淺談恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用

淺談恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用

畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容本文中所闡述的恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)是現(xiàn)在乃至今后的必然發(fā)展趨勢(shì)，尤其是應(yīng)用在高層建筑的供水系統(tǒng)中。采用恒壓變頻調(diào)速供水控制系統(tǒng)能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來(lái)客觀的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)廣泛推廣。1.節(jié)能，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)電20%-40%，能實(shí)現(xiàn)綠色用電，同時(shí)，也可以為企業(yè)降低成本。2.配置靈活，自動(dòng)化程度高，功能齊全，靈活可靠。、3.電機(jī)軸上的平均扭矩和磨損減小，減少了維修量和維修費(fèi)用，并且水泵的壽命大大提高。4.通過(guò)通信控制，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，節(jié)約了人力物力。具體要求要求利用通用變頻器和PLC實(shí)現(xiàn)了對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的控制，通過(guò)合理的設(shè)備選型、參數(shù)設(shè)置和軟件設(shè)計(jì)，提高對(duì)電機(jī)的使用可靠性。主要參考文獻(xiàn)《變頻調(diào)速應(yīng)用與實(shí)踐》作者：張燕賓…機(jī)械工業(yè)出版社[2001-01-01]《最新實(shí)用交流調(diào)速系統(tǒng)》作者：吳安順…機(jī)械工業(yè)出版社[1998-06-01]《電機(jī)與拖動(dòng)》作者：王桂英…東北大學(xué)出版社[2004-02-01]《PLC技術(shù)及應(yīng)用》作者：齊從謙…機(jī)械工業(yè)出版社[2000-08-01]指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)及能否參加答辯的意見(jiàn)：指導(dǎo)教師2010年月日答辯委員會(huì)評(píng)語(yǔ)及綜合評(píng)定成績(jī)：答辯委員會(huì)主任簽名2010年月日系主任意見(jiàn)：系主任簽名2010年月日（此任務(wù)書(shū)一式三份，一份入學(xué)生學(xué)籍檔案，一份為系部存檔，一份為學(xué)院教務(wù)處存檔）目錄引言……………….……………….……………….………….1：變頻器技術(shù)的發(fā)展及設(shè)計(jì)的目的………………….31.1變頻器技術(shù)的發(fā)展………………....31.2恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的……………....4第二章：變頻器……………….42.1變頻器概述…………….………….42.2變頻調(diào)速原理………………..……42.3變頻器的基本構(gòu)成…………………62.4變頻器驅(qū)動(dòng)降轉(zhuǎn)矩負(fù)載……………8第三章：電動(dòng)機(jī)容量選擇………83.1泵類(lèi)負(fù)載所許的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力…………………83.2泵的選水擇……………….…………9第四章：氣壓罐的選擇……….9第五章：變頻器的選擇………95.1變頻器容量選擇………………95.2ABB通用變頻器…………………105.3ABBACB-400型特點(diǎn)………………11第六章：變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的工作原理…………………166.1控制系統(tǒng)………..176.2防干擾處理措施………………..206.3PLC控制下的變頻器調(diào)速原理…………………..21第七章：總結(jié)…………23參考文獻(xiàn)……………………24致謝………………25摘要：恒壓供水系統(tǒng)對(duì)于某些工業(yè)或特殊用戶(hù)是非常重要的，例如在某些生產(chǎn)過(guò)程中，若自來(lái)水供水因故壓力不足或短時(shí)缺水時(shí)，可能影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)使產(chǎn)品報(bào)廢和設(shè)備損壞。又如當(dāng)發(fā)生火警時(shí)，若供水壓力不足或無(wú)水供應(yīng)，不能迅速滅火，可能引起重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。所以某些用水區(qū)采用恒壓轟水系統(tǒng)，具有較大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。在舊加壓設(shè)備中，恒壓供水一般采用起動(dòng)或停止加壓站的水泵和調(diào)節(jié)出口閥開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)是采用繼電接觸器控制線路，這種系統(tǒng)線路復(fù)雜，維護(hù)困難，操作麻煩，工人要24小時(shí)值班看守，勞動(dòng)強(qiáng)度大。所以有必要對(duì)之進(jìn)行改造，提高自動(dòng)化水平。關(guān)鍵詞：三相異步電動(dòng)機(jī)變頻器調(diào)速自動(dòng)化控制第一章變頻器的發(fā)展及設(shè)計(jì)目的變頻器技術(shù)的發(fā)展變頻技術(shù)是應(yīng)交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的需要而誕生的。20世紀(jì)60年代以后，電力電子器件經(jīng)歷了SCR(晶閘管)、GTO(門(mén)極可關(guān)斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管)、SIT(靜電感應(yīng)晶體管)、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管)、MGT(MOS控制晶體管)、MCT(MOS控制晶閘管)、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)的發(fā)展過(guò)程，器件的更新促進(jìn)了電力電子變換技術(shù)的不斷發(fā)展。20世紀(jì)70年代開(kāi)始，脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM－VVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視。20世紀(jì)80年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問(wèn)題吸引著人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世紀(jì)80年代后半期開(kāi)始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF變頻器已投入市場(chǎng)并獲得了廣泛應(yīng)用。當(dāng)今的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包含多種學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，總的發(fā)展趨勢(shì)是：驅(qū)動(dòng)的交流化，功率變換器的高頻化，控制的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。因此，變頻器作為系統(tǒng)的重要功率變換部件，提供可控的高性能變壓變頻的交流電源而得到迅猛發(fā)展。隨著新型電力電子器件和高性能微處理器的應(yīng)用以及控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能價(jià)格比越來(lái)越高，體積越來(lái)越小，而廠家仍然在不斷地提高可靠性實(shí)現(xiàn)變頻器的進(jìn)一步小型輕量化、高性能化和多功能化以及無(wú)公害化而做著新的努力。變頻器性能的優(yōu)劣，一要看其輸出交流電壓的諧波對(duì)電機(jī)的影響；二要看對(duì)電網(wǎng)的諧波污染和輸入功率因數(shù)；三要看本身的能量損耗如何?？删幊绦蚩刂破魇且环N數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工作環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制、定時(shí)、記數(shù)、算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字式的輸入和輸出控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊绦蚩刂破鳌ID調(diào)節(jié)器、變頻調(diào)速三者相結(jié)合應(yīng)用到恒壓供水系統(tǒng)中，能很大程度上提高自動(dòng)化控制，無(wú)須人工不停地監(jiān)控，對(duì)企業(yè)來(lái)講不但提高了工作效率，還降低了用工成本。1.2恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的1.節(jié)能，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)電20%-40%，能實(shí)現(xiàn)綠色用電，同時(shí)，也可以為企業(yè)降低成本。2.配置靈活，自動(dòng)化程度高，功能齊全，靈活可靠。、3.電機(jī)軸上的平均扭矩和磨損減小，減少了維修量和維修費(fèi)用，并且水泵的壽命大大提高。4.通過(guò)通信控制，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，節(jié)約了人力物力。第二章：變頻器2.1變頻器概述由于直流調(diào)速系統(tǒng)具有較好的靜、動(dòng)態(tài)性能指示，調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域基本上被直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所壟斷。但這種系統(tǒng)也有其自身的缺點(diǎn)，如容量大、電壓、電流和轉(zhuǎn)速的上限值均受到換向條件的制約，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在一些大容量上調(diào)速領(lǐng)域無(wú)法應(yīng)用，同時(shí)維護(hù)工作量大，故障率高等。而交流電動(dòng)機(jī)的一些優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、容易維護(hù)；電壓、電流和轉(zhuǎn)速不受限制。雖然目前異步機(jī)的調(diào)速種類(lèi)很多，但是效率高、性能好，應(yīng)用最廣泛的是變頻調(diào)速，它可以構(gòu)成高動(dòng)態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)來(lái)取代直流調(diào)速系統(tǒng)。是交流調(diào)速的主要發(fā)展方向。變頻調(diào)速是以變頻器向交流電機(jī)供電，并構(gòu)成開(kāi)環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的寬范圍內(nèi)的無(wú)極調(diào)速。變頻器可以把固有電壓、頻率的交流電變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電。在變換過(guò)程中，沒(méi)有直流環(huán)節(jié)的稱(chēng)為交—交變頻器，有中間直流環(huán)節(jié)的稱(chēng)為交—直—交變頻器。由直流電變?yōu)榻涣麟姷淖儞Q器稱(chēng)為逆變器。目前應(yīng)用最廣泛的是交——直—交變頻器通常由整流器（AC—DC變換）、中間直流儲(chǔ)能電路、逆變器（DC—AC變換）三部分構(gòu)成。脈寬調(diào)制（PWM）變頻就是把通訊系統(tǒng)中的調(diào)制技術(shù)推廣應(yīng)用到交流變頻中，可使變頻器有良好的輸出波形，降低了噪聲和諧波，提高了系統(tǒng)的性能，采用了全數(shù)字微機(jī)控制技術(shù)，使變頻器減小了體積，降低了成本，提高了效率，增強(qiáng)了功能?？蓪?shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行、無(wú)噪聲、無(wú)震動(dòng)。隨著交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速理論的突破和變頻器性能的不斷完善，從而使變頻調(diào)速開(kāi)始成為交流調(diào)速的主流。2.2變頻調(diào)速原理根據(jù)電機(jī)學(xué)可知，交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：N=60f/p(1-S)式中：f-定子供電頻率;p-極對(duì)數(shù)；s-轉(zhuǎn)差率；由上式可知，若均勻地改變定子供電頻率f,則可以平滑地改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。然而只調(diào)節(jié)是不行的，因?yàn)椋菏街校骸ㄞD(zhuǎn)子每相由氣隙通感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)的均方跟值（V）；—定子頻率（Hz）；—定子相繞組匝數(shù)；—與電機(jī)繞組結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；—每極磁通量（Eb）；—定子相電壓（V）；當(dāng)定子電壓不變時(shí)，與成反比，的升高或降低會(huì)導(dǎo)致磁通的減小或增大，從而使電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩減小，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)或者磁通路飽和，鐵損急劇增加。應(yīng)此在調(diào)節(jié)電源頻率時(shí)要調(diào)節(jié)電壓的大小，以維持磁通的恒定，使最大轉(zhuǎn)矩不變。根據(jù)和不同的比例關(guān)系，變頻器有以下調(diào)速方式。eq\o\ac(○,1)基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速要保持不變，當(dāng)頻率從額定值向下調(diào)時(shí)，必須降低,使/=常數(shù)，即采用恒定電勢(shì)頻率比的控制方式。繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是難以直接檢測(cè)和控制的，當(dāng)電勢(shì)較高時(shí)，可以認(rèn)為相電壓，則有/=常數(shù)。這就是恒壓頻比的控制方式，是近似的恒磁通控制。低頻時(shí)，和都比較小，如圖2—1所示。圖2—1恒壓頻比控制特性eq\o\ac(○,2)基頻以上的若磁變頻調(diào)速在基頻上調(diào)速時(shí)，頻率可以從往上增高，但是電壓卻不能增加比額定電壓還要大，這是由于受到電源電壓的制約，最多只能保持=不變。這樣，必然會(huì)使主磁通隨著的上升而減小，相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速的情況，屬于近似的恒功率調(diào)速方式。綜合上述兩種情況，異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的基本控制方式如圖2—2所示。圖2-2異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速控制特性2.3變頻器的基本構(gòu)成變頻器分為交——交和交——直——交兩種，交——交變頻器將工頻交流電直接變換成頻率、電壓均可控制的交流電稱(chēng)直接式變頻器。而交——直——交變頻器則是先把工頻交流電整流器變成直流電，然后把直流電換成頻率、電壓均可控制的交流電，稱(chēng)為間接式變頻器，本論文主要討論間接式變頻器。圖2—3變頻器的構(gòu)成輸出電壓的調(diào)節(jié)主要有PAW方式。PMW方式兩種，只文中討論P(yáng)WM、變頻器中的整流電路采用不可控的二極管整流電路，變頻器的輸出電壓和頻率的調(diào)節(jié)均由逆變器按PWM方式來(lái)完成，利用參考電壓波與頻率三角波互相比較，來(lái)決定主開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，這種參考信號(hào)為正弦波，輸出電壓平均值近似為正弦波的PWM方式，稱(chēng)為正弦PWM調(diào)節(jié)，簡(jiǎn)稱(chēng)SPWM方式。變頻器中常采用SPWM方式調(diào)節(jié)。變頻器按控制方式分：U/F控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制三種；本文中只討論U/F控制方式2.4變頻器驅(qū)動(dòng)降轉(zhuǎn)矩負(fù)載如水泵等流體機(jī)械，均屬于降轉(zhuǎn)矩負(fù)載，降轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點(diǎn)是隨著轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)矩也變小。如果水泵在低速下運(yùn)行，水的流量、流速小，所須轉(zhuǎn)矩也小，隨著轉(zhuǎn)矩的增加，水的流量、流速也隨著增大，所需轉(zhuǎn)矩也越來(lái)越大。由于軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，當(dāng)水泵速度下降時(shí)，其功率將以立方根方式大幅度下降。水泵在轉(zhuǎn)速控制時(shí)，流量Q、揚(yáng)程H、軸功率N之間的關(guān)系為：流量與轉(zhuǎn)速成正比；揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比；軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比。因此，用變頻器控制流體機(jī)械與閥門(mén)控制相比，可起到顯著的節(jié)能效果，從而使電動(dòng)機(jī)效果提高。所以低頻時(shí)的負(fù)載電流很小，電動(dòng)機(jī)也不會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，因此一般的泵類(lèi)設(shè)備很適用U/F控制的變頻器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所須的轉(zhuǎn)矩大小以轉(zhuǎn)速平方的比例增減。調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，改變出水流量，使壓力穩(wěn)定在恒壓線上，就能夠完成流體的恒壓給水。如采用U/F控制方式的變頻器，在輸出某一頻率，負(fù)載一定時(shí)存在著一個(gè)最佳工作點(diǎn)，負(fù)載變化時(shí)，最佳工作點(diǎn)也移動(dòng)。針對(duì)這一特點(diǎn)，大部分變頻器設(shè)置了節(jié)能運(yùn)行的功能。選用此功能，變頻器能夠自動(dòng)搜索最佳工作點(diǎn)，使電動(dòng)機(jī)總是在最佳工作點(diǎn)上運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。但是，當(dāng)變頻器在節(jié)能方式下運(yùn)行時(shí)，起動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能是較差的。當(dāng)遇到突變的沖擊負(fù)載時(shí)，拖動(dòng)系統(tǒng)可能因?yàn)殡妷簛?lái)不及增加到必要的值而堵轉(zhuǎn)。因此，節(jié)能運(yùn)行方式主要應(yīng)用在轉(zhuǎn)矩較穩(wěn)定的負(fù)載。第三章電動(dòng)機(jī)容量選擇選擇電動(dòng)機(jī)功率的原則，是在電動(dòng)機(jī)能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)機(jī)械負(fù)荷要求的前提下，最經(jīng)濟(jì)最合理地確定電動(dòng)機(jī)的功率大?。蝗绻β蔬x擇過(guò)大，將出現(xiàn)“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象，形成不經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況。反之，功率選擇過(guò)小，電動(dòng)機(jī)經(jīng)常過(guò)載運(yùn)行，使電動(dòng)機(jī)溫度升高，絕緣老化，縮短電動(dòng)機(jī)壽命。實(shí)際的電動(dòng)機(jī)容量可梗據(jù)電動(dòng)機(jī)容量=被驅(qū)動(dòng)負(fù)載所須的容量+將負(fù)載加速或減速到所須速度的容量原則確定。3.1泵類(lèi)負(fù)載所許的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力：P=(KρPQh/6.12)×10式中：K——裕量系統(tǒng)（1.1-1.2）；P——液體的密度（Kg/m3）,水為1.0Kg/Q——流量（m3/min）H——全揚(yáng)程（m）；η——泵的效率，一般在0.6-0.83之間。假設(shè)一大廈高170米，最高用水的管網(wǎng)末端在100米左右，水泵揚(yáng)程應(yīng)選在135米，因?yàn)橐獙⒐芫W(wǎng)的水損失考慮到，如各類(lèi)閥門(mén)、彎頭等。水的流量在每小時(shí)18m3P=(KρPQh/6.12)×10=(1.7×1.0×0.3m3/min×135)÷6.12×0.6×=(1.7×1000×0.3m3/min×135)÷6.12×0.6×所以P≈7Kw電動(dòng)機(jī)的理論功率為7Kw。但在選擇電動(dòng)機(jī)容量時(shí)應(yīng)大于負(fù)載所須功率。所以電動(dòng)機(jī)實(shí)際功率應(yīng)選擇9KW為宜。而工作現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)是一臺(tái)變頻器帶兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，所以總功率為9Kw×2臺(tái)=30Kw。3.2水泵的選擇在恒壓變頻調(diào)速供水系統(tǒng)中，水泵作為執(zhí)行單元，其性能的優(yōu)劣，直接關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)是否能正常工作。在設(shè)計(jì)選型水泵時(shí)泵的性能曲線全面而直觀地反映了水泵的工作性能，它是選擇和使用水泵所必須的基本依據(jù)。在選擇水泵及其管路系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)使水泵的實(shí)際工作在最佳工況點(diǎn)附近，以便有高的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。在實(shí)際的工作中，一般常用水泵的揚(yáng)程H與流量Q性能曲線來(lái)選擇水泵。梗據(jù)已知參數(shù)一般選用多級(jí)加壓泵，通過(guò)每級(jí)葉片的旋轉(zhuǎn)加壓將能量傳遞給流體。在本論文中的供水系統(tǒng)，初步選定水泵的數(shù)量及工作方式為：主水泵1臺(tái)，輔助水泵1臺(tái)。主水泵和備用泵均可以在變頻器拖動(dòng)下工作。工作方式是：主泵、備泵互為交替，即：一臺(tái)水泵工作另一臺(tái)水泵備用。當(dāng)一臺(tái)水泵出現(xiàn)故障時(shí)，另一臺(tái)水泵投入運(yùn)行。當(dāng)主泵工作到50Hz時(shí)，系統(tǒng)的流量或壓力不能達(dá)到要求時(shí)，此時(shí)將備用水泵投入運(yùn)行，其補(bǔ)充流量的作用。在正常工作時(shí)，只有一臺(tái)水泵工作，另一臺(tái)水泵處于未工作狀態(tài)。第四章氣壓罐的選擇在本文中的恒壓供水系統(tǒng)中配有一個(gè)氣體壓力罐。設(shè)備是一個(gè)密閉的壓力容器，里面注滿(mǎn)了被管網(wǎng)中的水壓縮了的空氣，它的主要功能是：當(dāng)供水系統(tǒng)中用戶(hù)的耗水量非常的少時(shí)，變頻器的輸出頻率也為零時(shí)。此時(shí)泵即便停機(jī)或進(jìn)入休眠時(shí)間。這時(shí)罐內(nèi)已儲(chǔ)存了一定的壓力（因?yàn)榭諝馐强梢詨嚎s的），當(dāng)罐內(nèi)的水壓增大時(shí)，那么相應(yīng)的水壓對(duì)罐內(nèi)的空氣壓縮也要相對(duì)增大。所以，在非常小的用水量時(shí)此設(shè)備便發(fā)揮了作用，它可以將罐內(nèi)的壓力補(bǔ)充到系統(tǒng)中。從而延長(zhǎng)了泵機(jī)的休眠時(shí)間，同時(shí)也避免了泵機(jī)的頻繁啟動(dòng)，從而達(dá)到了更加節(jié)能的效果。第五章變頻器的選擇異步電動(dòng)機(jī)利用變頻器進(jìn)行調(diào)整轉(zhuǎn)速的，因合理地選擇變頻器的內(nèi)容，以及外圍設(shè)備。變頻器的選擇包括變頻器的類(lèi)型選擇和容量選擇兩方面。本文中所闡述的是泵類(lèi)負(fù)載，通?？蛇x擇普通功能型U/F控制變頻器。5.1變頻器容量選擇實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定電流和額定功率來(lái)決定變頻器的容量。變頻器的選型原則是：交變頻器的額定容量所使用的電動(dòng)機(jī)功率≥電動(dòng)機(jī)額定電流；變頻器的額定輸出電壓≥電動(dòng)機(jī)的額定電壓。即：PCN≥Kpm/ηCOS?（kvA）ICN≥KIN（A）PCN≥K×1.732×UM×IM×10-3式中：pm：電動(dòng)機(jī)軸輸出功率；η：電動(dòng)機(jī)的效率（取0.85）；COS?：電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)（取0.75）；UM：電動(dòng)機(jī)電壓（V）；IM：電動(dòng)機(jī)電流（A）；K：電流波形的修正系數(shù)（PWM方式時(shí)，取1.05-1.0）所以根據(jù)所選用的電動(dòng)機(jī)15KW；額定電流30A；代入5—1式及5—2式；PCN≥Kpm/ηCOS?（KvA）=1.08×15÷0.8÷0.75=27（KvA）變頻器的額定容量為27KvA。ICN≥KIN（A）=1.08×30=32.4（A）變頻器額定輸出電流為32.4A。所以根據(jù)以上計(jì)算數(shù)據(jù)可適量放大裕量：變頻器的額定容量為30KvA。變頻器額定輸出電流為32.4A。所以選用ABB公司的ACS400系列通用變頻器運(yùn)用到本論文中的恒壓供水系統(tǒng)中。5.2ABB通用變頻器ABB集團(tuán)是世界知名的技術(shù)集團(tuán)之一。ABB傳動(dòng)裝置的功率范圍從0.12KW—4300KW，廣泛應(yīng)用于水泵、風(fēng)機(jī)、傳送帶、壓縮機(jī)和起重機(jī)等。ABB通用變頻器的核心技術(shù)是目前最先進(jìn)的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速控制方式直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）和被稱(chēng)為部件傳動(dòng)理念的COMP—ACTM5.3ABBACB-400型特點(diǎn)1.采用模塊化結(jié)構(gòu)，組臺(tái)靈活、調(diào)試簡(jiǎn)單、便捷。2.具有6個(gè)可編程的數(shù)字輸入，2個(gè)模擬輸入（0-10V、0-20mA）2個(gè)可編程的模擬輸出（0-20mA）、3個(gè)可編程的繼電器輸出。3.電動(dòng)機(jī)分級(jí)運(yùn)行控制，一臺(tái)變頻器可以控制四臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)多泵循環(huán)控制。即：一臺(tái)用變頻器控制轉(zhuǎn)速，其余三臺(tái)作為輔助水泵。4.變頻器工作溫度范圍為：-10℃—+405.變頻器具有過(guò)載、過(guò)電壓、欠電壓、過(guò)溫保護(hù)功能，具有短路保護(hù)和接地保護(hù)特性。6.對(duì)電動(dòng)機(jī)具有過(guò)熱保護(hù)、閉鎖保護(hù)和防止電動(dòng)機(jī)失速。7.具有比例、積分、微分（PID）控制功能的閉環(huán)控制。8.在WINDOWS95/98和NT/2000環(huán)境下運(yùn)行，可以從微機(jī)直接控制變頻器。9.具有線性V/f、平方V/f、可編程的V/f特性。第六章變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的工作原理變頻器是恒壓供水系統(tǒng)的核心部件，水泵電動(dòng)機(jī)為輸出執(zhí)行裝置。所謂“恒壓”，就是指不管用戶(hù)端用水的大小，總保持管網(wǎng)中水壓基本恒定，這樣即可滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)水的需要，又不使電動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)而造成電能浪費(fèi)。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要變頻器梗據(jù)給定壓力信號(hào)和反饋壓力信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速?？刂破骶C合給定信號(hào)與反饋信號(hào)后，進(jìn)過(guò)PID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(cè)出管網(wǎng)的實(shí)時(shí)出水壓力，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂破骺山邮艿哪M信號(hào)（即反饋信號(hào)）。這樣就構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。如圖6—1所示。圖6——1變頻器恒壓供水系統(tǒng)圖6.1.1該系統(tǒng)主要采用ABBACS—400變頻器和微電腦控制器組成，如圖：6—2所示。圖6—2恒壓供水主電路圖本系統(tǒng)為一用一備、變頻/工頻自動(dòng)轉(zhuǎn)換的恒壓供水系統(tǒng)，兩臺(tái)水泵均為變頻器驅(qū)動(dòng)，且當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)變頻/工頻切換。M1為主泵電動(dòng)機(jī);M2為備用泵電動(dòng)機(jī)；QF為低壓斷路器；KM10、KM20為工頻接觸器；KM11、KM21為變頻接觸器；FR1、FR2為熱繼電器。6.1.2PID的控制原理本文中采用的PXW9BF1—IV數(shù)字式多功能控制器具有模糊邏輯控制功能。水泵出口上裝一只遠(yuǎn)傳壓力表，將壓力信號(hào)送到PXW9控制器，控制器采樣并與壓力設(shè)定信號(hào)比較求其偏差，經(jīng)自身模糊控制，輸出一個(gè)直流4—20mA的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，此信號(hào)由PLC控制變頻器輸出頻率，從而改變水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以消除偏差。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)，最終使管網(wǎng)壓力與設(shè)定值保持一致，而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。這種形式的PID控制器的優(yōu)點(diǎn)是：控制性能好，柔性好，在調(diào)節(jié)結(jié)束后，壓力穩(wěn)定，信號(hào)受干擾小，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，接線工作量少，可靠性高。不足是編程工作量增加。軟件、硬件成本增加較大。6.1.3可編程序控制器（PLC）的原理可編程序控制器的簡(jiǎn)稱(chēng)PLC，是微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制感念相結(jié)合的產(chǎn)物，是在順序控制器、一位微處理控制器和微機(jī)控制器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型控制器，是一種以微處理器為核心的用作數(shù)字控制的特殊計(jì)算機(jī)，因此它的硬件配置與一般微機(jī)裝置類(lèi)似。PLC主要由中央處理單元（CPU）、輸入輸出單元（I/0）、編程器、電源等組成。如圖6—3所示。圖6—3PLC裝置配置結(jié)構(gòu)圖6.1.4遠(yuǎn)傳壓力表是將被測(cè)的非電物理量液體的壓力轉(zhuǎn)換成使用的電學(xué)物理量電流或電壓，傳送至控制器，達(dá)到所需要的控制要求。6.1.41.測(cè)量精度高，測(cè)量誤差小。2.工作穩(wěn)定性好，抗干擾性好。3.響應(yīng)速度快。4.輸出的信號(hào)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，即：電流為4—20mA.DC電壓為1—5V.DC5.使用及維護(hù)簡(jiǎn)單、方便。6.1.51.環(huán)境的溫度為：-10℃——+2.空氣的相對(duì)濕度≤95%，無(wú)結(jié)露3.海拔高度≤1000米4.不允許安裝在經(jīng)常受到振動(dòng)的地方。5.不允許安裝在接近電磁輻射元的地方。6.不允許安裝在灰塵、腐蝕性氣體等的環(huán)境中。6.1.6變頻器的機(jī)械安裝1.變頻器可以一個(gè)接一個(gè)并排安裝，中間不需要空隙。當(dāng)一臺(tái)變頻器安裝在另一臺(tái)變頻器之上時(shí)，對(duì)MM430—55Kw變頻器，規(guī)定的空隙為：350mm。2.MM430—55Kw變頻器在其四個(gè)角部用4×M8螺栓固定，禁錮扭矩為3.0Nm。6.1.71.變頻器必須接地。2.變頻器的控制電纜，電源電纜和電動(dòng)機(jī)的連接電纜的走線必須相互隔離。不要把它們放在同一個(gè)電纜槽中或電纜架上。3.變頻器的控制電纜長(zhǎng)度規(guī)定為：屏蔽電纜長(zhǎng)度為50米；不屏蔽電纜長(zhǎng)度為100米。6.1.81.遠(yuǎn)傳壓力表可直接安裝在管道上，但必須在管道與壓力變送器之間安裝S型緩沖管。2.遠(yuǎn)傳壓力表的信號(hào)電纜采用頻蔽電纜，長(zhǎng)度≤50米。3.主水泵在安裝時(shí)，必須注意聯(lián)軸器的同心度。主、輔水泵在進(jìn)、出管道上最好安裝橡皮緩沖連接器。6.1.9由于系統(tǒng)的壓力變化范圍為0—1.3MPa。變頻器輸入的電流信號(hào)為0—20mA，工作頻率為0—50Hz。而壓力變送器的輸出電流為4—20mA。因此為了準(zhǔn)確地傳遞量值，必須對(duì)遠(yuǎn)傳壓力表進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定方法有兩種,具體如下：第一種方法：在高值時(shí)，使遠(yuǎn)傳壓力表的輸出電流20mA與變頻器輸入的電流20mA、工作頻率50Hz和系統(tǒng)的壓力1.3MPa相對(duì)應(yīng)。在底值時(shí)，當(dāng)遠(yuǎn)傳壓力表的輸出電流小于4mA時(shí)，相對(duì)應(yīng)的變頻器的輸入電流為0mA，頻率為0Hz，即限定變頻器在0—4mA區(qū)域內(nèi)不工作，此區(qū)域?yàn)樗绤^(qū)寬度，系統(tǒng)的壓力也為0MPa。當(dāng)遠(yuǎn)傳壓力表的輸出電流等于4mA時(shí)，變頻器開(kāi)始工作。（死區(qū)寬度的調(diào)試方法：令P0003=3，P0004=2，P2000=50Hz，P0759=8mA，P0757=4mA，P0756=0）第二種方法：在壓力變送器的輸出端再加裝信號(hào)裝換器，將壓力變送器的4—20mA電流轉(zhuǎn)換為0—20mA電流，輸入給變頻器，做到量值的統(tǒng)一，此時(shí)，壓力變送器、變頻器、系統(tǒng)的高值和低值就統(tǒng)一了。比較兩種方法，第二種方法比較準(zhǔn)確，第一種方法簡(jiǎn)單實(shí)用。6.2防干擾處理措施變頻器由主回路和控制回路兩大部份組成，由于主回路的非線性（進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作），變頻器本身就是諧波干擾源，所以對(duì)電源側(cè)和輸出側(cè)的設(shè)備會(huì)產(chǎn)生影響。與主回路相比，變頻器本身就是諧波干擾源，所以對(duì)電源側(cè)和輸出側(cè)的設(shè)備會(huì)產(chǎn)生影響。與主回路相比，變頻器的控制回路卻是小能量、弱信號(hào)的回路，極易遭受其它裝置產(chǎn)生的干擾。因此，變頻器在安裝使用時(shí)，必須對(duì)控制回路采取抗干擾措施。干擾的基本類(lèi)型及抗干擾措施：靜電耦合干擾：指控制電纜與周?chē)姎饣芈返撵o電容耦合，在電纜中產(chǎn)生的電勢(shì)。措施：加大與干擾源電纜的距離，達(dá)到導(dǎo)體直徑40倍以上時(shí)，干擾程度就不大明顯。在兩電纜間設(shè)置屏蔽導(dǎo)體，再將屏蔽導(dǎo)體接地。靜電感應(yīng)干擾：指周?chē)姎饣芈樊a(chǎn)生的磁通變化在電纜中感應(yīng)出的電勢(shì)。措施：一般將控制電纜與主回路電纜或其它動(dòng)力電纜分離敷設(shè)，分離距離通常在30cm以上（最低為10cm），分離困難時(shí)，控制電纜穿過(guò)鐵管鋪設(shè)。將控制導(dǎo)體絞合，絞合間距越小，敷設(shè)的路線越短，抗干擾效果越好。電波干擾：指控制電纜成為天線，由外來(lái)電波在電纜中產(chǎn)生電勢(shì)。措施：將變頻器放入鐵箱內(nèi)進(jìn)行電波頻蔽，屏蔽用的鐵箱要接地。4.接觸不良干擾：指變頻器控制電纜的電接點(diǎn)及繼電器觸電接觸不良電阻發(fā)生變化產(chǎn)生的干擾。措施：對(duì)繼電器觸點(diǎn)接觸不良，采用并聯(lián)觸點(diǎn)或鍍金觸點(diǎn)繼電器或選用密封式繼電器。對(duì)電纜連接點(diǎn)應(yīng)定期做擰緊加固處理。5.電源線傳導(dǎo)干擾：指各種電氣設(shè)備從同一電源系統(tǒng)獲得電時(shí)，由其它設(shè)備在電源系統(tǒng)直接產(chǎn)生電勢(shì)。措施：變頻器的控制電源由另外系統(tǒng)供電；在控制電源的輸入側(cè)裝設(shè)線路濾波器；裝設(shè)絕緣變壓器，且屏蔽接地。6.接地干擾：指機(jī)體接地和信號(hào)接地。對(duì)于弱點(diǎn)電壓電流回路及任何不合理的接地均可誘發(fā)的各種意想不到的干擾，比如設(shè)置兩個(gè)以上接地點(diǎn)，接地處會(huì)產(chǎn)生電位差，產(chǎn)生干擾。措施：速度給定的控制電纜取1點(diǎn)接地，接地線不作為信號(hào)的通路使用。電纜的接地在變頻器側(cè)進(jìn)行，使用專(zhuān)設(shè)的接地端子，不與其它接地端子共用。并盡量減少接地端子引接地的電阻，一般不大于100。6.3PLC控制下的變頻器調(diào)速原理本文中變頻恒壓供水系統(tǒng)共2臺(tái)水泵（單臺(tái)15KW），可使任意一臺(tái)電動(dòng)機(jī)處于工頻或變頻下運(yùn)行，并分別依次進(jìn)行軟啟動(dòng)。如圖*—*所示。所選用的是歐姆龍公司的可編程序控制器（OMRONPLCCPM1A-30CDR-A）。在SAC轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)旋到自動(dòng)位置，系統(tǒng)開(kāi)始工作，遠(yuǎn)傳壓力表將信號(hào)送到PXW9調(diào)節(jié)器。開(kāi)始時(shí)水壓低于設(shè)定值，PLC啟動(dòng)升速程序，并按其設(shè)定好的程序控制變頻器運(yùn)行，頻率逐漸上升，并使1#電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)逐漸升速，同時(shí)管網(wǎng)水壓上升。當(dāng)水壓升至PXW9調(diào)節(jié)器設(shè)定值時(shí)，1#泵機(jī)在此頻率下穩(wěn)定運(yùn)行，保持水壓恒定。若1#泵機(jī)頻率達(dá)到電網(wǎng)工頻時(shí)，水壓還未到設(shè)定值時(shí)，此時(shí)PXW9調(diào)節(jié)器給出信號(hào)至PLC。PLC自動(dòng)將1#泵切換到工頻電網(wǎng)（KM11釋放，KM10吸合）；變頻器輸出為零，PLC發(fā)出指令使2#泵啟動(dòng)運(yùn)行補(bǔ)水（KM21吸合）；此時(shí)變頻器輸出頻率逐步上升，2#泵在工頻下運(yùn)行，當(dāng)水壓達(dá)到PXW9的設(shè)定值時(shí)，使水壓轉(zhuǎn)速恒定。當(dāng)水壓超過(guò)設(shè)定值時(shí)，2#水泵輸出頻率降低至頻率為零時(shí)（KM21釋放），2#水泵停機(jī)；PLC發(fā)出指令使KM10釋放，同時(shí)發(fā)出指令使變頻器至工頻輸出，（1#泵KM11吸合）為變頻運(yùn)行。如果當(dāng)系統(tǒng)嚴(yán)重缺水時(shí)，PLC發(fā)出指令使KM11釋放及發(fā)出指令使變頻器退出運(yùn)行。同時(shí)發(fā)出指令使KM10、KM20接觸器短時(shí)間先后依次吸合，1#泵、2#泵此時(shí)為工頻下運(yùn)行，迅速向管網(wǎng)補(bǔ)水，保持壓力平穩(wěn)。為保證電控系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，1#泵的KM10與KM11，2#泵的KM20與KM21都有電氣和機(jī)械的互鎖功能。整個(gè)控制系統(tǒng)可將用水量從最小至最大全面控制，對(duì)水泵進(jìn)行工頻與變頻的相互切換。各接觸器的動(dòng)作時(shí)間由PLC設(shè)定。圖6—4PLC控制電氣原理圖另外，利用PLC控制還可以進(jìn)行循環(huán)控制；即在管網(wǎng)水壓均衡的時(shí)候，1#泵和2#泵可設(shè)定時(shí)間周期實(shí)現(xiàn)一主、一備交替循環(huán)運(yùn)行，來(lái)延長(zhǎng)設(shè)備的使用周期。同時(shí)，還可以利用人們每天的作息時(shí)間或節(jié)假日，來(lái)外加設(shè)一個(gè)時(shí)鐘控制器，利用人們工作時(shí)段與休息時(shí)段的作息時(shí)間，進(jìn)行水泵的運(yùn)行時(shí)段與休眠時(shí)段的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行時(shí)間設(shè)定控制，輸出信號(hào)使微型繼電器KTC吸合或斷開(kāi)。KTC的吸合或斷開(kāi)都給PLC的輸入端（007）一個(gè)信號(hào)，由PLC進(jìn)行程序判斷后再輸出一個(gè)指令起泵或停泵。以此來(lái)更加可靠地延長(zhǎng)水泵的使用周期，電力節(jié)能也更加完善。7.結(jié)論本文中所闡述的恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)是現(xiàn)在乃至今后的必然發(fā)展趨勢(shì)，尤其是應(yīng)用在高層建筑的供水系統(tǒng)中。根據(jù)流體理論，離心式風(fēng)機(jī)水泵的軸功率是轉(zhuǎn)速的三次方函數(shù)，因此有表達(dá)式：N1/N=Q1/Q=n式中：Q——水泵的額定流量；N——水泵的軸功率；n——水泵的額定轉(zhuǎn)速；Q1——水泵的實(shí)際流量；N1——水泵的實(shí)際功率；n當(dāng)水泵滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，即：Q1=Q、N1=N、當(dāng)水泵實(shí)際轉(zhuǎn)速n1為額定轉(zhuǎn)速的90%時(shí)，即：n