泵的效率曲線h-q，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚程確定具體最低調(diào)速范圍，在實際配泵時揚程設定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在40hz以上，也就是說轉(zhuǎn)速下降在20%以內(nèi)，在此范圍內(nèi)，電動機的負載率在50%100%范圍內(nèi)變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。啟動頻率一般來說，水泵在低速運行的意義并不大，有的水泵并不能從0hz開始啟動，所以，應該預置運轉(zhuǎn)開始頻率一下，變頻器處于待機狀態(tài)，一利于更好的節(jié)能。所以，在變頻啟動無過流的前提下，運轉(zhuǎn)開始頻率可預置的高一些，一般設定范圍為020hz(也可以通過預置下限頻率來達到目的)。最高頻率：水泵屬于平方律負載，當轉(zhuǎn)速超過其額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律增加。例如，當轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速10(nx1.1nn)時，轉(zhuǎn)矩將比額定轉(zhuǎn)矩超過21(tx1.21tn)，導致電動機嚴重過載。因此，變頻器的工作頻率是不允許超過額定轉(zhuǎn)矩的，其最高頻率只能與額定頻率相等，fmaxfn50hz。一般來說，上限頻率也以等于額定頻率為宜，但有時也可以預置的略低一些，原因有二：1) 變頻器由于內(nèi)部往往具有轉(zhuǎn)差補償功能，所以，在同是50hz的情況下，水泵在變頻運行時，實際轉(zhuǎn)速要高于工頻運行時的轉(zhuǎn)速，從而增大了水泵和電機的負載；2) 變頻調(diào)速系統(tǒng)在50hz下運行時，不如直接在工頻下運行為好，可以減少變頻器本身的損失，因此，將上限頻率預置為49hz或49.5hz最合適。下限頻率：在供水系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速過低時會出現(xiàn)水泵的全揚程小于基本揚程(實際揚程)形成水泵“空轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象。所以，在多數(shù)情況下，下限頻率應定為30hz35hz。3變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的整體設計方案3. 1變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及原理構(gòu)成5：本系統(tǒng)以由三臺主水泵(1#泵、2#泵、3#泵)、一臺輔助水泵(4#泵)、一臺變頻器，一臺plc、一個遠傳壓力表及若干輔助部件構(gòu)成，如圖3-1所示。各部分功能如下：1) 水泵用來提高水壓以實現(xiàn)向高處供水；2) 安裝于供水管道上的遠傳壓力表將管網(wǎng)水壓力轉(zhuǎn)換成4-20ma的電信號；3) 變頻調(diào)速器用于調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)管網(wǎng)中水流量；4) plc用于水泵的邏輯切換、控制及供水壓力的pid控制等；5) 外圍輔助電路可以當自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時可以通過人工調(diào)節(jié)方式維持系統(tǒng)運行，以保障連續(xù)生產(chǎn)。圖3-1變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成圖fig.3-1 the structeue chart of the constant pressure water supply system with changing frequency and speed abilities原理：原理圖如圖3-2所示。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中遠傳壓力表將主水管網(wǎng)壓力信號轉(zhuǎn)換成電流信號再經(jīng)plc的擴展模塊pid運算送給變頻器，并給出信號直接控制水泵電動機的轉(zhuǎn)速和泵水量以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定，由此構(gòu)成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器的上、下限頻率信號及其持續(xù)時間長短可作為plc進行邏輯切換、起停泵的依據(jù)6。圖3-2 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)原理圖fig.3-2 principle chart of the constant pressure water supply system with changing frequency and speed abilities當用水量不是很大時，一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運行；當用水量大到變頻器全速運行也不能保證管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定時，變頻器的高速信號(即變頻器的頻率上限信號)被plc檢測到，如果頻率上限信號持續(xù)出現(xiàn)一定時間，plc自動將原工作在變頻狀態(tài)下的泵投入到工頻運行，同時將另一臺備用的泵用變頻器起動后投入運行，以加大管網(wǎng)的供水量保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。若兩臺泵全速運轉(zhuǎn)仍不能達到設定壓力，則將變頻工作狀態(tài)下的泵投入到工頻運行，而將另一臺備用泵投入變頻運行。當用水量減少時，首先表現(xiàn)為變頻器己工作在最低速信號(即變頻器的頻率下限信號)有效，如果頻率下限信號持續(xù)出現(xiàn)，plc首先將工頻運行的泵停掉，以減少供水量。當變頻器下限信號持續(xù)出現(xiàn)一定時間，plc再停掉一臺工頻運行的水泵電機，只剩一臺泵用變頻器控制供水，如果變頻器下限信號還持續(xù)出現(xiàn)，則進入小容量的輔助水泵變頻運行(特別適合深夜用水量較小時)7。3. 2系統(tǒng)要求實現(xiàn)的功能系統(tǒng)要求實現(xiàn)如下功能：1) 全自動運行合上自動開關(guān)后，1#泵電機通電，變頻器輸出頻率從0hz上升，同時pid調(diào)節(jié)程序?qū)⒔邮盏阶赃h傳壓力表的信號，經(jīng)運算與給定壓力參數(shù)進行比較，將調(diào)節(jié)參數(shù)送給變頻器，如壓力不夠，則頻率上升，直到50hz，1#泵由變頻切換為工頻，同時對2#泵進行變頻啟動，變頻器頻率逐漸上升至需要值，加泵依次類推；如用水量減小(壓力過大)，變頻器下限頻率持續(xù)出現(xiàn)，則將先啟動的泵先切除。若有電源瞬時停電的情況，則系統(tǒng)停機。待電源恢復正常后，系統(tǒng)自動恢復運行，然后按自動運行方式啟動1#泵變頻，直至在給定水壓值上穩(wěn)定運行。變頻自動控制功能是該系統(tǒng)最基本的功能，系統(tǒng)自動完成對多臺泵軟啟動、停止、循環(huán)變頻的全部操作過程。2) 手動運行當遠傳壓力表故障或變頻器故障時，為確保用水，四臺泵可分別以手動控制方式工頻運行。3) 停止轉(zhuǎn)換開關(guān)置于停止位置，設備進入停機狀態(tài)，任何設備不能啟動。4) 采用“自動切換”和“先啟先?！痹瓌t“自動切換”是指當一臺單獨運行水泵或者有兩臺同時運行的水泵，運行在這種狀態(tài)下持續(xù)時間達到設定時間時自動換泵運行。“先啟先?！笔侵改囊慌_先啟動的水泵在壓力過大時也先被切除，這樣保證系統(tǒng)的每臺泵運行時間接近，防止有的泵運行時間過長，而有的泵卻長時間不用而銹死，從而延長了設備的使用壽命。 5) 平穩(wěn)切換，恒壓控制 遠傳壓力表將主水管網(wǎng)壓力信號經(jīng)plc的擴展模塊pid運算送給變頻器，并給出信號直接控制水泵電動機的轉(zhuǎn)速以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。當在運行的水泵全速運行，還未達到給定壓力時，變頻運行的泵被切換到工頻運行，變頻器將啟動另一臺泵(即采用軟啟動)。 6) 完善的各種保護、報警功能 對工頻電源和變頻電源在供電控制回路上實現(xiàn)機械和電氣互鎖，防止短路產(chǎn)生。當水泵的功率較大時，為防止直接啟動電流過大，需要采用軟啟動方法，即用變頻器來啟動水泵。運行的水泵在斷開電源后，利用其運行的慣性切換到工頻，可避免切換過程中產(chǎn)生過電流。 電動機的熱保護。雖然水泵在低速運行時，電動機的工作電流較小，但是當用戶用水量變化頻繁時，電動機將處于頻繁的升速、降速狀態(tài)，這時電動機的電流可能超過額定電流，導致電動機過熱。因此電動機的熱保護是必須的。具有缺水保護功能。當水泵工作在自動狀態(tài)，為防止當水池沒水時水泵空載運行，燒壞水泵電機，系統(tǒng)設計一缺水保護電路。當水池缺水時，保護電路中繼電器常開觸點斷開，切斷控制電路電源，從而保護系統(tǒng)。 7) 滿足用戶在用水高峰時的用水要求 根據(jù)用戶最大用水量和供水高度的計算，本系統(tǒng)采用揚程61m，流量12.6立方米每小時，軸功率5.5kw的主泵三臺；揚程48m，流量7立方米每小時，配套功率2.2kw輔泵一臺。系統(tǒng)最大功率為16.5kw，揚程為61m。4變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的硬件部分設計 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)硬件部分主要由變頻器、plc、遠傳壓力表、氣壓罐、水泵等組成，硬件部分設計主要包括以上設備的選型和主電路、控制電路的設計。4. 1變頻器的工作原理和選擇 變頻器是采用交-直-交電源變換技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品，它通過改變電動機工作電源頻率從而達到改變電動機轉(zhuǎn)速的目的。它在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中起著非常重要作用，是水泵電機調(diào)速的執(zhí)行者8。4. 1. 1變頻調(diào)速基本原理 變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系： (4-1) 式中，n表示電機轉(zhuǎn)速； f表示電源頻率； s表示電機轉(zhuǎn)差率； p表示電機磁極對數(shù)。 通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉(zhuǎn)速的目的。變頻器就是基于上述原理采用交-直-交電源變換技術(shù)、電力電子、微電腦控制等技術(shù)于一身的綜合性電氣產(chǎn)品。 實際上，若僅改變電源的頻率則不能獲得異步電動機滿意的調(diào)整性能。因此，必須在調(diào)節(jié)的同時，對定子相電壓也進行調(diào)節(jié)，使與之間存在一定的比例關(guān)系。故變頻電源實際上是變頻變壓電源，而變頻調(diào)速準確的稱呼應是變頻變壓調(diào)速，其英文術(shù)語為variable voltage variable frequency，又簡稱為vvvf調(diào)速器。根據(jù)與的關(guān)系，變頻調(diào)速原則上主要有以下兩種： 1) 恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速(恒磁通變頻調(diào)速)由異步電動機的電勢方程知：電動機定子相電壓近似與電源、磁通的乘積成正比。故若一定時，則必將隨著的變化而變。若從額定值(我國通常為50hz)往下調(diào)節(jié)時，就增大。而電動機在設計時，為了充分利用鐵芯材料，一般都把值選在接近磁飽和和數(shù)值附近。因此，的增大，就會導致磁路過飽和，勵磁電流大大增加，這將使電動機帶負載的能力降低，功率因數(shù)值變小，鐵損增加，電動機過熱，這是不允許的。反之，若從額定值往上調(diào)節(jié)時，就減小，這在一定的負載下又有過電流的危險.為此通常要求磁通恒定，即與成正比關(guān)系，即 (4-2)式(4-2)中，為電動機在非額定工況時的定子電壓和電源頻率。又由異步電動機的轉(zhuǎn)矩方程式知，當有功電流額定時，一定時，電動機的轉(zhuǎn)矩m也一定，故恒磁通即恒轉(zhuǎn)矩。2) 恒功率變頻調(diào)速當電動機在額定轉(zhuǎn)速以上運轉(zhuǎn)時，定子頻率將大于額定頻率。這時若仍采用恒磁通變頻調(diào)速，則要求電動機的定子電壓隨著升高?？墒请妱訖C繞組本身不允許承受過高的電壓，電壓必須限制在允許的范圍內(nèi)，這就不能再應用恒磁通變頻調(diào)速。在這種情況下，可以采用恒功率變頻調(diào)速。根據(jù)推導可知，恒功率調(diào)速必須滿足以下兩個條件：定值 (4-3)由于恒功率變頻調(diào)速時必將發(fā)生變化，故電動機效率和功率因數(shù)將有可能下降。從上面對恒磁通和恒功率的變頻調(diào)速特性分析可以得知，變頻調(diào)速從額定頻率往頻率下降的方向調(diào)速時，即次同步高速時，應采用恒轉(zhuǎn)矩(恒磁通)變頻調(diào)速；變頻調(diào)速從額定頻率往頻率增加的方向調(diào)速時，即超過同步調(diào)速時，需要采用恒功率變頻調(diào)速9。4. 1. 2變頻器的分類及各種型式變頻器的特點變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要設備是能提供變頻電源的變頻器。變頻器的變流元件(電力開關(guān)元件)目前使用的主要有如下4種：晶閘管(可控硅)、大功率三極管(gtr，動力晶體管)、可關(guān)斷晶閘管(gto可關(guān)斷可控硅)、二極管。變頻器可分為交流-直流-交流(簡稱交-直-交)變頻器和交流-交流(簡稱交-交)變頻器兩類。交-直-交變頻器是先將工頻交流電通過整流器整流成直流；再把直流電經(jīng)逆變器變成頻率可調(diào)的交流電。交-交變頻器將電網(wǎng)的交流電直接變?yōu)殡妷汉皖l率都可調(diào)的交流電。由于交-交變頻器的輸出頻率一般最高只能達到電源頻率的1/21/3，所以它適用于低速大功率的傳動，在泵與風機的調(diào)速節(jié)能中迄今很少使用。本文只討論交-直-交變頻器。交-直-交變頻器又分為電流型和電壓型兩種，兩者的主要區(qū)別是中間濾波環(huán)節(jié)的濾波方式不同。電壓型變頻器采用大容量的電容器進行濾波，直流回路的電壓波形比較平直，輸出呈低阻抗，類似于電壓源。逆變器中電子開關(guān)的通斷作用實質(zhì)是將直流電壓以一定的方向和次序分配給負載電動機的各個繞組，形成矩形波或階梯形波的交流電壓。電流型變頻器則采用大電感的電抗器進行濾波，直流回路的電流波形比較平直，輸出呈高阻抗，類似于電流源。逆變器中晶閘管等電子開關(guān)的通斷作用實質(zhì)上是將直流電以一定的方向和次序分配給負載電動機的各個繞組，形成矩形波或階梯波的交流電流。除上述電流型和電壓型變頻器外，70年代后期又在電壓型變頻器的基礎(chǔ)上發(fā)展出一種脈沖寬度調(diào)制(pwm)型變頻器。以單相變頻器通電型為例，電壓型變頻器輸出的電壓波形為矩形；而pwm型則是把電壓型的矩形波分割成若千個脈沖，若適當選擇脈沖個數(shù)和脈沖寬度，則其輸出波形近和正弦波相當。這就減少了電壓中的低次諧波，減少了諧波損失，擴大了裝置系統(tǒng)調(diào)速范圍，提高了電動機在低速運行時穩(wěn)定性。pwm型變頻器根據(jù)供給逆變器的直流電壓是可變還是恒定又分為恒幅pwm型變頻器和變幅(脈沖幅值可調(diào)的)pwm型變頻器兩種。恒幅pwm型變頻器是由二極管整流器，逆變器組成，逆變器的輸入恒定直流電壓，通過調(diào)節(jié)其脈沖寬度和輸出交流電壓頻率來實現(xiàn)既調(diào)壓又調(diào)頻，變頻變壓都由逆變器承擔。由于輸出電壓由逆變器決定，所以恒幅pwm型變頻器的調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)的動態(tài)響應好；并且由于直流電源由整流橋整流得到，所以無需移相控制，功率因數(shù)高。這種變頻器的逆變器的交流元件可采用大功率三極管(otr)(適用于中小容量)或可關(guān)斷晶閘管(gto)(適用于大中容量)。由于gto和gtr均有自己關(guān)斷的能力，故在變頻調(diào)速系統(tǒng)中可省去復雜的換流電路和換流元件，從而消除了電路的換流損耗，故恒幅pwm型變頻器具有高的調(diào)速效率和可靠性。脈沖幅值可調(diào)的pwm型變頻器，它與普通電壓型變頻器相同，該電路由可控硅整流器，中間濾波環(huán)節(jié)和晶閘管(或其它換流元)逆變器組成，逆變器用于頻率的控制。pwm型變頻器雖多為上述電壓型的，但近來也有電流型的。電流pwm變頻器波形的特點是把寬的電流矩形波中間的保留不動，而把前后的波形切成脈沖狀。普通的電流變頻器的主要問題是由于它的輸出電流為矩形波，由此產(chǎn)生的高次諧波成分將會對電動機和電源產(chǎn)生不良影響。如使供電電源質(zhì)量下降，電動機的特性惡化；電動機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動問題等。為了減少高次諧波成分，除了采用前面所述的pwm技術(shù)以外，還可采用多重化技術(shù)，即把多組電流型變頻器并聯(lián)起來，以改善其輸出電流波形特形。在泵與風機調(diào)速節(jié)能的變頻調(diào)速系統(tǒng)中現(xiàn)己普遍采用這一多重化技術(shù)。由于變頻調(diào)速在寬的轉(zhuǎn)速范圍都具有高的調(diào)速效率，所以是一種很有發(fā)展前途的調(diào)速。在德國，日本等先進工業(yè)國家，在泵與風機的調(diào)節(jié)方面已普遍應用變頻調(diào)速。4. 1. 3變頻器的選型變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇、容量選擇和變頻器箱體結(jié)構(gòu)的選擇三個方面。其總的原則是首先保證可靠地滿足工藝要求，再盡可能節(jié)省資金。變頻器的型式選擇根據(jù)控制功能可將通用變頻器分為三種類：普通功能型u/f控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高性能u/f控制變頻器知矢量控制高性能型變頻器。變頻器類型的選擇要根據(jù)負載的要求進行。對于風機，泵類等平方轉(zhuǎn)矩，低速下負載轉(zhuǎn)矩較小，通?？蛇x擇普通功能型的變頻器。在變頻器選型前應掌握傳動系統(tǒng)的以下參數(shù)：1) 電動機的極數(shù)。一般電動機極數(shù)以不多于4極為宜，否則變頻器容量要適當加大。2) 轉(zhuǎn)矩特性。在同等電動機功率情況下，相對于高過載轉(zhuǎn)矩模式，變頻器規(guī)格可以降額選取。3) 電磁兼容性。為減少主電源千擾，使用時可在中間或變頻器輸入電路中增加電抗器，或安裝前置隔離變壓器。一般當電動機與變頻器距離超過50m時，應在它們中間串入電抗器、濾波器或采用屏蔽防護電纜。變頻器的選型應滿足以下條件：1) 電壓等級與驅(qū)動電動機相符。2) 額定電流為所驅(qū)動電動機額定電流的1.11.5倍。3) 根據(jù)被驅(qū)動設備的負載特性選擇變頻器的控制方式。變頻器容量選擇： 變頻器的容量可從三個角度表述：額定電流、可用電動機功率和額定容量。其中后兩項變頻器生產(chǎn)廠家由本國或本公司生產(chǎn)的標準電動機給出，或隨變頻器輸出電壓而降低，都很難確切表達變頻器的能力。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流量是一個反映半導體變頻器裝置負載能力的關(guān)鍵量。負載電流不超過變頻器額定電流是選擇變頻器容量的基本原則。變頻器的額定功率指的是它適用的4級交流異步電動機的功率。由于同容量電動機，其極數(shù)不同，電動機額定電流不同。隨著電動機極數(shù)的增多，電動機額定電流增大。變頻器的容量選擇不能以電動機額定電流為依據(jù)。同時，對于原來采用變頻器的改造項目，變頻器的容量選擇也不能以電動機額定電流為依據(jù)。這是因為，電動機的容量選擇在考慮最大負載，富裕系數(shù)，電動機規(guī)格等因素，往往電動機的容量富裕較大，工業(yè)用電動機常常在50%60%額定負荷下運行。若以電動機額定電流為依據(jù)來選擇變