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1、摘要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。对城镇住宅电力驱动恒压供水的原理及几种实用化方案进行了深入的讨论， 以变频器为主体的恒压供水系统对供水水泵实现全方位的宝护。该系
2、统不但能最 大限度地节约水资源，而且能够节约电能，延长供水水泵的使用寿命，并在紧急 情况下（消防，减灾）能够做到重点供水。最后，对几种实用化供水方案进行了 详细的讨论。关键词 ：变频器；恒压供水；变频调速；供水系统；目录1变频调速恒压供水系统的现状和发展 31.1变频调速恒压供水的目的和意义 31.2变频调速及PLC在供水行业中的应用81.2.1变频调速技术的特点及应用 81.2.2可编程序控制器的特点及应用 92变频调速恒压供水系统112.1恒压供水控制系统构成112.2变频恒压控制理论模型123变频恒压供水系统设计133.1设计任务及要求133.2系统主电路设计143.3控制系统组成方框图
3、154器件的选型及介绍174.1 变频器简介174.2 变频器选型174.2.1 变频器的控制方式 174.2.2 变频器容量的选择 184.2.3 变频器主电路外围设备选择 204.3可编程控制器(PLC) 224.3.1 PLC的定义及特点224.3.2 PLC的工作原理234.3.3 PLC及压力传感器的选择235变频器参数的设置246.结束语267.参考文献 271变频调速恒压供水系统的现状和发展1.1 变频调速恒压供水的目的和意义变频恒压供水系统已逐渐取代原有的水塔供水系统，广泛应用于多层住宅小 区生活消防供水系统。然而，由于新系统多会继续使用原有系统的部分旧设备（如 水泵），在对原
4、有供水系统进行变频改造的实践中，往往会出现一些在理论上意 想不到的问题。随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为 核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳， 起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；由于泵的平 均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时 的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功 能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。1. 变频调速技术的特点及应用通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量 小时开一台或两台。
5、在采用变频调速进行恒压供水时，就用两种方式，其一是所有 水泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信 号，通过PID运算自动调整变频器输出频率，改变电动机转速，最终达到管网恒压 的目的，就一个闭环回路，较简单，但成本高。前种方法成本低，性能不比后种差 但控制程序较复杂，是未来的发展方向，比如 NKL-A 系列恒压供水控制系统就可实 现一变频器控制任意数马达的功能。2. 可编程序控制器的应用目前，PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制 造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，使用情况大致可归纳 为如下几类。（1）开关量的逻辑控这是P
6、LC最基本、最广泛的应用领域，它取代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制，既可用于单台设备的控制，也可用于多机群控及自动化流水线。 如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。(2) 模拟量控制 在工业生产过程当中，有许多连续变化的量，如温度、压力、流量、液位和 速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量，必须实现模拟量(Analog) 和数字量(Digital)之间的A/D转换及D/A转换。PLC厂家都生产配套的A/D 和 D/A 转换模块，使可编程控制器用于模拟量控制。(3) 运动控制PLC 可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说，早期直接
7、用于开关量I/O模块连接位置传感器和执行机构，现在一般使用专用的运动控制 模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要 PLC 厂家的产品几乎都有运动控制功能，广泛用于各种机械、机床、机器人、电 梯等场合。3. 过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算 机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环 控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC 也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、 化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。4. 数据
8、处理现代 PLC 具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、 数据转换、排序、查表、位操作等功能，可以完成数据的采集、分析及处理。这 些数据可以与存储在存储器中的参考值比较，完成一定的控制操作，也可以利用 通信功能传送到别的智能装置，或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制 系统，如无人控制的柔性制造系统；也可用于过程控制系统，如造纸、冶金、食 品工业中的一些大型控制系统。5. 通信及联网PLC通信含PLC间的通信及PLC与其它智能设备间的通信。随着计算机控制 的发展，工厂自动化网络发展得很快，各PLC厂商都十分重视PLC的通信功能， 纷纷推出各自的网络系统。新近生产的PLC
9、都具有通信接口，通信非常方便。6. 可编程变频恒压供水控制系统的设计(1) 变频器的节能、调速原理变频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成 直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆 成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要 一个进行转矩计算的 CPU 以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕 组供电的频率来达到调速的目的。一般使用的风机、水泵类它们额定风量、水量都超过实际需要，又因工艺的需要， 往往运行中要改变风量、水量
10、，而目前多数采用档板或阀门来调节的，虽然方法 简单，但实质是人为增加阻力的办法。因此浪费大量电能，属不经济的调节方式。 从流体力学原理可知，风机的风量、水泵的流量与电机转速及电机功率的关系如 下：当风机转速下降时，电动机的功率迅速降低，例风量下降到 80，转速亦下 降到80时，则轴功率下降到额定的51，若风量下降到50，轴功率将下降 到额定的 13，其节电潜力非常大，采用变频器调速方式有很强的节电效果， 其节电可达 30-40效果十分明显。(2) 变频器控制方式的选择低压通用变频输出电压为380650V,输出功率为0.75400kW,工作频率为0 400Hz，它的主电路都采用交一直一交电路。其
11、控制方式经历了以下四代。7. U/f=C的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式其特点是控制电路结构简单、成本较低，机械特性硬度也较好，能够满足一 般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方 式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出 最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态 调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化， 转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在 而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。(1)电压空间矢量(SVPWM)控制方
12、式它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹 为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进行控制的。经实 践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算 磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的 精度和稳定度。但控制电路环节较多，且没有引入转矩的调节，所以系统性能没 有得到根本改善。矢量控制（VC）方式 矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流 Ia、Ib、 Ic、通过三相一二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流Iallbl，再通 过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系
13、下的直流电流Iml、Itl（Iml 相当于直流电动机的励磁电流；It1相当于与转矩成正比的电枢电流），然后模 仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反变换， 实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速 度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得 转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。矢量控制方法的提出 具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性 受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较 复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。（3）直接
14、转矩控制（DTC）方式l 985年，德国鲁尔大学的 DePenbrock 教授首次提出了直接转矩控制变频技术。 该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明 了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用 在电力机车牵引的大功率交流传动上。直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁 链和转矩。它不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换 中的许多复杂计算；它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交 流电动机的数学模型。（4）矩阵式交交控制方式VVVF 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是
15、交直交变频中的一种。 其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生 能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运 而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵 的电解电容。它能实现功率因数为l,输入电流为正弦且能四象限运行，系统的 功率密度大。该技术目前虽尚未成熟，但仍吸引着众多的学者深入研究。其实质 不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。矩阵 式交一交变频具有快速的转矩响应（2ms）,很高的速度精度（2%，无PG反 馈），高转矩精度（3）；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在 低速时
16、（包括0速度时），可输出150%200%转矩。因此，我们选用最后一种 控制方式，矩阵式交-交控制方式。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
