三相异步电机在水处理工程中变频节能控制系统研究.docx

1、三相异步电机在水处理工程中变频节能控制系统研究 网络教育学院本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 原创题 目：三相异步电机在水处理工程中变频节能控制系统研究学习中心： 奥鹏青岛直属学习中心 层 次： 专升本 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2009年09秋季 学 号： 学 生： 指导教师： 许 光 伟 完成日期： 2011 年 09 月 18 日 内容摘要低碳已经成为一个世界性的话题，而电能的消耗主要是工作使用，三相异步电机占了很大的比重。本文结合笔者所从事的水处理行业，就目前大家所一致倡导的节能减排与低碳问题，论述了采用变频器、仪表与PLC相结合的一种节能增效方案。该方案抛弃以前对水

2、泵简单的工频启动，然后维持工频运行，通过阀门降压，白白的浪费了大量能源，转而采用压力变送器检测，PLC信号收集，流量变送器作为保护信号，把信号传递给PLC，通过PLC程序，做出PID控制，使的电机比较平稳的维持合适的转速，从而达到一个节能的效果。关键词：三相异步电动机；仪表；PLC；保护；变频器目 录内容摘要 2引 言 51 绪 论 61.1 课题的背景和意义 61.2 水处理行业中节能技术国内外发展现状 61.2.1 水处理行业中节能技术国外发展现状 61.2.2 水处理行业中节能技术国内发展现状 61.3 异步电机在水处理行业中应用变频技术进行节能的情况与未来发展趋势 62 三相异步电动机

3、原理 72.1 三相异步电动机的基本组成 72.2 三相异步电动机的工作原理 72.3 三相异步电动机的特点与应用 82.3.1 三相异步电动机的特点 82.3.2 三相异步电动机的主要应用 83 三相异步电机在水处理工程中变频节能控制系统介绍 83.1 三相异步电机在水处理工程中变频节能控制系统构成 83.2 三相异步电机在水处理工程中变频节能控制系统的工作原理 93.2 三相异步电机在水处理工程中变频节能控制系统的控制单元 104 控制系统硬件的电路设计 114.1 系统主电路设计与硬件组态 114.2 系统控制电路设计 124.3 系统主程序设计与其中的PID算法 164.4 系统程序中

4、电气保护的设计 195 结 论 215.1 工业现场的应用介绍与节能效果介绍 215.2 对节能减排的重大意义 21参考文献 22附 录 23引 言目前世界各地水环境急剧恶化，水处理设备也正处于大规模应用的一个起始阶段，而在水处理设备中，反渗透膜的应用占了很大的一个比重，但是反渗透膜的使用有一个无法避免的缺点，就是随着时间的推移，膜的渗透压会越来越大，因此，以本人所在的水处理公司为例，在设计这种系统时，都是按照三年后，膜的渗透压来对应选的增压水泵，所以，在设备的使用初期，增压泵实际使用效率，往往只有70-80%，而增压泵大多又是一些大功率电机来带动，少则几十千瓦，应用于海水的甚至达到几百千瓦。

5、如果不考虑初期这其中近30%的能源，将会造成极大的浪费。所以在最近几年中，很多人也意识到了这个问题，各种各样的节能方案也是层出不穷，其中有安装种各样的能量回收装置，也有直接安装变频器的，其中能量回收装置，有使用维护简单，应用方便的特点，但是目前却无法大规模的应用，因为这项技术目前仍然是被少数几个外国公司所垄断，并且价格奇高，因此，影响了它的推广。而变频节能技术，就目前而言，已经是一种成熟的技术，不存在技术壁垒，应用也比较方便而直接，因此，成为目前水处理行业进行节能降耗的一个最主要方案。如上所述，针对目前水处理行业的这种发展趋势，本文论述的节能方案，在原理上，采用变频技术，进行三相异步电动机的降

6、低速度，降低电流，并且加入了压力仪表与PLC装置，让水泵进行恒压供水，提高了电机的运行平稳性，再加入流量仪表，作为保护仪表，在有压力，却持续的无水流情况下，自动断开，保护水泵与水处理设备，从而实现了三相异步电动机的平稳、低耗的运行，达到了节能的目的。1 绪 论1.1 课题的背景和意义 目前的世界，能源日益紧张，环境日趋恶化。节能减排，改善人类生存的环境，正成为越来越多人们的共识。电能是所有能源种类中最易被人类使用的一种能源，也是很多其它能源所转换的一个对象，因此，对电能的节约，也就是相应的节约了其它类型的一次性能源，比如煤、油、气等非再生能源。而人类水环境也日益恶化，水处理是建立在能源消耗基础

7、之上的，因此，水处理这个行业，也在不断的探求各种各样的节能方案，其中就包括对水处理设备的驱动电机采用变频节能技术。1.2 水处理行业中节能技术国内外发展现状1.2.1 水处理行业中节能技术国外发展现状目前，在水处理行业中，针对节能技术，国外公司采用的做法，大都是从三个方面入手，一是从源头入手，改善反渗透膜的透膜压差，从而降低进水增压泵的扬程从而达到节能效果；二是对增压泵采用变频技术，在设备的运行初期，会有比较明显的节能效果；三是采用能量回收装置，将损失的能量进行回收利用。1.2.2 水处理行业中节能技术国内发展现状目前，在国内的水处理行业中，针对节能技术，采用与国外公司类似的做法，也是从三个方

8、面入手，但是不同的是，国内的行业，受制于技术与成本方面的压力，大多还是从前二项入手。其中，进入门槛最低的就是变频节能技术。这也是水处理行业国内公司最普遍采用的做法。其它比如改反渗透膜的性能，降低渗透压需要前期巨大的研发投入，并且周期很长，还伴随着研发能否成功的不确定性；而能量回收装置，则是技术现在主要被国外的几家大公司垄断，再加上国内进口关税较高，这样就造成使用成本居高不下。而这也就间接的引导了目前国内的水处理行业对变频节能技术的大量应用。1.3 异步电机在水处理行业中应用变频技术进行节能的情况与未来发展趋势目前的水处理行业，驱动力主要来自于水泵，而水泵除个别的泵采用电磁脉冲泵与磁力泵外，约大

9、多数的泵采用异步电机进行驱动，并且大功率的水泵，基本都采用三相异步鼠笼电机进行驱动。这类电机经济实惠，皮实耐用的特点在这种场合得到了发挥，也为变频节能技术的顺利实施提供了基础。目前的变频器，已经出现了专门针对风机、水泵等低转矩负载开发的专用变频器，这也为水处理行业变频节能控制系统的推广与使用铺平了道路。2 三相异步电动机原理三相异步电机(Triple-phase asynchronous motor)是靠同时接入380V三相交流电源（相位差120度）供电的一类电动机，由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速旋转，存在转差率，所以叫三相异步电机。2.1 三相异步电动机的基本组

10、成 三相异步电动机的主要结构由以下几部分构成：1、磁路部分：1.1、定子铁心（由0.35mm0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成，减少了由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。铁心内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕圈）；1.2、转子铁心（用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组）2、电路部分：2.1定子绕组（三相绕组由三个彼此独立的绕组组成，且每个绕组又由若干线圈连接而成。线圈由绝缘铜导线或绝缘铝导线绕制。）2.2转子绕组（绕线形与笼形）3、机械部分：机座、端子、轴和轴承等。2.2 三相异步电动机的工作原理 电

11、机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。 三相异步电机是感应电机，定子通入电流以后，部分磁通穿过短路环，并在其中产生感应电流。短路环中的电流阻碍磁通的变化，致使有短路环部分和没有短路环部分产生的磁通有了相位差，从而形成旋转磁场。通电启动后，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，即旋转磁场与转子存在相对转速，并与磁场相互作用产生电磁转矩，使转子转起来，实现能量变换。 2.3 三相异步电动机的特点与应用 2.3.1 三相异步电动机的特点优点：与单相异

12、步电动机相比，三相异步电机结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省各种材料，价格便宜。 缺点：功率因数滞后，轻载功率因数低，调速性能稍差。2.3.2 三相异步电动机的主要应用三相异步电机功率大，主要制成大型电机。它一般用于有三相电源(Triple-phase power)的大型工业设备中。首先说明一点的是，三相异步电机只用于电动机，极少用作发电机，都是同步电机用来发电。 对于1kW以下的小功率三相异步电机，不仅可以作三相运行，而且也可以作单相运行。 3 三相异步电机在水处理工程中变频节能控制系统介绍3.1 三相异步电机在水处理工程中变频节能控制系统构成三相异步电机在水处理工程中变频节能控制系统

13、主要有三大部分组成1、 变频器调速变频调速技术是近十几年来迅速发展起来的比以往任何调速方法更加优越的新技术，因其具有节能效果明显、调速曲线平滑、调速过程简单、安全可靠、保护功能齐全、起动性能优越、自动化程度高等特点而受到越来越多的企业的青睐，被应用到工业生产控制过程中的任何场合，显著的节能效果给众多的企业带来了巨大的经济效益。特别是近几年来随着IGBT功率元件和DSP微处理系统在变频器中的应用，变频器本身已非常成熟，使得变频调速技术的优越性更加突出，传动效率越来越高，使用越来越方便，可靠性也得到了进一步的提高。2、 可编程控制器(PLC)自动控制现代工业生产是复杂多样的，它们对控制的要求也各不

14、相同。可编程控制器(PLC)由于具有以下特点而深受工厂工程技术人员的欢迎。(1) 可靠性高，抗干扰能力强其平均无故障时间大大超过IEC规定的10万小时，同时，有些PLC还采用了冗余设计和差异设计，进一步提高了其可靠性。(2) 适应性强，应用灵活多数采用模块式的硬件结构，组合和扩展方便。(3) 编程方便，易于使用梯形图语言和顺控流程图语言(Sequential Function Chart)使编程简单方便。(4) 控制系统设计、安装、调试方便设计人员只要有PLC就可进行控制系统设计，并可在实验室进行模拟调试。(5) 维修方便，工作量小PLC有完善的自诊断、历史资料存储及监视功能，工作人员可以方便

15、的查出故障原因，迅速处理。(6) 功能完善除基本的逻辑控制、定时、计数、算术运算等功能外，配合特殊功能块，还可以实现点位控制、PID运算、过程控制、数字控制等功能，既方便工厂管理又可与上位机通信，通过远程模块还可以控制远方设备。由于具有以上特点，使得PLC的应用范围极为广泛，可以说只要有工厂、有控制要求，就会有PLC的应用。3、 信号采集系统信号采集系统主要由仪表构成，仪表主要有两种，一种是压力变送器，将采集到的压力信号传递到PLC，由PLC进行控制，另一种是流量变送器，将水的流量信号传给PLC，起到一个对设备的保护作用。压力变送器的加入，使得这套变频节能控制系统得以实现自动化，而流量仪表的加

16、入，通过对流量与压力有双重判断，互相比较与验证，则大大提高了这套控制系统的可靠性。3.2 三相异步电机在水处理工程中变频节能控制系统的工作原理变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。其特点： 效率高，调速过程中没有附加损耗； 应用范围广，可用于笼型异步电动机； 调速范围大，特性硬，精度高； 水泵为平方转矩负载，即水泵的负载转矩与转速的平方成正比，而轴功率和负载转矩与转速的乘积成正比，因此，水泵的轴功率与电机转速的立方成正比。由此可知，当要求出

17、水压力降低或是出水量减少时，可使电机转速降低，而电机转速微量减少，将使功率大幅下降，节能效果十分明显。本变频调速系统经过优化设计，精心的设备选型，合理的编程，配合正确的信号给定，使得电机始终处于最佳运行状态，节能挖潜得到了最大的发挥。3.2 三相异步电机在水处理工程中变频节能控制系统的控制单元三相异步电机在水处理工程中变频节能控制系统中的主要控制单元分别是变频器、PLC系统、相关的电路及继电器等。三相异步电机直接受控于变频器，电机的启、停、加/减速全部由变频器根据PLC的指令来完成，PLC与变频器、电机、信号采集部分则是通过相关的电气电路来进行连接与指令的传递。作为现场级测控设备，变频器的选用

18、除考虑到功能外，还要考虑到它的可靠性及抗过载能力，在水处理项目中，大多选用ABB、施耐德、SIEMENS等公司的变频器进行使用。而随着变频器技术透明度的增加及国内电气公司对研发力量的持续投入，目前国内的一些变频器厂家也正在被客户逐步认可与接受，以笔者所在公司为例，5年之前，公司95%以上的变频器采用的是进口品牌，基本上全是ABB、施耐德、SIEMENS、AB等公司的产品，而最近几年，国产变频器也在逐步的得到应用，像四方、康沃等产品正在逐步的被认可，目前国产变频器的应用已经可以达到20%左右了。PLC是这套控制系统的核心，是最关键的部分，必须具有极高的可靠性。其平均无故障时间大大超过IEC规定的

19、10万小时，同时，有些PLC还采用了冗余设计和差异设计，进一步提高了其可靠性。PLC系统大多采用SIEMENS公司的产品，具有产品涵盖全，性能稳定可靠，销售网点多，售后服务好等一系统列的优点。电路与继电器属于是这套控制系统的神经，只要满足接触良好，触点动作可靠即可。4 控制系统硬件的电路设计4.1 系统主电路设计与硬件组态以90KW电机三相异步电机为例，系统的一次回路主要由熔断器、断路器、变频器、三相异步电机及相关连接导线组成。结构如下图：图4.1 系统主电路图(单台)图中熔断器提供对变频器的一个快熔保护，防止瞬间电流的冲击，对变频器造成致命损伤，断路器主要起到一个电机供电电路的接通、切断功能

20、，变频器则对电机进行调速操作，通过调速，来达到降低电流的效果，从而达到节能的目的，实现设计目标。整套系统的硬件组态如图：图4.2 控制系统结构图在这套系统中，PLC是整个控制系统的核心组成部分，PLC将采集到的压力信号进行分析，然后根据PID算法，做出闭环控制，通过变频器来实现对电机的连续不间断的调速，从而保证了电机的平滑运转，既达到了节能降耗的目的，又可延长电机的使用寿命，降低电机噪音，改善水处理设备的使用工况。4.2 系统控制电路设计系统的控制电路，包含了变频器、PLC、信号采集系统的的接线及三者之间的通讯联系。其中变频器以ABB公司的ACS510系列变频器为例；PLC以SIEMENS公司

21、的S7400系列；信号采集系统中压力变送器以日本横河EJA变送器为例，流量仪表以美国GF的8550为例，控制电路设计如下：图4.3 变频器部分原理接线图图4.4 PLC系统的网络架构图图4.5 GF品牌8550流量仪表的接线图图4.4 横河川仪品牌EJA430A压力变送器接线图4.3 系统主程序设计与其中的PID算法电机的PLC控制调用程序如下：“FC_PUMP”：程序段1： AN #DI_Remote A #Cmd R #Cmd程序段2： A #DI_Remote = L 0.0 A L 0.0 A #Cmd AN #DI_Run = #DO_Start A L 0.0 AN #Cmd A

22、#DI_Run = #DO_Stop程序段3： A( A #Cmd A #DI_Run O AN #Cmd AN #DI_Run ) A #DI_Remote = L 0.0 A L 0.0 BLD 102 = #OK A L 0.0 JNB _001 L 0 T #Count_001: NOP 0程序段4： A #DI_Remote AN #OK A Pulse_1s A( L #Count L 20 I /超过10S，则断定为电机启动故障，退出运行，进行保护。 = #Err水泵的控制程序如下：“P_CTR”：程序段1： CALL FC_Pump /调用泵控制程序 DI_Remote:=NC

23、 DI_Run :=P.GY1.DI_Run DO_Start :=DO_P_GY_Start1 DO_Stop :=DO_P_GY_Stop1 Err :=P.GY1.OT_Err /故障返回 OK :=P.GY1.OK Cmd :=P.GY1.Cmd /水泵启停指令 Count :=P_Tmp.GY14.4 系统程序中电气保护的设计在整个控制系统的程序中，为了增加可靠性，加设了一套保护程序，当PLC检测到设备处于正常的运行状态，并且电机在运行，管路当中有压力，但是却没有流量，这种情况只要连续出现5秒，就认为是设备故障，程序会立即自动停止设备的运行，将电机停掉。“ANALOG”： /模拟量转

24、换程序 CALL FC 105 /调用程序 IN :=FLOW /导入流量信号 HI_LIM :=1.000000e+003 /设定上限 LO_LIM :=0.000000e+000 /设定下限 BIPOLAR:=NO RET_VAL:=#TMP OUT :=AI.DB_FLOW_ROA_1 /转换成浮点数 “P_PROT”： /水泵的断流保护程序程序段1： A P.GY1.DI_Run A( L AI.DB_FLOW_ROA_1 L 5.000000e+000 =R ) A( L AI.DB_P_GY1_TEMP L 30 =R ) JNB _01b L 0 T AI.DB_P_GY1_TE

25、MP_01b: NOP 0程序段3： L AI.DB_P_GY1_TEMP L 5 =I = “PROT_GY1”5 结 论5.1 工业现场的应用介绍与节能效果介绍以山东龙凤热电厂反渗透系统变频节能控制系统为例，在方案设计初期，为节省成本，原设计未设置变频装置，后经综合考虑，增加了变频系统，共有6台90KW的电机，单台的额定电流为167A，在设备投运初期，启用变频器后6台水泵的运行电流基本都维持在120A左右，6台设备运行情况是5用1备的模式，而使用中的设备，平均每台电机每天的运行时间都在20-23小时之间，以22计，考虑到随时间反渗透膜的渗透压渐增大，到3.5年后达到当初的设计压力，需要电机

26、的满负荷运行来计算，在这3.5年中，大约可以节省电能182.683万千瓦时，而节省出来的这些电能，可能满足大约1650户普通城市家庭1年的总用电量。5.2 对节能减排的重大意义节能减排指的是减少能源浪费和降低废气排放。 我国“十一五”规划纲要提出，“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20左右、主要污染物排放总量减少10。这是贯彻落实科学发展观、构建社会主义 和谐社会的重大举措；是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择；是推进经济结构调整，转变增长方式的必由之路；是维护中华民族长远利益的必然要求。我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环 境代价，经济发展与资源环境的矛

27、盾日趋尖锐，群众对环境污染问题反应强烈。这种状况与经济结构不合理、增长方式粗放直接相关。不加快调整经济结构、转变增 长方式，资源支撑不住，环境容纳不下，社会承受不起，经济发展难以为继。只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快发展。同时，温室气体排放引起全球气候变暖，备受国际社会广泛关注。进一步加强节能减排工作，也是应对全球气候变化的迫切需要，是我们应该承担的责任。而作为用电大户的工业用电，如果能够尽可能的考虑应用像变频技术等这种节能技术，那对于我国的能源困局和生存环境将会产生极大的改善。参考文献1 王志新.三相异步电动机的工作原理. 北京：机械工业出版社，2010，978-7

28、-111-31661-9.2 西门子股份有限公司自动化与驱动集团. S7-300/400的系统软件和标准功能参考手册. D- 90327 Nuernberg，2004.3 西门子股份有限公司自动化与驱动集团. S7v54编程使用手册. 纽伦堡D- 90437，2006.3.4 ABB 电气传动系统有限公司，ACS510 变频器手册，2007.5 GF公司,GFSIGNET仪表技术手册,2010.附 录(1) I/O清单；序号描述I/O类型电气特性供电方信号类型量程单位备注1高压泵1运行DI24VDCPLC供电开关量2高压泵1停止DI24VDCPLC供电开关量3高压泵1故障DI24VDCPLC供电开关量4高压泵1远控DI24VDCPLC供电开关量5高压泵1启动DO220VAC外供电开关量6高压泵1停止DO220VAC外供电开关量7高压泵1电流反馈AI外供电4-20mA0-300A8高压泵1转速反馈AI外供电4-20mA0-2900R9高压泵1变频给定AO外供电4-20mA0-100%10RO1进水流量AI外供电4-20mA0-300T/H11RO1进水压力AI外供电4-20mA0-2.5Mpa12高压泵2运行DI24VDCPLC供电开关量13高压泵2停止DI24VDCPLC供电开关量14高压泵2故障DI24VDCPLC供电开关量15高压泵2远控DI24VDCPL