變頻器在供水系統(tǒng)中的應(yīng)用.doc

交流調(diào)速系統(tǒng)在供水系統(tǒng)上的應(yīng)用設(shè)計(jì) 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)-王長勁-20104073219-2013.12.28摘 要：本論文根據(jù)加壓泵站供水要求，在原來自耦降壓啟動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，改造設(shè)計(jì)了一套基于PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。變頻恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機(jī)組、壓力傳感器等構(gòu)成。本系統(tǒng)包含三臺水泵電機(jī)，它們組成變頻循環(huán)運(yùn)行方式。采用變頻器實(shí)現(xiàn)對三相水泵電機(jī)的軟啟動(dòng)和變頻調(diào)速，運(yùn)行切換采用“先啟先停”的原則。壓力傳感器檢測當(dāng)前水壓信號，送入PLC與設(shè)定值比較后進(jìn)行PID運(yùn)算，從而控制變頻器的輸出電壓和頻率，進(jìn)而改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變供水量，最終保持管網(wǎng)壓力穩(wěn)定在設(shè)定值附近。關(guān)鍵詞：變頻器；可編程控制器；恒壓供水 - 3 -一 緒論泵站擔(dān)負(fù)著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務(wù)，運(yùn)行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，對提高經(jīng)濟(jì)效益有重大意義。目前，有一20年前的加壓泵站已不能適應(yīng)當(dāng)前的應(yīng)用環(huán)境，需要改造。因此，研究提水系統(tǒng)的能量模型，找出能夠節(jié)能的、有效地控制策略方法是目前較為重要的一件事。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，變頻恒壓供水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能和高品質(zhì)的供水質(zhì)量等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于供水系統(tǒng)中。變頻恒壓供水的調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中如何充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對合理設(shè)計(jì)變頻恒壓供水設(shè)備、降低成本、保證產(chǎn)品質(zhì)量等有著重要意義。目前變頻恒壓供水系統(tǒng)正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制、多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化，是未來供水設(shè)備適應(yīng)企業(yè)正常供水、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢。二 總體方案2.1設(shè)計(jì)要求本系統(tǒng)是以PLC與變頻器協(xié)調(diào)控制電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速和停止，來達(dá)到供水系統(tǒng)的恒壓供水的目的。系統(tǒng)供水要求： 根據(jù)加壓泵站的3臺水泵的實(shí)際設(shè)備配置情況，增設(shè)變頻器裝置及循環(huán)控制裝置一套，使每一臺的電機(jī)能單獨(dú)進(jìn)入自動(dòng)恒壓供水閉環(huán)控制系統(tǒng)。保留原來的降壓啟動(dòng)電器柜備用。在自動(dòng)故障時(shí)，可以手動(dòng)控制，使電器柜運(yùn)行，確保正常供水。2.2 電機(jī)運(yùn)行要求 運(yùn)行由變頻柜與循環(huán)轉(zhuǎn)換柜、水泵、水流、壓力傳感裝置構(gòu)成的閉環(huán)自控系統(tǒng)，首先由變頻柜軟啟動(dòng)1#水泵，變頻器頻率從零升至50Hz，水泵達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。此時(shí)供水壓力若達(dá)不到設(shè)定的壓力，系統(tǒng)自動(dòng)將1#水泵切換到工頻恒速運(yùn)行，變頻器再軟啟動(dòng)2#水泵，進(jìn)行調(diào)速供水，如還達(dá)不到設(shè)定壓力，系統(tǒng)又自動(dòng)將2#水泵切換到工頻恒速運(yùn)行，變頻器又再軟啟動(dòng)3#水泵，直到達(dá)到設(shè)定壓力，變頻器始終停留在某一水泵上調(diào)速運(yùn)行。如運(yùn)行中變頻泵頻率降至設(shè)定的最低頻率，供水水壓大于設(shè)定壓力，系統(tǒng)將自動(dòng)停止最先啟動(dòng)的水泵，如仍大，再停第二次啟動(dòng)的水泵。在夜間運(yùn)行時(shí)，當(dāng)最后一臺變頻泵頻率降到設(shè)定的最低頻率，此時(shí)供水壓力還大于設(shè)定的壓力時(shí)，變頻裝置將進(jìn)入休眠狀態(tài)，系統(tǒng)自動(dòng)停止水泵工作。此時(shí)由壓力傳感裝置監(jiān)視管網(wǎng)壓力，若低于設(shè)定壓力的0.05MPa，變頻裝置自動(dòng)喚醒，啟動(dòng)水泵補(bǔ)水。該系統(tǒng)就如此循環(huán)啟動(dòng)、調(diào)速運(yùn)行、停止，不斷進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到恒壓供水的目的。三 控制電路的設(shè)計(jì)如圖所示，整個(gè)系統(tǒng)由三臺水泵，一臺變頻調(diào)速器，一臺PLC和一個(gè)壓力傳感器及若干輔助部件構(gòu)成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動(dòng)閥，以供維修和調(diào)節(jié)水量之用，三臺泵協(xié)調(diào)工作以滿足供水需要；變頻供水系統(tǒng)中檢測管路壓力的壓力傳感器，一般采用電阻式傳感器(反饋05V電壓信號)；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機(jī)的頻率實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級調(diào)速、無波動(dòng)穩(wěn)壓的效果和各項(xiàng)功能。從原理框圖，我們可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機(jī)界面等部分組成。3.1 PLC的選型水泵M1、M2，M3可變頻運(yùn)行，也可工頻運(yùn)行，需PLC的6個(gè)輸出點(diǎn)，變頻器的運(yùn)行與關(guān)斷由PLC的1個(gè)輸出點(diǎn)，控制變頻器使電機(jī)正轉(zhuǎn)需1個(gè)輸出信號控制，報(bào)警器的控制需要1個(gè)輸出點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)量一共9個(gè)?？刂破饎?dòng)和停止需要2個(gè)輸入點(diǎn)，變頻器極限頻率的檢測信號占用PLC的2個(gè)輸入點(diǎn)，系統(tǒng)自動(dòng)/手動(dòng)起動(dòng)需1輸入點(diǎn)，手動(dòng)控制電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行需6個(gè)輸入點(diǎn)，控制系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行需1個(gè)輸入點(diǎn)，檢測電機(jī)是否過載需3個(gè)輸入點(diǎn)，共需15個(gè)輸入點(diǎn)。系統(tǒng)所需的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)量共為24個(gè)點(diǎn)。本系統(tǒng)選用FXos-30MR-D型PLC。手動(dòng)運(yùn)行當(dāng)按下SB7按鈕，用手動(dòng)方式。按下SB10手動(dòng)啟動(dòng)變頻器。當(dāng)系統(tǒng)壓力不夠需要增加泵時(shí)，按下SBn（n=1,3,5）按鈕，此時(shí)切斷電機(jī)變頻，同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)工頻運(yùn)行,再起動(dòng)下一臺電機(jī)。為了變頻向工頻切換時(shí)保護(hù)變頻器免于受到工頻電壓的反向沖擊，在切換時(shí)，用時(shí)間繼電器作了時(shí)間延遲，當(dāng)壓力過大時(shí)，可以手動(dòng)按下SBn（n=2,4,6）按鈕，切斷工頻運(yùn)行的電機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)電機(jī)變頻運(yùn)行?？筛鶕?jù)需要，停按不同電機(jī)對應(yīng)的啟停按鈕，可以依次實(shí)現(xiàn)手動(dòng)啟動(dòng)和手動(dòng)停止三臺水泵。該方式僅供自動(dòng)故障時(shí)使用。自動(dòng)運(yùn)行由PLC分別控制某臺電機(jī)工頻和變頻繼電器，在條件成立時(shí)，進(jìn)行增泵升壓和減泵降壓控制。升壓控制：系統(tǒng)工作時(shí)，每臺水泵處于三種狀態(tài)之一，即工頻電網(wǎng)拖動(dòng)狀態(tài)、變頻器拖動(dòng)調(diào)速狀態(tài)和停止?fàn)顟B(tài).系統(tǒng)開始工作時(shí)，供水管道內(nèi)水壓力為零，在控制系統(tǒng)作用下，變頻器開始運(yùn)行，第一臺水泵M1，啟動(dòng)且轉(zhuǎn)速逐漸升高，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時(shí)，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間M1處在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)用水量增加水壓減小時(shí)，通過壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)水泵按設(shè)定速率加速到另一個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；反之用水量減少水壓增加時(shí)，水泵按設(shè)定的速率減速到新的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器輸出頻率增加至工頻時(shí)，水壓仍低于設(shè)定值，由PLC控制切換至工頻電網(wǎng)后恒速運(yùn)行；同時(shí)，使第二臺水泵M2投入變頻器并變速運(yùn)行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。如果用水量繼續(xù)增加，每當(dāng)加速運(yùn)行的變頻器輸出頻率達(dá)到工頻時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，并有新的水泵投人并聯(lián)運(yùn)行。當(dāng)最后一臺水泵M3投人運(yùn)行，變頻器輸出頻率達(dá)到工頻，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出故障報(bào)警。降壓控制：當(dāng)用水量下降水壓升高，變頻器輸出頻率降至起動(dòng)頻率時(shí)，水壓仍高于設(shè)定值，系統(tǒng)將工頻運(yùn)行時(shí)間最長的一臺水泵關(guān)掉，恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，使壓力重新達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，每當(dāng)減速運(yùn)行的變頻器輸出頻率降至起動(dòng)頻率時(shí)，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，直到剩下最后一臺變頻泵運(yùn)行為止。四 經(jīng)濟(jì)性分析4.1變頻器恒壓供水節(jié)能原理任何利用交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為電力傳動(dòng)方式的生產(chǎn)機(jī)械，電動(dòng)機(jī)的功率是按最大負(fù)荷期額定負(fù)荷選擇的。而工作時(shí)絕大部分不能滿載運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)工作于滿電壓、滿速度而負(fù)載很小，也會(huì)有很多時(shí)間空載運(yùn)行，由電機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行特性可以知道，電動(dòng)機(jī)只有運(yùn)行在滿載時(shí)才是效率最高、功率因子最佳狀況，輕載時(shí)降低，空載時(shí)甚至降到0.3N以下，造成許多不必要的電能損耗?，F(xiàn)在采用檢測負(fù)載大小的方法，根據(jù)負(fù)載的減少，適當(dāng)降低定子電壓可以提高效率，這是因?yàn)楫?dāng)輕載、空載時(shí)定子電流有功分量很小，而主要是勵(lì)磁的無功電流，因此功率因子很低，而空載損耗中占主要成份的是定子滿電壓的鐵損耗，一點(diǎn)沒有減少，所以效率很低。如果適當(dāng)降低定子電壓，見電機(jī)定子感應(yīng)電勢公式:KN1由于輕載、空載時(shí)定子電流很小，可以忽略定子繞組的漏阻抗壓降，所以U1約等于E1,當(dāng)其它條件不變時(shí)，降低定子電壓U1，則功率因子比例下降，也即勵(lì)磁無功電流也成比例下降，這樣定子電流中的無功分量減少了，功率就提高了，適當(dāng)控制可以接近最佳值。隨著U1下降，定子鐵損以平方比例迅速下降，這樣輕載、空載時(shí)占主要損耗的鐵耗大量減少，使電機(jī)的運(yùn)行效率大大提高，這就是輕載降壓節(jié)電的道理。4.2變頻啟動(dòng)節(jié)能通常感應(yīng)電機(jī)采用直接接入電網(wǎng)啟動(dòng)方法，電機(jī)的啟動(dòng)電流為額定電流的35倍，這不僅損耗大，對電網(wǎng)的沖擊也大，如用變頻啟動(dòng)，可以將電流限制到很小，如滿載啟動(dòng)，也只要比額定電流稍大就行。這樣啟動(dòng)損耗大大降低了。既不沖擊電網(wǎng)，也不沖擊機(jī)械。小結(jié)本文針對加壓泵站供水的特點(diǎn)，在原來的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于PLC的變頻恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用單臺變頻器實(shí)現(xiàn)多臺水泵電機(jī)的軟起動(dòng)和調(diào)速，并保留了原有的自耦降壓起動(dòng)裝置，同時(shí)把水泵電機(jī)控制納入自動(dòng)控制系統(tǒng)。壓力變送器采樣管網(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)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過改變水泵性能曲線來實(shí)現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。該系統(tǒng)不僅有效地保證了供水系統(tǒng)管網(wǎng)壓力恒定，而且具有工作可靠、施工簡單、節(jié)能效果顯著、全自動(dòng)控制、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)束語通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅使我鞏固了對原有知識的掌握，還拓寬了我的知識面。在提高自己的同時(shí)，我也更加清楚的認(rèn)識到自己的一些不足之處。比如：在硬件設(shè)備之間的連接，I/O端口的分配，地址的分配這幾方面自己起初不是很了解，但經(jīng)過這半年的自學(xué)，以及向老師、同學(xué)們請教，我對這些知識有了更深入的理解。通過這兩周的實(shí)踐和學(xué)習(xí)，我學(xué)到了很多課本中無法涉及到的知識，體會(huì)到了工程設(shè)計(jì)的復(fù)雜與困難，也感受到了親自做出成績的成功與喜悅，這些都為以后的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的