變頻調速恒壓供水系統(tǒng)電路.doc

變頻調速恒壓供水系統(tǒng)電路的設計摘 要變頻調速恒壓供水系統(tǒng)對工業(yè)用水和居民生活用水都具有重大意義。因此開發(fā)一種新型的、自動化程度高、可靠性高、節(jié)能效果好的供水系統(tǒng)迫在眉睫。本設計是針對居民生活用水而設計的。采用了臺達VFDF型的變頻器和三菱系列型的PLC。由變頻器、PLC、PID調節(jié)器組成控制系統(tǒng)，調節(jié)水泵的輸出流量。電動機泵組由四臺水泵組成，由變頻器或工頻電網(wǎng)供電，根據(jù)供水系統(tǒng)出口水壓和流量來控制變頻器電動機泵組的速度和切換，使系統(tǒng)運行在最合理狀態(tài)，保證按需供水。變頻器為主體構成的恒壓供水系統(tǒng)不僅能夠最大程度滿足需要,也能提高整個系統(tǒng)的效率,延長系統(tǒng)壽命、節(jié)約能源、而且能夠構成復雜的功能強大的供水系統(tǒng)。本文主要從變頻調速的應用前景出發(fā)闡述了恒壓供水變頻調速研究的意義，簡要的介紹了恒壓供水的發(fā)展過程、指出在設計過程中采用變頻器及PLC的優(yōu)點及應用，針對目前不足提出本課題的任務及目標。關鍵詞 ：變頻調速 恒壓供水 PLC AbstractFrequency Control Water Supply System in the industrial water and water life of the residents are of great significance. Therefore the development of a new, high degree of automation, high reliability, energy-saving effect of a good water supply system is extremely urgent. This design is for residents living water designed. Taiwan used to VFD - F-Series-Mitsubishi Drives and the PLC. By the frequency converter, PLC, PID regulator component control system to regulate the flow pump output. Motor pumping systems composed by four water pumps, or the frequency converter from the power grid electricity, water supply systems based on exports to control water pressure and flow rate of inverter motor pumps and switches, so that the system is running in the most reasonable state to ensure that On-demand water supply. Converter as the main body of a constant pressure water supply system can not only satisfy the maximum extent necessary, can also improve the efficiency of the system as a whole, life extension systems, energy conservation, but also a complex of the powerful water supply system. This article from the VVVF the prospect of constant pressure on the water on the significance of Frequency Control, briefly introduced the constant pressure of the water development process, pointing out that in the process of designing a converter PLC and the strengths and applications, In light of the issues raised under the mandate and objectives. Keywords ：Frequency Control Water Supply PLC 目 錄前言1第一章 緒論2第一節(jié) 課題研究的背景2第二節(jié) 可編程控制器的特點及應用4第三節(jié) 畢業(yè)設計的任務及要求5第二章 交流變頻調速器7第一節(jié) 變頻器的變頻與變壓7第二節(jié) 變頻器的構成與功能10第三節(jié) 變頻調速技術的原理12第三章 通用變頻器的介紹13第一節(jié) 變頻器組成與功能15 第二節(jié) 變頻器的主要外接電路12第三節(jié) 變頻器主要參數(shù)簡介20 一、啟?？刂品绞?0 二、與頻率設定相關的參數(shù)22 三、 頻率給定方式24 四、變頻器的控制方式 24 五、工藝參數(shù)25 六、 變頻器參數(shù)26 七、PID調節(jié)功能參數(shù)26 八、報警與故障參數(shù)27第四章 頻調速恒壓供水系統(tǒng)電路的設計28 第一節(jié) 統(tǒng)的供水電路的弊端.28第二節(jié) 頻調速電路的特點28第三節(jié) 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)電路的設計28 一、系統(tǒng)功能要求28 二、系統(tǒng)設計方案29 三、變頻調速恒壓供水系統(tǒng)電路30 四、變頻器的參數(shù)設定31 五、PLC梯形圖33 六、系統(tǒng)工作過程36結束語36參考文獻3738前 言飲水工程對每個人來說都是非常重要的，供水系統(tǒng)也在現(xiàn)代工業(yè)中無處不在。然而，作為飲水工程中最重要的的供水這一環(huán)節(jié)目前卻存在著很多問題，傳統(tǒng)供水方式已經(jīng)不能滿足當前社會的發(fā)展和需要。在對目前有的幾種傳統(tǒng)供水方式做比較后我們發(fā)現(xiàn)，它們各有優(yōu)缺點如下：一、水塔。其基建投資大，占地多，維修不方便，水泵為硬啟動，啟動電流大，控制柜內觸點多易燒壞，若啟動頻繁，電機易燒， 聯(lián)軸器易壞 。其優(yōu)點是控制方式簡單，短時維修或斷電可不挺水，當用水量很小時，可以長時間不開泵。二、氣壓罐。為了減少水泵啟動次數(shù)，停泵壓力往往比較高，致使水泵工作在低效階段，同時出水壓力無謂的增高，也使浪費加大。所以這種方式比水塔要費電，因水泵為硬啟動，聯(lián)軸器沖擊大，啟動電流大，觸點易燒壞，當用水量大時將造成電機啟動頻繁，電機易燒壞。其優(yōu)點是控制方式簡單，便于維修，當罐內儲滿時，允許短時不斷水維修，在用水量很小時，可以長時間不開泵，價格也較低。三、液力耦合器和電池滑差離合器調速的供水方式。這種方式漏油，發(fā)熱需冷卻，效率低，改造麻煩。只能是一對一驅動，需經(jīng)常檢修。但其價格低廉，結構簡單明了，維修較方便。四、單片機變頻調速供水系統(tǒng)。此系統(tǒng)也能作到變頻調速，自動化程度要優(yōu)于前三種，但是系統(tǒng)開發(fā)周期較長，對操作員素質要求比較高，可靠性低，維修不方便，且不適于惡劣的工業(yè)環(huán)境。由上述我們可看出，傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)浪費了很多水力資源、電力資源，效率低下，可靠性也較低，它們還有個共同的大缺點就是自動化程度不高，跟不上時代發(fā)展的需求，嚴重影響了居民的用水和工業(yè)系統(tǒng)中的用水。所以開發(fā)一種新型的自動化程度高、可靠性高、節(jié)能效果好的供水系統(tǒng)迫在眉睫。本文是基于PLC控制的變頻調速恒壓供水系統(tǒng)電路，它有許多優(yōu)點：提高整個系統(tǒng)的效率,延長系統(tǒng)使用壽命、節(jié)約能源、而且能夠構成復雜的功能強大的供水系統(tǒng)。第一章 緒論第一節(jié) 課題研究的背景自從20世紀80年代以來，變頻調速技術在工業(yè)化國家已開始了規(guī)模的應用。80年代末，我國的民用及工業(yè)建筑電氣設計等領域也開始使用變頻調速技術。變頻調速與傳統(tǒng)（如直流電機調速）比較，具有很大的優(yōu)越性：整個系統(tǒng)體積小，重量輕，控制精度高，保護功能完善，操作過程簡便、可靠性高、通用性強，尤其是該技術用于一些高耗能設備的控制上，具有非常顯著的節(jié)能效果：通過對用電設備進行變頻調速技術改造，可使總耗電量減少30%40%，節(jié)能的量級產(chǎn)生了一種飛躍。變頻調速恒壓供水系統(tǒng)是變頻調速技術最典型的應用。該系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果，較高的控制精度，而且使用與維修方便，收到了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。應用變頻恒壓供水，因為水箱能大幅度減小，因此能夠有效地減小樓房的載荷，由于減小了供水水箱和樓房的載荷，可以節(jié)約工程造價，相應的也擴大了樓房的面積。由于采用變頻調速，減少了供水水泵的頻繁啟動，可以使水泵工作在高效狀態(tài)，從而可以節(jié)約資源，減小對電網(wǎng)的沖擊。由于電動機所消耗的功率與轉速的立方成正比，因而可以獲得較好的節(jié)能效果。傳統(tǒng)的供水方法一般有兩種：1、水箱/水塔的供水 供水系統(tǒng)采用水箱/水塔，稱為重力供水。供水壓力比例恒定，且有儲水。但它由水位高度形成的壓力來進行供水的，為此，需要建造水塔或水箱置于建筑物的屋頂上。即使如此，在大型建筑中還常常不能滿足最不利供水點的供水要求，難于滿足不斷增加的用水需要。同時由于在屋頂形成很大的負重，增加了結構面積，也妨礙美觀。此外，屋頂水箱必須高出水面幾米，建筑方面較難處理，而且投資周期長。2、氣壓供水 氣體給水系統(tǒng)不在屋頂上設置水箱，也不用單獨建筑水塔，僅在地下室或某些空曠之處加壓送到管網(wǎng)中去。其優(yōu)點是靈活性大，建筑快，少受污染，不妨礙美觀。此外，有利于擴展與消除管道中的水錘與噪聲，且可以通過改變壓力罐來滿足不斷增加的供水要求。缺點是需要壓力罐，其體積和投資大，壓力變化大，運行效率低，還需要使用張力膜或設置空氣壓縮機充氣。因此，電能消耗大，運行費用高。所謂恒壓供水，是指通過閉環(huán)控制，使供水的壓力保持恒定，實現(xiàn)完全匹配（供水，用水保持平衡）供水。其主要意義：1、提高供水質量用戶用水的多少是經(jīng)常變動的，因此供水不足和供水過剩的情況時有發(fā)生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多則壓力小，用水少則壓力大。保持供水系統(tǒng)的壓力恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，壓力保持恒定，從而提高了供水的質量。2、節(jié)約能源用變頻調速來實現(xiàn)恒壓供水，與調節(jié)出水口閥門來實現(xiàn)恒壓供水相比較，節(jié)能的效果是非常顯著的。 本變頻調速恒壓供水系統(tǒng)采用一臺變頻器控制四臺水泵輪流切換。利用變頻器、PID調節(jié)器、PLC等器件的有機結合構成控制系統(tǒng)。調節(jié)水泵的輸出流量。其中水泵電機是輸出環(huán)節(jié)，轉速由變頻器控制，實現(xiàn)變流量恒壓控制。壓力傳感器檢測出水泵出水口附近配管內的壓力，作為反饋信號送給壓力調節(jié)器，并于出口水壓的給定值比較，得到輸出給變頻器的頻率指令，調節(jié)電機轉速，控制出口壓保持恒定。由流體力學的伯努利原理知道：流量增大，出口壓減小，此時輸出較高的頻率指令，使轉速增大，從而維持出口壓恒定。變頻調速恒壓供水控制最終是通過調節(jié)水泵轉速來實現(xiàn)的。3、變頻調速恒壓供水控制系統(tǒng)的主要特點（1） 高效節(jié)能。（2） 占地面積小，投入少，效率高。（3） 配置靈活，自動化程度高，功能齊全，靈活可靠。（4） 運行合理，由于一天內的平均轉速下降，軸上的平均扭矩和磨損減小，水泵的壽命將大為提高。（5） 由于能對水泵實現(xiàn)軟停和軟起，避免啟動時對水泵的沖擊及停機時的水錘效應。（6） 操作簡便，省時省力。第二節(jié) 可編程序控制器的特點及應用早期的可編程序控制器(Programmable Logic Controller PLC),主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著計算機技術、通信技術和自動控制技術的迅速發(fā)展,可編程序控制器將傳統(tǒng)的繼電器控制技術與新興的計算機技術和通信技術融為一體,具有可靠性高、功能強、應用靈活、編程簡單、使用方便等一系列優(yōu)點,以及良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動控制目標實現(xiàn)性能,在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。1969年,美國數(shù)字設備公司(DEC)研制出世界上第一臺可編程控制器。早期的可編程控制器由分離元件和中小規(guī)模集成電路組成,主要功能是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時等。70年代初期,體積小、功能強和價格便宜的微處理器被用于PLC,使得PLC的功能大大增強。在硬件方面,除了保持其原有的開關模塊以外,還增加了模擬量模塊、遠程I/O模塊和各種特殊功能模塊。在軟件方面,PLC采用極易為電氣人員掌握的梯形圖編程語言,除了保持原有的邏輯運算等功能以外,還增加了算術運算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。進入80年代中、后期,由于超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展,微處理器的市場價格大幅度下跌,使得PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且,為了進一步提高PLC的處理速度,各制造廠商還研制開發(fā)了專用邏輯處理芯片,大大提高了PLC軟、硬件功能。在發(fā)達工業(yè)國家,PLC已經(jīng)廣泛的應用在所有的工業(yè)部門。據(jù)“美國市場信息”的世界PLC以及軟件市場報告稱,1995年全球PLC及其軟件的市場經(jīng)濟規(guī)模約50億美元5。隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展,PLC的功能得到大大的增強,具有以下特點5,6,7：1、可靠性高PLC的高可靠性得益于軟、硬件上一系列的抗干擾措施和它特殊的周期循環(huán)掃描工作方式。2、具有豐富的I/O接口模塊PLC針對不同的工業(yè)現(xiàn)場信號,有相應的I/O模塊與工業(yè)現(xiàn)場的器件或設備直接連接。另外為了提高操作性能,它還有多種人機對話的接口模塊；為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡,它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊。3、采用模塊化結構為了適應各種工業(yè)控制需要,除了單元式的小型PLC以外,絕大多數(shù)PLC均采用模塊化結構。PLC的各個部件,包括CPU、電源、I/O等均采用模塊化設計,由機架及電纜將各模塊連接起來,系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶的需要自行組合。4、編程簡單易學PLC的編程大多采用類似于繼電器控制線路的梯形圖形式,對使用者來說,不需要具備計算機的專門知識,因此很容易被一般工程技術人員所理解和掌握。5、安裝簡單,維修方便PLC不需要專門的機房,可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運行。各種模塊上均有運行和故障指示裝置,便于用戶了解運行情況和查找故障。由于采用模塊化結構,因此一旦某模塊發(fā)生故障,用戶可以通過更換模塊的方法,使系統(tǒng)迅速恢復運行。由于PLC強大功能和優(yōu)點,使得PLC在我國的水工業(yè)自動化中得到廣泛的應用。PLC在水工業(yè)自動化中的應用主要有水廠監(jiān)控系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、自動加氯、自動加礬、水泵變頻調速、SCADA系統(tǒng)和供水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)等。其主要功能是進行工藝參數(shù)的采集、生產(chǎn)過程控制、信息處理、設備運行狀態(tài)監(jiān)測以監(jiān)測等。第三節(jié) 畢業(yè)設計任務及要求畢業(yè)設計課題是變頻調速恒壓供水系統(tǒng)監(jiān)控軟件設計,大體為以下四項內容：1、變頻調速恒壓供水系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展主要介紹其系統(tǒng)的目的和意義,簡述了目前我們常用的供水系統(tǒng),根據(jù)社會發(fā)展的需要必須要進行技術改造,變頻器的廣泛應用,隨著技術的發(fā)展,其優(yōu)越性越來越多,主要是節(jié)能、恒壓、綜合技術的集成等,以后將朝大容量、小體積、高性能、易操作、壽命高、可靠性強、無公害化發(fā)展,從而可以看出變頻調速恒壓供水的廣泛前景；同時介紹了該供水系統(tǒng)起關鍵作用的變頻調速技術和PLC的應用以及其特點。2、變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的理論原理主要介紹變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的工作原理,變頻器的節(jié)能、調速原理3、系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)主要介紹變頻調速恒壓供水監(jiān)控軟件的總體結構設計,包括了數(shù)據(jù)采集與通信,設備狀態(tài)控制及數(shù)據(jù)管理；供水監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)庫設計和供水監(jiān)控軟件結構設計都是采用Delphi6.0編程軟件及其中的數(shù)據(jù)庫開發(fā)Database Desktop而進行的。4、PLC與上位機間的串口通信設計主要介紹串行通信與并行通信的優(yōu)缺點,從而確定供水監(jiān)控軟件必須采用PLC與上位機的串口通信,然后進行通訊參數(shù)設置,開發(fā)出通信測試界面,用PLC通信程序指令實現(xiàn)串行通信?？傊?，通過完成畢業(yè)設計的主要內容，必須掌握變頻恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計的一系列技術；完成恒壓供水系統(tǒng)監(jiān)控軟件主窗體，設計出能正常運行的系統(tǒng)軟件；完成PLC與上位機間的串行通信設計，能夠進行通信測試。第二章 交流變頻調速器在交流調速系統(tǒng)中，變頻器的作用是將頻率固定（通常為工頻為50Hz）的交流電（三相的或單相的）變換成變頻連續(xù)可調（多數(shù)為0400Hz）的三相交流電。如圖2-1所示，變頻器的輸入端（R、S、T）接至頻率固定的三相交流電源，輸出端輸出的是頻率在一定的范圍內連續(xù)變化可調的三相交流電，接至電動機。圖2-1 變頻器的使用第一節(jié) 變頻調速器的基礎知識一、變頻器的變頻與變壓根據(jù)電機學原理可知，交流電動機的同步轉速 n0=60f1/P感應電電機轉速n=n0(1-s)=60f1/P*(1-s)式中，為f1供電頻率、P動機極對數(shù)、s轉差率。由此可見，若能連續(xù)的改變感應電動機的供電頻率f1，就可以平滑的改變電動機的同步轉速和相應的電動機轉速，從而實現(xiàn)感應電動機的無級調速，這就是變頻調速的基本原理。變頻調速的最大優(yōu)點是：電動機從高速到低速，其轉差率始終保持最小的數(shù)值，因此變頻調速時，變頻調速器的功率因數(shù)都很高?？梢姡冾l調速時一種理想的調速方式。但它需要特殊的變頻裝置供電，以實現(xiàn)電壓和頻率的協(xié)調控制。由電機學知E1=4.44f1N1Kn1mTe=CmmI2cosa式中，E1氣隙磁通在定子每相中的感應電動勢的有效值（V）f1定子頻率（Hz）N1定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)Kn1基波繞組系數(shù)m每極氣隙主磁通量（Wb）Te電磁轉矩（Nm）Cm為轉矩系數(shù)I2轉子電流折算至定子側的有效值cosa轉子電路的功率因數(shù)三相感應電動機正常運行時，定子阻抗壓降很小，因此可以忽略，則有U1E14.44f1N1Kn1m式中U1為定子相的電壓（V）。于是，主磁通m =E14.44f1N1Kn1U14.44f1N1Kn1由于4.44N1Kn1為常數(shù)，U1E1f1m 即感應電動勢的有效值與定子供電頻率和主磁通的乘積成正比，由于U1沒有變化，因此可以認為E1基本不變?，F(xiàn)假設從額定頻率fn向下調節(jié)頻率，此時主磁通將增加。若從額定頻率fn向上調節(jié)頻率，此時主磁通將減少。在關于電動機調速時，一個重要的因素是希望保持每極磁通為額定值，由于磁通增加將會引起鐵心過分飽和，勵磁電流急劇增加，導致繞組過分發(fā)熱，功率因數(shù)降低;磁通太弱，沒有充分利用電動機的鐵心，是一種浪費。而磁通減少 也會使電動機的輸出轉矩下降，如負載轉矩仍維持不變，勢必導致定、轉子過電流，也要產(chǎn)生過熱，因此希望保持磁通恒定。由此可見，只有控制好E1和f1，便可達到控制磁通的目的，對此，我們只需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。1、基頻以下調速由上可知，要保持主磁通不變，當頻率f1從額定值f1N向下調節(jié)時，必須同時降低E1，使E1/ f1=常數(shù)，即采用恒電動勢頻比控制方式。然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當電動勢較高時，可以忽略定子繞組的漏阻抗壓降，而認為定子相電壓U1和感應電動勢的有效值E1大約相等，則得U1/ f1=常數(shù)，即恒壓頻比控制方式。低頻時，U1和E1都較小，定子阻抗壓降所占的分量就比較顯著，不能忽略。這時，可以人為地把U1抬高一些，以便近似地補償定子壓降。2、基頻以上調速在基頻以上調速時，頻率可以從f1N往上增高，但電壓U1卻不能增加得比額定電壓U1N還要大，最多只能保持U1=U1N。由U1E1f1m可知這將迫使磁通與頻率成反比地減少，相當于直流電動機弱磁升速的情況。把基頻以下和基頻以上兩種情況結合起來，可得圖2-2所示的感應電動機變頻調速控制特性。圖2-2 感應電動機變頻調速控制特性由上面的討論可知，感應電動機的變頻調速必須按照一定的規(guī)律同時改變其定子電壓和頻率，即必須通過變頻裝置獲得電壓、頻率均可調的供電電源，實現(xiàn)所謂的VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)調速控制。通用變頻器可以實現(xiàn)本平臺上的基本要求。第二節(jié) 變頻器的構成與功能一、典型變頻器的基本結構變頻器由主回路和控制回路組成。如圖2-3所示典型的電壓變壓器的基本結構 圖2-3 典型的電壓變壓器的基本結構在許多場合，為了保持調速時電動機的最大轉矩不變，需要維持磁通恒定，以避免電動機帶負載能力降低和要大負載下過電流，這就要求變頻器輸出電壓值也要隨輸出頻率的變化作相應調節(jié)。而需要快速反應的場合，則必須控制輸出電流。此時，變頻器主回路的輸出電壓或輸出電流及頻率由控制回路的控制指令進行控制，而控制指令由外部給定的運轉指令經(jīng)過某些函數(shù)關系的運算求得，整個系統(tǒng)時開環(huán)的。而對于控制精度要求較高的場合，比如變頻調速恒壓供水系統(tǒng)電路，運算還應包括由電動機側檢測的反饋信號，此時系統(tǒng)時閉環(huán)的。另外，為了避免主回路過壓，過流引起的損壞，還應設有保護電路。1、主回路將工頻電源變成電壓或電流及頻率可調的交流電源來為感應電動機供電的電力變換部分為變頻器的主回路。主回路由變頻器、濾波回路和逆變回路三部分組成，另外，一旦電動機需要制動，需附加“制動回路”。2、控制回路現(xiàn)代通用變頻器都是數(shù)字控制的，微處理器是控制回路的核心，它通過輸入接口電路和通訊接口取得外部信號，通過檢測回路取得電壓、電流、溫度、轉速等運行信號，根據(jù)設置的運行方式，進行Uf控制、矢量控制或直接轉矩控制，間控制命令傳送給PWM控制回路，去觸發(fā)逆變器，實現(xiàn)變頻調速?？刂苹芈废蜃冾l器主回路提供多種控制信號?？刂苹芈钒ǎ簺Q定Uf控制的頻率電壓“運算回路”，主回路的“電壓電流”檢測回路、電動機的“速度檢測回路”，根據(jù)運算結果生成相應的PWM脈沖并進行隔離和放大的“PWM生成及驅動回路”，以及變頻器和電動機的“保護回路”。第三節(jié) 變頻調速技術的原理變頻調速技術(vaiahle vaiahle firequency technology)是一項綜合現(xiàn)代電氣技術和計算機控制的先進技術，廣泛應用于水泵節(jié)能和恒壓供水領域。變頻調速的基本原理是根據(jù)交流電動機工作原理中的轉速關系，即均勻改變電動機定子繞組的電源頻率，就可以平滑地改變電動機的同步轉速。電動機轉速變慢，軸功率就相應減少，電動機輸入功率也隨之減少。這就是水泵變頻調速的節(jié)能作用。眾所周知，水泵消耗功率與轉速的三次方成正比。即P=Kn3。其中P為水泵消耗功率；n為水泵運行時的轉速；K為比例系數(shù)。變頻調速和智能控制技術，可以使水泵運行的轉速隨流量的變化而變化，最終達到節(jié)能的目的。用閥門控制水泵流量時，部分有功功率被損耗浪費掉了，且隨著閥門不斷關小，這個損耗還要增加。如果采用降低電機轉速的方式進行控制，就避免了消耗在閥門的有功功率。這樣，在轉運同樣流量的情況下，僅需要輸入較低的功率，獲得節(jié)能效果。實踐證明，使用變頻設備可使水泵運行平均轉速比工頻轉速降低20%，從而大大降低能耗第三章 通用變頻器的介紹第一節(jié) 變頻器的組成與功能一、主控電路1、主控電路的基本任務（1） 接受各種信號在功能預置階段，接受對各功能的預置信號；接受從鍵盤或外界輸入端子輸入的給定信號；接收從外接輸入端子輸入的控制信號；接受從電壓、電流采樣電路以及其他傳感器輸入的狀態(tài)信號。（2） 進行基本運算進行矢量控制運算或其他必要的運算；實時計算出SPWM波形各切換點的波形（3） 輸出計算結果輸出至逆變管模塊的驅動電路，使逆變管按給定信號及預置要求輸出SPWM電壓波。輸出給顯示器，顯示當前的各種狀態(tài)。輸出給外接輸出控制端子。2、主控電路的其他任務（1） 實現(xiàn)各種控制功能；（2） 實施各項保護功能。二、面板控制器：操作面板由顯示器和鍵盤輸出器構成三、外接給定與輸入控制端1、外接給定端各種變頻器都配有接受從外部輸入給定信號的端子。根據(jù)給定信號類別的不同，通常有電壓信號給定端和電流信號給定端。2、外接輸入控制端接受外部輸入的各種控制信號，以便對變頻器的工作狀態(tài)和輸出頻率進行控制。四、外接輸出控制端1、報警輸出端：通常采取繼電器輸出。2、測量信號輸出端：模擬量測量信號和數(shù)字量測量信號。3、狀態(tài)信號輸出端：主要有運行信號、頻率到達信號、頻率檢測信號等，各輸出端的具體測量內容可通過功能預置來設置。狀態(tài)信號的輸出電路通常時晶體管的集電極開路輸出方式，用于直流低壓電路中。外電路可通過光電耦合管接受其信號，可直接用發(fā)光二極管來指示各種狀態(tài)。五、控制電源、采樣及驅動電路1、控制電源（1） 主控電路主控電路以微機電路為主體，要求提供穩(wěn)定性非常高05V電源。（2） 外控電路為給定的電位器提供電源，通常為05V或010V；為外接傳感器提供電源，通常為024V。2、采樣電路采樣電路的作用主要是提供控制用數(shù)據(jù)和保護采樣。（1） 提供控制用數(shù)據(jù)尤其是進行矢量控制時，必須測定足夠的數(shù)據(jù)，提供給微機進行矢量控制運算。（2） 提供保護采樣將采樣值提供給各保護電路（在主控電路內），在保護電路內與有關的極限值進行比較，必要時采取跳閘等保護措施。3、驅動電路用于驅動各逆變管。如逆變管GTR，則驅動電路還包括以隔離變壓器為主體的專用驅動電源。但現(xiàn)在大多數(shù)中、小容量變頻器的逆變管都采用IGBT管，逆變管的控制極和集電極、發(fā)射極之間是隔離的，不再需要隔離變壓器，因此主控電路常常和主控電路在一起。第二節(jié) 變頻器的主要外接電路變頻器的外接電路是變頻器的接線端子和外圍設備相連的電路，變頻器的接線端子分為主回路端子和控制回路端子。各變頻器的主回路端子相差不大，通常用R、S、T表示交流電源的輸入端，U、V、W表示變頻器的輸出端。一、 外接主電路的結構1、單獨控制的主電路變頻器在實際應用中，還需要和許多外接的配件一起使用，圖3-1所示為單獨控制的外接主電路。QF是空氣斷路器，KM是接觸器的主觸點，UF是變頻器。（a） 實際接線 （b） 電路符號圖3-1 變頻器的外接主電路空氣斷路器的主要功能是：（1） 隔離作用。當變頻器需要檢修，或由于某種原因而長時間不用時，將QF切斷，使變頻器與電源隔離。（2） 保護作用。當變頻器的輸入側發(fā)生短路故障時，進行保護。接觸器的主要功能是：（1）可通過按鈕方便的控制變頻器的通電與斷電。（2）變頻器發(fā)生故障時，可自動切斷電源。由于變頻器有比較完善的過電流和過載保護功能，且空氣斷路器也具有過電流保護功能，因此進線側可不必接熔斷器。又由于變頻器內部具有電子熱保護功能，因此在只接一臺電動機的情況下，可不必接熱繼電器。2、和工頻切換的主電路和工頻切換的必要性：（1） 在供水系統(tǒng)中，為了減少設備的投資費用，常常采用有一臺變頻器來控制兩臺或三臺水泵的方案。其工作過程是：首先由變頻器控制一號泵，實行恒壓供水，當工作頻率已經(jīng)達到49HZ或50HZ，而供水量尚不足時，則將一號泵切換成工頻運行，再由變頻器去啟動二號泵。（2） 某些生產(chǎn)機械是不允許停機的。再“變頻”運行時，當變頻器因發(fā)生故障而跳閘時，需將電動機迅速切換至工頻運行，使生產(chǎn)機械不停機。（3） 用戶可根據(jù)工作需要選擇“工頻運行”或“變頻運行”。 電路特點：電路如圖3-2其特點如下。圖3-2 切換控制的主電路1、 由于電動機具有再工頻下運行的可能性，因此熔斷器FU和熱繼電器FR是不能省略的。2、 在進行控制時，變頻器的輸出接觸器KM2和工頻接觸器KM3之間必須有可靠的互鎖，防止工頻電源直接和變頻器的輸出端相接而損壞變頻器二、 與工頻切換的控制電路1、主電路主電路如圖3-3所示接觸器KM1用于將電源接至變頻器的輸入端；KM2用于將變頻器的輸出端接至電動機；KM3用于將工頻電源接至電動機，熱繼電器FR用于工頻運行時的過載保護。圖3-3 繼電器控制的切換電路的主電路圖3-4 繼電器控制的切換電路的控制電路2、控制電路如圖3-4所示?？刂齐娐返囊笫牵航佑|器KM2和KM3絕對不允許同時接通，互相間必須有可靠的互鎖。運行方式有三位開關SA進行選擇。當SA合至“工頻運行”方式時，按下啟動按鈕SB2，中間繼電器KA1得電吸合并自鎖，其動合觸點KA1（17）閉合，使接觸器KM3得電吸合。KM3的主觸點閉合，電動機進入“工頻運行”狀態(tài)。按下停止按鈕SB1，中間繼電器KA1和接觸器KM3均失電，電動機停止運行。當SA合至“變頻運行”方式時，按下啟動按鈕SB2，中間繼電器KA1得電吸合并自鎖，其動合接觸點KA1（17）閉合，使接觸器KM2得電吸合。KM2的主觸點閉合，將電動機接至變頻器的輸出端。KM2得電吸合后，其動斷觸點KM2(911)斷開，使KM3失電釋放，其主觸點斷開，電動機脫離工頻電源；其動合接觸點KM2（1517）閉合，使KM1也得電吸合，其主觸點閉合，將工頻電源接到變頻器的輸入端，并允許電動機啟動。KM1的動合觸點KM1（2123）閉合，為KA2得電做準備。按下SB4，中間繼電器KA2得電吸合，其動合觸點KA2（ab）閉合，電動機開始加速，進入“變頻運行”狀態(tài)。KA2動作后，其動合觸點KA2(13)閉合，停止按鈕SB1將失去作用，以防止直接通過切斷變頻器電源使電動機停機。在變頻運行過程中，如果變頻器因故障而跳閘，則觸點“PS(BC)”斷開，接觸器KM2和KM1均失電，變頻器和電源之間，以及電動機和變頻器之間，都被切斷。與此同時，觸點“PS(CA)”閉合，一方面，由蜂鳴器HA和指示燈HL進行聲光報警；同時，時間繼電器KT得電，其觸點KT（79）延時后閉合，使KM3得電吸合，電動機進入工頻運行狀態(tài)。操作人員發(fā)現(xiàn)后，應將選擇開關SA旋至“工頻運行”位。此時，聲光報警停止，并使時間繼電器KT斷開。三、正反轉控制電路繼電器控制的正反轉電路的主電路如圖3-5所示，控制電路如圖2.2.6所示： 圖3-5 繼電器控制的正、反轉電路的主電路 圖3-6 繼電器控制的正、反轉電路的控制電路按鈕SB2 SB1用于控制接觸器KM，從而控制變頻器接通或切斷電源；按鈕SB4 SB3用于控制正轉繼電器KA1，從而控制電動機的正傳運行和停止；按鈕SB5 SB3用于控制反轉繼電器KA2，從而控制電動機的反轉運行和停止。正傳與反轉運行只有在接觸器KM已經(jīng)運作變頻器已經(jīng)通電的狀態(tài)下才能運行。與按鈕SB1的動觸點并聯(lián)的KA1 KA2的動合觸點用以防止電動機在云行狀態(tài)下通過KM直接停機。第三節(jié) 變頻器的主要參數(shù)簡介一、 啟?？刂品绞阶冾l器初上電時，處于待機狀態(tài)。此時其輸出端子U、V、W沒有電源輸出，電動機處于停機狀態(tài)。若要啟動變頻器，使其輸出預期頻率的交流電源，則必須將其啟動。啟動方式有以下幾種：可通過設置相關的參數(shù)進行選擇，選擇哪種方式應根據(jù)生產(chǎn)過程的控制要求和生產(chǎn)作業(yè)的現(xiàn)場條件等因素來確定，達到即滿足控制要求，又能夠以人為本的目的。 1、操作面板的控制通用的變頻器均配有操作面板，其上有按鍵和顯示器?？梢栽O定變頻器的的運行頻率、監(jiān)視操作命令、設定各種符號運行要求的參數(shù)和顯示故障報警信息等，同時也可以利用其實的按鍵進行變頻器的啟?？刂啤＿@種模式不需要外接其他的操作控制信號，可以直接在變頻器的面板上進行遠距離的操作。一般采用面板控制方式的啟?？刂浦挥性谧冾l器試用或者系統(tǒng)初期調試時使用，比較方便，但不使用與自動控制系統(tǒng)，用的較少。對于臺達 ，在選擇操作面板控制方式時，則需將參數(shù)P01設定成0，由于為出廠設定值，可以不用設定。其操作面板如圖3-7所示：圖3-7 VFD-F變頻器的操作面板VFD變頻器操作面板按鍵功能如表3-1表3-1 VFD-F變頻器操作面板按鍵功能操作面板功能說明PRGM/RESET選擇正常操作模式或編程模式，在變頻器運轉或停機狀態(tài)，按此鍵均有效，若變頻器因異常情況而發(fā)生中斷，在異?，F(xiàn)象排除后，按此鍵可復位FWD/REV按下此鍵會使電動機減速至0Hz，再以反方向開始加速至所設定的頻率值JOG按下此鍵，按著預先設定的點動頻率執(zhí)行點動運行FUNC/DATA在正常操作模式下，按此間可顯示變頻器各項狀態(tài)信息，如給定頻率、輸出頻率及輸出電流；在編程模式下壓按此鍵、可顯示參數(shù)內容，在壓下此鍵可將更改過的數(shù)據(jù)寫入可掉電記憶的存儲器內RUN啟動運行鍵，若 設定為外圍端子控制，按此鍵無效STOP停止運行鍵2、外接端子控制方式通用的變頻器均有專門啟?？刂品绞降耐獠慷俗?，一般由外部的命令按鈕或PLC的輸出端子控制，適用于構成自動控制系統(tǒng)，用得較多。對于臺達VFD-F變頻器，若選擇外圍端子控制方式，則需將P01參數(shù)設定成1或2。3、通信控制方式目前的變頻器一般都具有通信功能，通過RS485等通信鏈路實現(xiàn)PC機與變頻器之間、變頻器與變頻器之間，以及變頻器與PLC之間的數(shù)據(jù)交換，可以實現(xiàn)變頻器的啟?？刂萍皡?shù)設定等。具有傳輸數(shù)據(jù)量大、節(jié)省導線等優(yōu)點，在大型的自動化系統(tǒng)中應用較多。對于臺達VFD-F變頻器，若選擇通信控制方式，則需將P01參數(shù)設定成3或4。二、 與頻率設定相關的參數(shù) 1、給定頻率與頻率給電信號相對應的頻率稱為給定頻率 2、輸出頻率變頻器實際輸出的頻率 3、基本頻率與變頻器最大輸出電壓相對應的頻率成為基本頻率。基本頻率一般預置成電動機的額定頻率，在我國為50Hz。因此設定好后，基本頻率是一定值，與給定信號無關。4、最大頻率最大頻率是與最大的給定信號相對應的頻率，也是變頻器允許輸出的最高頻率。最大頻率一般設置成等于電動機的額定頻率。設置好了最大頻率，則外部頻率給定信號和給定頻率的對應關系就確定了。5、上限頻率上限頻率不同于最大頻率，它和頻率給定信號沒有對應的關系。上限頻率應和生產(chǎn)機械所要求的最高轉速相對應，一般不能超過最大頻率。變頻器的輸出頻率不可能超過上限頻率，因此它可以避免生產(chǎn)機械運行在過高的轉速下。6.下限頻率下限頻率和生產(chǎn)機械所要求的的最低頻率相對應。變頻器的輸出頻率不可能低于下限頻率，有保護作用。7、啟動頻率啟動頻率即變頻器啟動時的開始頻率。由于在恒U/f控制方式下，在開始啟動時，頻率很低，電壓很低，使得電動機啟動轉矩不足，對于較大的負載可能會造成電動機無法啟動。為了避免這一頻率死區(qū)，可將啟動頻率設置早能夠確保電動機正常啟動的頻率上。但啟動頻率過高會造成電動機啟動不平滑，對生產(chǎn)機械造成沖擊。需要注意的是，啟動頻率預置好后，小于該啟動頻率的運行頻率將不能工作。8、跳躍頻率任何機械都有一個固有振蕩頻率，在對機械進行無極調速時，其實際的頻率也在不斷的變化。當兩個頻率相等時，機械將發(fā)生諧振，振蕩加劇，可能損壞設備。消除機械共振的方法很多，在變頻器中，只要使其輸出頻率始終不經(jīng)過導致諧振的頻率值，就可以避免共振。這個頻率值就是跳躍頻率。9、點動頻率有時為了工件等的定位需要點動運行，此參數(shù)可設定點動運行速度。三、頻率給定方式所謂頻率給定方式就是調節(jié)變頻器輸出頻率的具體方法。1、外部模擬量給定方式當給定信號為模擬量時，頻率給定精度略低，給定信號有以下兩種：電壓信號：以電壓大小作為給定信號，給定信號的范圍一般010V。電流信號：以電流大小作為給定信號，給定信號的范圍一般為420mA。2、數(shù)字量給定方式即給定信號為數(shù)字量，頻率給定精度高，常見的給定方式有兩種：（1） 操作面板給定：即通過面板上的“加”鍵和“減” 鍵來控制頻率的上升和下降。（2） 多擋轉速控制：在變頻的外接控制端子中，通過必要的參數(shù)設置，可以將若干個輸入端作為多黨轉速控制端。根據(jù)這若干個輸入端子的狀態(tài)（接通或斷開）可以組合成若干擋。每一擋可預置一個對應的工作頻率。這樣電動機速度的切換就可以用外部開關通過改變外接控制端子的狀態(tài)來實現(xiàn)。3、通信給定方式有上位機通過通信接口進行設定，上位機一般為PC機或可編程控制器PLC。四、變頻器的控制方式1、恒U/f控制為了保證磁通為恒值，以充分發(fā)揮電動機的潛能，變頻調速最基本的方法就是使輸出的頻率和輸出的電壓按正比例變化。此控制方法的缺點是低頻區(qū)電動機轉矩不足，因此在低速時一般要使用轉矩提升功能。2、矢量控制矢量控制的基本思路就是模仿直流調速的特點實現(xiàn)對電磁轉矩的有效控制，可與直流調速相媲美，其控制性能優(yōu)于普通的恒U/f控制。矢量控制的效果與三相感應電動勢的參數(shù)有很大的關系。因此，如果選用矢量控制方式，就必須向變頻器提供相關的消息，比如，定子電感和電阻、轉子電感和電阻、轉速等參數(shù)。當熱，由于變頻器的智能化程度越來越高，矢量控制所需的參數(shù)可由變頻器的參數(shù)自測功能實現(xiàn)，速度信息也可以估算出來，可省去轉速傳感器。3、直接轉矩控制直接轉矩控制和矢量控制都是高性能的控制方式，但直接轉矩控制對電機參數(shù)的依賴程度略高于矢量控制五、工藝參數(shù)1、加減速時間通過變頻器的加減速時間，一般是指從零頻率的上升到變頻器最高頻率或者從最高頻率下降到零頻率的時間。加減速時間的設定值大小，應該確保電動機再升速過程中將電流限制在過電流的限幅范圍內，不應使過電流保護動作;加速時間的設定值大小應確保電動機在減速的過程中不能使直流回路的電壓過高，造成過電壓保護動作。加速時間的設定，如果頻率范圍是從n1到n2，而不是從零速到最高速，加速時間的設定值必須進行換算，如下式所示： Ta=T(Nmax-0)(n2-n1)式中，Nmax為最高速度、T為從加速到用戶希望的加速時間、為換算后的設定時間。對于減速具有相似的關系。2、加減速曲線頻率啟動是通過控制定子電壓和定子頻率來獲得所需的啟動性能。根據(jù)工作的需要，啟動時常有以下幾種情況需要考慮：啟動電流最小，或啟動損耗最小，或是啟動時間最短，或是啟動過程平滑等。3、齒隙補償曲線對于齒隙補償曲線，其加減速時的停止頻率和停止時間可通過參數(shù)Pr.140Pr143來設定，具體見表3-2所示表3-2 齒隙補償相關參數(shù)設定參數(shù)號出廠設定設定范圍備注290033：齒隙曲線1401.00Hz0400Hz當Pr.29=3時有效1410.5s0360s當Pr.29=3時有效1421.00Hz0400Hz當Pr.29=3時有效1430s0360s當Pr.29=3時有效4、轉矩提升在恒U/f控制方式中，當變頻器在低頻區(qū)運行時（如啟動初期），定子電壓很低，此時由于釘子壓降落在定子阻抗上的比例增加，造成磁通降低，從而使電動機產(chǎn)生的電磁轉矩不足，在負載較大時電動機無法正常啟動或無法拖動負載運行。為此，必須對低頻區(qū)的轉矩加以提升，方法就是在低頻區(qū)人為地將定子電壓增加一部分，增加的部分就消除或減弱定子阻抗對磁通的影響。六、變頻器參數(shù)1、死區(qū)時間在變頻器逆變電路部分，為了防止同一相上下橋臂兩個功率開關器件同時導通，從而發(fā)生橋臂直通現(xiàn)象，要設置死去時間。死去時間的大小與開關器件關斷時間有關，死去時間太小，有方式橋臂直通的危險，太大則會影響輸出波形的質量。一般使用出廠值即可。2、載波頻率載波頻率高低影響電動機運行時的噪聲大小和變頻器的開關損耗等。早變頻器運行時若對噪聲抑制要求不高，可選用較低的載波頻率，這將有利于減少變頻器的開關損耗金額降低射頻干擾發(fā)射的強度。一般使用出廠值即可。七、PID調節(jié)功能參數(shù)大多變頻器都自帶有PID調節(jié)功能，有的變頻器是需要附加選件才能具有該項功能。變頻器如進行PID控制，需要對相關參數(shù)進行設定。PID是閉環(huán)控制系