浅谈恒压供水变频调速系统的应用

新疆轻工职业技术学院毕业论文浅谈恒压供水变频调速系统的应用系部：机电工程系专业班级：机电一体化二班姓名：郭韶飞指导教师：张秀萍时间：新疆轻工职业技术学院毕业设计主要内容本文中所阐述的恒压供水变频调速系统是现在乃至今后的必然发展趋势，尤其是应用在高层建筑的供水系统中。采用恒压变频调速供水控制系统能够为企业带来客观的经济效益，应广泛推广。1.节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色用电，同时，也可以为企业降低成本。2.配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。、3.电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。4.通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。具体要求要求利用通用变频器和PLC实现了对三相异步电动机的控制，通过合理的设备选型、参数设置和软件设计，提高对电机的使用可靠性。主要参考文献《变频调速应用与实践》作者：张燕宾…机械工业出版社[2001-01-01]《最新实用交流调速系统》作者：吴安顺…机械工业出版社[1998-06-01]《电机与拖动》作者：王桂英…东北大学出版社[2004-02-01]《PLC技术及应用》作者：齐从谦…机械工业出版社[2000-08-01]指导教师评语及能否参加答辩的意见：指导教师2010年月日答辩委员会评语及综合评定成绩：答辩委员会主任签名2010年月日系主任意见：系主任签名2010年月日（此任务书一式三份，一份入学生学籍档案，一份为系部存档，一份为学院教务处存档）目录引言……………….……………….……………….………………………….1第一章：变频器技术的发展及设计的目的………………………………….31.1变频器技术的发展………………………………………………....31.2恒压供水变频调速系统设计的目的……………………………....4第二章：变频器……………………………………………………………….42.1变频器概述…………………………….………………………….42.2变频调速原理………………………………..……………………42.3变频器的基本构成…………………………………………………62.4变频器驱动降转矩负载……………………………………………8第三章：电动机容量选择………………………………………………………83.1泵类负载所许的驱动动力…………………………………83.2泵的选水择……………….…………………………………………9第四章：气压罐的选择……………………………………………………….9第五章：变频器的选择………………………………………………………95.1变频器容量选择………………………………………………95.2ABB通用变频器…………………………………………………105.3ABBACB-400型特点………………………………………………11第六章：变频恒压供水控制系统的工作原理…………………………………166.1控制系统………………………………………………………..176.2防干扰处理措施………………………………………………..206.3PLC控制下的变频器调速原理…………………………………..21第七章：总结…………………………………………………………………………23参考文献……………………………………………………………………24致谢………………………………………………………………………………25摘要：恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的，例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时缺水时，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以某些用水区采用恒压轰水系统，具有较大的经济和社会意义。在旧加压设备中，恒压供水一般采用起动或停止加压站的水泵和调节出口阀开度来实现。控制系统是采用继电接触器控制线路，这种系统线路复杂，维护困难，操作麻烦，工人要24小时值班看守，劳动强度大。所以有必要对之进行改造，提高自动化水平。关键词：三相异步电动机变频器调速自动化控制第一章变频器的发展及设计目的1.1变频器技术的发展变频技术是应交流电机无级调速的需要而诞生的。20世纪60年代以后，电力电子器件经历了SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物场效应管)、SIT(静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管)、MGT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)的发展过程，器件的更新促进了电力电子变换技术的不断发展。20世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM－VVVF)调速研究引起了人们的高度重视。20世纪80年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题吸引着人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果最佳。20世纪80年代后半期开始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器已投入市场并获得了广泛应用。当今的运动控制系统包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响；二要看对电网的谐波污染和输入功率因数；三要看本身的能量损耗如何。可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工作环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、记数、算术运算等操作指令，并通过数字式的输入和输出控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器、PID调节器、变频调速三者相结合应用到恒压供水系统中，能很大程度上提高自动化控制，无须人工不停地监控，对企业来讲不但提高了工作效率，还降低了用工成本。1.2恒压供水变频调速系统设计的目的1.节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色用电，同时，也可以为企业降低成本。2.配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。、3.电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。4.通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。第二章：变频器2.1变频器概述由于直流调速系统具有较好的静、动态性能指示，调速传动领域基本上被直流电动机调速系统所垄断。但这种系统也有其自身的缺点，如容量大、电压、电流和转速的上限值均受到换向条件的制约，控制系统结构复杂，在一些大容量上调速领域无法应用，同时维护工作量大，故障率高等。而交流电动机的一些优点：结构简单、造价低、容易维护；电压、电流和转速不受限制。虽然目前异步机的调速种类很多，但是效率高、性能好，应用最广泛的是变频调速，它可以构成高动态性能的交流调速系统来取代直流调速系统。是交流调速的主要发展方向。变频调速是以变频器向交流电机供电，并构成开环或闭环系统，从而实现对交流电动机的宽范围内的无极调速。变频器可以把固有电压、频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电。在变换过程中，没有直流环节的称为交—交变频器，有中间直流环节的称为交—直—交变频器。由直流电变为交流电的变换器称为逆变器。目前应用最广泛的是交——直—交变频器通常由整流器（AC—DC变换）、中间直流储能电路、逆变器（DC—AC变换）三部分构成。脉宽调制（PWM）变频就是把通讯系统中的调制技术推广应用到交流变频中，可使变频器有良好的输出波形，降低了噪声和谐波，提高了系统的性能，采用了全数字微机控制技术，使变频器减小了体积，降低了成本，提高了效率，增强了功能。可实现电动机平稳运行、无噪声、无震动。随着交流电动机调速理论的突破和变频器性能的不断完善，从而使变频调速开始成为交流调速的主流。2.2变频调速原理根据电机学可知，交流电动机的转速公式：N=60f/p(1-S)式中：f-定子供电频率;p-极对数；s-转差率；由上式可知，若均匀地改变定子供电频率f,则可以平滑地改变电动机转速。然而只调节是不行的，因为：11114.44NmEfNKU式中：E—定转子每相由气隙通感应的电动势的均方跟值（V）；1f—定子频率（Hz）；1N—定子相绕组匝数；1NK—与电机绕组结构有关的常数；m—每极磁通量（Eb）；1U—定子相电压（V）；当定子电压1U不变时，m与1f成反比，1f的升高或降低会导致磁通m的减小或增大，从而使电动机最大转矩减小，严重时将导致电动机堵转或者磁通路饱和，铁损急剧增加。应此在调节电源频率时要调节电压的大小，以维持磁通的恒定，使最大转矩不变。根据1U和1f不同的比例关系，变频器有以下调速方式。○1基频以下的恒磁通变频调速要保持m不变，当频率从额定值向下调时，必须降低1E,使1E/1F=常数，即采用恒定电势频率比的控制方式。绕组中的感应电动势是难以直接检测和控制的，当电势较高时，可以认为相电压1U1f，则有1U/1f=常数。这就是恒压频比的控制方式，是近似的恒磁通控制。低频时，和都比较小，如图2—1所示。０Ｕ1图2—1恒压频比控制特性○2基频以上的若磁变频调速在基频上调速时，频率可以从1NF往上增高，但是电压1U却不能增加比额定电压1NU还要大，这是由于受到电源电压的制约，最多只能保持1U=1NU不变。这样，必然会使主磁通随着1f的上升而减小，相当于直流电动机弱磁调速的情况，属于近似的恒功率调速方式。综合上述两种情况，异步电动机变频调速的基本控制方式如图2—2所示。图2-2异步电动机变压变频调速控制特性2.3变频器的基本构成变频器分为交——交和交——直——交两种，交——交变频器将工频交流电直接变换成频率、电压均可控制的交流电称直接式变频器。而交——直——交变频器则是先把工频交流电整流器变成直流电，然后把直流电换成频率、电压均可控制的交流电，称为间接式变频器，本论文主要讨论间接式变频器。图2—3变频器的构成输出电压的调节主要有PAW方式。PMW方式两种，只文中讨论PWM、变频器中的整流电路采用不可控的二极管整流电路，变频器的输出电压和频率的调节均由逆变器按PWM方式来完成，利用参考电压波与频率三角波互相比较，来决定主开关器件的导通时间，从而实现调压，这种参考信号为正弦波，输出电压平均值近似为正弦波的PWM方式，称为正弦PWM调节，简称SPWM方式。变频器中常采用SPWM方式调节。变频器按控制方式分：U/F控制、转差频率控制、矢量控制三种；本文中只讨论U/F控制方式2.4变频器驱动降转矩负载如水泵等流体机械，均属于降转矩负载，降转矩负载的特点是随着转速的降低，转矩也变小。如果水泵在低速下运行，水的流量、流速小，所须转矩也小，随着转矩的增加，水的流量、流速也随着增大，所需转矩也越来越大。由于轴功率与转速的立方成正比，当水泵速度下降时，其功率将以立方根方式大幅度下降。水泵在转速控制时，流量Q、扬程H、轴功率N之间的关系为：流量与转速成正比；扬程与转速的平方成正比；轴功率与转速的立方成正比。因此，用变频器控制流体机械与阀门控制相比，可起到显著的节能效果，从而使电动机效果提高。所以低频时的负载电流很小，电动机也不会出现过热现象，因此一般的泵类设备很适用U/F控制的变频器进行驱动，所须的转矩大小以转速平方的比例增减。调节水泵转速，改变出水流量，使压力稳定在恒压线上，就能够完成流体的恒压给水。如采用U/F控制方式的变频器，在输出某一频率，负载一定时存在着一个最佳工作点，负载变化时，最佳工作点也移动。针对这一特点，大部分变频器设置了节能运行的功能。选用此功能，变频器能够自动搜索最佳工作点，使电动机总是在最佳工作点上运行，从而实现节能的目的。但是，当变频器在节能方式下运行时，起动态响应性能是较差的。当遇到突变的冲击负载时，