电厂综合水泵房水泵变频调速控制系统设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)

电厂综合水泵房水泵变频调速控制系统设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

空载启动时，所需启动转矩较低，可使斜坡缓和一些。 由于在启动过程中，控制目标为电动机转矩，即电动机的加速度，既使电网电压发生波动或负载发生波动，通过控制电路自动通过增大或减小启动器的输出电压，也可以维持转矩设定值不变，保持启动的恒加速度。 此种控制方式可以使电动机以最佳的启动加速度、以最快的时间完成平稳的启动，是应用最多的启动方式。 随着软启动器控制技术的发展，目前它大多采用转矩控制 方式，也有采用电 流控制方式，即电流斜坡控制 及恒流升压启动方式。 此种方式间接控制电动机电流来达到控制转矩目的，与转矩控制方式相比启动效果略差，但控制相对简单。 图 图 ） 8 (3)电压提升脉冲启动方式 电压提升脉冲启动特性曲线如图 所示。 此种启动方式一般可设定电压提升脉冲限幅 U 1L。 升压脉冲宽度一般为 5 个电源周波，即 100ms。 在启动开始阶段，晶闸管在极短时间内按设定升压幅值启动，可得到较大的启动转矩，此阶段结束后 ，转入转矩控制及启动电流限制启动。 该启动方法适用于重载并需克服较大静摩擦的启动场合。 (4)转矩控制软停车方式 当电动机需要停车时，立即切断电动机电源，属自由停车。 传统的控制方式大都采用这种方法。 但许多应用场合，不允许电动机瞬间停机。 如高层建筑、楼宇的水泵系统，要求电动机逐渐停机，采用软启动器可满足这一要求。 软停车方式通过调节软启动器的输出电压逐渐降低而切断电源，这一过程时间较长且一般大于自由停车时间，故称为软停车方式。 转矩控制软停车方式，是在停车过程中，匀速调整电动机转矩的下降速率，实现平滑减速。 如图 所示为转矩控制软停车特性曲线。 减速时间 t1 一般是可设定的。 图 电压提升脉冲启动方式 图 转矩控制软停车方式 (5)制动停车方式 当电动机需要快速停机时，软启动器具有能耗制动功能。 在实施能耗制动时，软启动器向电动机定子绕组通人直流电，由于软启动器是通过晶闸管对电动机供电，因此很容易通过改变晶闸管的控制方式而得到直流电。 如图 ，一般可设定制动电流加入的幅值 I1L 和时间 t1 ， 但制动开始到停车时间不能设定，时间长短与制动电流有关，应根据实 际应用情况，调节加入的制动电流幅值和时间来调节制动时间。 ） 9 图 水泵变频调速控制系统的分析说明 水泵变频调速系统因其控制性能稳定、可靠性能强，节能效果好等特点，被广泛地应用于高层建筑、安全消防、污水处理、工厂和电厂水泵房中。 水泵变频调速系统可以实现水泵电机无级调速，依据需求水量的变化自动调节系统的运行状况，在需求水量发生变化时保持水管内部的压力恒定以 满足用户的要求，是今天比较先进、科学合理的节能型供水系统。 在实践运用中如何充分合理地利用专业应用的变频器所含有的各种功能，对合理设计变频调速系统、降低投资成本、保证技术质量等方面有着重大意义。 变频调节电动机转速的恒压供水方式与曾经的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投入量和运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、快速性等方面都拥有无可比拟的优势，而且具有显著的节能效果。 目前变频恒压供水系统正朝着强的可靠性、全能的数字化、高的集成度等方向发展。 水泵变频调速系统 能适用生活用水、工业用水以及消防用水 等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点 : (1)系统的控制对象是管网的水压，它是一个过程控制量，同其它一些过程控制量(如：温度、流量、液位等 )一样，对控制作用的响应具有延迟性。 同时用于电机速度控制的变频器也存在一定的滞后效应。 (2)管网中因为有管道内部的摩擦阻力、水锤效应等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵电机旋转速度的变化与管道内水压的变化成正的比例关系，所以水泵变频调速恒压供水系统是一个线性系统。 (3)水泵 变频调速恒压供水系统具有广泛的通用性，然而面向种类繁多的供水系统，不同的供 水系统管网结构、用水量和扬程等方面又存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。 (4)在变频调速恒压供水系统中，由于有工频泵的加入减少，而工频泵的控制 (包括工频泵的停止和运行 )是时时发生的，同时工频泵的运行状态直接影响供水系统，使其） 10 不确定性增加。 因此我们可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是具有变化性的。 (5)当意外的情况 (如突然停水、断电、泵、变频器或软启动器故障等 )出现时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及管网压力等工况自动进行切换，保证管道内部压力恒定。 在出现故障时， 执行故障处理应用，保证在紧急的情况下仍然可以供水。 (6)水泵的电气控制柜上设有每台供水泵的启动、停止按钮及设备运行状态 指示灯显示功能。 控制柜应留有信号接口，能够把每台电机的运行信号、过载信号、运行电流、变频器频率、主管网压力返回控制室。 压力设定由控制柜上的压力设定电位器完成。 (7)使用变压变频设备和软启动装置进行调速，用变频泵和工频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的转动惯量的冲击，延长了设备的使 用寿命。 变频恒压供水系统主要有含 PID控制器的变频器、软启动器、压力变送器和 现场的水泵机组一起组成一个完整的闭环调节系统 ，其系统构成的结构框图如图。 本设计中 两个系统均为控制三 台水泵 电机 ，采用 PID调节方法。 三 台水泵 或两台水泵 中只有一 台水泵在变频器控制下作变速运行，其余水泵做恒速运行。 根据管网压力自动控制 另外两台或一台泵的启动， 并根据压力检测值和给定值之间偏差进行 PID运算， 运算结果送 给变 压变频装置 控制其输出频率，调节 水的 流量，使供水管网 的 压力恒定。 图 的结构图 水泵变频调速恒压供水系统 的控制策略 根据以上控制要求，进行系统总体控制方案设计。 硬件设备选型、变频器选型 及相关电器 ，绘制系统硬件连接图。 采用变频器的分级控制，进行优化控制泵组的调速运行，） 11 并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。 系统的控制目标是水泵房总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入 CPU 运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的 转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。 恒压供水就是利用变频器的 PID 或 PI 功能实现的工业过程的闭环控制。 即将压力控制点测的压力信号直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置 PID 运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。 两系统的 主电路接线图 两套系统的主电路图大致相同，控制电路图略有不同。 其相应的图形见 图 中 水提升 泵 系统 主回路接线图 (一控三 )，图 工业补给水泵系统主回路接线图 (一控二 )。 图 中水提升 泵系统 主回路接线图 (一控三 ) 图 中水提升泵系统工作原理 电机有两种工作情况：在工频电下运行和在变频电下运行。 KM KM KM5 分别为电动机 M1 、 M2 、 M3 变频运行时接通电源的控制接触器， KM KM4 、 KM6 、KM KM8 、 KM9 分别为电动机 M M M3 工频运行时接通电源的控制接触器。 具体为：接触器 KM1 闭合时， KM KM5 均为断开，电动机 M1 变频运行。 当） 12 压力检测值低于压力给定值时，变频器的输出继电器闭合进而控制接触器 KM2 闭合，使得电动机 M2 工频软启动 开始，软启动结束后接触器 KM8 闭合且 KM4 断开，使得电动机 M2 全 压工频运行。 如启动后系统压力大于母管压力时，不立即切除工频备用泵，而是首先由变频调节系统母管压力，以避免切除备用泵后系统母管压力急剧下降造成备用泵频繁启动。 当变频泵调整为某一合适的频率时，切除备用泵，改为变频调节。 当启动 1 台工频备用泵仍不满足系统用水要求是再启动另外一台工频备用泵，以满足系统用水要求。 第二台工频泵的起动原理与第一台工频泵的启动原理相同。 同时变频器要求在电动机 M1 、 M2 、 M3 中 定时循环切换，且一周切换一次。 图 业补给水泵 系统 主回路接线图 (一控二 ) 图 工业补给水泵系统工作原理 电机有两种工作情况：在工频电下运行和在变频电下运行。 KM KM 分别为电动机 M1 、 M2 变频运行时接通电源的控制接触器， KM KM4 、 KM6 、 KM7分别为电动机 M M2 工频运行时接通电源的控制接触器。 具体为：接触器 KM1 闭合时， KM3 断开，电动机 M1 变频运行。 当压力检测值低于压力给定值时，变频器的输出继电器闭合进而控制接触器 KM4 闭合，使得电动机M2 工频软启动开始，软启动结束后接触器 KM8 闭合且 KM4 断开，使得 电动机 M2 全） 13 压工频运行。 如启动后系统压力大于母管压力时，不立即切除工频备用泵，而是首先由变频调节系统母管压力，以避免切除备用泵后系统母管压力急剧下降造成备用泵频繁启动。 当变频泵调整为某一合适的频率时，切除备用泵，改为变频调节。 第三台大泵则完全手动软启动控制。 详细的软启动过程分析请参见下文中软启动器控制系统的过程分析。 软启动器控制系统的过程分析 （ 1） 一台软启动器控制一台电动机的软启动、软停车或自由停车控制线路 如图 所示型号为 Y2280S4 的 电动机利用软启动器启动的控制线路图。 图中实线框所 示为软启动器，其中 C 和 400 为软启动器控制电源进线端子； L L L3 为软启动器供电电源的进线端子； T T T3 为连接电动机的出线端子。 A A2， BB2， C C2 端子由软启动器三相晶闸 管 两端分别直接引出，当相对应端子短接时，等价于将软启动器内部可控硅晶闸管短接，但现在软启动器内部的电流检测环节仍起作用，即此时软启动器对电动机保护功能仍起作用。 PL 是软启动器为外部逻辑输人提供的 +24V 电源； L+为软启动器逻辑输出部分的外接输入电源，在图中由 PL 直接 提供。 STOP、 RUN 分别为软停车和软启动控 制信号，接线方式分为：三线制控制、二线制控制和通信远程制控制。 三线制控制，要求输入信号为脉冲输入型；二线制控制，要求输入信号为电平输入型；通信远程控制时，将 PL 与 STOP 端子短接，启停要使用通信口远程控制。 图 所示控制线路为三线制控制方式接线。 KAl 和 KA2 为输出继电器。 KAl 为可编程输出继电器，可设置成故障继电器或隔离继电器。 若 KAl 设置为故障继电器，则当软启动器控制电源上电时， KAl 闭合；当软启动器发生故障时， KAl 断开。 若 KAl 设置为隔离继电器，则当软启动器接收到启动信号时， KAl 闭合；当软启动 器软停车结束时，或软启动器在自由停车模式下接收到停车信号时，或在运行过程中出现故障时， KAl 断开。 KA2 为启动结束继电器，当软启动器完成启动过程后， KA2 闭合；当软启动器接收到停车信号或出现故障时， KA2 断开。 如图 所示为电动机单向运行、软启动、软停车或自由停车控制线路。 KAl 设置为隔离继电器。 此软启动器接有进线接触器 KMl。 当低压断路器 QF 合闸，按下启动按钮 SB2，软启动器接受到启动信号，则 KAl 触点闭合， KMl 线圈上电，使其主触点闭合，主电源加入软启动器。 电动机按设定的启动方式启动，当启动完成后， 内部继电器KA2 常开触点闭合， KM2 接触器线圈吸合，电动机通过接触器由电网直接供电。 但此） 14 时电动机需要加过载、缺相等保护，所以需要加热继电器。 若发生过载、过流，则切断接触器 KMl 电源，则软启动器进线电源切除。 因此电动机不需要额外增加过载保护电路。 正常停车时，按停车按钮 SBl，停止指令使 KA2 触点断开，旁路接触器 KM2 跳闸，使电机软停车，软停车结束后， KAl 触点断开。 按钮 SB3 为紧急停车用，当按下 SB3时，接触器 KMl 失电，软启动器内部的 KAl 和 KA2 触点复位，使 KM2 失电，电机自由停转。 由于带有旁路接触器， 该电路有如下优点：在电动机运行时可以避免软启动器产生的谐波；软启动器仅在启动和停车时工作，可以避免长期运行使晶闸管发热，延长了使用寿命。 图 、软启动、软停车或自由停车控制线路 （ 2） 单台软启动器启动多台电动机 我们用一台软启动器对多台电动机进行软启动，可以降低控制系统的投入成本。 通过设计适当的电路可以实现对多台电动机软启动、软停车控制，但不能同时启动或停机多台电机，只能一台一台的分别启动或停机。 在这里考虑到要想实现一台软启动器对多台电动机既能软启动又能软停车，其设计的控制线路相对较复杂一 些，而且还要使用软） 15 启动器内部的一些特殊功能，所以下面仅介绍使用一台软启动器对 2 台电动机进行软启动、自由停车控制的电路，如图 所示。 软启动器的启动、停止采用二线制控制方式，即将 RUN 和 STOP 端子连接到一起，通过一控制触点 KA5 与 PL端子相连。