变频恒压供水系统的设计.docx

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变频恒压供水系统的设计

摘要

为了尽快走向社会，接触实务，了解国情、民情，增进群众观念、劳动观念和参与经济建设的自觉性、事业心、责任感；通过深入基层，了解机电一体化工作现状，加深理解并巩固所学专业知识，进一步提高认识问题、分析问题、解决问题的能力，为今后走向社会，服务社会做好思想准备和业务准备。

特此本人于2010年4月12日来到青岛钢铁集团第二高速线材厂维修组液压班实习。

随着城市建设规模的不断扩大和生活水平的提高,加上居住小区推行一户一表供水以后,对市政管网供水的可靠性（压力,流量）要求越来越高,各种分散或集中加压设施也逐渐增多.在这些加压设施中,采用调节水池加上变频恒压供水系统。

变量供水方式已显现出极大的优越性。

日常的生活用水量随季节-昼夜-上下班时间不同有较大变化，因而经常出现供水用水的不平衡，主要表现在水压上，用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高。

某公司住宅区由于自来水管网的水压较低，自来水通常不能到达管网的较高楼层，要用水泵再次将水送至楼顶的高位水箱，再供应给用户。

但是，这种二次供水方式不可避免的造成污染，影响居民的身体健康。

为保证小区的供水正常，我们利用PLC，配以不同功能的传感器，根据网管的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。

这种变频恒压供水系统直接取代水塔-高位水箱及传统的气压罐供水装置，另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省40%，配合使用可编程控制器，可实现循环变频，电机软启动，具有短路保护-过电流保护功能，工作稳定可靠，大大延长了设备的使用寿命。

现特结合设计应用体会阐述恒压供水系统的特点和基本要求还有变频器的工作原理及变频器的软件设置及恒压供水系统的具体控制方案。

前言…………………………………………………………………………………4

变频恒压供水系统设计……………………………………………………………5

1.1变频恒压供水系统的基本要求………………………………………………5

1.2变频恒压供水系统的特点……………………………………………………5

1.3变频恒压供水系统工作原理…………………………………………………5

1.4变频恒压供水系统适用范围…………………………………………………6

第二章变频器的工作原理………………………………………………………6

2.1变频器的组成部分……………………………………………………………6

2.2. 变频器对电机的控制………………………………………………………6

2.2.1对电机旋转速度的改变……………………………………………………6

2.2.2当电机的旋转速度（频率）改变时，对其输出转矩的影响……………7

2.2.3 变频器50Hz以上的应用情况……………………………………………8

2.2.4. 其他和输出转矩有关的因素……………………………………………9

2.2.5. 矢量控制对电机的输出转矩能力的改善………………………………9

第三章变频器的软件设置……………………………………………………10

3.1引言…………………………………………………………………………10

3.2、控制思路…………………………………………………………………10

3.3、系统功能…………………………………………………………………11

3.4、硬件系统……………………………………………………………………11

3.4.1主电路……………………………………………………………………12

3.4.2控制电路…………………………………………………………………12

3.4.2.1一级泵站水泵机组控制电路…………………………………………13

3.4.2.2二级泵站水泵机组控制电路…………………………………………13

3.5软件部分……………………………………………………………………14

3.5.1变频器参数………………………………………………………………14

3.5.2PLC控制程序框图………………………………………………………14

第四章风光变频器的应用实例……………………………………………17

4.1引言………………………………………………………………………17

4.2用户现场情况……………………………………………………………17

4.3系统控制要求………………………………………………………………18

4.4设备选型…………………………………………………………………18

4.4.1风光JD-BP32-XF型供水变频器……………………………………18

4.4.2PLC选型………………………………………………………………19

4.4.2.1控制系统的I/O点及地址分配……………………………………19

4.4.2.2PLC系统选型………………………………………………………20

4.4.3压力传感器………………………………………………………………20

4.5电气控制系统原理图……………………………………………………20

4.5.1主电路图…………………………………………………………………20

4.5.2控制电路图………………………………………………………………21

4.5.3PLC接线图………………………………………………………………23

4.6系统程序设计……………………………………………………………23

4.6.1程序中使用的PLC内部器件及功能…………………………………23

4.6.2系统PLC控制程序……………………………………………………25

实习体会和收获………………………………………………………………27

结论……………………………………………………………………………30

参考文献………………………………………………………………………31

致谢……………………………………………………………………………32

前言

自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。

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，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时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。

在实际应用中得到了很大的发展。

 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，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时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。

在实际应用中得到了很大的发展。

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。

近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。

据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。

在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。

由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。

这种情况造成用水高峰期时供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故）。

供水部门希望通过对原有系统的技术改造，提高生产过程的自动化水平。

并在此基础之上配备相应的系统管理软件，改变传统的落后管理方式，使管理工作规范化，提高水厂的业务管理水平。

由于水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统，所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行，设计一套取水和供水的自动控制系统，克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。

第一章变频恒压供水系统的设计

1.1变频恒压供水系统的基本要求

恒压供水系列变频调速器是专门为风机、泵类、空气压缩机等流量和压力控制特点而研制的专用变频调速器。

该机种具有通用变频器的基本功能。

本产品设计主要考虑了节能及自动化的要求，内置自动节能、PID、简易PLC及RS485通讯接口等功能，可以方便与PLC、电脑或总线进行通讯，方便客户操作及监控，同时本公司还专门开发了一种专门处理恒压供水的控制板，可以方便地与远传压力表连用。

1.2变频恒压供水系统的特点:

1、变频恒压供水能自动24小时维持恒定压力，并根据压力信号自动启动备用泵，无级调整压力，供水质量好，与传统供水比较，不会造成管网破裂及水龙头共振现象。

2、启动平滑，减少电机水泵的冲击，延长了电机及水泵的使用寿命，避免了传统供水中的水锤现象。

3、采用变频恒压供水保护功能齐全，运行可靠，具有欠压、过压、过流、过热等保护功能。

4、可根据用户需要，选择各种附加功能，如：

电机定时轮换，休眠等功能。

1.3、变频恒压供水系统工作原理:

变频恒压供水系统采用一电位器设定压力（也可采用面板内部设定压力），采用一个压力传感器（反馈为4~20mA）检测管网中压力，压力传感器将信号送入变频器PID回路，PID回路处理之后，送出一个水量增加或减少信号，控制马达转速。

如在一定延时时间内，压力还是不足或过大，则通过PLC作工频/变频切换，使实际管网压力与设定压力相一致。

另外，随着用水量的减少，变频器自动减少输出频率，达到了节能的目的。

1.4变频恒压供水系统适用范围:

采用变频恒压供水，具有高效节能，压力稳定，运行可靠，操作简单，安装方便，占地少，噪音低，无污染，投资低，效益高等优点。

特别适用于：

1.宾馆、写字楼、公寓、居民小区等场所的生活给水和热水采暖系统。

2.高层建筑、大型民用建筑的消防给水系统。

3.工矿生产企业。

4.各类自来水厂。

第二章变频器的工作原理

2.1变频器的组成部分

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。

2.2. 变频器对电机的作用

2.2.1对电机旋转速度的改变

*1:

 r/min 

　电机旋转速度单位：

每分钟旋转次数，也可表示为rpm.

　例如：

2极电机 50Hz 3000 [r/min]

　　　　4极电机 50Hz 1500 [r/min]

结论：

电机的旋转速度同频率成比例

本文中所指的电机为感应式交流电机，在工业中所使用的大部分电机均为此类型电机。

感应式交流电机（以后简称为电机）的旋转速度近似地确决于电机的极数和频率。

由电机的工作原理决定电机的极数是固定不变的。

由于该极数值不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以一般不适和通过改变该值来调整电机的速度。

频率能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。

因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。

　　　　n = 60f/p

n:

 同步速度

　　　　f:

 电源频率

　　　　p:

 电机极对数

结论：

改变频率和电压是最优的电机控制方法

如果仅改变频率而不改变电压，频率降低时会使电机出于过电压（过励磁），导致电机可能被烧坏。

因此变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。

输出频率在额定频率以上时，电压却不可以继续增加，最高只能是等于电机的额定电压。

例如：

为了使电机的旋转速度减半，把变频器的输出频率从50Hz改变到25Hz，这时变频器的输出电压就需要从400V改变到约200V

2.2.2. 当电机的旋转速度（频率）改变时，对其输出转矩的影响

*1:

 工频电源

由电网提供的动力电源（商用电源）

*2:

 起动电流

当电机开始运转时，变频器的输出电流

　　变频器驱动时的起动转矩和最大转矩要小于直接用工频电源驱动

电机在工频电源供电时起动和加速冲击很大，而当使用变频器供电时，这些冲击就要弱一些。

工频直接起动会产生一个大的起动起动电流。

而当使用变频器时，变频器的输出电压和频率是逐渐加到电机上的，所以电机起动电流和冲击要小些。

通常，电机产生的转矩要随频率的减小（速度降低）而减小。

减小的实际数据在有的变频器手册中会给出说明。

通过使用磁通矢量控制的变频器，将改善电机低速时转矩的不足，甚至在低速区电机也可输出足够的转矩。

　　 当变频器调速到大于50Hz频率时，电机的输出转矩将降低

通常的电机是按50Hz电压设计制造的，其额定转矩也是在这个电压范围内给出的。

因此在额定频率之下的调速称为恒转矩调速. （T=Te, P<=Pe）

变频器输出频率大于50Hz频率时，电机产生的转矩要以和频率成反比的线性关系下降。

当电机以大于50Hz频率速度运行时，电机负载的大小必须要给予考虑，以防止电机输出转矩的不足。

举例，电机在100Hz时产生的转矩大约要降低到50Hz时产生转矩的1/2。

因此在额定频率之上的调速称为恒功率调速. （P=Ue*Ie） 

2.2.3. 变频器50Hz以上的应用情况

大家知道, 对一个特定的电机来说, 其额定电压和额定电流是不变的。

如变频器和电机额定值都是:

 15kW/380V/30A, 电机可以工作在50Hz以上。

当转速为50Hz时, 变频器的输出电压为380V, 电流为30A. 这时如果增大输出频率到60Hz, 变频器的最大输出电压电流还只能为380V/30A. 很显然输出功率不变. 所以我们称之为恒功率调速.

这时的转矩情况怎样呢?

因为P=wT （w:

角速度, T:

转矩）. 因为P不变, w增加了, 所以转矩会相应减小。

我们还可以再换一个角度来看:

电机的定子电压 U = E + I*R （I为电流, R为电子电阻, E为感应电势）

可以看出, U,I不变时, E也不变.

而E = k*f*X, （k:

常数, f:

 频率, X:

磁通）, 所以当f由50-->60Hz时, X会相应减小 

对于电机来说, T=K*I*X, （K:

常数, I:

电流, X:

磁通）, 因此转矩T会跟着磁通X减小而减小.

同时, 小于50Hz时, 由于I*R很小, 所以U/f=E/f不变时, 磁通（X）为常数. 转矩T和电流成正比. 这也就是为什么通常用变频器的过流能力来描述其过载（转矩）能力. 并称为恒转矩调速（额定电流不变-->最大转矩不变）

结论:

 当变频器输出频率从50Hz以上增加时, 电机的输出转矩会减小.

2.2.4. 其他和输出转矩有关的因素

发热和散热能力决定变频器的输出电流能力，从而影响变频器的输出转矩能力。

载波频率:

 一般变频器所标的额定电流都是以最高载波频率, 最高环境温度下能保证持续输出的数值. 降低载波频率, 电机的电流不会受到影响。

但元器件的发热会减小。

环境温度：

就象不会因为检测到周围温度比较低时就增大变频器保护电流值.

海拔高度:

 海拔高度增加, 对散热和绝缘性能都有影响.一般1000m以下可以不考虑. 以上每1000米降容5%就可以了.

2.2.5. 矢量控制对电机的输出转矩能力的改善

*1:

 转矩提升

此功能增加变频器的输出电压（主要是低频时），以补偿定子电阻上电压降引起的输出转矩损失，从而改善电机的输出转矩。

$ 改善电机低速输出转矩不足的技术

使用"矢量控制"，可以使电机在低速,如（无速度传感器时）1Hz（对4极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150％）。

对于常规的V/F控制，电机的电压降随着电机速度的降低而相对增加，这就导致由于励磁不足，而使电机不能获得足够的旋转力。

为了补偿这个不足，变频器中需要通过提高电压，来补偿电机速度降低而引起的电压降。

变频器的这个功能叫做"转矩提升"（*1）。

转矩提升功能是提高变频器的输出电压。

然而即使提高很多输出电压，电机转矩并不能和其电流相对应的提高。

 因为电机电流包含电机产生的转矩分量和其它分量（如励磁分量）。

"矢量控制"把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分量和其它电流分量（如励磁分量）的数值。

"矢量控制"可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。

此功能对改善电机低速时温升也有效。

第三章变频器的软件设置

3.1引言

某自水厂供水系统由一级和二级泵站构成。

一级泵站由两台18.5KW水泵机组构成，二级泵站由两台30KW水泵机组构成。

一级泵站从河中抽水至沉淀池，接着沉淀、消毒，然后流入清水池。

二级泵站是从清水池抽水送至远端水塔及用户家中。

由于某自来水厂一、二级泵站一直采用手动操作模式，即在一级泵站，人工观察清水池水位，当水位达低限位时，人工起动水泵抽水，达高限位时，人工使水泵停机。

在二级泵站，操作人员完全凭经验判断水塔的水位，估计水位偏低时，人工起动水泵抽水，估计水位偏高时，人工使水泵停机。

由此可见，一、二级泵站的操作人员要频繁起动和停止水泵，其劳动强度较大，且容易出现溢水、缺水事故，影响供水质量。

为使某水厂的供水实现自动化，作者研究和设计了一种新型的自来水厂变频器和PLC联合控制的供水自动控制系统。

该系统在某水厂进行了实际应用，实现了该厂两级泵站水泵起动运行的自动化，大幅度提高了该厂供水的可靠性、稳定性和经济效益。

3.2、控制思路

该系统采用变频器和PLC进行联合控制。

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。

一级泵站水泵的起动停止信号取自清水池内所装的液位传感器，当水位达低限位时，液位传感器给出起动水泵的信号。

当水位达高限位时，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处远传压力表。

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中，它将受一级泵站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。

3.3、系统功能

该系统由于是变频器和PLC联合控制系统，因此它主要具有如下六方面的功能：

一级泵站设定为恒水位控制模式。

即以清水池的水位为参照点控制水泵运行，使清水池水位经常保持一个恒定值。

二级泵站设定为恒水压控制模式，即以出水管水压为参照点控制水泵运行，出水管水压经常保持一个恒定值；

两级泵站水泵的运行模式为变频自动、工频自动两种；

变频自动模式下，若变频器出故障，则自动进行声、光报警，水泵停机，然后人工转换为工频自动模式；

变频自动模式下，系统分别根据一级泵站清水池水位和二级泵站出水管水压情况，在低限值至恒定值之间，变频器改变水泵电机电源频率，使电机加速或恒速运行。

在高限值至恒定值之间，变频器改变水泵电机电源频率，使电机减速或恒速运行。

一级泵站水泵电机在高限值时还需自动停机；

一级泵站工频自动模式下，清水池的水位基本保持恒定。

当水位达低限位时，自动起动水泵工频运行。

当水位达高限位时，水泵自动停机；

二级泵站工频自动模式下，出水管水压在一定范围内保持恒定。

当出水管水压达低限位时，自动起动水泵工频运行。

3.4.1硬件系统

该系统的硬件主要包括主电路和控制电路。

3.4.1主电路

图一为一级泵站主电路框图。

图中采用了一台18.5KW日本SANKEN变频器作为核心部件。

采用了日本FUJISC—630断路器及日本FUJISC—N3交流接触器作为主要电气元件。

图一、一级泵站主电路框图

二级泵站的主电路框图与图一基本相同，所不同的是水泵与变频器的功率不同，一级泵站的水泵机组和变频器的功率都为18.5KW，而二级泵站的水泵机组和变频器的功率都为30KW。

3.4.2控制电路

该系统的控制电路采用日本三菱公司生产的PLC作为控制核心，它主要包括一级泵站水泵机组控制电路和二级泵站水泵机组控制电路。

3.4.2.1一级泵站水泵机组控制电路

一级泵站所用的PLC为FX2—24MR，其外部端子接线图如图二所示。

图中，“水泵选择”开关的两个端子分别接PLC输入端子X0、X1。

“运行模式”开关的两个端子分别接X2、X3。

X2为变频自动模式，X3为工频自动模式。

清水池低水位液位传感器的输出电路简化为一个常开触点，连接X6。

1#水泵与2#水泵的起动开关分别连接X7、X10。

变频器故障信号通过X11输入，其故障通过Y2和Y3的输出驱动电铃D1和指示灯D2进行声、光报警。

Y0、Y1连接的KM1、KM2分别为1#水泵与2#水泵主电路中交流接触器的线圈，与其线圈并联的RC串联电路是PLC输出端子的保护电路，R取150Ω、1/4W，C取0.01μF、400V。

图二、一级泵站水泵PLC外部端子接线图

3.4.2.2二级泵站水泵机组控制电路

二级泵站水泵机组控制电路PLC外部端子接线图如图三所示。

控制核心为一台日本三菱公司生产的FX2系列基本单元FX2—24MR。

图中D1、D2为变频器故障的声、光报警器。

D3、D4为清水池缺水声、光报警器。

PLC输入端子X0、X1分别接出水管处远传压力表。

KM1、KM2分别为主电路中控制1#水泵与2#水泵工作的交流接触器线圈。

KM3为控制排除管道内空气的电动阀门工作的交流接触器线圈。

图三、二级泵站水泵PLC外部端子接线图

3.5软件部分

3.5.1变频器参数

该系统采用的日本SANKEN变频器是一种高功能静音式变频器。

一级泵站所用的变频器型号为IPF—18.5.二级泵站所用的变频器型号为IPF—30。

该系统所用变频器参数是根据系统的控制参数来设定的。

系统的控制参数：

一级泵站清水池的低水位设为1.5米，控制水位的高度设为2.6米，高水位设为2.7米.。

二级泵站扬水管的低水压值设为0.3Mpa，恒定水压值设为0.45Mpa，高水压值设为0.5Mpa。

根据系统的控制参数所设定的变频器参数：

一级泵站变频器的上限频率为49Hz，下限频率为40Hz,1速频率为42.5Hz,偏置频率为39Hz，增益频率为48Hz。

二级泵站变频器的上限频率为47Hz，下限频率为38Hz,1速频率为23Hz,偏置频率为22Hz，增益频率为50Hz。

3.5.2PLC控制程序框图

一级泵站和二级泵站的PLC控制程序可用基本逻辑指令或步进指令进行编写。

由于该系统基本上属于顺序控制系统，因此用步进指令编写程序的概念更清楚，思路更清晰，从而使编程更简便。

（1）一级泵站PLC控制程序框图

一级泵站PLC控制程序包括变频自动运行程序和工频自动运行程序。

（2）一级泵站变频自动运行程序框图

一级泵站PLC控制变频自动运行程序框图如图四所示。

图中，X0接通，1#水泵工作。

X1接通，2#水泵工作。

X2接通，水泵选择变频自动运行模式。

X3接通，水泵选择工频自动运行模式。

当系统清水池的水位达低限水位时，X5接通，Y0得电输出，1#泵变频运行且受PID控制。

当1#泵运行中变频器出现故障，X11获取故障信号，Y0失电，K