毕业设计32变频调速定压供水系统的研究与实现newWord文件下载.docx
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1．1．2定压供水方式
定压供水是指在供水网中用水量发生变化时，出口压力保持不变的供水方式。
供水网系出口压力值是根据用户需求确定的。
随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，利用变频器、PID调节器、单片机、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现定压供水。
该技术以在供水行业普及。
变频定压供水系统主要特点：
1、
节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色用电。
2、
占地面积小，投入少，效率高。
3、
配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。
4、
运行合理，由于是软起和软停，不但可以消除水锤效应，而且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。
5、
由于变频定压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。
6、
通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。
变频调速定压供水系统，无须贮水箱或塔，它由单台泵或多台泵将水源的水直接打入用户主管网中，根据用水量随时调速水泵的速度和水泵运行的台数，以保持管网压力恒定。
在用水高峰能保持恒定水压，在用水低谷或无人用水时，可调低水泵运行速度或进入睡眠状态，具有显著的节能效果。
除此之外，该系统还具有设备占地面积小，综合造价低，减轻水质二次污染，便于使用和维护等优点。
普通循环软启动变频供水设备：
该类型设备在实际应用中较多系统由水泵机组循环软启动变频柜，压力仪表管路系统等构成变频柜由变频调速器PLC低压电器等构成系统一般选择同型号水泵2~3台以3台泵为例系统的工作情况如下：
平时1台泵变频供水当1台泵供水不足时先开的泵倒为工频运行变频柜再软启动第2台泵，若流量还不够第2台泵倒为工频运行变频柜再软启动第3台泵，若用水量减少按启泵顺序依次停止工频泵直到最后1台泵变频定压供水。
另外系统具有定时换泵功能，若某台泵连续运行超过24h变频柜可自动停止该泵切换到下一台泵继续变频运行。
换泵时间由程序设定可按要求随时调整，这样可均衡各泵的运行时间延长整体泵组的寿命。
该系统一般适用于规模较小的多层住宅小区（如300户以内）或其它小规模用水系统水泵功率一般不超过7.5kW，另外也适用于小流量用水时间很短或用水量变化不大的其它场合如循环水系统。
基于PLC的定压供水系统：
[7]
可编程逻辑控制器（PLC）及其网络是现代工业自动化的支柱之一,由于近年来PLC的数据运算处理、图形显示、联网通信功能得到了很大的加强,使得PLC得以向过程控制渗透和发展。
过程控制通常是指工业生产中连续的或按一定周期进行的生产过程自动控制。
在过程控制领域,PID是最主要的调节器之一,其原理简单、适用性和鲁棒性强,最突出的特点是它不依赖于对象精确的数学模型,因此可以解决工业过程精确建模时的困难。
有一种用于教学和培训用途的定压供水系统。
系统具有自动水循环功能,控制模型采用典型的工业过程控制（PID）。
通过远传压力表采集系统供水压力并传送给PLC,经过PLC中的PID算法程序得到输出控制信号,控制变频器改变水泵电机转速,从而实现定压供水功能。
此系统中使用的硬件设备,主要包括PLC、FlexI/O、DeviceNet、变频器、SMC电机软启动器、操作员终端等,都是美国公司的产品。
系统功能的实现过程如下：
系统工作时先通过SMC软启动,正常运转后,将控制切换到变频器控制档,进入变频定压供水工作状态，使整个系统受ControlLogix处理器的控制。
在此之前应通过操作员终端向处理器发送变频起动命令,使水泵起动,然后变频器接管对水泵的控制,定压供水过程开始。
此时,远传压力表将水的压力信号转换成为0～5V的电压信号,FlexI/O的模型量输入模块获得这个电压信号后,将A/D转换后的信号交给处理器,由处理器交给PID程序处理。
程序将PID调节的输出通过设备网通讯模块传到变频器的控制端口,从而改变变频器的输出,由此改变水泵的转速。
水循环回路中的水压随之发生变化,远传压力表采集到的这些变化,再次交给处理器,由此实现闭环控制,使水压稳定在设定值,实现系统的定压供水。
目前各种PLC都提供相应的PID控制指令和相应的回路调节软件。
因此,将PLC应用于PID控制,能够使控制系统小型化,使控制模块高度集成,且易于操作和维护。
又由于PLC可通过FlexI/O连接局域网,使得系统的远程控制成为可能。
1．2变频调速技术的国内外发展现状
1．2．1我国变频调速技术的发展概况
电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。
电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态（位置、速度、加速度等），实现电能-机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。
电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。
不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能（节约15%～20%或更多），改善产品质量，提高产量。
在我国60%的发电量是通过电动机消耗掉的，因此调速传动是一个重要行业，一直得到国家重视，目前已有一定规模。
近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。
变频调速是交流调速的基础和主干内容。
上个世纪变压器的出现使改变电压变得很容易，从而造就了一个庞大的电力行业。
长期以来，交流电的频率一直是固定的，变频调速技术的出现使频率变为可以充分利用的资源。
我国电气传动产业始建于1954年，当时第一批该专业范围内的学生从各大专院校毕业，同时在机械工业部属下建立了我国第一个电气传动成套公司，这就是后来的天津电气传动设计研究所的前身。
我国电气传动与变频调速技术的发展简史见表1。
现在我国已有200家左右的公司、工厂和研究所从事变频调速技术的工作。
表1 我国电气传动与变频调速技术的发展简史
技 术 特 征
应用年代
带电机扩大机的发电机-电动机机组传动★
50年代初～70年代中
汞孤整流器供电的直流调速传动★★
50年代后期～60年代后期
磁放大器励磁的发电机-电动机机组传动
60年代初～70年代中
晶闸管变流器励磁的发电机-电动机机组★★★
60年代后期～70年代后期
晶闸管变流器供电的直流调速传动
70年代初～现在
饱和磁放大器供电的交流调速传动
60年代初～60年代后期
静止串级调速交流调速传动
70年代中～现在
循环变流器供电的交流变频调速传动
80年代后期～现在
电压或电流型6脉冲逆变器供电的交流变频调速传动
80年代初～现在
BJT（IGBT）PWM逆变器供电的交流变频调速传动
90年代中～现在
★我国第1台电机扩大机是在1955年制造出来的。
★★我国第1台汞孤整流器（5A，600V）是在1952年制造出来的。
★★★我国第1只晶闸管（5A，400V）是在1963年制造出来的。
我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。
至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上80年代水平。
随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。
很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。
国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部门在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。
虽然取得很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重。
目前国内主要的产品状况如下：
（1）晶闸管变流器和可关断器件（BJT、IGBT、VDMOS）斩波器供电的直流调速设备。
这类设备的市场很大，随着交流调速的发展，该市场虽在缩减，但由于我国旧设备改造任务多，以及它在几百至一千多kW范围内价格比交流调速低得多，所以在短期内市场不会缩减很多。
国产设备能满足需要，部分出口。
自行开发的控制器多为模拟控制，近年来主要采用进口数字控制器配国产功率装置。
（2）IGBT或BJTPWM逆变器供电的交流变频调速设备。
这类设备的市场很大，总容量占的比例不大，但台数多，增长快，应用范围从单机扩展到全生产线，从简单的V/f控制到高性能的矢量控制。
约有50家工厂和公司生产，其中合资企业占很大比重。
（3）负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。
这类产品在抽水蓄能电站的机组起动，大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需求。
国内只有少数科研单位有能力制造，目前容量最大做到12MW。
功率装置国内配套，自行开发的控制装置只有模拟式的，数字装置需进口，自己开发应用软件。
（4）交-交变频器供电的交流变频调速设备。
这类产品在轧机和矿井卷扬传动方面有很大需求，台数不多，功率大。
主要靠进口，国内只有少数科研单位有能力制造。
目前最大容量做到7 000～8 000kW。
功率部分国产，数字控制装置进口，包括开发应用软件。
变频调速技术在国民经济和日常生活中的重要地位是由以下因素决定的。
（1）应用面广，是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术。
（2）是节约能源的高新技术。
（3）是国际上技术更新换代最快的领域。
（4）是高科技领域的综合性技术。
（5）是替代进口，节约投资的最大领域之一。
从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10～15年。
在大功率交-交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。
而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很大需求。
在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的V/f控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口。
国内交流变频调速技术产业状况表现如下。
（1）变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模。
（2）变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。
（3）相关配套产业及行业落后。
（4）产销量少，可靠性及工艺水平不高。
1．2．2 国外现状
在大功率交-交变频（循环变流器）调速技术方面，法国阿尔斯通已能提供单机容量达3万kW的电气传动设备用于船舶推进系统。
在大功率无换向器电机变频调速技术方面，意大利ABB公司提供了单机容量为6万kW的设备用于抽水蓄能电站。
在中功率变频调速技术方面，德国西门子公司SimovertA电流型晶闸管变频调速设备单机容量为10～2 600kVA和SimovertPGTOPWM变频调速设备单机容量为100～900kVA，其控制系统已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动。
在小功率交流变频调速技术方面，日本富士BJT变频器最大单机容量可达700kVA,IGBT变频器已形成系列产品，其控制系统也已实现全数字化。
国外交流变频调速技术高速发展有以下特点。
（1）市场的大量需求。
随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合，并取得显著的经济效益。
（2）功率器件的发展。
近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。
（3）控制理论和微电子技术的发展。
矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础；
16位、32位高速微处理器以及信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件手段。
（4）基础工业和各种制造业的高速发展，变频器相关配套件社会化、专业化生产。
1．2．3 未来的发展方向
交流变频调速技术是强弱电混合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。
前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决（基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略）的硬、软件开发问题（在目前状况下主要是全数字控制技术）。
其主要发展方向有如下几项。
（1）实现高水平的控制。
基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接转矩控制和机械扭振补偿等；
基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；
基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。
（2）开发清洁电能的变流器。
所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。
对中小容量变流器，提高开关频率的PWM控制是有效的。
对大容量变流器，在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。
（3）缩小装置的尺寸。
紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。
功率器件冷却方式的改变（如水冷、蒸发冷却和热管）对缩小装置的尺寸也很有效。
（4）高速度的数字控制。
以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。
（5）模拟与计算机辅助设计（CAD）技术。
电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。
主要的研究开发项目有如下各项。
（1）数字控制的大功率交-交变频器供电的传动设备。
（2）大功率负载换流电流型逆变器供电的传动设备在抽水蓄能电站、大型风机和泵上的推广应用。
（3）电压型GTO逆变器在铁路机车上的推广应用。
（4）电压型IGBT、IGCT逆变器供电的传动设备扩大功能，改善性能。
如4象限运行，带有电机参数自测量与自设定和电机参数变化的自动补偿以及无传感器的矢量控制、直接转矩控制等。
（5）风机和泵用高压电动机的节能调速研究。
众所周知，风机和泵改用调速传动后可节约大量电力。
特别是电压电动机，容量大，节能效果更显著。
研究经济合理的高压电动机调速方法是当今重大课题。
主要的研究内容及关键技术有如下各项。
（1）高压、大电流技术：
①动态、静态均压技术（6kV、10kV回路中3英寸晶闸管串联，静动态均压系数大于0.9）；
②均流技术（大功率晶闸管并联的均流技术，均流系数大于0.85）；
③浪涌吸收技术（10kV、6kV回路中）；
④光控及电磁触发技术（电/光，光/电变换技术）；
⑤导热与散热技术（主要解决导热及散热性好、电流出力大的技术，如热管散热技术）；
⑥高压、大电流系统保护技术（抗大电流电磁力结构、绝缘设计）；
⑦等效负载模拟技术。
（2）新型电力电子器件的应用技术：
①可关断驱动技术；
②双PWM逆变技术；
③循环变流/电流型交-直-交（CC/CSI）变流技术（12脉波变频技术）；
④同步机交流励磁变速运行技术；
⑤软开关PWM变流技术。
（3）全数字自动化控制技术：
①参数自设定技术；
②过程自优化技术；
③故障自诊断技术；
④对象自辨识技术。
（4）现代控制技术：
①多变量解耦控制技术；
②矢量控制和直接力矩控制技术；
③自适应技术。
变频调速技术作为高新技术、基础技术和节能技术，已经渗透到经济领域的所有技术部门中。
我国以后在变频调速技术方面应积极做的工作如下：
（1）应用变频调速技术来改造传统的产业，节约能源及提高产品质量，获得较好的经济效益和社会效益。
（2）大力发展变频调速技术，必需把我国变频调速技术提高到一个新水平，缩小与世界先进水平的差距，提高自主开发能力，满足国民经济重点工程建设和市场的需求。
（3）规范我国变频调速技术方面的标准，提高产品可靠性及工艺水平，实现规模化、标准化生产。
变频调速器是优秀的交流电动机调速装置．若我们正确地应用变频器，它则能显著地节省电力，在节能领域时里得到广泛地应用。
变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术,它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域,特别是供水行业中。
由于安全生产和供水质量的特殊需要,对定压供水压力有着严格的要求,因而变频调速技术得到了更加深入的应用。
1．3变频定压供水系统的参数选取
（1）、合理选取压力控制参数，实现系统低能耗定压供水。
这个目的的实现关键就在于压力控制参数的选取，通常管网压力控制点的选择有两个：
一个就是管网最不利点压力定压控制，另一个就是泵出口压力定压控制。
两者如何选择，我们来简单分析一下。
管网最不利点压力恒定时，管网用水量由QMAX减少到Q1，水泵降低转速，与用水管路特性曲线A（不变）相交于点C，水泵特性曲线下移，管网最不利点压力H0。
而泵出口压力定压控制时，则Ha不变，用水量由QMAX减少到Q1与Ha交于B点，用水管路特性曲线A上移并通过B点，管网最不利点压力变为Hb，Hb-H0的扬程差即为能量浪费，所以选择管网最不利点的最小水头为压力控制参数，形成闭环压力自控系统，使得水泵的转速与PID调节器设定压力相匹配，可以达到最大节能效果，而且实现了定压供水的目的。
（2）、变频器在投入运行后的调试是保证系统达到最佳运行状态的必要手段。
变频器根据负载的转动惯量的大小，在启动和停止电机时所需的时间不相同，设定时间过短会导致变频器在加速时过电流、在减速时过电压保护；
设定时间过长会导致变频器在调速运行时使系统变得调节缓慢，反应迟滞，应变能力差，系统易处在短期不稳定状态中。
为了变频器不跳闸保护，现场使用当中的许多变频器加减速时间的设置过长，它所带来的问题很容易被设备外表的正常而掩盖，但是变频器达不到最佳运行状态。
所以现场使用时要根据所驱动的负载性质不同，测试出负载的允许最短加减速时间，进行设定。
对于水泵电机，加减速时间的选择在0.2-20秒之间。
1．4论文的目的意义及研究内容
1．4．1目的及意义
传统的恒速泵供水系统，供水压力不能调节，用水量的变化造成管道压力大幅变化，压力大时造成管路损坏，电能损耗大。
水塔供水和压力罐供水造价高，占地面积大，水泵起动频繁，由于水锤效应的影响，水泵容易损坏，维修费用高。
研究变频定压供水系统的目的是设计具有供水压力调整方便、精度高、占地面积小、灵活性强、投资小、高效节能等优点的供水系统，控制系统内置微电脑控制器，可实现全自动定时供水，彻底实现无人值守自动供水，具有过流、过载、过压、欠压、缺相、失速、过热等多种保护功能，水泵起动方式为软起动，无水锤效应，对电网和水泵无冲击，延长了水泵及电器的使用寿命，增加了系统的可靠性，控制系统具有故障报警和显示功能，并可进行工频直接运行，应急供水。
相对与传统的加压供水方式，变频定压供水系统的意义突出的体现在以下几个方面：
1.高效节能
变频定压供水系统的最显著优点就是节约电能，节能量通常在10-40%。
从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。
2.恒压供水
变频定压供水系统实现了系统供水压力稳定而流量可在大范围内连续变化，从而可以保证用户任何时候的用水压力，不会出现在用水高峰期热水器不能正常使用的情况。
3.安全卫生
系统实行闭环供水后，用户的水全部由管道直接供给，取消了水塔、天面水池、气压罐等设施，避免了用水的“二次污染”，取消了水池定期清理的工作。
4.自动运行、管理简便
新型的小区变频定压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、低液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动控制，自动运行，泵房不设岗位，只需派人定期检查、保养。
5.延长设备寿命、保护电网稳定
使用变频器后，机泵的转速不再是长期维持额定转速运行，减少了机械磨损，降低了机泵故障率，而且主泵定时轮换控制功能自动定时轮换主泵运行，保证各泵磨损均匀且不锈死，延长了机泵使用寿命。
变频器的无级调速运行，实现了机泵软启动，避免了电机开停时的大电流对电机线圈和电网的冲击，消除了水泵的水锤效应。
6.占地少、投资回收期短
新型的小区变频定压供水系统采用水池上直接安装立式泵，控制间只要安放一到两个控制柜，体积很小，整个系统占地就非常小，可以节省投资。
另外不用水塔或天面水池、控制间不设专人管理、设备故障率极低等方面都实现了进一步减少投资，运行管理费低的特点，再加上变频供水的节能优点，都决定了小区变频定压供水系统的投资回收期短，一般约2年。
1．4．2研究内容
本文介绍以可编程控制器（PLC）和ABB系列变频器为控制核心，4个水泵为执行元件，采用PID算法控制水泵电机转速，即可调节出口管网压力，使之达到用户设定的压力。
本文主要内容是建立在恒压供水原理、PLC原理、变频调速原理之上，通过选择和设置几个主要器件，实现定压供水控制
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