恒壓供水系統(tǒng)變頻器課程設計

1、變頻器課程設計課程設計報告書交流調(diào)速系統(tǒng)與變頻器應用恒壓供水系統(tǒng)課程名稱：交流調(diào)速系統(tǒng)與變頻器應用課題名稱：恒壓供水系統(tǒng)系部名稱：專業(yè)班級：姓 名：_學 號：一年 月 日設計任務書設計目的：自動恒壓供水在日常生活中應用較多，用變頻器可 以比較容易的實現(xiàn)恒壓供水。本設計的目的在于設計一種用變頻器實 現(xiàn)的高樓無塔恒壓系統(tǒng)。技術指標：1、 三臺水泵電機功率分別為 2.2kw、3kw、5. 5kw。2、 采用plc控制，用水高峰時壓力穩(wěn)定在 0. 3mpa3、 系統(tǒng)具有休眠功酢 4、采用閉環(huán)控制，確保壓力波動小、達到設定壓力時間短5、有輸入電源缺相、過壓、過流、過載等安全保護功能6、該系統(tǒng)具備防誤操作

2、等功能第3頁共13頁一、恒壓供水系統(tǒng)的介紹一個三臺泵生活/消防雙包壓供水系統(tǒng)主要是由plc、變頻器、壓力傳感器、 水泵斷路器、接觸器、中間繼電器以及水泵等組成。用戶通過控制柜上的指示操 作面板上的指示燈、td-200顯示屏及按鈕、轉換開關來了解和控制系統(tǒng)的運行。 市網(wǎng)自來水用高低水位控制器 eq來控制注水閥，它們自動把水注滿儲水水池， 只要水位低于高水位，則自動往水箱內(nèi)注水。水池的高/低水位信號也接送給pl c,作為低水位報警用。通過安裝在出水管網(wǎng)上的遠傳壓力傳感器將壓力信號轉 化為4-20ma的標準信號送入plc,經(jīng)pid運算與給定壓力參數(shù)進行比較，得出 調(diào)節(jié)參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制水

3、泵轉速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水量，使系統(tǒng)的供 水管網(wǎng)壓力保持在給定壓力上；當用水量超過一臺泵的供水量時，通過 plc控 制增加泵。根據(jù)用戶用水量的大小來控制工作泵數(shù)量的增減及變頻器對水泵的調(diào) 速，實現(xiàn)包壓供水。當供水負載變化時，輸入電機的電壓和頻率也隨之變化，這 樣就構成了以壓力設定值為基準的閉環(huán)控制系統(tǒng)。為了保證供水的連續(xù)性，水位上下限傳感器高低距離不是很大。 生活用水和 消防用水共三臺泵，平時由兩臺生活泵負責生活用水，當消防系統(tǒng)啟動時，生活 用水水泵立即停止運行，消防泵立即投入運行，并按設定壓力對消防水泵進行變 頻調(diào)速。消防系統(tǒng)警報解除后，生活泵再投入運行。二、恒壓供水系統(tǒng)的原理恒壓供水控制系統(tǒng)的基

4、本控制原理是：采用電動機調(diào)速裝置與可編程控制 器構成控制系統(tǒng)，進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組的運行臺數(shù)， 完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目 的。系統(tǒng)的控制目標是泵站總管的出水壓力， 系統(tǒng)設定的給水壓力值與反饋的總 管壓力實際值進行比較，其差值輸入 cpu運算處理后，發(fā)出控制指令，控制泵 電動機的投運臺數(shù)和運行變量泵電動機的轉速，從而達到給水總管壓力穩(wěn)定在設 定的壓力值上。目前自動恒壓供水系統(tǒng)應用的電動機調(diào)速裝置均采用交流變頻技 術，而系統(tǒng)的控制裝置采用 plc控制器，因plc不僅可實現(xiàn)泵組、閥門的邏輯 控制，并可完成系統(tǒng)的數(shù)字 pid調(diào)節(jié)功能，

5、可對系統(tǒng)中的各種運行參數(shù)、控制 點的實時監(jiān)控。恒壓供水指的是主管出口壓力恒定的供水方式。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)通過 實時檢測供水主管出口壓力，然后與設定值進行比較，經(jīng)壓力調(diào)節(jié)器運算處理后，在線自動調(diào)節(jié)變頻器，控制泵的轉速隨壓力變化而變化，最終達到主管出口壓力穩(wěn) 定在設定值上的目的。原理圖見圖下圖變頻器課程設計壓力傳感器圖2-1恒壓供水原理圖首先我們要清楚變頻調(diào)速的原理，由交流感應電動機轉速公式n =60fi/p *(1-s)（式中n電機轉速;f一定子供電頻率；s轉差率;p電機極對數(shù)）可知：如 均勻地改變電機定子的供電頻率f 1,就可平滑改變電機轉速.對于異步電動機的 變頻傳動，為了避免電機過磁飽

6、和，同時抑制啟動電流，產(chǎn)生必需的轉矩進行安全 運轉，在改變頻率的同時，對定子電壓也應作相應調(diào)節(jié).逆變器主回路把三相 50h z交流電整流濾波為直流，再通過pwm脈寬調(diào)制器觸發(fā)大功率晶體管，把直流變 為電壓和頻率可調(diào)的三相交流電，由此可實現(xiàn)變頻調(diào)速。那么下面我們就關心的 問題就是水流量與轉速及軸功率的關系。由流體力學的原理可得下列表達式： qi/q2=ni/n2； hi/ h2= （ni/n2）2; pi/ p2= （ni/n2）3（其中q代表流量；h代表揚程（水壓）；p代表軸功率；n代表轉速）， 當流量減小，水泵轉速下降，其電機輸出功率則大幅度下降。例如：當流量下降 到80%,轉速也下降到80

7、%時，其軸功率則下降到額定功率的 5i%;當流量降 至ij50%,軸功率將下降到額定功率的i3%,即使考慮到由于轉速降低引起效率 下降等附加控制裝置的效率等因素，其節(jié)能效果也是很明顯的。三變頻恒壓供水系統(tǒng)的構成系統(tǒng)采用plc變頻器包壓供水系統(tǒng)的方案，供水系統(tǒng)方案圖如下：第4頁共i3頁變頻器課程設計系統(tǒng)的原理圖如下變斯器切換邏箍用戶管閨第9頁共13頁整個系統(tǒng)由三臺水泵，一臺變頻調(diào)速器，一臺 plc和一個壓力傳感器及若干 輔助部件構成。三臺水泵中每臺泵的出水管均裝有手動閥，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0

8、5v電壓信號）或壓力變送器（反饋4 20ma電流）；變頻器是供水系統(tǒng)的核心，通過改變電機的頻率實現(xiàn)電機的無極調(diào) 速、無波動穩(wěn)壓的效果和各項功能。 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)行機構、信號檢測、控制系統(tǒng)、人機界面、以及報警裝置等部分組成。系統(tǒng)各部件的選擇：1、 plc水泵m1、m2, m3可變頻運行，也可工頻運行，需plc的6個輸出點，變頻器 的運行與關斷由plc的1個輸出點，控制變頻器使電機正轉需1個輸出信號控制， 報警器的控制需要1個輸出點，輸出點數(shù)量一共9個?？刂破饎雍屯Ｖ剐枰?個輸 入點，變頻器極限頻率的檢測信號占用 plc2個輸入點，系統(tǒng)自動/手動起動需1 輸入點

9、，手動控制電機的工頻/變頻運行需6個輸入點，控制系統(tǒng)停止運行需1個 輸入點，檢測電機是否過載需3個輸入點，共需15個輸入點。系統(tǒng)所需的輸入/ 輸出點數(shù)量共為24個點。本系統(tǒng)選用s7-200 plc。plc勺接線圖如下：ml m2 m3 ml ml m2 m2 m3 ml 自動/ 手動受起我 停仁 fyr pl 過產(chǎn) 過. 過中 工整 受整 工般 變頻工,頁 變?頁手yi頻器邁動y0接km0控制m1的變頻運行，y1接km1控制m1的工頻運行；y2接km2控 制m2的變頻運行，y3接km3控制m2的工頻運行；y4接km4控制m3的變頻運行， y5接km5控制m3的工頻運行。x0接起動按鈕，x1接停

10、止按鈕，x2接變頻器的fu接口，x3接變頻器的ol 接口，x4接m1的熱繼電器，x5接m2的熱繼電器，x6接m3的熱繼電器。為了防止出現(xiàn)某臺電動機既接工頻電又接變頻電設計了電氣互鎖。在同時控制m1電動機的兩個接觸器km1、km0線圈中分別用入了對方的常閉觸頭形成電 氣互鎖。頻率檢測的上/下限信號分別通過ol和fu輸出至plc的x2與x3輸入端 作為plc增泵減泵控制信號。i/o的分配根據(jù)功能要求和工藝流程，我們統(tǒng)一了 i/o接點的分配，分配表如表3.6所示。 根據(jù)pl6的分配，系統(tǒng)的控制要求以及合理利用i/o 口的原則16。表3.6 i/o分配表輸入器件輸出器件i0.0啟動(sb0)q0.0驅

11、動km1頻）（1#泵變i0.1停止（sb1 ）q0.1驅動km2頻）（2#泵變i0.2液位傳感器q0.2目區(qū)動km3頻）（1#泵工i0.3變頻器達到上限q驅動km4（2#泵工0.3頻)i0.4變頻器達到下限q0.4驅動km5 (備用泵工頻)i0.51#水泵故障q0.5報警指示燈i0.62#水泵故障i0.7變頻器故障2、變頻器根據(jù)設計的要求，本系統(tǒng)選用西門子 mm4系列變頻器，有以下功能：(1)自動切換變頻-工頻運行功能變頻器提供三種不同的工作方式供用戶選擇：方式0:基本工作方式。變頻器始終固定驅動一臺泵并實時根據(jù)其輸出頻率 控制其他輔助泵的啟停。即當變頻器的輸出頻率達到最大頻率時啟動一臺輔助泵

12、 工頻運行，當變頻器的輸出頻率達到最小頻率時則停止啟動最后啟動的輔助泵。 由此控制增減工頻運行泵的臺數(shù)。方式1：交替方式，變頻器通常固定驅動某臺泵，并實時根據(jù)其輸出頻率，是 輔助泵工頻運行，次方式與方式0不同之處在于若前一次泵啟動的順序是泵 1-2, 當變頻器輸出停止時，下一次啟動順序變?yōu)楸?2-泵1。方式2:直接方式。當啟動信號輸入時變頻器啟動第一臺泵，當泵達到最高 頻率時，變頻器將該泵切換到工頻運行， 變頻器啟動下一臺泵變頻運行，相反當 泵停止條件成歷史，先停止最先啟動的泵。(2) “休眠”功能系統(tǒng)運行時經(jīng)常會遇到用戶用水量較小或不用水情況， 為了節(jié)能，該系統(tǒng)專 用設置了可以使水泵暫停工作

13、的“休眠”功能，當變頻器頻率輸出低于其下 限時，變頻器停止工作，2#、3#泵不工作，水泵停止。當水壓繼續(xù)升高時將停止1泵，當水壓下降到一定值時將先啟動變頻器運轉2#泵或3#泵，當頻率達到一定值后將啟動1#泵調(diào)節(jié)2#或3#泵的轉速?！靶菝咧怠弊冾l器輸出的下限頻率 pr507設置。“休眠確認時間"用參數(shù) pr506設置，當變頻器的輸出頻率低于休眠值的 時間，如小于休眠時間td時，即td<tn時變頻器繼續(xù)工作，當td > tn時變 頻器將進入休眠狀態(tài).“喚醒值”由供水壓力下限啟動，當供水壓力低于下 限值時由plc發(fā)出指令喚醒變頻器工作。經(jīng)測試“休眠值”為10hz“休眠確認時間”

14、 td:20s“喚醒值”70%3、壓力傳感器本系統(tǒng)采用適用于測量氣體或液體壓力的電容式壓力傳感器， 下圖所示是單 只變極距型電容壓力傳感器，流體或氣體壓力 （p）作用于彈性膜片（動極板），使 彈性膜片產(chǎn)生位移，位移導致電容量的變化。彈性膜片（動極板）圖4.2單只變極距型電容壓力傳感器水泵在運行中普遍存在以下三個問題： 單機效率低，系統(tǒng)運行效率低，多數(shù) 風機、水泵都要靠閥門來節(jié)流、增壓，浪費大量的電能另外，在節(jié)能調(diào)節(jié)方式中， 電動機、水泵等長期處于高速、大負載下運行，造成維護工作量大，設備壽命低， 并且運行現(xiàn)場噪聲大，污染環(huán)境。出于節(jié)能的迫切需要和對產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高的要求，加之采用變頻調(diào)速器易

15、操作、免維修、控制精度高，并且可以實現(xiàn)高功能優(yōu)化等特點，設計人員采用變變頻器課程設計頻器驅動的方案逐步取代風門、 擋板、閥門的控制方案。通過流體力學的基本定 律可知：風機、泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉速 n與流量q,壓力h以及軸 功率p具有如下關系： 23q 二 n,h ± n ,p 廣 n ,即，流量與轉速成正比，壓力與轉速平方成正比，軸功率與轉速立方成正比。以一臺水泵為例，它的出口壓頭為ho （出口壓頭即泵入口和管路出口的靜壓 力差）。額定轉速n。，閥門全開時的管阻特性為r。，額定工況下與之對應的壓力 為hi,出口流量為qi。流量一一轉速一一壓力關系曲線如圖 1.1所示。在現(xiàn)場

16、 控制中，要求管網(wǎng)壓力不得低于 h3 ,在此范圍內(nèi)調(diào)節(jié)系統(tǒng)供水流量。通常采用 水泵定速運行，調(diào)節(jié)出口閥門開度控制流量。當流量從qi減小到50旅q2時，閥門開度減小使管網(wǎng)阻力特性由r0變?yōu)閞i,系統(tǒng)工作點沿方向由原來的a點移 至b點，受其節(jié)流作用使得泵口壓力由 hi變?yōu)閔2,管網(wǎng)壓力則因為節(jié)能原因降 至七。四、系統(tǒng)硬件接線電氣控制系統(tǒng)的主回路如圖 5.3 所示。圖中，m1, m2 m3為三臺電機；交流接觸器 km1km6制三臺電機的運行， 另一側接變頻器的三個輸出端 u, v, w kh1, khz kh3為電機m1, m2 m3過載 保護用的熱繼電器；qf1, qf2 qf3 qf4 qf協(xié)別

17、為主回路、變頻器和三臺泵 的工頻運行空氣開關；變頻器與壓力傳感器和s7-200 plc相連。其它電動閥在該回路中并未畫出。系統(tǒng)的控制線路如圖所示控制線路圖4、pid參數(shù)設置值我們不需要進行pid調(diào)節(jié)器的設計，只需進行簡單的參數(shù)設置就可以了。 首 先將設置模擬輸入的dip開關1撥到on©置，選擇為420ma俞入，將dip開 關2撥到off位置選擇電動機的頻率，off位置為50hz。其它參數(shù)的設置如表 3.7所示。參數(shù)名稱參數(shù)名稱p0003=2用戶訪問級別為專家級p2255=100pid的增益系數(shù)p0004=22參數(shù)濾過，選擇pid應用宏p2256=100pid微調(diào)信號的增益系數(shù)p070

18、0=2選擇命令源，選擇p2257=pid設定值的斜為如了拄制10s坡加速時間p1000=2頻率設定選擇為模p2258=pid設定值的斜擬設定值10s坡減速時間p1080=5h最小頻率r2260=1顯示pid的總設定z00%值p1082=50最大赧率r2261=pid設定值的濾hz3s波時間常數(shù)p2200=1閉環(huán)控制選擇，pidr2262=1顯示濾波后的pid功能后效00%設定值p2231=1允許存儲p2240的p2265=pid反饋立場撥設定值3s時間常數(shù)p2240=75鍵盤給定的pid設p2267=pid反饋仔號的%定值100上限值p2253=22選擇p2240的值作p2268=pid反饋仔

19、號的50:0為pid給定0下限值p2250=10顯示p2240的設定p2269=1pid反饋仔號的的0%值輸出00%增益p2254=0.0缺省值，對微調(diào)信號沒有選擇p2291=100pid輸出的上限p2292=0.00pid輸出的下限p2280=3.00pid的比例增益系數(shù)p2285=7.00spid的微分時間p2294=100%實際的pid控制器輸出五、梯形圖設 計 的 梯 形 圖 如 圖 所 示：*11pl第21頁共13頁10.1iihctnork 9變頻器再次達到上限2h泵h頻cdid. 210.510.1id. 1ho. 5i ipiidpii ic )mo. 5network 10變頻器再次達到上偎加系變頻停止co10. 510.210.410. 1jkk 杼ne如虹k 11 變頻器再次達更上用2h暴工頻m0.510.