变频液位系统的应用Word文件下载.docx

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比如，民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；

工矿企业的排水与进水，如果排水或进水控制得当与否，关系到车间的生产状况；

锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；

精流塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。

液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用，在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。

随着经济的发展，能源的过分消耗日益成为影响经济稳定快速增长的阻力，为了响应国家节能减排的号召，实现能源充分利用，就需要对电机进行转速调节，研究变频液位就是节能研究的主要内容之一。

随着电力电子技术以及工业自动控制技术的不断发展,使得变频液位系统在工业生产与居民生活领域得到了广泛应用。

由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性。

常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。

变频器技术是一门综合性的技术，它与传统的交流拖动系统相比,利用变频器对交流电动机进行调速控制，继而达到节能和提高控制精度、自我保护等特点。

本课题就是根据PLC和变频器，设计变频液位自动控制系统。

PLC的作用是运用PID算法对系统进行控制，而变频器的作用则是最电机进行调速，最终达到变频调速的目的。

1.1变频液位系统的应用

20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。

这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。

这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。

这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。

20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。

从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；

从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；

从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。

目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、轻纺、交通运输、及文化娱乐等各个行业，被称为现代技术的三大支柱之一。

1.2设计任务

1．课题完成的功能：

设计变频液位控制系统的主电路和控制电路以及驱动电路。

并针对驱动电路进行数学建模，使计算机对水箱有较好的控制，在此基础上对元件进行选取：

包括PLC控制器，电机，变频器，液位变送器等。

2．设计任务及要求：

（1）设计液位变频控制系统的主电路图、控制电路和驱动电路图并且绘制。

（2）对各个电路中需要涉及的参数进行计算。

（3）结合实际对主电路以及驱动电路各个元件进行选取。

（4）对驱动电路中计算机对水箱的控制建立数学模型，以便控制方便，准确。

3．技术参数：

（1）电动机的参数：

额定功率125Kw额定电压380V额定电流220A额定转速1450rpm额定效率0.92。

（2）接线方式为△短路电抗标准值为0.192过载能力1.2倍、电网电压380V、50Hz。

2变频液位系统的基本构成与工作原理

2.1变频液位系统的结构框图

图2-1液位自动控制系统结构框图

2.2液位自动控制系统原理

图2-2液位自动控制系统原理图

2.3电动机的调速原理

水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为：

（2-1）

式中：

f表示电源频率，p表示电动机极对数，s表示转差率。

从上式可知，三相异步电动机的调速方法有：

（1）改变电源频率。

（2）改变电机极对数。

（3）改变转差率。

改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。

改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗[7]，且成本高而影响它的推广价值。

2.4变频调速节能原理分析

1．交流电机变频调速原理

根据电磁感应原理，交流电动机的转速满足下式：

（同步电动机）（2-2）

（异步电动机）（2-3）

—电动机同步转速

—电动机异步转速

—电动机定子极对数

—交流电源频率

—电动机转差率

电动机的转速随着电源频率

，电动机极对数

，电动机转差率

（异步电动机）变化。

由于电动机的极对数

只能有级调节并且调整量有限，因此调速范围有限，从而使其应用受到限制。

而使用过大的转差率调速显然是不经济的，对电动机的功率因数及效率的影响也很大，故应用范围十分有限。

变频调速则通过改变电动机的输入频率改变其空间旋转磁场的角速度达到速度调节的目的，电动机的转速随着电源频率的变化而改变，电源频率

增加，电动机的转速随之增加，反之则下降。

变频调速方式实现了在不影响电动机各项性能前提下的速度无级调节、恒转矩调速或恒功率调速等调速方式，因此受到工业界的广泛重视，应用案例越来越多。

2．水泵特性分析及节能原理

根据流体力学原理，在管径一定的条件下，管道流量Q与水泵转速n成正比；

扬程H与转速平方（

）成正比，而电机轴功率P与转速的三次方（

）成正比。

可见当流量仅下降到80%时需要的功率P将下降到额定功率的50%（0.83≈0.5）左右，当流量下降到50%时需要的功率

仅为额定功率的13%．图2是水泵特性曲线。

若要求恒压于HA，当流量QA变小至

时，如果水泵转速不变，压力会上升至B1，压力传感器输出压力上升信号，经智能调节器分析运算后输出转速下降信号给调速电机的变频控制器，调速电机转速随即从

降低至

（B点），使管网压力维持在HA；

同理，当流量变化至

时，压力升至

点而调速电机随即降低转速至

（C点），仍保持恒压HA，从而实现了水泵自动恒压变流量供水。

可见调速控制变载水泵具有显著的节电效果。

利用变频器可以根据电机负载的变化实现自动、平滑地增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点，具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点，这对于水泵、风机等设备是很适用的。

夜间供水量急剧减少时，可方便地设定每日休眠工作的起始/停止时刻，并可设定休眠时的压力给定值。

休眠期间，变频器监测管网压力，当压力低于设定植时，系统被自动唤醒，变频泵投入工作；

压力高于设定值时，系统再次进入休眠状态，只有休眠水泵运行，这样能最大限度地节水节电。

实践证明，使用变频设备可使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能率可达（20～40）%。

同时，通过采用变频器控制，可在不同季节、节假日、白天和晚上及上下班等时间全面调控水量。

2.5变频液位系统的工作原理

变频器采用PID恒定控制，它采集外部信号作为反馈信号。

PLC对水泵的运行模式、机组的选择及机组的起动停止等进行控制。

以上控制信号都为PLC的输入信号。

一级泵站水泵的起止信号取自清水池内所装的液位传感器，当水位达到低限位液位传感器给出启动水泵的信号。

当水位达到高限位时，液位传感器给出停止水泵运行的信号。

二级泵站的反馈信号取自出水管出远传压力表。

当压力高于设定值时，变频器变频，水泵电机减速。

当压力低于设定值时，变频器变频，水泵电机加速。

在二级泵站水泵的运行当中，它将受到一级泵站的清水池的缺水信号的控制，以此来防止清水池几乎缺水时水泵空转。

缺水液位开关设置在低水位下方的0.5米处。

3变频液位系统主电路设计及元件清单

3.1主电路设计结果

图3-1变频液位控制主电路图

3.2主要参数计算及器件选择

水箱液位自动控制电机采用2.2KW的常用泵转速，即可满足水箱水位液位稳定，本设计采用两台变频器，两台电动机，通过PLC控制液位的自动调节两台电机分别控制进水与出水，以便能让其迅速响应。

3.3主电路元件清单

表3-1设备清单

器件名称

器件数量

器件型号

变频器

2台

HLPA03D743B

电机

TPW100-160IA

PLC控制器

1台

XC-E4AD2DA

4变频液位系统保护电路设计及元件清单

4.1保护电路设计结果

检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。

保护回路主要包括以下几种：

（1）逆变器保护

1.瞬时过电压保护：

由于逆变器负载侧短路等，流过逆变器器件的电流达到异常值（超过容许值）时，瞬时停止逆变器运转，切断电流。

交流器的输出电流达到异常值，也同样停止逆变器运转。

2.过载保护：

逆变器输出电流超过额定值，且持续流通达规定的时间以上，为了防止逆变器器件、线路等损坏要停止运转。

恰当的保护需要反时限特性，采用热继电器或者电子热保护（使用电子电路）。

过负载是由于负载的GD2（惯性）过大或因负载过大使电动机堵转而产生的。

3.再生过电压保护：

采用逆变器使电动机快速减速时，由于再生功率直流电路电压将升高，有时超过容许值。

可以采取停止逆变器运转或停止快速减速的办法，防止过电压。

4.瞬时停电保护：

对于数毫秒以内的瞬时停电，控制电路工作正常。

但瞬时停电时间在10ms以上时，通常会使控制电路误动作，主电路也不能供电，所以检出后使逆变器停止运转。

5.接地过电流保护：

逆变器负载侧接地时，为了保护逆变器，有时要有接地过电流保护功能。

但为了确保人身安全，需要转设漏电断路器。

6.冷却风机异常：

有冷却风机的装置，但风机异常时装置内温度将上升，因此采用风机热继电器或器件散热片温度传感器，检出异常后停止逆变器。

（2）异步电动机的保护

1.过载保护：

过载检出装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在异步电动机内埋入温度传感器，或者利用转在逆变器内的电子热保护来检出过热。

动作频繁时可以考虑减轻电动机负载、增加电动机及逆变器容量等。

2.超频（超速）保护：

逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时，停止逆变器运转。

（3）其他保护

1.防止失速过电流：

急加速时，如果异步电动机跟踪迟缓，则过电流保护电路动作，运转就不能继续进行（失速）。

所以，在负载电流减小之前要进行控制，抑制频率上升或使频率下降。

对于恒速运转中的过电流，也进行同样的控制。

2.防止失速再生过电压：

减速时产生的再生能量使主电路直流电压上升，为了防止再生过电压保护电路动作，在直流电压下降之前要进行控制，抑制频率下降，防止失速再生过电压。

5变频液位系统驱动电路设计

5.1驱动电路设计结果

图5-1驱动电路设计图

5.2驱动电路主要参数计算及器件选择

本设计以单容水箱为研究对象。

要对该对象进行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。

正如前面提到的，单容水箱是一个自衡系统。

根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。

如图2-1，设水箱的进水量为

，出水量为

，水箱的液面高度为

，出水阀

固定于某一开度值。

若

作为被控对象的输入变量，

为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是

与

之间的数学表达式。

根据动态物料平衡关系有得到如下表达式：

（5-1）

将式（5-1）表示为增量形式如下：

（5-2）

式中，

、

——分别为偏离某一平衡状态

的增量；

C——水箱底面积。

在零初始条件下，对上式求拉氏变换得：

（5-3）

为水箱的时间常数。

PID控制原理：

数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在液位控制系统中也有着极其重要的控制作用。

一般，在控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。

常规PID控制系统原理框图如图5-5所示。

系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

图5-2模拟PID控制系统原理框

PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值

与实际输出值

构成控制偏差

（5-4）

将偏差的比例（P），积分（I）和微分（D）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。

它的控制规律为

（5-5）

写成传递函数形式为：

（5-6）

——比例系数；

——积分时间常数；

——微分时间常数；

从系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态精度等各方面来考虑，PID控制器各校正环节的作用如下：

1、比例环节

用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。

越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。

取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。

2、积分环节

主要用来消除系统的稳态误差。

越小，系统的静态误差消除越快，但

过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。

过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。

3、微分环节

能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。

但

过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。

5.3驱动电路元件清单

表5-1驱动电路元件清单

数量

型号

液位变送器

1个

UHZ系列

设计心得

通过这次课程设计，我对变频器的性能和应用有了进一步的了解，初步掌握了电机调速系统设计的一般原则。

在课程设计的过程中，通过自己思考，动手实践，我对电力拖动的控制理论有了更为深刻的理解，使在之前学到的书本只是得到了巩固。

同时，通过设计调速系统，我对PLC的应用和计算机控制技术有了更多的了解。

之前我们学习的知识基本都是纯理论的，这次的课程设计，将PLC、计算机控制技术和电力拖动的知识有效地联系起来，通过实际的设计和分析，使得自己更好的掌握了相关的知识。

在设计过程中我也遇到了很多问题，之前并没有系统的去学过变频器的工作原理及其相关的应用，所以必须要学习变频器的相关知识，尤其是变频器的使用。

当然，在此过程中，我请教了老师和同学，使我在短时间内初步掌握了相关知识，如期完成了课程设计，在此谨表示感谢。

参考文献

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统（第二版）.机械工业出版社,1992.

[2]陈伯时,陈敏逊.交流调速系统.机械工业出版社,1998.

[3]张燕宾.SPWM变频调速应用技术.机械工业出版社,1997.

[4]吴建强，姜三勇.可编程控制器原理及应用.哈尔滨工业大学出版社，2000.

[5]吴中俊，黄永红.可编程序控制器原理及应用.北京：

机械工业出版社，2003.

[6]张万忠，刘明芹.电器与PLC控制技术.北京：

化学工业出版社,2003.

[7]郑萍.现代电气控制技术.重庆:

重庆大学出版社,2003.

[8]洪镇南，李铁，王旭东．PLC与计算机通信的实现.电气时代,2003年.

[9]宋建成.PLC控制和应用.科学出版社,2002年.

[10]王永华.现代电气及可编程控制技术.北京航空航天大学出版社,2002年9月.

附录:

设计总图