电气工程自动化专业论文.doc

学号：1108441049 电气工程及其自动化专业方向论文（2011级）恒压变频供水系统院 系 电子信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 马兴芳 指导教师 申远 2014 年06 月合肥师范学院2011级电气工程及其自动化专业方向论文摘 要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。恒压变频供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控；同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。在实际应用中发挥了很大的作用。因此，变频调速恒压供水设备在住宅小区及高层建筑生活消防供水系统中起着非常重要的作用。关键词：变频调速;恒压变频;节能AbstractWith the development of electric technology, improving frequency control of motor speed technology frequency control of motor speed as the core of the intelligent control system of water supply tore place the previous high water tank and pressure tank water supply equipment, such as smooth starting, starting current can be limited within the rated current, so as to avoid the impact to the grid when starting; Due to the pumps average speed is reduced, which can prolong the service life of pumps and valves, etc; Can eliminate the water hammer effect when starting and stopping. The stable and safe running performance, simple and convenient operation, complete and thoughtful features, will make water saving water, saving electricity, saving manpower, eventually to achieve efficient operation. Constant pressure frequency conversion water supply system frequency conversion technology, electrical technology, modern control technology in one body. By using this system can improve the stability and reliability of water supply system of water supply, easy to realize centralized management of the water supply system and monitoring; System has good energy saving at the same time, it is particularly important in todays increasingly scarce energy, so the design of the system, to improve the efficiency of enterprises and peoples living standard, to reduce the energy consumption and so on has the important practical significance. Plays a large role in practical application. Therefore, the frequency conversion velocity modulation constant pressure water supply equipment life in residential area and high building fire water system plays a very important role.Key Words：Frequency control of motor speed, constant pressure frequency conversion, energy saving引 言随着变频技术的发展和人们对生活饮用水品质要求的不断提高，变频恒压供水系统以其环保、节能和高品质的供水质量等特点，广泛应用于多层住宅小区及高层建筑的生活、消防供水中。变频恒压供水的调速系统可以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。在实际应用中如何充分利用专用变频器内置的各种功能，对合理设计变频恒压供水设备、降低成本、保证产品质量等有着重要意义。变频恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。目前变频恒压供水系统正向着高可靠性、全数字化微机控制、多品种系列化的方向发展。追求高度智能化、系列化、标准化，是未来供水设备适应城镇建设中成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。（一）恒压变频供水简介1.恒压变频供水产生的背景及国内现状我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，工业自动化程度低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象;而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启/停电机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命;后者则需要大量的占地与投资。且由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。而恒压变频供水系统就是在这种情况下产生的。恒压变频供水系统通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速，设备运行十分平稳，使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，避免了电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。这样供水系统所供应的水量就和用户的实际需求不断接近，最大程度上节约了水资源。由此可见，变频调速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益。目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术同时兼顾系统的电磁兼容性的变频恒压供水系统的水压闭环控制研究得不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。2.恒压变频供水系统的优点（1） 恒压变频供水设备运行合理，由于是软起和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。（2） 恒压变频供水设备由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。（3） 高效节能，因为变频恒压供水系统能够自动控制运行，水泵不必总是工作在最大功率的状态，所以恒压变频供水系统能够节约电能和水资源，节能量通常在10%-40%。而且单台水泵流量越小，节约能量越多。（4）小区变频恒压供水系统具备了过流、过压、欠压、欠相、短路保护、瞬时停电保护、过载、失速保护、液位保护、主泵定时轮换控制、密码设定等功能，功能完善，全自动（5） 恒压变频供水设备配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。（6） 用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。（二） 恒压变频供水系统的总体设计思想1. 恒压变频供水的原理整个系统由三台水泵，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。三台水泵中每台泵的出水管均装有手动阀，以供维修和调节水量之用，三台泵协调工作以满足供水需要；变频供水系统中检测管路压力的压力传感器，一般采用电阻式传感器(反馈05V电压信号)或压力变送器(反馈420mA电流)；变频器是供水系统的核心，通过改变电机的频率实现电机的无极调速、无波动稳压的效果和各项功能。如下图所示： 图2.1 系统结构图恒压变频供水系统的控制对象是供水系统出口的水流量，它是一个在时刻变化着的非线性量。要使水流量时刻满足用户的要求，就必须得有检测装置来检测管网的压力，然后反馈给系统，再通过系统调节来使其不断向目标靠近。我们从上面的描述中可以看到，恒压变频供水系统是一个闭环系统。原理框图如下：图2.2 原理框图系统以PLC为核心，其输入信号主要包括:1.模拟量输入:管网的当前压力(4-20mA，0-5V)。2.数字量输入:进水压力继电器;水箱水位;出水压力继电器;电机的过载保护;变频器故障;工作方式选择;手动操作的按钮(旋钮信号)等。PLC的输出主要控制下列对象:1.用于各水泵电机工、变频工作的中间继电器、交流接触器;变频器启动、停车、故障复位的开关量信号。2.操作状态切换的中间继电器。3.变频器频率给定的模拟量信号(0-10V)。2.变频调速原理恒压变频供水系统的主要由水泵、电动机、管道等构成。通常由鼠笼式异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵做成一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出水流量而实现恒压供水的。因此，供水系统变频的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转差率定义为： (2-5)异步电机的同步速度为: (2-6)异步电机的转速为： (2-7)其中：为异步电机的理想空载转速； 为异步电机转子转速； 是异步电机的定子电源频率； 为异步电机的极对数。从上式可知，当极对数不变时，电机转子转速与定子电源频率成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电机的调速。3.PID调节器采用PID控制较单独的P、PI、PD控制效果要好，基本上能获得无偏差、精度高和系统稳定的控制过程。这种控制方式用于从产生偏差到出现响应需要一定时间的负载系统(即实时性要求不高，工业上的过程控制系统一般都是此类系统，本系统也比较适合PID调节)效果比较好。图2.3 PID控制示意图通过对被控制对象的传感器等检测控制量(反馈量)，将其与目标值(温度、流量、压力等设定值)进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就是使反馈量与日标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。在恒压供水中常见的PID控制器的控制形式主要有两种:(1) 硬件型：即通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P、I、D参数及日标值的设定。(2)软件型：使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器(或单片机)上做PID控制器。4.PLC的控制原理PLC采用循环扫描的工作方式，在PLC中用户程序按先后顺序存放，CPU从第一条指令开始执行程序，直到遇到结束符后又返回第一条，如此周而复始不断循环。PLC的扫描过程分为内部处理、通信操作、程序输入处理、程序执行、程序输出几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。当PLC处于停状态时，只进行内部处理和通信操作服务等内容。在PLC处于运行状态时，从内部处理、通信操作、程序输入、程序执行、程序输出，一直循环扫描工作。图2.4 PLC程序流程图（三）元件选择及其功能设计1.变频器的选择变频器采用ABB公司的ACS400变频器，该产品具有矢量控制，过流、过压、电机热保护、失速、瞬时关断保护、外部故障、脉冲编码、电机过载（V|F）、变频器过载保护等功能。通过PLC模拟量输出端子来控制变频器的频率及其复位操作，从而达到电机速度跟随压力给定，保证管网水压的恒定。ACS400系列.ACS400的可靠性来自于灵活的模块化设计和最少的元件数量，ACS400是当前市场上体积最小的变频器之一。2.PLC、变频器以及其他部件的要求变频器有两个作用，一是作为电机的软起动装置，限制电动机的起动电流；二是改变异步电动机的转速，实现恒压供水。PID选具有压力显示的PID调节器。熔断器的选择：在控制回路中熔断器FU选用RT18系列。接触器的选择：对于接触器AM选择的是规格CJ10-100。按钮SB的选择：PLC各输入点的回路的额定电压直流24V，各输入点的回路的额定电流均小于40mA，按钮均只需具有1对常开触点，按钮均选用LAY11型，其主要技术参数为：Un=24VDC，In=0.3A,含1对常开和1对常闭触点。热继电器的选择：选用最小的热继电器作为电机的过载保护热继电器FR1FR2FR3；JR16-60/3D。结论经过一段时间的选型、设计、改进之后，本文设计的恒压变频供水系统己经具有了较为完善的功能，可以运用于居民小区等场所，由于它具有操作方便、较好的人机界面、方便可靠的数据通讯接口、良好的恒压控制以及节能效果，相信可以取得较好的经济效益和社会效益。本文在设计过程中，着重研究了供水系统稳定性、可靠性，同时采用了PID控制等自动控制技术，提高了系统的控制性能和性价比，也提高了系统的可操作性。在系统设计过程中，本系统还采用了了数据通讯功能，使系统能方便的与一些组态软件或工业控制软件进行通讯，也可以和一些工控网络系统相连，使系统成为该网络的一个站点。恒压供水在日常生活中非常重要，基于PLC和变频器技术设计的生活恒压供水控制系统可靠性高、效率高、节能效果显著、动态响应速度快。因实现了恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，节省了人力，提高了供水质量，减轻了劳动强度，可实现无人值班，节约管理费用。对整个供水过程来说，系统的可扩展性好，管理人员可根据每个季节的用水情况，选择不同的压力设定范围，不但节约了用水，而且节约了电能，达到了更优的节能方式，实现供水的最优化控制和稳定性控制。参考文献 l邱瑞生，杨滨等.采用交流调压调速的方法实现高楼供水.自动化技术与应用J.2002，21(4):24-262陈伯时,陈敏逊.交流调速系统网.北京:机械工业出版社.20023陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版社，19964荆绍莹.水泵调速的节能效果和方案选择.给水排水J.1991(2):31-335李华.变频调速技术在供水系统中的应用.电气传动自动化，1996，6屈有安.变频器PID恒压供水系统.江苏电器，2002(3)：33-357胡也辉.浅析住宅小区供水节能J.节能技术J.1997(3):6-8提出问题1. 在变工况时变频水泵不在相似点运行，水泵工况点随着管网的供水压头的波动而漂移，效率低。2. 利用供水管网的静压进行节能，在变工况时把大部分静压头加在龙头上给节流损失掉了，供水损耗大，同时也降低了供水系统的供水质量和供水安全性。 原因：设计工况是供水系统最大用水量的工况。在不同用水时段，自来水供水管网的供水压头是波动的，用水高峰时低，用水低谷时高，会造成小区恒压变频无负压供水系统的水泵工况点随着管网的供水压头的波动而漂移。按照自来水公司自来水供水管网安全运行，要求小区供水系统不能影响、干涉自来水供水压力P0的变化，这就对利用波动的供水管网供水压头P0的压力能、保证变频水泵时时在高效工况点运行以取得显著的节能效果来说，增加了不少的难度。但要达到这样的目的，必须深刻理解系统的结构及其性能。把供水管网的静压转移到龙头上给节流损失掉了，这和在进水池中把供水管网的静压节流损失掉并没有实质的区别，并没有达到利用供水管网的静压进行节能的初衷。另外，恒压变频无负压供水系统在构造时只是把进水罐密闭，加上真空消除器处的结构改变，其心脏部分的并联水泵运行的方式采用一变多定。把供水管网的静压引入供水系统加在系统龙头上，放大了供水系统恒压变频供水系统的固有缺点，有结构上不节能的属性。为了克服恒压变频无负压供水系统结构上的固有缺点，必须从改变供水系统的结构入手。10