通用变频器在恒压供水系统的应用

-1-设计内容与设计要求一、设计内容：1、电路功能：1）变频器用于恒压供水系统，对供水系统进行恒压调节。2）电路由主电路与控制电路组成，电路主要环节：变频器主电路及相关滤波环节。控制电路主要环节：电压电流检测单元、检测与故障保护电路、各类调节器等。3）系统要求检测电路与保护电路设计较完整。2.系统总体方案确定3.主电路设计与分析1）确定主电路方案2）主电路元器件的计算及选型3）主电路保护环节设计4.控制电路设计与分析1）检测电路设计2）功能单元电路设计3）各类调节器设计4）控制电路参数确定二、设计要求：1）要求采用工业通用变频器的双闭环系统进行恒压供水系统设计。2）设计思路清晰，给出整体设计框图；3）单元电路设计，给出具体设计思路和电路；4）分析各部分电路的工作原理，给出必要的波形分析。5）绘制总电路图6）写出设计报告；-2-主要设计条件1、设计依据主要参数1）输入电压：三相（AC）380V（1+10%）2）使用1台变频器带动3台常用泵，供水量大时，采用3台泵，供水量少时，采用1台泵，3）提供继电器接触器控制图。2.可提供实验与仿真条件说明书格式1．课程设计封面；2．任务书；3．说明书目录；4．设计总体思路，基本原理和框图（总电路图）；5．单元电路设计（各单元电路图）；6．故障分析与电路改进、实验及仿真等。7．总结与体会；8．附录（完整的总电路图）；9．参考文献；10．课程设计成绩评分表-3-进度安排第一周星期一：课题内容介绍和查找资料；星期二：总体电路方案确定星期三：主电路设计星期四：控制电路设计星期五：控制电路设计；第二周星期一：控制电路设计星期二：电路原理及波形分析等星期四～五：写设计报告，打印相关图纸；星期五下午：答辩及资料整理参考文献[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统(第3版)[M].机械工业出版社，2003.8[2]王兆安黄俊.电力电子技术（第4版）.机械工业出版社，2000.5[3]陈伯时，陈敏逊.交流调速系统[M].机械工业出版社，1998.5[4]李华德.交流调速控制系统[M].电子工业出版社，2003.3[5]张燕宾.SPWM变频调速技术[M].机械工业出版社，1997.12[6]谭建成.电机专用集成电路[M].机械工业出版社，1997.8[7]刘祖润胡俊达.毕业设计指导.机械工业出版社，1995[8]许大中，贺益康.电机控制[M].浙江大学出版社，1996.11[9]张燕宾等.实用变频调速技术培训教程[M].机械工业出版社，2003.7[10]刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统.校内，1999-4-目录第1章总体方案设计…………………………………………………………11.1总体思路……………………………………………………11.2总体结构框图………………………………………………11.3系统硬件选型………………………………………………2第2章各单元电路设计…………………………………32.1主电路设计…………………………………………………32.2继电器控制电路设计………………………………………42.3PLC控制电路设计……………………………………………52.4PID调节电路设计…………………………………………62.5电路各项参数检测与保护……………………………………7第3章PLC程序设计………………………………………83.1PLC程序设计流程图…………………………………………83.2PLC输入输出引脚分配………………………………………83.3PLC程序………………………………………………………10第4章故障分析与电路改进………………………………13第5章总结与体会…………………………………………14第6章参考文献……………………………………………15第7章附录（总电路图）…………………………………16-5-第1章总体方案设计1.1总体思路本设计主要由3台水泵、1台变频器、PLC以及线性远传压力传感器等组成。其中PLC、变频器和压力传感器组成闭环反馈控制系统。使用1台变频器带动3台常用泵，供水量大时，采用3台泵，供水量少时，采用1台泵。在大范围上控制供水的流量；变频器内部PID调节器控制变频器对变频泵进行速度调节，在小范围上控制供水的流量。水泵的速度调节采用变频调速技术，利用变频器对水泵进行速度控制。水泵电机为执行装置，其转速由变频器控制，实现变流量恒压供水。变频器接受控制发出的信号，实现对水泵的速度控制；控制器综合给定信号与反馈信号，经过PID的调节，向变频器输出运转频率指令。压力传感器检测出管网的实时出水压力，并将其转变为控制器可接受的模拟信号（即反馈信号），这样就构成了双闭环的实时恒压供水控制系统。1.2总体结构框图图1-1变频恒压供水结构图控制器水泵电机变频器压力传感器出水压力检测运行指令频率指令反馈—给定+用户-6-1.3系统硬件选型（1）.水泵选型：跟据以上用户的流量，选择三台大功率水泵组的电机功率分别为7.5KW，三台大功率水泵组用于白天对用户的恒压供水，以达到恒定水压和节能的目的，（2）.CPU选型：根据本次设计的通用变频器恒压供水系统的控制系统实际所需端子数目，考虑PLC端子数目要有一定的预留量，因此选用的S7-200型PLC的主模块为CPU226型，其数字量输出（DQ）为16点，输出形式为DC24V继电器输出；数字量输入CPU226为24点，输入形式为＋24V直流输入。（3）.变频器选型：跟据实际设计需要，所选择变频器的富士型号是FRN5.5P11S-4，参数为适用的电动机容量为5.5KW输出电路MC2为SC-05,额定电流为20，主电路部和接地端子均为3.5。（4）.压力传感器选型：本设计选择YTT-150型号的远传压力传感器，由于选取的扬程为H=50m，所以待测压力值为0.6MPa-7-第2章各单元电路设计2.1主电路设计2.1.1主电路电路图图2-1变频器恒压供水主电路2.1.2主电路电路说明该系统包括3台水泵电动机M1、M2、M3，其中M1的功率为45kW，M2为22kW，M3为22kW。该系统为一台变频器依次控制每台水泵实现软启动及-8-转速的调节，实现恒压控制。系统具有变频及工频两种运行状态，当变频泵达到水泵额定转速后，如水压在所设定的判断时间内还不能满足恒压值时，系统自动将当前变频泵状态切换为工频状态，并指示下一台泵为变频泵，其中接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3工频运行，KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3变频运行，KM0控制变频器的工作。2.2继电器控制电路设计2.2.1继电器控制电路界限图图2-2继电器控制线路图2.2.2继电器电路说明其中接触器KM2、KM4、KM6分别控制M1、M2、M3工频运行，KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3变频运行，KM0控制变频器的工作。KA0～KA6-9-为中间继电器，它们分别控制KM0～KM6工作。HL0～HL6为指示灯，其中HL0为电源指示灯，HL1～HL3分别指示M1～M3的工频运行，HL4～HL6分别指示M1～M3的变频运行。2.3PLC控制电路设计2.3.1PLC控制电路的连接图图2-3PLC控制电路的连线图2.3.2PLC控制电路说明图中SA7为手动/自动控制转换开关，SA8为自动起/停控制转换开关，P1为压力上限，P2为压力下限，SA1为1#水泵手动起动开关，SA2为1#水泵手动停止开关，SA3为2#水泵手动起动开关，SA4为2#水泵手动停止开关，SA5为3#水泵手动起动开关，SA6为3#水泵手动停止开关，KA0～KA6为中间继电器，它们分别控制KM0～KM6工作。-10-2.4PID调节电路设计2.4.1PID调节电路的接线图图2-4PID调节电路的接线图2.4.2PID调节电路说明PID调节器电路如图5所示，PID调节器的引脚11、12为电流输出信号，接图1中的变频器的引脚3、4，PID调节器的引脚18接图3中的PLC输入端子X4，PID调节器的引脚19接图3中的PLC输入端子X5。PID调节器接受压力传感器送来的压力信号，自动调整变频器的频率给定输入，从而控制变频器的输出电压，进而控制变频泵的转速，实现变频泵水流量的稳定控制。-11-2.5电路各项参数检测与保护功率稍大的风冷式变频器中的散热系统一般都是由多个散热器组成，并配备轴流风机。每一块散热器上各安装一只热敏元件，有些变频器在主控板上也安装一只热敏元件，利用pth4。四只热敏元件串联后接光耦元件p4。正常状态下，热敏元件为常闭触点，光耦导通输出信号为0;当散热片过热时热敏元件断开，光耦截止，输出信号为1，该信号经rc滤波后去关闭igbt的驱动信号并通知cpu发出过热报警信号。在电源的检测中，电源缺相和接地故障检测常用的方法是通过套在主回路(输入或输出)上的电流互感线圈检测三相电流平衡程度来实现的，正常时光耦截止输出为1。当某相电源对地漏电或缺相时，由于三相电流不平衡检测线圈会感应出电势，光耦p512导通，发出故障信号，。在熔断器发生故障时，熔断器检测是从fuse两端取电压信号，快熔正常时，两端电压极小，保护电路不动作。当快熔因过流烧断时，两端电压变高，光耦导通发出故障信号，经两个施密特反相器驱动后送至cpu。-12-第3章PLC程序设计3.1PLC的程序设计流程图图3-1PLC程序设计流程图3.2PLC输入输出引脚分配表3-1输入引脚分配作用名称地址变频器故障FAI0.0水泵1过载FR1I0.1水泵1停止KA1I0.2开始上电初始化启动变频器/保持压力低/增加水泵变频器复位变频器复位关断当前变频信号水泵减1产生当前泵工频信号关断当前变频信号水泵加1产生当前泵工频信号产生下台泵变频运行信号产生上台泵变频运行信号压力高/减少水泵频率上限频率下限yyNN-13-水泵2过载FR2I0.3水泵2停止KA2I0.4水泵3过载FR3I0.5水泵3停止KA3I0.6启动变频器KA0I0.7水位上限P1I1.0水位下限P2I1.1反馈/I1.2表3-2输出引脚分配作用名称地址水泵1变频运行KM1Q0.0水泵1工频运行KM2Q0.1水泵2变频运行KM3Q0.2水泵2工频运行KM4Q0.3水泵3变频运行KM5Q0.4水泵3工频运行KM6Q0.5变频器工作KM0Q0.6变频器复位RSTQ1.0变频器通信电缆屏蔽SDQ1.1变频器正转FWDQ1.2变频器自由旋转BXQ1.3接点公共输入端CMQ1.4-14-3.3PLC程序AB=VB301,1EU//网络注释调用初始化程序=M0.1LDSM0.1INCBVB301CALLSBR0Network7//Network2//启动变频器LDD=VD250,1000LDI0.7ANM0.2SM0.7,1TONT38,30ANI0.0Network8//=M0.7LDT38Network3ABVB301,0LDM0.7EUSQ0.6,1=M0.2ANI0.0DECBVB301=Q0.6Network9//Network4//LDM0.1LDSM0.1OQ0.3OI0.7OQ0.1INCBVB300=Q1.5Network5//Network11//LDM0.7LDM2.0AD=VD250,VD208TONT33,2ANM0.1Network12//TONT37,50LDT33Network6//LDT37接右-15-EUMOVB1,VB300=M0.4Network20//Network13//LDB=VB301,0LDM0.4ASM0.5SM2.1,1EUINCBVB300INCDVD310Network14Network21//LDM2.1LDD=VD310,180TONT34,2EUNetwork15//=M0.3LDT34MOVD+0,VD310EUNetwork22//=M0.5LDBVB301,0RM2.1,1MOVD0,VD310Network16//Network23//LDM0.5LDSM0.1SM2.2,1OM0.0Network17OM0.6LDM2.2AB=