继电接触式变频恒压供水控制系统设计_毕业设计(编辑修改稿)

继电接触式变频恒压供水控制系统设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

的水量需求。 如 下 图为恒压供水构成示意图 图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口 ，变频恒压供水系统 压力传感器，把水压转换成 4～ 20mA 的模拟信号，通过 PID 调节器送入变频器 ，来改变电动水泵转速。 当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动水泵的转速不在变化，使管网压力恒定在设定压力 上；反之亦然。 控制要求及技术指标 三台水泵供水，压力控制点设在水泵出口处，用变频器、调节器、继电器、接触器等组成闭环调节系统，以保正水泵出口压力恒定。 水泵的切换方式为：三台水泵作变频运行。 当第一级变频泵达到工频运行时，第二台备用泵变频启动。 当第二台变频泵再次达到工频运行时，第三台备用泵变频启动。 停泵时依次停第一、二台泵。 参数要求为： 用水量：正常供水量 20立方米 /小时，最大供水量 55 立方米 /小时，扬程 68米。 用三台水泵供水。 控制压力为 ，控制范围 +，同时设定压力可调。 设定自动、手动。 各种所需保护。 面板上有压力、频率、电压等显示。 共 35 页 第 10 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 可行性分析，节电分析 在城市配水管网的压力经常或周期性的室内所需要的供水压力 ， 室内用水量较大且不均匀时， 供水不足或过剩的情况时有发生。 这种不平衡集中反映在压力上：用水多而供水少，压力低。 用水少而供水多，则压力大。 若能保持供水的压力恒定，可使供水和用水之间保持平衡，从而提高供水的质量。 为了达到这一目的避免传统的供水措施的缺陷和不足 可采用 采用变频恒压供 水系统。 根据理论分析，当电源电压一定时，电机消耗的功率与其转速的立方成正比，即 3)2/1(2/1 nnNN  其中 N1 和 N2 是电机消耗的功率， n1 和 n2 是相应于 N1 和 N2 的转速。 当水泵的扬程一定时，其出水量与转速成正比，即： 2/12/1 nn  其中 ， Q1 和 Q2 表示相应于 n1和 n2的水泵的出水量。 因此在维持水泵压力恒定的条件下，通过调整水泵机组的转速从而调整水泵的出水量，就可以大大节约电机所消耗的功率而达到节能的目的。 我国国家科委和国家经贸委《中国节能技术政策大纲》中把泵和风机调速技术列为国家九五计划重点推 广节能技术项目。 应当指出，变频恒压供水节能效果主要取决于用水流量变化情况及水泵合理选配，使变频 恒压供水具有优良节能效果，变频恒压供水宜采用多泵并联供水模式。 由多泵并联恒压变频供水理论可知多泵并联恒压供水，其中一台泵是变频泵，其余全是工频泵，多泵并联变频恒压变量供水工作模式通常是这样：当用水流量小于一台泵工频恒压条件下流量，由一台变频 泵 调速恒压供水 ； 当用水流量增大，变频泵转速自动上升；当变频泵转速上升到工频转速，为用 水流量进一步增大，由变频供水控制器控制，自动启动一台工频泵投入，该工频 泵 提供流量是恒定 (工频转速恒压下流量 )，其余各并联工 频泵按相同原理投入。 一般的说，变频调速恒压供水方式用于生活供水，节电效率很高，可达 50% ，用于工业供水则在 30% ～ 40% 之间。 例 一个居民小区的供水水泵功率为 15kw，每天维持水压和小流量供水的时间约占全天的 2/3，这个时段消耗的电能约 120kwh ，如果采取特别的节能措施，起码节约 100kwh 的电能，一年下来就是 36000kwh ，按每 1kwh 电能 元计算，每 年可节约 万元。 可靠性、使用寿命、整体造价是用户关心的问题，也是生产厂家关注的问题。 恒压供水控制器、变频器的质量好坏决定了设备的可靠性和使用寿命。 我公司主要采用国际知名品牌变频器和单片计算机为产品配套，生产中严格按照 ISO9001:2020规范进行检验，整套设备主要部件使用寿命一般在 10 年以上 .。 对于郊区或农村用水量变化大的用户，变频调速恒压供水方式更加优越。 综上所述，此方案具备可行性。 共 35 页 第 11 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第二章 系统设计 主电路设计 如 下 图为电控系统的主电路图。 三台电机分别为 M1， M2， M3。 接触器 KM1， KM3， KM5分别控制电机 M1， M2， M3的 工 频运行。 接触器 KM2， KM4， KM6 分别控制电机 M1， M2， M3的变频运行。 FR1， FR2， FR3 分别为三台水泵电机的过载保护的热继电器。 QF1， QF2， QF3， QF4分别为三台水泵电机和变频器 的低压断路器。 QF 为总断路器。 主电路图 变频器的工作原理 实现变频调速的装置称为变频器。 变频器一般由整流器、滤波器、驱动电路、保护电路以及控制器（ MCUDSP）等部分组成。 共 35 页 第 12 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 整流部分，如图所示 D1 D2 D3 D4 D5 D6，这六个二极管把三相整流成直流电，小功率变频器一般直接使用整流二极管整流，某些品牌如西门子， ABB 等欧洲品牌的变频器， 55KW或以上变频器则采用半控或全控三相桥式整流； 直流部分，由 C1 C2 R1 R2 组成直流环节，主要作用是滤波，使电压保持稳定，以及承担整流与逆变部分能量转换； 逆变部分，有 VR1 VR2 VR3 VR4 VR5 VR6 组成逆变电路 ，这六个逆变开关管有规律的关断与导通，把直流电变成频率与电压可调的交流电。 首先将单相或三相交流电源通过整流器并经电容滤波后，形成幅值基本固定的直流电压加在逆变器上，利用逆变器功率元件的通断控制，使逆变器输出端获得一定形状的矩形脉冲波形。 在这里，通过改变矩形脉冲的宽度控制其电压幅值；通过改变调制周期控制其输出频率，从而在逆变器上同时进行输出电压和频率的控制，而满足变频调速对 U/f 协调控制的要求。 变频器的发展 变频器的发展今的变频器有突显的数值化，智能化特征。 随着计算机技术的飞速发展，人们对数字化信 息的依赖越来越强。 为了使交流调速系统与信息系统紧密结合，同时也为了提高交流调速系统自身的性能，必须使交流调速系统采用全数字化控制模式。 单片机已经在交流调速系统中得到了广泛地应用。 例如由 Intel 公司 1983 年开发生产的 MCS 96系列是目前性能较高的单片机系列之一，适用于高速、高精度的工业控制。 其高档型： 8196KB 、8196KC 、 8196MC 等在通用开环交流调速系统中的应用较多。 而且由于交流电机控制理论不断发展，控制策略和控制算法也日益发展深化。 扩展卡尔曼滤波、 FFT、状态观测器、自适应控制、 人工神经网络等等先进理论均广泛应用到了各种交流电机的矢量控制或直接转矩控制当中。 DSP 芯片被广泛的应用。 如 TI 公司的 MCS320F240 等 DSP 芯片，以其较高的性能价格比成为了全数字化交流调速系统的首选。 最近 TI公司推出的 MCS320F240X 系列产品更将价格降低到了单片机的水平。 在交流调速的全数字化的过程当中，各种总线网络也扮演了相当重要的角色。 STD 总线、工业 PC 总线、现场总线以及 CAN 总线等在交流调速系统的自动化应用领域起到了重要的作 共 35 页 第 13 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 用。 电机运行的控制 三台电机分别为 M1， M2， M3。 接触器 KM1， KM3， KM5 分别控制电机 M1， M2， M3的 工 频运行。 接触器 KM2， KM4， KM6 分别控制电机 M1， M2， M3的变频运行。 每一台电机设低压断路器和热继电器作为保护。 手动状态下每个电机设置一启动按钮，一停机按钮自由控制电动机的起停，每一台电机工频变频之间有互锁。 在自动状态下电机之间工频变频之间的切换由压力信号来控制。 当频率达到上线，压力达到下限时，用压力信号来控制变频转工频，同时启动下一台泵的变频，在压力达到上限时，控制停机，若三台泵都已启动则先停 M1 的工频，如果用水量还是较小，压 力再次达到上限时停 M2的工频，只留下 M3变频运行。 若只有 M1，M2 运行，则先停 M1，留 M2 变频 运行。 当下次有压力下限信号来的时候 M3变频转工频， M1工频再次启动，然后再次运行如前。 若是 M3工频， M1工频， M2变频的状态，停机的时候是先停 3 号泵，再停 1 号泵，留 2 号泵变频运行。 同理若 M2,M3 工频， M1 变频，则先停 2 号泵，再停 3号泵。 如此往复循环起泵停泵。 工频变频切换与变频器工作的时序的关系 为了避免变频器在没有负载时依然有输出，在变 频和工频的切换过程中，变频器可以在适合的时候关闭，所用变频器有一个 端子由继电器的常开触点控制，比如从一号机的变频传工频再切换二号机的变频时，要求先断开接触器常闭触点，关闭变频器输出，然后通过 KM1断开一号电机的变频，接通 KM2 启动工频，再接通二号机的变频，最后才闭合变频器上的常闭触点再次启动变频器，实现了无扰切换。 PID 调节器的应用和原理 （ 1） 调节器的原理 调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压的给定值、接受传感器送来得管网水压的实测值、根据给定值与实测值的综合依一定的调接规律发出的系统调接信号等功能。 调节器的输出信号一般是模拟信号， 420mA 变化的电 流信号或 010V 间变化的电压信号。 信号的量值与前边的提到的差值成正比例，用于驱动执行器设备工作。 在变频器恒压供水系统中，执行设备就是变频器。 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。 PID 控制器问世至今已有近 70 年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。 当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控 制技术最为方便。 即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。 PID 控制，实际中也有 PI 和 PD控制。 PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 （ 2） PID 的控制规律 比例（ P）控制 ： 比例控制是一种最简单的控制方式。 其控制器的输出与输入误差信号 共 35 页 第 14 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 成比例关系。 当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（ Steadystate error）。 积分（ I）控制 ： 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。 对一个 自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这。