变频液位系统的应用

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1、目录1 前言 11.1 变频液位系统的应用 11.2 设计任务 22 变频液位系统的基本构成与工作原理 22.1 变频液位系统的结构框图 22.2 液位自动控制系统原理 32.3 电动机的调速原理 32.4 变频调速节能原理分析 32.5 变频液位系统的工作原理 53 变频液位系统主电路设计及元件清单 53.1 主电路设计结果 53.2 主要参数计算及器件选择 63.3 主电路元件清单 64 变频液位系统保护电路设计及元件清单 64.1 保护电路设计结果 65 变频液位系统驱动电路设计 95.1 驱动电路设计结果 95.2 驱动电路主要参数计算及器件选择 95.3 驱动电路元件清单 11设计心

2、得 12参考文献 13附录：设计总图 141前言水是一个和人的生存息息相关的物质，而水位换言之即液位，它则是一种生产、 生活中需要测量和控制的重要物理量，液位控制广泛应用于农业生产与居民生活中 比如，民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；工矿企业的排 水与进水，如果排水或进水控制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位 的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精流塔液位控制， 控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。液位控制技术在现实生活、生 产中发挥了重要作用，在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定 危险性的工作性质，极容易出现操作失误

3、，引起事故，造成厂家的的损失。随着经 济的发展，能源的过分消耗日益成为影响经济稳定快速增长的阻力，为了响应国家 节能减排的号召，实现能源充分利用，就需要对电机进行转速调节，研究变频液位 就是节能研究的主要内容之一。随着电力电子技术以及工业自动控制技术的不断发展,使得变频液位系统在工业 生产与居民生活领域得到了广泛应用。由于PLC的功能强大、容易使用、高可靠性。 常常被用来作为现场数据的采集和设备的控制。变频器技术是一门综合性的技术， 它与传统的交流拖动系统相比,利用变频器对交流电动机进行调速控制，继而达到节 能和提高控制精度、自我保护等特点。本课题就是根据PLC和变频器，设计变频液位自动控制系

4、统。PLC的作用是运 用 PID 算法对系统进行控制，而变频器的作用则是最电机进行调速，最终达到变频 调速的目的。1.1 变频液位系统的应用20 世纪80 年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期 可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另 一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可 编程控制器已步入成熟阶段。 20 世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于 现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制 能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各 式各样

5、的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元 使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。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、轻纺、交通运输、及文化娱乐等 各个行业，被称为现代技术的三大支柱之一。1.2设计任务1课题完成的功能： 设计变频液位控制系统的主电路和控制电路以及驱动电路。并针对驱动电路进行 数学建模，使计算机对水箱有较好的控制，在此基础上对元件进行选取：包括 PLC 控制器，电机，变频器，液位变送器等。2设计任务及要求：（1）设计液位变频控制系统的主电路图、控制电路和驱动电路图并且绘制。（2）对各个电路中需要涉及的参

6、数进行计算。（3）结合实际对主电路以及驱动电路各个元件进行选取。（4）对驱动电路中计算机对水箱的控制建立数学模型，以便控制方便，准确。3技术参数：（1）电动机的参数：额定功率 125Kw 额定电压 380V 额定电流 220A 额定转速 1450rpm 额定效率 0.92。（2）接线方式为短路电抗标准值为0.192过载能力1.2倍、电网电压380V、 50Hz。2 变频液位系统的基本构成与工作原理2.1变频液位系统的结构框图图 2-1 液位自动控制系统结构框图2.2 液位自动控制系统原理储水箱图 2-2 液位自动控制系统原理图2.3 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

7、：60fn =(1一 s)(2-1)p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：（1）改变电源频率。（2） 改变电机极对数。（3）改变转差率。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。改变转差率调速为了保证其较 大的调速范围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7， 且成本高而影响它的推广价值。2.4变频

8、调速节能原理分析1交流电机变频调速原理 根据电磁感应原理，交流电动机的转速满足下式：n = 兰（同步电动机）（2-2）0p1 一 sfn =（异步电动机）（2-3）p式中：n0一电动机同步转速n电动机异步转速p电动机定子极对数f 交流电源频率s电动机转差率电动机的转速随着电源频率f ,电动机极对数p ,电动机转差率s （异步电动机） 变化。由于电动机的极对数p只能有级调节并且调整量有限，因此调速范围有限，从 而使其应用受到限制。而使用过大的转差率调速显然是不经济的，对电动机的功率 因数及效率的影响也很大，故应用范围十分有限。变频调速则通过改变电动机的输 入频率改变其空间旋转磁场的角速度达到速度

9、调节的目的，电动机的转速随着电源 频率的变化而改变，电源频率f增加，电动机的转速随之增加，反之则下降。变频 调速方式实现了在不影响电动机各项性能前提下的速度无级调节、恒转矩调速或恒 功率调速等调速方式，因此受到工业界的广泛重视，应用案例越来越多。2水泵特性分析及节能原理 根据流体力学原理，在管径一定的条件下，管道流量 Q 与水泵转速 n 成正比； 扬程 H 与转速平方( n2 )成正比，而电机轴功率 P 与转速的三次方( n 3 )成正比。可 见当流量仅下降到80%时需要的功率P将下降到额定功率的50%(0.830.5)左右， 当流量下降到50%时需要的功率P仅为额定功率的13%.图2是水泵特

10、性曲线。2若要求恒压于HA,当流量QA变小至Q时，如果水泵转速不变，压力会上升至B1,1 压力传感器输出压力上升信号，经智能调节器分析运算后输出转速下降信号给调速 电机的变频控制器，调速电机转速随即从n降低至n (B点)，使管网压力维持在 01HA；同理，当流量变化至Q时，压力升至C点而调速电机随即降低转速至n2 (C 01点)，仍保持恒压HA,从而实现了水泵自动恒压变流量供水。可见调速控制变载水泵具有显著的节电效果。利用变频器可以根据电机负载的 变化实现自动、平滑地增速或减速，基本保持异步电机固有特性转差率小的特点， 具有效率高、范围宽、精度高且能无级变速的优点，这对于水泵、风机等设备是很

11、适用的。夜间供水量急剧减少时，可方便地设定每日休眠工作的起始/停止时刻，并 可设定休眠时的压力给定值。休眠期间，变频器监测管网压力，当压力低于设定植 时，系统被自动唤醒，变频泵投入工作；压力高于设定值时，系统再次进入休眠状 态，只有休眠水泵运行，这样能最大限度地节水节电。实践证明，使用变频设备可 使水泵运行平均转速比工频转速降低20%，从而大大降低能耗，节能率可达(20 40)%。同时，通过采用变频器控制，可在不同季节、节假日、白天和晚上及上下班 等时间全面调控水量。2.5 变频液位系统的工作原理变频器采用 PID 恒定控制，它采集外部信号作为反馈信号。 PLC 对水泵的运行模 式、机组的选择

12、及机组的起动停止等进行控制。以上控制信号都为PLC的输入信号。 一级泵站水泵的起止信号取自清水池内所装的液位传感器，当水位达到低限位液位 传感器给出启动水泵的信号。当水位达到高限位时，液位传感器给出停止水泵运行 的信号。二级泵站的反馈信号取自出水管出远传压力表。当压力高于设定值时，变 频器变频，水泵电机减速。当压力低于设定值时，变频器变频，水泵电机加速。在 二级泵站水泵的运行当中，它将受到一级泵站的清水池的缺水信号的控制，以此来 防止清水池几乎缺水时水泵空转。缺水液位开关设置在低水位下方的 0.5 米处。3.1主电路设计结果o o oQSKMlxJ 弋QKM23.2主要参数计:R图图B-1变频

13、 算及器件选择W液位控制主电-LR S T【V W水箱液位 本设计采控制进水与出水，以便制电机采用2沓可的常用泵转速，即可满足水箱水位液位稳定, ，两台电动机，通过PLC控能让其迅速响应。制液位的自动调厢两台电机分别3.3主电路元件清堡N表3-1设备清单/Ml Jf M9 1器件名称IV!器件数量 H丄厶器件型号变频器2右HLpA03D743B电机-J2 台J100-160IAPLC控制器1台XC-E4AD2DA4.1保护电路设计结果检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过压等异常时，为了防止逆变器和 异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。保护回路主要包括以下 几种：（1）逆变器

14、保护1. 瞬时过电压保护：由于逆变器负载侧短路等，流过逆变器器件的电流达到异 常值（超过容许值）时，瞬时停止逆变器运转，切断电流。交流器的输出电流达到 异常值，也同样停止逆变器运转。2. 过载保护：逆变器输出电流超过额定值，且持续流通达规定的时间以上，为 了防止逆变器器件、线路等损坏要停止运转。恰当的保护需要反时限特性，采用热 继电器或者电子热保护（使用电子电路）。过负载是由于负载的GD2 （惯性）过大或 因负载过大使电动机堵转而产生的。3. 再生过电压保护：采用逆变器使电动机快速减速时，由于再生功率直流电路 电压将升高，有时超过容许值。可以采取停止逆变器运转或停止快速减速的办法， 防止过电压

15、。4. 瞬时停电保护：对于数毫秒以内的瞬时停电，控制电路工作正常。但瞬时停 电时间在 10ms 以上时，通常会使控制电路误动作，主电路也不能供电，所以检出后 使逆变器停止运转。5. 接地过电流保护：逆变器负载侧接地时，为了保护逆变器，有时要有接地过 电流保护功能。但为了确保人身安全，需要转设漏电断路器。6. 冷却风机异常：有冷却风机的装置，但风机异常时装置内温度将上升，因此 采用风机热继电器或器件散热片温度传感器，检出异常后停止逆变器。（2）异步电动机的保护1. 过载保护：过载检出装置与逆变器保护共用，但考虑低速运转的过热时，在 异步电动机内埋入温度传感器，或者利用转在逆变器内的电子热保护来检出过热。 动作频繁时可以考虑减轻电动机负载、增加电动机及逆变器容量等。2. 超频（超速）保护：逆变器的输出频率或者异步电动机的速度超过规定值时， 停止逆变器运转。（3）其他保护1.防止失速过电流：急加速时，如果异步电动机跟踪迟缓，则过电流保护电路 动作，运转就不能继续进行（失速）。所以，在负载电流减小之前要进行控制，抑制 频率上升或使频率下降。对于