恒压供水变频调速系统设计 机电一体化专业学位论文.docx
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恒压供水变频调速系统设计机电一体化专业学位论文
三峡电力职业学院
毕业设计（论文）
题目恒压供水变频调速系统设计
学生姓名
学号
专业机电一体化
班级
指导教师
评阅教师
完成日期2012年10月19日
目录…………………………………………………………………………1
摘要…………………………………………………………………………3
前言………………………………………………………………………3
第一章变频调速技术……………………………………………………4
1.1变频调速技术的发展历史………………………………………………………4
1.2变频器在工业中的应用……………………………………………………4
1.3变频调速技术的展望…………………………………………………………5
1.4变频调速技术的原理……………………………………………………5
1.5变频调速技术的原理………………………………………………………5
第二章生活供水控制系统设计………………………………………………7
2.1系统概述…………………………………………………………………7
2.2系统特点…………………………………………………………………7
2.3本系统适用范围…………………………………………………………8
2.4工作原理…………………………………………………………………8
第三章PLC控制系统……………………………………………………10
3.1PLC的发展历程…………………………………………………………10
3.2PLC应用………………………………………………………………10
3.3PLC原理………………………………………………………………10
3.4电机启动顺序功能图……………………………………………………10
3.5PLC的选择……………………………………………………………11
3.6PLC梯形图……………………………………………………………11
第四章变频器的选用……………………………………………………12
3.1变频器的要求……………………………………………………………12
3.2FR-F500功能范围………………………………………………………12
3.3变频器的选择…………………………………………………………12
3.4FR-F500的具体参数……………………………………………………12
第五章系统安装…………………………………………………………14
5.1变频器与PLC的连接……………………………………………………14
5.2PLC的控制系统连接图…………………………………………………14
第六章变频器参数设置和使用…………………………………………15
6.1变频器的基本设置……………………………………………………15
6.1.1操作面板的名称和功能……………………………………………15
6.1.2按[MODE]键改变监视…………………………………………15
6.1.3监视模式………………………………………………………15
6.1.4频率设定模式……………………………………………………15
6.1.5参数设定模式…………………………………………………15
6.1.6操作模式…………………………………………………………17
6.2各种操作模式……………………………………………………19
6.2.1PU操作模式……………………………………………………19
6.2.2组合操作模式………………………………………………20
6.3主要参数的设置……………………………………………………21
6.3.1上限频率的设定…………………………………………………21
6.3.2下限频率的设定……………………………………………………21
6.3.3加减速时间的设定…………………………………………………21
6.3.4电子过流保护设定……………………………………………………21
6.3.5使用负荷选择……………………………………………………21
第七章工程清单…………………………………………………………22
7.1低压区生活变频供水系统………………………………………………22
7.2高压区生活变频供水系统………………………………………………23
致谢…………………………………………………………………………24
附录…………………………………………………………………………25
参考文献……………………………………………………………………32
恒压供水变频调速系统设计
—馨岛国际名宛供水系统设计
摘要：
本文在介绍最新技术——恒压变频供水系统的基础上，分析了整个供水系统的和和设计过程，从变频器和PLC的选择到具体线路的连接，及系统控制的设计。
其中变频器的保养和维护是本设计的一个关键。
变频调速给水的供水压力可调，可以方便地满足各种供水压力的需要。
在设计阶段可以降低对供水压力计算准确度的要求，因为随时可以方便地改变供水压力。
并且变频器可靠性好，节能效果明显。
关键词：
变频供水；PLC；变频器；频率；压力传感器；异步电动机
前言
交流电动机特别是异步电动机由于结构简单、价格便宜、维修方便等优点被广泛使用。
但其调速性能在以前赶不上直流电动机，所以交流电动机的调速技术一直是世界各国研究的课题。
20世纪60年代以后，随着电力电子技术的发展，半导体变流技术应用到交流调速系统中，特别是大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，都为交流调速的进一步发展创造了条件。
人们研究出很多类型的交流调速系统，其中有些方法的调速性能已可与直流调速系统相媲美。
因此，交流调速得到日益广泛的应用，目前在调速传动领域交流电动机已有取代直流电动机的趋势。
前期的交流电动机调速方法，如采用绕线式异步电动机转子串电阻调速、鼠笼异步电动机变极调速，在定子绕组串电抗器调速等都存在效率低，不经济等缺点。
交流变频调速的优越性早在20世纪20年代就已被人们认识，但受到元器件的限制，当时只能用闸流管构成逆变器，由于投资大，效率低，体积大而未能推广。
20世纪50年代中期，晶闸管的研制成功，开创了电力电子技术发展的新时代。
由于晶闸管具有体积小、重量轻、响应快、管压低等一系列优点，交流电动机调速技术有了飞跃发展，出现了交流异步电动机调压调速、串级调速等系统。
20世纪70年代发展起来的变频调速，比上述两种调速方式效率更高，性能更好，在近30年得到了迅速发展。
第一章变频调速技术
1.1变频调速技术的发展历史
三次中东战争后，西方一度发生石油危机，廉价能源丧失，使人们认识到节能的重要性，许多传统的工艺过程必须从节能的角度加以重新评价。
其直接影响是要求一大批原来恒速运行的机械改成调速运行，特别是用量很大，通常占总用电量一半左右的风机、泵类负载，采用调速方式来调节输出流量，与传统的恒速运行节流阀调节流量的方式相比，可节电30％左右；这一事实，促使人们从生产系统总效率的角度来重新评价交流调速系统的经济技术指标，变频调速系统由于具有显著的节电效果；低廉的运行费用，常可抵消装置价格偏高的不利因素，受到用户的欢迎。
在环境恶劣的生产场合（如冶金、建材、矿山、化工等工业）常有防爆或高速运行的要求，目前世界上还很难生产出大功率、高速的防爆直流电动机，再如水泥行业灰尘大，污染大，直流电动机很不适应，而且直流电机经常换电刷，维护量大，因而常常停机影响生产。
发展生产力的需要大大促进科学技术的发展，因此自从7O年以来，以电子电子器件、微电子器件技术和控制技术等为基础的变频调速技术，有了突破性的进展，生产出满足变频调速要求的变频器，从此交流调速进入了一个崭新时代，为了与以前传统的交流调速相区别，人们通常把实现变频调速为特征的交流调速称为近代交流调速
变频调速技术问世为标志的近代交流调速近二十年来取得了惊人的进展。
首先是由于生产力的发展，生产机械的功率愈来愈大，1000千瓦以上功率装置愈来愈多。
在这样的功率范围内，直流电动机由于受机械换向器及电刷等工艺制造的限制，很难制造额定电压超过1000伏的电动机，因而额定电流变得很大，供电须采用专用汇流排，这样供电电压降和传输损耗增加，相比之下，交流电动机制造超过6000伏以上高压电机并不困难，从而避免了上述直流电动机制造工艺的难点，换言之，功率愈大，交流拖动的经济效益优势将更为明显，制造出功率大大超过直流电动机是形势要求的一个方面；另一方面还要利用先进控制技术使其性能指标达到甚至超过直流电动机。
1.2变频器在工业中的应用
变频调速应用领域将不断扩大。
随着科学技术的进步、大功率电力电子技术的迅速发展，大规模集成电路和微机技术的突飞猛进，交流电动机变频技术已日趋完善，变频调速器用于交流异步电动机调速，其性能胜过以往任何一种交流调速方式，已成为电动机调速最新潮流。
在国外交频调速已广泛在钢铁、有色冶金、油田、炼油、石化、化工、纺织、印染、医药、造纸、卷烟、高层建筑供水、建材及机械行业应用，功率大到上万千瓦的轧钢机，小到只有几十瓦的公园喷水头，从工厂装备到家用电器，应用范围相当广阔，并且还将继续扩大。
1.3变频调速技术的展望
变频器自八十年代初以来；国际市场已实现产品的商品化，变频技术的发展主要有以下几个趋势；
（1）最新的是第三代。
（2）变频器产品系列化、通用化、小型化，目前在市场已可看到用于一般产业用和用于风机和泵类的两个系列，功率从0.4千瓦到280千瓦。
产品不同功率都统一了功能，统一了性能，统一了式样，统一了端子符号，统一功能码内容等；方便了设计和维修。
由于集成电路的高密度和冷却技术的高效率，产品实现了小型化，体积只有过去的60％。
（3）性能智能化：
新产品采用了对电动机的最先进的转矩矢量控制，能获得与负载自动适应的电机转矩；低速时提高起动转矩，大幅度提高转矩响应速度等。
（4）装置功能多样化：
提供便于安全、便于操作的显示器、监视器、测试器，各种完善的保护环节，便于维护更换的模块和器件等。
1.4变频调速技术的原理
异步电机的转速方程是n=60f（1-s）/p，其中n为电动机的转数，f为电源频率，s为转差率，p为定子旋转磁场的极对数，所以从这个公式就可以看出，要想改变电动机的转速，可以改变f，s，p这三个量中的任意一个，就能够实现调速，又因为电机的旋转磁场的极对数出厂后是固定的，且由于技术和成本问题旋转磁场的极对数不能无限制的增加，所以通过改变旋转磁场的极对数来进行调速，并且还有调速范围小，连续性差等缺点！
而随着大功率开关器件更新换代速度加快，电压、电流频率定额不断提高，开关损耗不断减少，开关频率不断提高，最近几年已经推出比双极晶体管（BJT）更新的绝缘栅双极晶体管（IGBT）已经在新一代的变频器上大量应用，生产出满足变频调速要求的变频器，且调速范围比较宽，对交流电机实现了无级调速。
因此改变电源频率f是比较方便和有效的方法，只要改变了电源频率f就够改变电动机的转速。
1.5变频调速技术的常用技术
（1）SPWM控制技术PWM的调制原理是使变频器的输出脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内面积相等，改变调制波的频率和幅值即可调节逆变器输出电压的频率和幅值。
正弦波脉宽调制（SPWM）技术在变频器中得到广泛的应用。
SPWM变频器调压调频一次完成，整流器无需控制，简化了电路结构，而且由于以全波整流代替了相控整流，因而提高了入端的功率因数，减小了高次谐波对电网的影响。
此外，由于输出波形由方波改进为PWM波，减少了低次谐波，从而解决了电动机在低频区的转矩脉动问题，也降低了电动机的谐波损耗和噪声。
PWM技术的应用是变频器的发展主流。
但感应电动机本身因为气隙磁通、转速与转子电流是强耦合的，所以调速性能不如直流电动机。
（2）电流控制PWM技术电流控制PWM技术是一种新颖的控制技术，近年来得到了相当大的发展及较广泛的应用。
电流控制PWM技术有不同的线路方案来实现，其共同特点是：
通过监测电感电流直接反馈去控制功率开关的占空比，使功率开关的峰值电流直接跟随电压反馈回路中误差放大器输出的信号变化而变化。
但流控制PWM技术还存在一些局限性，而应用现代控制理论可以克服这些缺点，所以应用现代控制论是它的必然发展趋势。
（3）电压矢量“等效”三电平PWM变频调电压矢量“等效”三电平PWM变频调速方式是一种新型的PWM变频调速方式，其工作原理是使变频器瞬时输出三相脉冲电压合成空间电压矢量与届时所期望输出的三相正弦波电压的合成空间电压矢量的模相等，而它的幅角按一定的间隔跳变。
这种变频调速方式除了具有SPWM变频调速方式各方面的优异性能外，还具有SPWM变频调整方式望尘莫及的优异性能。
第二章生活供水控制系统设计
2.1、系统概述
宜昌××××××生产的全自动变频调速供水控制系统是集现代变频调速技术、PLC技术、监控技术和计算机技术为一体的新一代给水控制系统。
性能优良，系统压力、流量、各机组工作状态实时显示，便于操作、噪音低、结构紧凑、可靠性高、不仅高效节能（年节电率20%---35%左右）、投资收回快并且使用年限长，完全满足用户对供水所需压力的要求，而且大大地减少生活用水的二次污染现象。
该系统完全可以取代传统的水塔、高位水箱和气压罐等给水方式。
与传统的给水方式相比，该系统不但满足了现代工矿企业、城镇居民和高层建筑对新型给水系统的要求，同时还具备如下特点：
2.2、系统特点
1）流量连续可调，给水压力稳定。
系统采用内置PID的矢量变频调速器、先进的可编程控制器等现代控制技术，对水泵机组进行闭环控制，确保压力波动小、达到设定压力时间短、且可随用水量的变化自动调节水泵转速及工作水泵台数，确保恒压变量供水。
2）技术先进。
系统采用现代计算机数字控制技术和模块化、标准化的设计，满足多种本地和远程联网协议，系统的可扩展性强。
3）功能齐全。
系统具有手动、自动操作方式，系统压力、电机电流、电机频率和电机累计运行千瓦时LED显示，变频器、电机工况与故障指示及防误操作等功能。
4）安全可靠。
系统具有输入电源缺相、不平恒、过压、过流、过载、短路、电机过热、飞速启动、断水及低水位停机等完善的安全保护功能，有效的提高了给水成套设备的安全可靠性。
该系统还配有完善的故障自诊断、故障检修手动工作方式等功能，使维修工作十分轻松快捷。
5）抗干扰能力强。
由于控制回路与负载回路之间是通过中间继电器实现电隔离和信号耦合的，因此系统的抗干扰能力强。
6）节约能源、节省投资、提高水质。
系统自动检测瞬时水压，并据此调节水泵的供水量，机组特性曲线接近管网损失特性曲线，节能效果显著。
由于变频器对电机实行的是循环软启动控制，启动平稳无冲击，提高了电机、水泵和管道等的寿命，减少了管网的泄露。
此外由于系统无需高位水箱等设备，不但节省了投资，而且无水质二次污染问题。
7）经济效益明显。
本系统还可以将生产、生活、消防等系统合为一体，投资省、占地少、经济效益明显。
2.3、本系统适用范围
1）城乡居民生活小区、高层建筑、宾馆、饭店的生产生活用水和消防用水。
2）各种类型的自来水厂、工业用水、工业锅炉定压补水系统、深井泵恒压给水系统和农业排灌用给水站增压系统。
3）供热、空调等循环用水系统。
4）旧有给水系统（气压、水塔、高位水箱给水）的改造。
2.4、工作原理
全自动变频调速供水控制系统采用专用供水控制器控制变频调速器，通过安装在管网上的远传压力表（压力传感器）对水压时时进行监视并进行数据采样，把采集到的水压数据转换成电信号，通过接口输入控制器内置的PID控制器上，然后与用户设定的压力值进行比较和运算，并将结果转换为频率调节信号送至变频器。
变频器通过调节水泵电机的电源频率；进而调整水泵的转速。
当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速器的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大。
当达到设定压力时，水泵恒速运转，使管网压力稳定在设定值上。
反之当用户用水量少，管网压力高于设定压力时，变频调速器的输出频率将降低，水泵转速下降，供水量减少，使管网压力稳定在设定压力，这样反复循环就达到了恒压变量供水的目的。
对于高区供水的水位，我×××采用欧姆龙公司生产的水位控制器来保证高区水箱的供水量；采用浮球阀控制系统来调节四个不同高区水箱水位的平衡问题。
本系统水泵设为一主一备（二台泵），当本区生活用水量处于低峰期时，变频器通过传感器传给的信号，给水泵电机一个合适的频率。
当区内用水量增加时变频器自动调整增大水泵的转速。
当这台泵工作频率已达到50Hz，而压力还达不到设定值时，此时把这台水泵转为工频下工作，变频启动另一台泵，并调整水泵的转速，使供水量与用水量平衡，供水压力稳定在设定压力。
当这台水泵已在50Hz下工作，还不能满足供水的需要，此时再通过变频器起动第二台水泵。
一般情况下一台水泵能够满足供水需要。
第二台水泵一般只作为另一台泵的备用（当其中一台水泵发生故障时，系统将自动启动备用泵代替故障水泵）。
调速供水控制系统工作原理方框图
第三章PLC控制系统
3.1PLC的发展历程
在工业生产过程中，大量的开关量顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作，并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制，及大量离散量的数据采集。
传统上，这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。
1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电气控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，首次采用程序化的手段应用于电气控制，这就是第一代可编程序控制器，称ProgrammableController（PC）。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
3.2PLC应用
PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。
PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中的地位，在可预见的将来，是无法取代的。
3.3PLC原理
PLC的CPU则采用顺序逻辑扫描用户程序的运行方式，即如果一个输出线圈或逻辑线圈被接通或断开，该线圈的所有触点（包括其常开或常闭触点）不会立即动作，必须等扫描到该触点时才会动作。
为了消除二者之间由于运行方式不同而造成的差异，考虑到继电器控制装置各类触点的动作时间一般在100ms以上，而PLC扫描用户程序的时间一般均小于100ms，因此，PLC采用了一种不同于一般微型计算机的运行方式---扫描技术。
这样在对于I/O响应要求不高的场合，PLC与继电器控制装置的处理结果上就没有什么区别了
3.4电机启动顺序功能图
3.5PLC的选择
本设计需要用4入5出I/O接口，因此我们采用FX1S-14MR-001（8点输入/6点继电器出），足以满足要求，而且可支持以后扩展，价格适中。
3.6PLC梯形图
第四章变频器的选用
3.1变频器的要求
a）功率必须分别达到12KW和18KW
b）满足调速需求
c）要求工作稳定，
d）电耗低
e）价格适中
3.2FR-F500功能范围
0.75-900KW（3相380V,FR-F540（L）系列）
（1）风机、水泵适用
（2）采用最适磁通控制方式,实现更高节能运行。
（3）内置PID,变频器/工频切换和多泵循环运行功能。
（4）柔性PWM,实现更低噪音运行。
（5）内置RS485通信口
3.3变频器的选择
根据本设计要求选用四台三菱FR-F500系列变频器，其中两个为FR-F540-18K-CH，另外两个则选择FR-F540-15K-CH，这样就保证了系统的稳定，即使有一台变频器坏了，另外的一台也能用上，且小区内不用停止供水，所以也便于日常的停机维护！
使机械的寿命达到最大值
3.4FR-F500的具体参数
FR-F500系列
型号FR-F540-□□K-CH
0.75
1.5
2.2
3.7
5.5
7.5
11
15
18.5
22
30
37
45
55
适用电机容量（kW）（注1）
0.75
l.5
2.2
3.7
5.5
7.5
11
15
18.5
22
30
37
45
55
额定容量（kVA）（注2）
1.5
2.7
3.7
5.7
8.8
12.2
7.5
22.1
26.7
32.8
43.4
53.3
64.8
80.9
额定电流（A）
2.0
3.5
4.8
7.5
1.5
16
23
29
35
43
57
70
85
106
输
过载能力（注3）
120％60秒，150％0.5秒（反时限特性）
出
电压（注4）
三相，380V至480V50Hz/60Hz
再生制
最大值/时间
15％（注5）
动转矩
允许使用率
连续（注5）
额定输入交流电压，频率
三相，380V至480V50Hz/60Hz
电
交流电压允许波动范围
323至528V50Hz/60Hz
源
允许频率波动范围
±5％
电源容量（kVA）（注6）
2.1
4.0
4.8
8.0
11.5
16
20
27
32
41
52
65
79
99
保护结构0EM1030）
封闭型（IP20NEMAI）
开放型（IP00）
冷却方式
自冷
强制
风冷
大约重量（kg），连同DU
3.0
3.0
3.0
3.0
5.5
6.0
7.0
13.0
13.0
13.0
24.0
24.0
35.0
36.0
第五章系统安装
5.1变频器与PLC的连接
5.2PLC的控制系统连接图
第六章变频器参数设置和使用
6.1变频器的基本设置
6.1.1操作面板的名称和功能
6.1.2按[MODE]键改变监视
注：
频率设定模式仅当操作模式为PU模式时显示
6.1.3监视模式
●监视模式下的指示的操作命令
EXT指示灯亮表示外部的操作：
PU指示灯亮表示PU操作
EXT和PU灯同时亮表示PU和外部操作模式组合方式
●监视显示在运行中也能改变
6.1.4频率设定模式
在PU模式下设定运行频率
6.1.5参数设定模式
●一个参数设定既可以用数字键也可用[UP/DOWN]键增减
●按下[SET]键1.5S写入设定值并更新
请把Pr.79操作模式选择设定为1，或操作模式设定为PU模式
6.1.6操作模式
●报警纪录
用[UP/DOWN]键能显示最近4次报警（带有“.”的表示最近的报警）。
当报警存在时，显示E.____0
●报警纪录清除
清除所有报警纪录
●参数清除
将参数值初始化到出厂设定,校准值不被初始化
（Pr.77设定为1时（即写入参数禁止）,参数值不能被消除.）
●全部消除
将参数
升级会员 