通用變頻器在恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用

1、 湖南工程學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書課程名稱： 運(yùn)動控制系統(tǒng) 題 目：通用變頻器在恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用 專業(yè)班級： 自動化0701 學(xué)生姓名： 李興帆 學(xué)號： 22 指導(dǎo)老師： 趙葵銀.唐勇奇.劉星平 審 批： 任務(wù)書下達(dá)日期 2010年12 月13日設(shè)計完成日期 2010年 12月24日 設(shè)計內(nèi)容與設(shè)計要求一、設(shè)計內(nèi)容：1、電路功能：1）變頻器用于恒壓供水系統(tǒng)，對供水系統(tǒng)進(jìn)行恒壓調(diào)節(jié)。2）電路由主電路與控制電路組成，電路主要環(huán)節(jié)：變頻器主電路及相關(guān)濾波環(huán)節(jié)?？刂齐娐分饕h(huán)節(jié)：電壓電流檢測單元、檢測與故障保護(hù)電路、各類調(diào)節(jié)器等。3）系統(tǒng)要求檢測電路與保護(hù)電路設(shè)計較完整。2. 系統(tǒng)總體方案確定3. 主電

2、路設(shè)計與分析1）確定主電路方案2）主電路元器件的計算及選型3）主電路保護(hù)環(huán)節(jié)設(shè)計4. 控制電路設(shè)計與分析1）檢測電路設(shè)計2）功能單元電路設(shè)計3）各類調(diào)節(jié)器設(shè)計4）控制電路參數(shù)確定二、設(shè)計要求：1）要求采用工業(yè)通用變頻器的雙閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計。2）設(shè)計思路清晰，給出整體設(shè)計框圖；3）單元電路設(shè)計，給出具體設(shè)計思路和電路；4）分析各部分電路的工作原理，給出必要的波形分析。5）繪制總電路圖6）寫出設(shè)計報告； 主要設(shè)計條件1、設(shè)計依據(jù)主要參數(shù)1） 輸入電壓：三相（AC）380V（1+10%）2） 使用1臺變頻器帶動3臺常用泵，供水量大時，采用3臺泵，供水量少時，采用1臺泵，3） 提供繼電器接

3、觸器控制圖。2. 可提供實驗與仿真條件 說明書格式1 課程設(shè)計封面；2 任務(wù)書；3 說明書目錄；4 設(shè)計總體思路，基本原理和框圖（總電路圖）；5 單元電路設(shè)計（各單元電路圖）；6 故障分析與電路改進(jìn)、實驗及仿真等。7 總結(jié)與體會；8 附錄（完整的總電路圖）；9 參考文獻(xiàn)；10課程設(shè)計成績評分表 進(jìn) 度 安 排第一周星期一：課題內(nèi)容介紹和查找資料；星期二：總體電路方案確定星期三：主電路設(shè)計星期四：控制電路設(shè)計 星期五：控制電路設(shè)計；第二周星期一：控制電路設(shè)計星期二：電路原理及波形分析等星期四五：寫設(shè)計報告，打印相關(guān)圖紙； 星期五下午：答辯及資料整理 參 考 文 獻(xiàn)1 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)

4、(第3版)M.機(jī)械工業(yè)出版社，2003.82 王兆安 黃俊.電力電子技術(shù)（第4版）.機(jī)械工業(yè)出版社，2000.53 陳伯時，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)M.機(jī)械工業(yè)出版社，1998.54 李華德.交流調(diào)速控制系統(tǒng)M.電子工業(yè)出版社，2003.35 張燕賓.SPWM變頻調(diào)速技術(shù)M.機(jī)械工業(yè)出版社，1997.126 譚建成.電機(jī)專用集成電路M.機(jī)械工業(yè)出版社，1997.87 劉祖潤 胡俊達(dá).畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo).機(jī)械工業(yè)出版社，19958 許大中，賀益康.電機(jī)控制M.浙江大學(xué)出版社，1996.119 張燕賓等.實用變頻調(diào)速技術(shù)培訓(xùn)教程M. 機(jī)械工業(yè)出版社，2003.710 劉星平電力電子技術(shù)及電力拖動自動控制系統(tǒng)

5、.校內(nèi)，1999 目錄第1章 總體方案設(shè)計11.1總體思路 11.2總體結(jié)構(gòu)框圖 11.3系統(tǒng)硬件選型 2第2章 各單元電路設(shè)計 32.1主電路設(shè)計 32.2 繼電器控制電路設(shè)計 42.3 PLC控制電路設(shè)計52.4 PID調(diào)節(jié)電路設(shè)計 62.5電路各項參數(shù)檢測與保護(hù)7第3章 PLC程序設(shè)計 83.1 PLC程序設(shè)計流程圖83.2PLC輸入輸出引腳分配83.3PLC程序10第4章 故障分析與電路改進(jìn)13第5章 總結(jié)與體會14第6章 參考文獻(xiàn)15第7章 附錄（總電路圖）16第1章 總體方案設(shè)計1.1總體思路本設(shè)計主要由3臺水泵、1臺變頻器、PLC以及線性遠(yuǎn)傳壓力傳感器等組成。其中PLC、變頻器和

6、壓力傳感器組成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。使用1臺變頻器帶動3臺常用泵，供水量大時，采用3臺泵，供水量少時，采用1臺泵。在大范圍上控制供水的流量； 變頻器內(nèi)部PID調(diào)節(jié)器控制變頻器對變頻泵進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，在小范圍上控制供水的流量。水泵的速度調(diào)節(jié)采用變頻調(diào)速技術(shù)，利用變頻器對水泵進(jìn)行速度控制。水泵電機(jī)為執(zhí)行裝置，其轉(zhuǎn)速由變頻器控制，實現(xiàn)變流量恒壓供水。變頻器接受控制發(fā)出的信號，實現(xiàn)對水泵的速度控制；控制器綜合給定信號與反饋信號，經(jīng)過PID的調(diào)節(jié)，向變頻器輸出運(yùn)轉(zhuǎn)頻率指令。壓力傳感器檢測出管網(wǎng)的實時出水壓力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂破骺山邮艿哪M信號（即反饋信號），這樣就構(gòu)成了雙閉環(huán)的實時恒壓供水控制系統(tǒng)。1.2 總

7、體結(jié)構(gòu)框圖 控制器水泵 電機(jī)變頻器壓力傳感器出水壓力檢測運(yùn)行指令頻率指令反饋給定+用戶圖1-1 變頻恒壓供水結(jié)構(gòu)圖 1.3 系統(tǒng)硬件選型（1）.水泵選型：跟據(jù)以上用戶的流量，選擇三臺大功率水泵組的電機(jī)功率分別為7.5KW，三臺大功率水泵組用于白天對用戶的恒壓供水，以達(dá)到恒定水壓和節(jié)能的目的，（2）.CPU選型：根據(jù)本次設(shè)計的通用變頻器恒壓供水系統(tǒng)的控制系統(tǒng)實際所需端子數(shù)目，考慮PLC端子數(shù)目要有一定的預(yù)留量，因此選用的S7-200型PLC的主模塊為CPU226型，其數(shù)字量輸出（DQ）為16點(diǎn)，輸出形式為DC24V繼電器輸出；數(shù)字量輸入CPU226為24點(diǎn)，輸入形式為24V直流輸入。（3）.變頻

8、器選型：跟據(jù)實際設(shè)計需要，所選擇變頻器的富士型號是FRN5.5P11S-4，參數(shù)為適用的電動機(jī)容量為5.5KW輸出電路MC2為SC-05,額定電流為20，主電路部和接地端子均為3.5。（4）.壓力傳感器選型：本設(shè)計選擇YTT-150型號的遠(yuǎn)傳壓力傳感器，由于選取的揚(yáng)程為H=50m，所以待測壓力值為0.6MPa第2章 各單元電路設(shè)計2.1 主電路設(shè)計2.1.1主電路電路圖 圖2-1變頻器恒壓供水主電路2.1.2主電路電路說明該系統(tǒng)包括3臺水泵電動機(jī)M1、M2、M3，其中M1的功率為45kW，M2為22kW，M3為22kW。該系統(tǒng)為一臺變頻器依次控制每臺水泵實現(xiàn)軟啟動及轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)恒壓控制。系

9、統(tǒng)具有變頻及工頻兩種運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)變頻泵達(dá)到水泵額定轉(zhuǎn)速后，如水壓在所設(shè)定的判斷時間內(nèi)還不能滿足恒壓值時，系統(tǒng)自動將當(dāng)前變頻泵狀態(tài)切換為工頻狀態(tài)，并指示下一臺泵為變頻泵，其中接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3工頻運(yùn)行，KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3變頻運(yùn)行，KM0控制變頻器的工作。2.2繼電器控制電路設(shè)計2.2.1繼電器控制電路界限圖 圖2-2繼電器控制線路圖2.2.2 繼電器電路說明其中接觸器KM2、KM4、KM6分別控制M1、M2、M3工頻運(yùn)行，KM1、KM3、KM5分別控制M1、M2、M3變頻運(yùn)行，KM0控制變頻器的工作。KA0KA6為中間繼電器，它們分別

10、控制KM0KM6工作。HL0HL6為指示燈，其中HL0為電源指示燈，HL1HL3分別指示M1M3的工頻運(yùn)行，HL4HL6分別指示M1M3的變頻運(yùn)行。2.3 PLC控制電路設(shè)計2.3.1 PLC控制電路的連接圖 圖2-3 PLC控制電路的連線圖2.3.2 PLC控制電路說明圖中SA7為手動/自動控制轉(zhuǎn)換開關(guān)，SA8為自動起/?？刂妻D(zhuǎn)換開關(guān)，P1為壓力上限，P2為壓力下限，SA1為1#水泵手動起動開關(guān)，SA2為1#水泵手動停止開關(guān)，SA3為2#水泵手動起動開關(guān)，SA4為2#水泵手動停止開關(guān)，SA5為3#水泵手動起動開關(guān)，SA6為3#水泵手動停止開關(guān)，KA0KA6為中間繼電器，它們分別控制KM0KM

11、6工作。2.4 PID調(diào)節(jié)電路設(shè)計2.4.1 PID調(diào)節(jié)電路的接線圖 圖2-4 PID調(diào)節(jié)電路的接線圖2.4.2 PID調(diào)節(jié)電路說明PID調(diào)節(jié)器電路如圖5所示，PID調(diào)節(jié)器的引腳11、12為電流輸出信號，接圖1中的變頻器的引腳3、4，PID調(diào)節(jié)器的引腳18接圖3中的PLC輸入端子X4，PID調(diào)節(jié)器的引腳19接圖3中的PLC輸入端子X5。PID調(diào)節(jié)器接受壓力傳感器送來的壓力信號，自動調(diào)整變頻器的頻率給定輸入，從而控制變頻器的輸出電壓，進(jìn)而控制變頻泵的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)變頻泵水流量的穩(wěn)定控制。2.5 電路各項參數(shù)檢測與保護(hù)功率稍大的風(fēng)冷式變頻器中的散熱系統(tǒng)一般都是由多個散熱器組成，并配備軸流風(fēng)機(jī)。每一塊散

12、熱器上各安裝一只熱敏元件，有些變頻器在主控板上也安裝一只熱敏元件，利用 pth4。四只熱敏元件串聯(lián)后接光耦元件p4。正常狀態(tài)下，熱敏元件為常閉觸點(diǎn)，光耦導(dǎo)通輸出信號為0;當(dāng)散熱片過熱時熱敏元件斷開，光耦截止，輸出信號為1，該信號經(jīng)rc濾波后去關(guān)閉igbt的驅(qū)動信號并通知cpu發(fā)出過熱報警信號。在電源的檢測中，電源缺相和接地故障檢測常用的方法是通過套在主回路(輸入或輸出)上的電流互感線圈檢測三相電流平衡程度來實現(xiàn)的，正常時光耦截止輸出為 1。當(dāng)某相電源對地漏電或缺相時，由于三相電流不平衡檢測線圈會感應(yīng)出電勢，光耦p512導(dǎo)通，發(fā)出故障信號，。在熔斷器發(fā)生故障時，熔斷器檢測是從fuse兩端取電壓信

13、號，快熔正常時，兩端電壓極小，保護(hù)電路不動作。當(dāng)快熔因過流燒斷時，兩端電壓變高，光耦導(dǎo)通發(fā)出故障信號，經(jīng)兩個施密特反相器驅(qū)動后送至cpu。第3章 PLC程序設(shè)計3.1 PLC的程序設(shè)計流程圖開始上電初始化啟動變頻器/保持壓力低/ 增加水泵變頻器復(fù)位變頻器復(fù)位關(guān)斷當(dāng)前變頻信號水泵減1產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻信號關(guān)斷當(dāng)前變頻信號水泵加1產(chǎn)生當(dāng)前泵工頻信號產(chǎn)生下臺泵變頻運(yùn)行信號產(chǎn)生上臺泵變頻運(yùn)行信號壓力高/ 減少水泵頻率上限頻率下限yyNN圖3-1 PLC程序設(shè)計流程圖3.2 PLC輸入輸出引腳分配表3-1 輸入引腳分配作 用名 稱地 址變頻器故障FAI0.0水泵1過載FR1I0.1水泵1停止KA1I0.2水

14、泵2過載FR2I0.3水泵2停止KA2I0.4水泵3過載FR3I0.5水泵3 停止KA3I0.6啟動變頻器KA0I0.7水位上限P1I1.0水位下限P2I1.1反饋/I1.2表3-2 輸出引腳分配作 用名 稱地 址水泵1變頻運(yùn)行KM1Q0.0水泵1工頻運(yùn)行KM2Q0.1水泵2變頻運(yùn)行KM3Q0.2水泵2工頻運(yùn)行KM4Q0.3水泵3變頻運(yùn)行KM5Q0.4水泵3工頻運(yùn)行KM6Q0.5變頻器工作KM0Q0.6變頻器復(fù)位RSTQ1.0變頻器通信電纜屏蔽SDQ1.1變頻器正轉(zhuǎn)FWDQ1.2變頻器自由旋轉(zhuǎn)BXQ1.3接點(diǎn)公共輸入端CMQ1.43.3 PLC程序 AB <= VB301,1 EU /

15、網(wǎng)絡(luò)注釋調(diào)用初始化程序 = M0.1 LD SM0.1 INCB VB301 CALL SBR0 Network7/ Network 2 / 啟動變頻器 LDD <= VD250,1000 LD I0.7 AN M0.2 S M0.7, 1 TON T38,30 AN I0.0 Network8/ = M0.7 LD T38 Network 3 AB > VB301,0LD M0.7 EU S Q0.6, 1 = M0.2 AN I0.0 DECB VB301 = Q0.6 Network9/ Network 4 / LD M0.1 LD SM0.1 O Q0.3O I0.7 O

16、Q0.1INCB VB300 = Q1.5Network 5 / Network11/LD M0.7 LD M2.0 AD>= VD250, VD208 TON T33,2AN M0.1 Network12/TON T37, 50 LD T33Network 6 / LD T37 接右 EU MOVB 1, VB300= M0.4 Network20/Network 13 / LDB = VB301,0LD M0.4 A SM0.5S M2.1, 1 EUINCB VB300 INCD VD 310Network 14 Network21/LD M2.1 LDD = VD310,180T

17、ON T34, 2 EUNetwork 15 / = M0.3LD T34 MOVD +0, VD310EU Network22/= M0.5 LDB <> VB301,0R M2.1, 1 MOVD 0, VD310Network 16 / Network23/LD M0.5 LD SM0.1S M2.2, 1 O M0.0Network 17 O M0.6LD M2.2 AB = VB300,1 TON T39, 30 O Q0.5Network 18 / A I0.4LD T39 AN M0.3EU AN I1.1= M0.6 AN I1.0R M2.2, 1 AN M0.4

18、R M2.0, 1 AN Q0.4Network 19 / = Q0.5LDB> VB300, 3 接右 Network24/LD M0.6 OLD AB > VB301,0AB= VB300, 2 ALD LDB = VB301,2O Q0.3 AN I1.0 AB > VB301,1A I0.5 AN I1.1 OLDAN M3.0 A I0.4 ALDAN I1.1 AN Q0.5 A I0.6AN I1.0 = Q0.4 AN I1.1AN M0.4 A Q0.0 AN I1.0AN Q0.2 = Q0.1 AN Q0.1= Q0.3 Network27/ = Q0.

19、0Network 25 / LD M0.5 AN I1.1LD M0.6 O Q0.2 AN I1.0AB= VB300, 3 LDB = VB300,3 AN Q0.4O Q0.1 AB > VB301,0 = Q0.5A I0.6 LDB = 301,1AN I1.1 AB > VB301,1AN I1.0 OLDAN M3.0 ALDAN M0.4 A I0.5AN Q0.0 AN I1.1= Q0.1 AN I1.0Network 26 / AN Q0.3LD M0.5 = Q0.2O Q0.4 = Q0.3LDB= VB300, 2 Network28/AB> VB

20、301, 0 LD M0.5LDB= VB300, 3 O Q0.0AB> VB301, 1 接右 LDB = VB300,1 接右第5章 故障分析與電路改進(jìn)電機(jī)從變頻狀態(tài)切換到工頻狀態(tài)時，變頻器內(nèi)的功率器件立即關(guān)閉，電機(jī)的電流不能躍變，功率器件旁的并聯(lián)二極管提供了續(xù)流通路，殘余電壓經(jīng)二極管整流器和中間環(huán)節(jié)電容流通，轉(zhuǎn)子電阻消耗能量，電機(jī)的定子也能消耗部分能量，因此，殘余電壓的衰減比較快，雖然在切換時仍有一定的殘余電壓，但對變頻器影響已經(jīng)很小，對電機(jī)壽命也無多大的影響。自耦減壓起動器切換時，電機(jī)內(nèi)定子的殘余電壓無通路流通，只有轉(zhuǎn)子回路是閉合回路，也只有轉(zhuǎn)子電阻消耗能量，殘余電壓的衰減比較慢。切換時，因殘余電壓存在而形成的沖擊電流較大，對電機(jī)有一定的影響，電機(jī)設(shè)計時已充分考慮了這些因素。在控制中可以結(jié)合計算機(jī)控制來使電機(jī)達(dá)到良好的運(yùn)轉(zhuǎn)性能。第6章 總結(jié)與體會 通過兩周的專業(yè)課程設(shè)計。使我再一次翻閱了我的書本。此次的課程設(shè)計可以說讓我的知識再一次的復(fù)習(xí)，在前面的課堂上把自己沒有弄懂的查漏補(bǔ)缺。在這個課程設(shè)計中，我的課題是通用