电厂综合水泵房水泵变频调速控制系统设计毕业设计说明书 推荐.docx
《电厂综合水泵房水泵变频调速控制系统设计毕业设计说明书 推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电厂综合水泵房水泵变频调速控制系统设计毕业设计说明书 推荐.docx（52页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
电厂综合水泵房水泵变频调速控制系统设计毕业设计说明书推荐
本科生毕业设计说明书（毕业论文）
题目：
电厂综合水泵房水泵变频调速控制系统设计
电厂综合水泵房水泵变频调速控制系统设计
摘要
本论文是根据某电厂综合水泵房工艺要求，现拟对中水提升泵和工业补给水泵两套系统进行变频调速改造。
其中中水提升泵系统（一控三），其变频柜控制三台75KW水泵，变频泵定时循环运行，一周自动切换一次，当变频泵不能满足要求时，自动软启动一台工频泵,当变频泵仍然不能满足压力给定值时，再自动软启动第三台水泵。
工业补给水泵系统（一控二），其变频柜只控制两台37KW小泵，水泵不要求定时循环运行，但能够手动切换运行。
当变频泵不能满足要求时，自动启动另一台工频小泵。
75KW大泵只能工频手动控制，不参与变频自动控制。
两套系统的基本构成均由变频器（含PID）、软启动器、电动机、压力传感器等构成，而且都利用了变频器来控制水泵电机的软启动和转速。
压力变送器用来检测水泵房管网中的当前水压，以电信号的方式送入变频器的PID控制器与设定值进行比较后执行PID运算，对变频器的输出频率和电压进行控制，从而改变水泵电机的转速进而改变供水量，最终使管网中的水压稳定在设定值的附近。
关键词：
变频器、软启动器、水泵、PID、调速
TheDesignofFrequencyControlSystemofanIntegratedWaterPumpHouseofaPowerPlant
Abstract
Thispaperisbasedontechnicalrequirementsofanintegratedwaterpumphouseofapowerplant.Itisintendedforwaterliftpumpandindustrialwatersupplypumpfrequencycontroltwosystemstransformation.
Wherethewaterliftpumpsystem（onecontrolthree）,itsvariablefrequencycountercontrolthreepumpsof75KW,thesepumpsneedtimingloopoperation,oneweekautomaticallyswitchonce.Whenonepumpcannotmeettherequirements,automaticallystartsfrequencypump,whentwopumpstillcannotmeetthepressuresetpoint,andthenathirdpumpautomaticsoftstarts.
Industrialsupplypumpsystem（onecontroltwo）,itsvariablefrequencycounteronlycontroltwosmallpumpsof37KW,thetwopumpsdonotrequiretiminglooptorun,butthe systemcanberunmanually,whenonepumpcannotmeettherequirements,automaticallystartsanothersmallpump.75KWlargepumponlymanualcontrolbypowerfrequencyanditdoesnotparticipateinfrequencycontrol.
Thebasicstructureofthetwosystemsbythefrequencyinverter（includingPID）,softstarter,motor,pressuresensors,etc.andbothtwosystemshavetakenadvantageoftheinvertertocontrolthepumpmotorsoftstartandspeed.Pressuretransmitterusedtodetectcurrentpipepressureofpump,intheformofelectricalsignalssentedintothePIDcontrollerofinverterandcomparedwiththesetvalue,afterthatthePIDoperationisperformed,whichistocontroltheinverteroutputfrequencyandvoltage,thuschangingthepumpmotorspeedandthenchangethewatersupply,andfinallymakingthepipenetworkwaterpressurestabilizedatthesetpointnearby.
Keywords:
frequencyinverter,softstarter,waterpump,PID,speedcontrol
第一章引言
1.1研究背景
1.1.1变频技术的国内外发展与现状
近年来电力电子器件的材料开发和制造工艺水平不断提高，尤其是高压大容量绝缘栅双极型晶体管IGBT、集成门极换向晶闸管IGCT器件的成功开发，与此同时伴随着微型计算机控制技术及电机拖动控制系统理论的发展，使大功率变频技术得以迅速发展，性能日臻完善。
如今我国每年大约60%的发电量是由电动机消耗掉的，因此如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能，受到了国家和业界人士的重视。
在80年代末90年代初以及中期，我国变频技术主要依赖于国外产品进口。
国外变频技术发展从20世纪80年代后半期开始，尤其以欧洲、美国、日本发展较早，基于VVVF技术的变频器技术产业也愈来愈成熟。
而在我国这十几年的变频技术发展期间，我们走的是集成化的道路，从先学习国外的先进技术到自主的创新研发。
我国自主研发变频器的生产地区主要集中于南方地区，且主要集中为低压变频器，但多数国外跨国企业在我国变频技术占有主导地位，不仅是低压变频方面，还包括了高压变频方面。
1.1.2国内外水泵变频系统的现状
随着变频技术的发展和恒压供水系统的稳定性、可靠性以及显著的节能效果等方面的优点，国内外变频器厂家纷纷开始重视并推出了具有恒压供水功能的变频器，像三菱变频器FRA740，虽然它本身带有PID控制器，可以实现频率和电压的自动调节，但是要实现多台变频泵的自动切换、水泵的变频工频切换功能，需要外接PLC，实现起来系统更加复杂，同时也不利于后期的维护。
像原深圳华为电气公司和成都希望集团也推出了恒压供水专用变频（5.5KW~22KW），无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。
该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。
可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性（EMC）的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。
因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。
1.2本设计研究的主要内容
本设计是以电厂综合水泵房的中水提升泵及工业补给水泵两套系统为控制对象，采用变频技术，设计一套某电厂综合水泵房的恒压供水系统，现拟对其进行变频调速改造。
其中3台中水提升泵配备一台变频器，采用一面变频柜；2台工业补给水泵配备一台变频器，采用一面变频柜；在综合水泵房安装一套双电源切换装置，为两套变频调速系统供电。
中水提升泵变频调速系统可由现场集控系统进行协调控制，根据运行工况按设定程序，实现对中水提升泵电动机转速控制。
表1.1电动机的参数表
电动机型号
Y315S-6
额定电压
380V
额定功率
75KW
台数
3
额定电流
140A
绝缘等级
F
工业补给水泵变频调速系统可由现场集控系统进行协调控制，根据运行工况按设定程序，实现对工业补给水泵电动机转速控制。
表1.2电动机的参数表
电动机型号
Y2-200L2-2
额定电压
380V
额定功率
37KW
台数
2
额定电流
68A
绝缘等级
F
另外一台工业补给水泵不参与变频调速，只工频运行。
表1.3电动机的参数表
电动机型号
Y2-280S-4
额定电压
380V
额定功率
75KW
台数
1
额定电流
140A
绝缘等级
F
具体要求如下：
1、控制方式：
中水提升泵采用一控三的方式，工业补给水泵采用一控二的方式。
具体如下：
以母管压力为自动控制依据，根据运行情况，设定母管压力实现恒压供水。
在用水高峰期，变频器以较高频率运行，保证正常的用水压力。
当不用水时，变频器运行在0Hz,水泵电机停车。
当下次用水时，随着用水量的增加，管网压力降低，变频器开始由低频启动，直到运行在满足用水压力要求的相应频率下。
另外两台水泵作为工频备用泵，当变频水泵达到额定频率且人不满足系统用水要求时，自动启动1台工频备用泵。
如启动后系统压力大于母管压力时，不立即切除工频备用泵，而是首先由变频调节系统母管压力，以避免切除备用泵后系统母管压力急剧下降造成备用泵频繁启动。
当变频泵调整为某一合适的频率时，切除备用泵，改为变频调节。
当启动1台工频备用泵仍不满足系统用水要求是在启动另外一台工频备用泵，以满足系统用水要求。
为了保证水系的安全用水，系统应设计变频器故障旁路功能。
即在变频器检修或故障情况下系统具有工频供水功能，使供水系统更加安全，更加可靠。
系统采用的变频器，可实现PID控制，能无冲击的再启动瞬停后正在旋转的电动机。
2、变频柜功能
变频柜控制方式分为：
手动操作、自动运行两种。
具体功能描述如下：
操作方式选择功能
系统的操作方式由设置在变频控制柜上的转换开关选择。
手动操作功能
手动操作由设置在控制柜上的启动、停止按钮完成。
自动运行功能
自动运行方式下，系统根据压力设定自动调节运行泵的转速及投运泵的台数。
压力设定有控制柜上的压力设定电位器完成。
设备状态指示功能
控制柜上设有每台供水泵的启动、停止按钮及设备运行状态指示灯显示功能。
恒压供水功能
变频系统与工频系统的切换功能
当变频器出现故障时，能切换到工频状态运行，保证系统供水的可靠性。
控制柜应留有信号接口，能够把每台电机的运行信号、过载信号、运行电流、变频器频率、主管网压力返回控制室。
3、中水提升泵系统（一控三）
中水提升泵要求变频泵定时循环运行，一周自动切换一次，当变频泵不能满足要求时，自动启动一台工频泵。
4、工业补给水泵系统（一控二）
工业补给水泵变频柜只控制两台37KW小泵，75KW大泵只能工频手动控制，不参与变频自动控制。
水泵不要求定时循环运行，但能够手动切换运行。
当变频泵不能满足要求时，自动启动另一台工频小泵。
5、双电源柜
为了保证供水系统的安全，供电电源要求采用双电源供电。
当一路断电时，另一路能立即投入。
第二章水泵变频调速控制系统总体设计方案
2.1变频调速控制系统的理论基础
2.1.1三相异步电动机的调速原理
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：
（l）改变转差率
（2）改变电机极对数
（3）改变频率
改变转差率调速，异步电动机运行时，从定子传给转子的电磁功率一部分转化为有效功率被负载消耗掉，另一部分就是转差功率。
而转差功率等于转差率与电磁功率的乘积。
又因为电磁功率等于转矩乘以角速度，所以若负载不变则电磁功率等于常数。
那么负载不变时转差功率正比于转差率，改变转差功率就可以改变转差率，从而改变电机的转速。
有两种改变转差功率的办法，一是把全部的转差功率转化成热能消耗掉，但这种调速在转速越低时效率也越低，如降低定子电压、绕线转子异步电动机转子串电阻、电磁转差离合器的调速都属于该方式；二是除小部分能量消耗在转子电阻上外，其余大部分反馈给电网或被充分利用。
绕线转子异步电动机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，且成本高而影响它的推广价值。
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。
改变频率调速，由公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率f成正比。
连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。
但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。
随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频技术的发展。
2.1.2软启动器及其使用
传统的三相异步电动机启动线路较简单，不许外加启动装置，但其启动电流冲击较大，启动转矩较小且不可调节。
电动机停机时采用控制接触器的触点断开，切掉电源，从而使其自由停车，这样会造成电网的剧烈波动。
对于启动电流和启动转矩要求较高的场合，可选用软启动器。
其主要特点具有软起动和软停车功能，启动电流和启动转矩可调节，另外还有电动机过载保护等功能。
1.软启动器的工作原理
如图2.1所示为软启动器内部原理结构示意图。
它主要由三相交流调压电路和控制电路构成。
其基本原理是利用晶闸管的移相控制原理，通过控制晶闸管的导通角来改变其输出电压，达到通过调压来控制启动电流和启动转矩的目的。
控制电路按预定的启动方式，通过检测主电路的反馈电流，控制其输出电压，可以实现不同的启动特性。
最后软启动器输出全压，电动机全压运行。
由于软启动器内部会对电流实时检测，因此它具有对电动机及其自身的热保护、限制转矩电流的冲击、三相电源的不平衡等功能。
图2.1软启动器原理示意图
2.软启动器的控制功能
异步电动机在软起动过程中，软启动器通过控制加在电动机上的电压来控制电动机的启动电流和转矩，启动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。
一般软启动器可以通过改变参数设定得到不同的启动特性，以满足不同的负载特性要求。
（1）斜坡升压启动方式
斜坡升压启动特性曲线如图2.2所示。
此种启动方式一般可设定启动初始电压U
和启动时间t
。
这种启动方式断开电流反馈，属开环控制方式。
在电动机启动过程中，电压线性逐渐增加，在设定的时间内达到额定电压。
这种启动方式主要用于一台软启动器并接多台电机或电动机功率远低于软启动器额定值的应用场合。
（2）转矩控制及启动电流限制启动方式
转矩控制及启动电流限制特性曲线如图2.3所示。
此种启动方式一般可设定启动初始力矩T
。
启动阶段力矩限幅T
，力矩斜坡上升时间t
和启动电流限幅I
。
这种启动方式引入电流反馈，通过计算间接得到负载转矩，属闭环控制方式。
由于控制目标为转矩，因此软启动器输出电压为非线性上升。
图2.3同时给出启动过程中转矩T、电压U、电流I和电动机转速n的曲线，其中转速曲线为恒加速度上升。
在电动机启动过程中，保持恒定的转矩使电动机转速以恒定加速度上升，实现平稳启动。
在电动机启动的初始阶段，启动转矩逐渐增加，当转矩达到预先所设定的限幅值后保持恒定，直至启动完毕。
在启动过程中，转矩上升的速率可以根据电动机负载情况调整设定。
斜坡陡，转矩上升速率大，即加速度上升速率大，启动时间短。
当负载较轻或空载启动时，所需启动转矩较低，可使斜坡缓和一些。
由于在启动过程中，控制目标为电动机转矩，即电动机的加速度，既使电网电压发生波动或负载发生波动，通过控制电路自动通过增大或减小启动器的输出电压，也可以维持转矩设定值不变，保持启动的恒加速度。
此种控制方式可以使电动机以最佳的启动加速度、以最快的时间完成平稳的启动，是应用最多的启动方式。
随着软启动器控制技术的发展，目前它大多采用转矩控制方式，也有采用电流控制方式，即电流斜坡控制及恒流升压启动方式。
此种方式间接控制电动机电流来达到控制转矩目的，与转矩控制方式相比启动效果略差，但控制相对简单。
图2.2斜坡升压启动方式图2.3转矩控制及启动电流限制启动方式
（3）电压提升脉冲启动方式
电压提升脉冲启动特性曲线如图2.4所示。
此种启动方式一般可设定电压提升脉冲限幅U
。
升压脉冲宽度一般为5个电源周波，即100ms。
在启动开始阶段，晶闸管在极短时间内按设定升压幅值启动，可得到较大的启动转矩，此阶段结束后，转入转矩控制及启动电流限制启动。
该启动方法适用于重载并需克服较大静摩擦的启动场合。
（4）转矩控制软停车方式
当电动机需要停车时，立即切断电动机电源，属自由停车。
传统的控制方式大都采用这种方法。
但许多应用场合，不允许电动机瞬间停机。
如高层建筑、楼宇的水泵系统，要求电动机逐渐停机，采用软启动器可满足这一要求。
软停车方式通过调节软启动器的输出电压逐渐降低而切断电源，这一过程时间较长且一般大于自由停车时间，故称为软停车方式。
转矩控制软停车方式，是在停车过程中，匀速调整电动机转矩的下降速率，实现平滑减速。
如图2.5所示为转矩控制软停车特性曲线。
减速时间t
一般是可设定的。
图2.4电压提升脉冲启动方式图2.5转矩控制软停车方式
（5）制动停车方式
当电动机需要快速停机时，软启动器具有能耗制动功能。
在实施能耗制动时，软启动器向电动机定子绕组通人直流电，由于软启动器是通过晶闸管对电动机供电，因此很容易通过改变晶闸管的控制方式而得到直流电。
如图2.6所示为制动停车方式特性曲线，一般可设定制动电流加入的幅值I
和时间t
，但制动开始到停车时间不能设定，时间长短与制动电流有关，应根据实际应用情况，调节加入的制动电流幅值和时间来调节制动时间。
图2.6制动停车方式
2.2水泵变频调速控制系统的分析说明
水泵变频调速系统因其控制性能稳定、可靠性能强，节能效果好等特点，被广泛地应用于高层建筑、安全消防、污水处理、工厂和电厂水泵房中。
水泵变频调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据需求水量的变化自动调节系统的运行状况，在需求水量发生变化时保持水管内部的压力恒定以满足用户的要求，是今天比较先进、科学合理的节能型供水系统。
在实践运用中如何充分合理地利用专业应用的变频器所含有的各种功能，对合理设计变频调速系统、降低投资成本、保证技术质量等方面有着重大意义。
变频调节电动机转速的恒压供水方式与曾经的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投入量和运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、快速性等方面都拥有无可比拟的优势，而且具有显著的节能效果。
目前变频恒压供水系统正朝着强的可靠性、全能的数字化、高的集成度等方向发展。
水泵变频调速系统能适用生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:
（1）系统的控制对象是管网的水压，它是一个过程控制量，同其它一些过程控制量（如：
温度、流量、液位等）一样，对控制作用的响应具有延迟性。
同时用于电机速度控制的变频器也存在一定的滞后效应。
（2）管网中因为有管道内部的摩擦阻力、水锤效应等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵电机旋转速度的变化与管道内水压的变化成正的比例关系，所以水泵变频调速恒压供水系统是一个线性系统。
（3）水泵变频调速恒压供水系统具有广泛的通用性，然而面向种类繁多的供水系统，不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面又存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。
（4）在变频调速恒压供水系统中，由于有工频泵的加入减少，而工频泵的控制（包括工频泵的停止和运行）是时时发生的，同时工频泵的运行状态直接影响供水系统，使其不确定性增加。
因此我们可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是具有变化性的。
（5）当意外的情况（如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等）出现时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及管网压力等工况自动进行切换，保证管道内部压力恒定。
在出现故障时，执行故障处理应用，保证在紧急的情况下仍然可以供水。
（6）水泵的电气控制柜上设有每台供水泵的启动、停止按钮及设备运行状态指示灯显示功能。
控制柜应留有信号接口，能够把每台电机的运行信号、过载信号、运行电流、变频器频率、主管网压力返回控制室。
压力设定由控制柜上的压力设定电位器完成。
（7）使用变压变频设备和软启动装置进行调速，用变频泵和工频泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大的转动惯量的冲击，延长了设备的使用寿命。
2.2.1水泵变频调速恒压供水系统构成
变频恒压供水系统主要有含PID控制器的变频器、软启动器、压力变送器和现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统，其系统构成的结构框图如图2.7所示。
本设计中两个系统均为控制三台水泵电机，采用PID调节方法。
三台水泵或两台水泵中只有一台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。
根据管网压力自动控制另外两台或一台泵的启动，并根据压力检测值和给定值之间偏差进行PID运算，运算结果送给变压变频装置控制其输出频率，调节水的流量，使供水管网的压力恒定。
图2.7水泵变频调速恒压供水系统的结构图
2.2.2水泵变频调速恒压供水系统的控制策略
根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。
硬件设备选型、变频器选型及相关电器，绘制系统硬件连接图。
采用变频器的分级控制，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
系统的控制目标是水泵房总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入CPU运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。
恒压供水就是利用变频器的PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。
即将压力控制点测的压力信号直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。
2.2.3两系统的主电路接线图
两套系统的主电路图大致相同，控制电路图略有不同。
其相应的图形见图2.4中水提升泵系统主回路接线图（一控三），图2.5工业补给水泵系统主回路接线图（一控二）。
图2.4中水提升泵系统主回路接线图（一控三）
图2.4中水提升泵系统工作原理
电机有两种工作情况：
在工频电下运行和在变频电下运行。
KM1、KM3、KM5分别为电动机M1、M2、M3变频运行时接通电源的控制接触器，KM2、KM4、KM6、KM7、KM8、KM9分别为电动机M1、M2、M3工频运行时接通电源的控制接触器。
具体为：
升级会员 