继电接触式变频恒压供水控制系统设计毕业论文设计Word格式文档下载.docx
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第二章系统设计9
2.1主电路设计9
2.1.1变频器的工作原理9
2.1.2变频器的发展10
2.1.3电机运行的控制11
2.1.4工频变频切换与变频器工作的时序的关系11
2.1.5PID调节器的应用和原理11
2.2确定控制方案14
2.2.1手动运行15
2.2.2自动运行15
2.2.3保护和报警系统16
2.2.4仪表显示17
2.2.5控制电路图17
第三章设备选型20
3.1变频器选型20
3.2水泵电机的选择20
3.3接触器21
3.4继电器21
3.4,1热继电器21
3.4.2时间继电器22
3.4.3中间继电器22
3.5低压断路器22
3.6压力变送器23
3.7调节器23
3.8干簧管24
3.9频率显示仪表24
3.10按钮，万能开关24
3.11指示灯24
3.12警铃25
3.13固定线槽的选用25
3.14接线端子排的选用25
第四章控制柜设计26
4.1相关布置规定26
4.1.1设计准备工作26
4.1.2控制柜布局和器件配置26
4.2控制柜内部布置27
4.3面板布置27
第五章结论28
5.1系统总结28
5.2系统特点28
结束语29
致谢30
参考文献31
附录A32
附录B33
前言
1供水技术应用：
传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。
但是他们有不可避免的缺点。
恒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。
⑴水箱水塔供水
系统用水由水箱水塔直接供应，即为重力供水。
供水压力比较稳定，且有贮水。
但它是由位置高度所形成的压力来进行供水，为此需要建造水塔或将水箱置于建筑屋顶的最高度。
在大型建筑中即使如此，还常常不能满足最不利供水点的供水要求，同时由于其存水量较大，在屋顶形成很大的负重，增加了结构的承重和占用楼层的建筑面积，也妨碍美观。
此外，屋顶水箱必须高出层面几米，建筑立面较难处理，而且投资周期长。
⑵气压供水系统
气压给水系统不在屋顶上设置水箱，也不用单独建筑水塔，仅地下室或某些空余之处设置水泵机组和气罐设备，采用压力给水来满足供水要求。
气压供水系统是以气压罐代替水塔或高位水箱，利用密闭压力水罐内空气的压力将罐水压送到管网中去，其优点是灵活性大、建设快、少受污染、不妨碍美观，有利于抗震、消除管道中的水锤与噪声；
缺点是需用金属制造，其体积和投资大，压力变化大，运行效率低，还需使用张力膜或设置空气压缩机充气，因此消耗动力较多，维护费用高。
⑶变频恒压供水系统
随着变频调速技术的日益成熟和广泛应用，该技术得以在供水行业普及。
变频调速恒压供水系统是根据用水量的多少，自动调整系统参数，最终实现向用户恒压供水，该系统具有以下优点：
①节约用水，供水的系统，常常由于夜间用水少，管道内的压力往往比白天高，水压越高，管件越容易损坏，造成跑、冒、滴、漏，多次发生夜间崩管事故。
采用变频器进行变频恒压供水，管道保持恒压，可杜绝崩管现象，减少跑、冒、滴、漏，从而节约用水。
供水量无级调节
②恒压供水，可保持系统水压恒定，不会出现水压过高的现象，管道的压力一直可维持在合理的范围内，管接件所承受的压力减小，延长了更换周期，减少了维修的投入，并且避免了管道崩裂事故。
对于电机和水泵来说，由于起动过程平缓，可运行在最佳工作状态，不再产生“憋泵”现象，运行损耗小，发热大为降低，从而延长了使用寿命。
③自动控制无人值守：
无级调速、噪声小、压力稳定、稳压精度极高。
④工作稳定，水泵电机由变频器软起动无冲击电流，有利于延长电机和水泵的寿命，也避免了水锤。
⑤完善的保护功能（过流、过压、过热、电机相间和对地短路等），多种报警输出。
⑥手动工须运行控制，可以保证设备的安全连续运行。
2变频恒压供水系统的发展
变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。
变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。
恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。
随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。
充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义，在短短的几年内，调速恒压供水系统从早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替。
国内外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如华为的TD2100；
施耐德公司的Altivar58泵切换卡；
SANKEN的SAMCO-I系列；
ABB公司的ACS600、ACS400系列产品；
富士公司的G11SP11S系列产品；
等等。
这些产品将PID调节器以及简易可编程控制器的功能都综合进变频器内，形成了带有各种应用宏的新型变频器。
恒压供水调速系统的系统的稳定性、可靠性、自动化程度，节能等方面这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。
目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。
追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发`智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
3本课题所需工作：
本设计就是一针对一个建筑物的供水系统，采用变频器、PID调节器、单片机、继电器等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。
组成一闭环控制系统，对水泵出口压力进行控制，保持水压恒定。
当用水量发生变化时，可调节水泵速度，或启动第二台水泵，保证水压恒定。
此控制系统具有生活、生产一体化的优点，高效节能。
本着节约成本的考虑采用继电接触式控制系统，由继电器，接触器等器件构成控制回路包括自动、手动运行，多种保护、显示等。
第一章系统组成及可行性分析
1.1变频调速的基本原理
三相异步电动机电动势的有效值为
，上式中，kw1为定子绕组系数，f为定子电流频率，
为定子每相绕组匝数，
为每极最大主磁通。
由上式可见，要使
保持不变，就必须使
与f比值保持不变，即
f=const,但是
的大小无法从外部电路中进行测量，从电机理论中我们知道，在忽略定子绕组的绕组压降时，电动势
与定子相电压相等，即：
，从而得出
f=const。
频率的下降会导致磁通的增加，造成磁路饱和，励磁电流增加，功率因数下降，铁心和线圈过热。
若频率上升，则磁通降低，电磁转矩减小，电动机的过载能力下降。
显然这些都是不允许的为此，要在降频的同时还要降压。
这就要求频率与电压协调控制，也就是说调速装置输出的电压和频率的比值应保持不变，因此这种变频器被称为VVVF。
传统的笼型异步电动机调速方法有变频调速、调压调速、电磁转差离合器调速、液力耦合调速。
变频调速以体积小、重量轻、调速范围宽、通用性强、保护完善、可靠性高，操作方便等优点后来者居上，成为交流电动机调速技术的主流，在国民经济各个部门以及人民生活中都获得了广泛应用，经济效益和社会效益都非常显著。
1.2变频恒压调速在供水系统中的应用
自从变频调速技术成熟发展以来在供水系统中也得到了很好的应用，恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。
变频调速恒压供水设备的主要应用于下列场合
⑴高层建筑，城乡居民小区，企事业等生活用水。
⑵各类工业需要恒压控制的用水，冷却水循环，热力网水循环，锅炉补水等。
⑶中央空调系统。
⑷自来水厂增压系统。
⑸农田灌溉，污水处理，人造喷泉。
⑹各种流体恒压控制系统。
1.3系统工艺流程
采用三台水泵供水，压力控制点设在水泵出口处，按此压力设定值变频调节水泵工况是常用方式，这种方式的控制点在给水设备间里，管理维护都比较方便。
而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的，那么这就是要用变频器为水泵电机供电。
在此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器，从解决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不须切换，但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵。
另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时，一台水泵变频运行，其余的水泵工频运行，以满足不同的水量需求。
如下图为恒压供水构成示意图
图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口，变频恒压供水系统压力传感器，把水压转换成4～20mA的模拟信号，通过PID调节器送入变频器，来改变电动水泵转速。
当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动水泵的转速不在变化，使管网压力恒定在设定压力上；
反之亦然。
1.4控制要求及技术指标
三台水泵供水，压力控制点设在水泵出口处，用变频器、调节器、继电器、接触器等组成闭环调节系统，以保正水泵出口压力恒定。
水泵的切换方式为：
三台水泵作变频运行。
当第一级变频泵达到工频运行时，第二台备用泵变频启动。
当第二台变频泵再次达到工频运行时，第三台备用泵变频启动。
停泵时依次停第一、二台泵。
参数要求为：
1、用水量：
正常供水量20立方米小时，最大供水量55立方米小时，扬程68米。
2、用三台水泵供水。
3、控制压力为0.3MPa，控制范围0.3+0.02MPa，同时设定压力可调。
4、设定自动、手动。
5、各种所需保护。
6、面板上有压力、频率、电压等显示。
1.5可行性分析，节电分析
在城市配水管网的压力经常或周期性的室内所需要的供水压力，室内用水量较大且不均匀时，供水不足或过剩的情况时有发生。
这种不平衡集中反映在压力上：
用水多而供水少，压力低。
用水少而供水多，则压力大。
若能保持供水的压力恒定，可使供水和用水之间保持平衡，从而提高供水的质量。
为了达到这一目的避免传统的供水措施的缺陷和不足可采用采用变频恒压供水系统。
根据理论分析，当电源电压一定时，电机消耗的功率与其转速的立方成正比，即
其中N1和N2是电机消耗的功率，n1和n2是相应于N1和N2的转速。
当水泵的扬程一定时，其出水量与转速成正比，即：
其中，Q1和Q2表示相应于n1和n2的水泵的出水量。
因此在维持水泵压力恒定的条件下，通过调整水泵机组的转速从而调整水泵的出水量，就可以大大节约电机所消耗的功率而达到节能的目的。
我国国家科委和国家经贸委《中国节能技术政策大纲》中把泵和风机调速技术列为国家九五计划重点推广节能技术项目。
应当指出，变频恒压供水节能效果主要取决于用水流量变化情况及水泵合理选配，使变频恒压供水具有优良节能效果，变频恒压供水宜采用多泵并联供水模式。
由多泵并联恒压变频供水理论可知多泵并联恒压供水，其中一台泵是变频泵，其余全是工频泵，多泵并联变频恒压变量供水工作模式通常是这样：
当用水流量小于一台泵工频恒压条件下流量，由一台变频泵调速恒压供水；
当用水流量增大，变频泵转速自动上升；
当变频泵转速上升到工频转速，为用水流量进一步增大，由变频供水控制器控制，自动启动一台工频泵投入，该工频泵提供流量是恒定（工频转速恒压下流量），其余各并联工频泵按相同原理投入。
一般的说，变频调速恒压供水方式用于生活供水，节电效率很高，可达50%，用于工业供水则在30%～40%之间。
例一个居民小区的供水水泵功率为15kw，每天维持水压和小流量供水的时间约占全天的23，这个时段消耗的电能约120kw·
:
在第n采样时刻PID回路输出的计算值;
Kc:
PID回路增益;
en:
在第n采样时刻的偏差值;
en-1:
在第n-1采样时刻的偏差值（偏差前项）;
KI:
积分项的比例常数;
Minitial:
PID回路输出的初值;
KD:
微分项的比例常数。
由于计算机从第一次采样开始，每一个偏差采样值必须计算一次输出值，因此只需要保存偏差前值和积分项前值。
利用计算机处理的重复性可以化简以上算式为:
其中:
Mn:
MX:
积分项前值;
（2）PID算法改进
CPU实际使用以上简化算式的改进形式计算PID输出，这个改进型算式为:
Mn=MPn+MIn+MDn
第n采样时刻的计算值;
第n采样时刻的比例项值;
第n采样时刻的积分项值;
第n采样时刻的微分项值;
增益;
SPn:
第n采样时刻的给定值;
PVn:
第n采样时刻的过程变量值;
PVn-1:
第n-1采样时刻的过程变量值;
Ts:
采样时间间隔;
TD:
微分时间;
TI:
积分时间;
MX:
第n-1采样时刻的积分项（积分项前值）。
根据反馈原理：
要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。
我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统
（4）PID控制的优点
①原理简单，使用方便
②适应性强，可以广泛应用于化工，热工，冶金，炼油以及造纸，建材等各种生产部门，即使目前最新式的过程控制计算机，其基本的控制功能也仍然是PID控制
③鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。
2.2确定控制方案
用变频器、调节器、继电器、接触器等组成闭环调节系统，以保正水泵出口压力恒定，原理如图所示
事先给定一个压力值H0，H0按用户的水压要求来设定，压力值可调，水泵启动后，压力传感器测量水泵出口处的压力值H，由于用水量大供水相对不足时压力会小，通过比较器，所以当H低于H0时，控制器向变频器发送提高水泵转速的控制信号。
反之，因为用水量小，供水相对过剩时压力大，如果H大于H0时，控制器则发送降低水泵转速的控制信号。
电动机n=60（1-s）fp,电动机的转速和频率成正比，变频调速器则一次调节水泵工作电源的频率，转变水泵的转速，从而达到了以给定压力值为参数的闭环恒压供水系统。
变频器采用VVVF，即变压变频调速系统，因为在调节f时，为了保持调速时电机最大转矩不变，需维持电机的磁通量恒定。
这样就要求定子供电电压也要相应的调节。
变频供水模式通常叫做恒压变量循环状启动并先开先停工作模式。
这种供水模式中，当供水流量少于变频泵恒压工频下流量时，由变频泵自动调速供水，当用水流量增大，变频泵转速升高。
当变频泵转速升高到工频转速，由变频供水控制器控制把该台水泵切换到由工频电网直接供电（不变频器供电）。
变频器则另外启动一台并联泵投入工作。
随用水流量增大，其余各并联泵均按上述相同方式投入。
为延长水泵电机使用寿命，所有水泵依次循环起动运行。
控制系统分手动、自动两档。
2.2.1手动运行
但台泵各设一手动和停机按钮，按下启动按钮接通水泵工频，有接触器长开按钮自锁。
停机时按停机泵，各台泵之间没有互锁，由值班人员自由控制起停
2.2.2自动运行
⑴压力信号与频率信号的关系
设置一个总开关，按下后先启动一号泵变频，因为只有先达到频率上限才有可能达到压力下限，若达到压力下限频率上限肯定就已经满足了，频率上限是压力下限的必要条件，所以由压力下限信号控制泵启动即可。
同理频率到达下限时才有肯能达到压力上限，所以用压力上限信号控制停泵。
⑵启动
一号泵变频启动后，KM1得电，它的常开触点闭合，在信号回路中为接通KA1做好准备工作，同时接通KA15，KA15的常开闭合，为压力信号回路的动作做好准备，当压力下限信号来临的时候，为防止是不稳定的信号产生的抖动，加时间继电器KT0延时5s，若在这5s内压力下限信号消失，时间继电器失电则无法继续延时，触点也不会动作，若压力下限信号保持5s以上，则时间继电器KT0的常开闭合，接通KA9，KA9得电，则KA1的线圈可得电，后串在M1变频回路的KA1的常闭断开，切断M1的变频，为防止当变频还没有切断工频就运行，这会导致变频器的输入和输出被串联，所以延时2S再接通M1的工频，所以在KA1常开闭合时接通KT1，它的常开是串在M1的工频回路中的，延时2S后，接通KM2，工频开始运行，KM2得电，它的常闭闭断开，和KM1形成互锁，4个常开闭合，第一个形成自锁；
第二个使得KM3得电，接通M2的变频，M2开始变频运行；
第三个接通KA16，KA16的常开闭合为压力上限回路做好准备；
第四个在信号回路中为接通KA4做好准备。
如果供水量再次增大，一台工频，一台变频仍然无法满足要求。
这时KM1不带电，KM3带电，KM3的常闭为接通KA15和KA2做好了准备，压力下限信号再次来到，经5S的延时再次接通KA9，KA9常开闭合，KA2的线圈得电，KA2的常闭断开，也就使KM3失电，断开了M2的变频运行。
同理KA2常开闭合接通KT2延时2S后接通KM4，M2开始工频运行，KM4得电，KM4的4个常开闭合，同KM2一样，第一个形成自锁；
第二个使得KM5得电，接通M3的变频，M1开始变频运行；
第四个在信号回路中为接通KA5做好准备。
现在达到了最大供水状态，M1,M2工频运行，M3变频。
如果停机过后，只有M3在变频运行，供水量再次增大的时候，M3转工频，启动M1的变频，具体过程如前所述。
⑶停机
若供水量需求降低，管网压力上升，频率下降，到达了压力上限，需要停泵处理。
现在的状态，KA16,KM2,KM4,KM5得电，KA16的常开闭合，为压力上限回路接通做好了准备，KM2的常开为KA4接通做好了准备，同时KM2的常闭断开了KA5的回路，这样只有当KM2失电的时候，KA5才会接通，而KA4常闭是串在KM2回路上的,KA5的常闭串在KM4回路上，就实现了先停M1,后停M2，M1没有停的情况下M2不能停机。
当压力下限到来的时候，为防止是不稳定的信号产生的抖动，加时间继电器KT4延时5S，若在这5S内压力下限信号消失，时间继电器失电则无法继续延时，触点也不会动作，若压力下限信号保持5S以上，则时间继电器KT4的常开闭合，接通KA10，KA10得电，KA10常开闭合，接通KA4，KA4得电它的常闭断开，KM2回路被断开，KM2失电，失电后KM2常闭重新闭合，为接通KA5做好准备，如果停一台泵不够，压力上限信号再次到来，同理，接通KA10,再接通KA5，KA5得电它的常闭断开，使得KM4失电，断开M2的工频。
此时只剩M3一台泵变频运行。
也有可能压力上限来的时候并没有达
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