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1、题 目: 县级自来水供水控制系统设计 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 教师职称： 39摘 要随着社会经济的迅速发展，县镇的建设越来越现代化，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求也不断提高。但是目前能源紧缺，大多数县级的供水设施陈旧。利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能、能适应不同领域的恒压供水系统成为必然趋势。本设计由变频器、PLC及PID调节器组成控制系统，调节水泵的输出流量。电动机泵组由三台水泵并联而成，由变频器或工频电网供电，根据供水系统出口水压和流量来控制变频器电动机泵组之间的切换及速度，使系统运行在最合理的状态，保证按
2、需供水。本文介绍了采用PLC控制的变频调速供水系统，由PLC进行逻辑控制，由变频器进行压力调节。再经过PID运算，通过PLC控制变频与工频切换，实现闭环自动调节恒压供水。关键字：恒压供水；节能；可编程控制器；PID调节Title The Design of the Water Supply Control System for the CountyLevel AbstractWith the rapid development of social economy, the countys building is more and more modern and it demands the b
3、etter of water supplys quality and reliability of water supply system. But energy resources are seriously lack, and most county-level water supply facilities are old. So it is inevitable tendency to design water supply system which has high function and saves on energy well, with help of advanced te
4、chnique of automation, control and communication. At the same time this system can adapt different water supply fields.This design is consist of the variable frequency and speed regulation, PLC, PID control system for the control system. It controls the outcome of the pumps. The generator pumps are
5、consist of parallel three pumps, and the power come from variable frequency and speed regulation or power grid. According to the water supply of constant pressures outcome water press and flux, the control system control the variable frequency and speed regulation, parallel pumps speed and cut over,
6、 cause the system move in the best rational situation, assure according to wants supply water. This design has many merits such as save energy.In this paper, the control principle of VVVF providing-water system is introduced, PLC is used to carry on logic control and invertered to modulate pressureT
7、hrough PID control principle. We realize Closed-loop control in VVVF Providing-water System. Keywords: Water supply of constant pressure； Energy conservation； Programmable Logical Controller； PID control system目 次1 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 所涉及学科的发展情况简介41.3 系统控制要求及规划62 系统的硬件部分设计82.1 变频器的工作原理及选择82.2 变频调速
8、运行的节能原理142.3 可编程序控制器选型152.4 远传压力表的选用172.5 水泵及其电动机的选择173 电路设计193.1 主电路图193.2 控制电路图193.3 PLC的I/O分配表213.4 变频器外部接线图及相关参数设置214 PID算法234.1 PID控制的设计244.2 PLC中的PID参数设定254.3 PLC的PID模块分析研究265 系统的软件设计305.1 系统程序设计分析305.2 系统程序梯形图设计315.3 系统程序梯形图325.4 组态软件介绍346 结束语376.1 结论376.2 展望37致 谢38参 考 文 献391 绪论1.1 课题研究的目的和意义
9、1.1.1 研究背景随着社会经济的飞速发展，县镇的建设不断完善且越来越现代化，人们生活也不断个性化，而且人们日常生活用水量会随着季节、昼夜、上下班时间的不同而有较大变化，经常会出现供水、用水的不平衡，这主要表现在自来水管网水压上，当用水达到高峰时，水的供给量往往低于需求量，出现水压低、水供不应求。人们对县水厂供水的数量、质量和稳定性提出了越来越高的要求，县水厂供水系统担负着为生产和日常生活供水和消防用水的重要任务。但是目前多数供水企业仍采用传统的恒速泵组切换加压供水方式，水压不稳，总体自动化监控程度低，电能浪费大，供水系统的控制和管理与国外比较相当落后，因此有必要对现有供水系统进行改造和重新设
10、计，向着高度自动化乃至无人化供水系统的方向发展，以提高其自动化水平，满足人们生产生活的需要。1.1.2 传统的供水方式在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式：（1）一台恒速泵直接供水这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从县内公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。（2）恒速泵加水塔的供水这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵
11、停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式，水泵工作在额定流量额定扬程的条件下，水泵处于高效能区。这种方式显然比前种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开、停时间比、开/停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资大，占地面积也最大；水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要:而且系统水压不能随系统所需流量和系统所需压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降
12、。（3）射流泵加水箱的供水这种方式是利用射流泵本身的独特结构进行工作，利用压差和来水管粗，出水管细的变径工艺来实现供水，但是由于其技术和工艺的不完善，加之该方式会出现有压无量(流量)的现象，无法满足高层供水的需要。（4）恒速泵加高位水箱的供水这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。占地面积与设备投资都有所减少，但这对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人工操作，使系统的供水质量下降能耗增加。（5）恒速泵加气压罐供水
13、这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。1.1.3 变频调速恒压供水的意义随着县镇的发展，人们的居住环境越来越集中，基础设施越来越来完善，加之生活个性化的发展，使得城市供水系统的负荷变化很大。以前通常采用恒速泵直接供水、高位水箱供水和气压罐供水几种方式来缓解，这些方法供水压力稳定，但存在水质污染、浪费严重，设备使用寿命不长，需派专人管理等弊端，近年来在供水系统中引入了变频调速技术，较好地解决了以上的问题。采用
14、变频调速恒压供水系统和传统的恒速泵供水系统、高位水箱供水系统、气罐供水系统相比，其优点是：（1）水压稳定、维护方便、占地面积小、节约能源；（2）起动平稳，起动电流可以限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；（3）由于泵的平均转速降低了，从而可以延长泵和阀的使用寿命；（4）可以消除起动和停止时的水锤效应(直接起动和停机时，液体动能的急剧变化，导致对管内的极大冲击，有很大的破坏力)。再有，用户用水的多少是经常变动的，因此，供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中地反映在供水的压力上:用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力恒定，可使供水和用水
15、之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高供水质量。恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因压力不足或短时断水，可能影响生产质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如当发生火灾时，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和现实意义。1.1.4 变频调速恒压供水的应用范围变频恒压供水技术在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类：（1）小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kw以下，控制系
16、统简单。由于这一范围的用户群十分庞大，所以是目前国内研究和推广最多的方式。（2）国内中小型供水厂变频恒压供水系统这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频器电机功率在135kw-320kw之间，电网电压通常为220V或380V。受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。（3）大型供水厂的变频恒压供水系统这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大(一般都大于320kw)、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。目前国内，除了高压变频供水系统，多数恒压供水变频系统均声称只
17、要改变容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器的要求和控制方式是不一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。以中小水厂供水环境来说，由于其包括了自来水生产系统，其温湿度及腐蚀程度都大于常见小区和加压泵站，在水泵组搭配上、需要处理的信号(如水质信号停机管理)也多于小区供水系统，所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并不能完全满足实践要求，现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对变频恒压供水系统加以改进和完善。1.2 所涉及学科的发展情况简介1.2.1 变频器的发展状况自20世纪80年代初通用变频器问世以来，通用变频器更新换代了五次:第一代是80年
18、代初的模拟式通用变频器；第二代是80年代中期的数字式通用变频器；第三代是90年代初的智能型通用变频器；第四代是90年代中期的多功能通用变频器；本世纪研制上市第五代集中型通用变频器。通用变频器的发展情况可以从以下几个方面来说明:（1）通用变频器的应用范围不断扩大；（2）通用变频器使用的功率器件不断更新换代；（3）控制方式不断发展；（4）PWM控制技术进一步发展。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，在实际应用中发挥了很大的作用。变频器技术的发展，其中主要以变频器控制方式的发展和电力电子器件的发展作为基础。通用变频器的发展是世界高速经济发展的产物，其发展的趋势大致如下：（1）
19、主控一体化；（2）小型化；（3）低电磁噪音化；（4）专用化；（5）系统化；（6）在数字控制技术与接口技术方面。通用变频器使用了32位RISC型CPU解决了缩短运算处理时间与内置大规模程序两者之间的矛盾。同时，可以大幅度提高变频器的控制性能与功能。在实用方面，人们进一步分析研究，发现对于一般异步电动机调速控制系统，可以采用较简单的转子磁场定向矢量控制，即所谓转差频率矢量控制。这是矢量控制型变频器的理论基础。1992年开始，德国西门子公司相继开发了6SE70系列通用变频器。它通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制等，并具有转矩控制功能和无跳闸性能。输出静态特性与普通型u/f
20、控制方式通用变频器有很大的改进。这种典型的产品，属于高功能型u/f控制方式通用变频器。目前应用最广泛的还是高功能型u/f控制方式通用变频器，它的性能足以满足大多数生产机械高质量调速控制的需要，只有特殊应用场合才考虑选用高性能矢量控制通用变频器。1.2.2 可编程序控制器的发展状况可编程逻辑控制器（Programmable Logical Controller），简称PLC。1969年，美国数字设备公司（DEC）研制出世界上第一台可编程控制器，型号为PDP-14，并在GM公司的汽车生产线上首次应用成功，取得了显著的经济效益。它以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种
21、新型工业自动控制装置。由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，被广泛应用于自动化控制的各个领域。美国电气制造商协会NEMA（National Electrical Manufacturers Association）和国际电工委员会IEC（International Electro-technical Commission）对可编程逻辑控制器分别做了定义。可编程逻辑控制器是一种专门用于工业环境的、以开关量逻辑控制为主的自动控制装置；它具有存储控制程序的存储器，能够按照控制程序，将输入的开关量（或模拟量）进行逻辑运算、定时、计数和算数运算等处理后，以开关量（或模拟
22、量）的形式输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器诞生不久即显示了其在工业控制中的重要地位，如日本、德国、法国等国家相继研制成各自的PLC。PLC技术随着计算机和微电子技术的发展而迅速发展，由最初的一位机发展成8位机。随着微处理器CPU和微型计算机技术在PLC中的应用，形成了现代意义上的PLC。现在的PLC产品已使用了16位、32位高性能微处理器，而且实现了多处理器的多通道处理，通讯技术使PLC的应用得到进一步发展。如今，可编程序控制器技术已比较成熟。目前，世界上有200多个厂家生产可编程序控制器产品，比较著名的厂家有美国的AB、通用（GE）、莫笛康、日本的三菱、欧姆龙、富士电机、松
23、下电工，德国的西门子，法国的TE、施耐德，韩国的三星、LG等。1.3 系统控制要求及规划系统的工艺过程如图1.1所示。系统由蓄水池、加压泵房、PLC、变频器、传感器以及计算机控制装置组成。蓄水池用来存储已经处理好的自来水。蓄水池内装有一个水位传感器，来实时检测蓄水池内的水位高低，当水位过高或过低时，PLC会根据水位检测装置传来的信号来控制输水管的阀门，使蓄水池内的水位保持在合理的高度。在用户管网上装有压力、流量检测装置，它们将实时检测得到的信号送给PLC，PLC根据信号控制变频器，变频器再进一步控制加压泵房内的电动机组，使管网的水压和水流量满足用户的需求。当用户需求量没什么突发变化时，加压泵房
24、的电动机在PLC的控制下，轮流工作。计算机控制装置作为整个系统控制的最高层，通过计算机网络和控制软件来实现远程监控与访问。 图1.1 系统工艺流程图 对加压泵房内泵机的基本控制要求是：（1）四台泵根据恒压的需要，采用“先起先停、先停先起”的原则； （2）在用水量小的情况下，如果一台泵连续运行时间超过3小时，则要切换到下一台泵，即系统具有“轮流休眠”的功能，避免某一台泵工作时间过长；（3）对泵的操作要有手动控制功能，手动只在应急或检修时临时使用。（4）生活供水时系统低恒压值运行，消防供水时系统高恒压值运行；2 系统的硬件部分设计系统硬件部分主要由PLC、变频器、远传压力表、水泵等组成，硬件部分设
25、计主要包括以上设备的选型和主电路、控制电路的设计。2.1 变频器的工作原理及选择变频器是集交直交电源变换技术、电力电子技术、微电脑控制技术等技术于一身的综合性电气产品，它通过改变电动机工作电源频率从而达到改变电动机转速的目的。它在变频调速恒压供水中有着非常重要的作用，是水泵电机调速的执行者。2.1.1 变频调速原理系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。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
26、变同步转速而实现调速的。异步电机的转差率定义为： （2.1）异步电机的同步速度为： （2.2）异步电机的转速为： （2.3）其中： nl为异步电机的理想空载转速;n为异步电机转子转速；f是异步电机的定子电源频率；P为异步电机的极对数。从上式可知，当极对数P不变时，电机转子转速n与定子电源频率f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。在变频调速过程中需同时调整电压以保证磁通恒定，从而保持电动机的机械特性恒定。因为，磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电机的负载能力下降。磁通太强，则处于过励磁状态，使励磁电流过大，这
27、就限制了定子电流的负载分量，为使电动机不至于过热，负载能力也要下降。由电机理论可知，三相异步电动机定子每项电动势的有效值为： （2.4）式中E1为定子每项由气隙磁通感应的电动势的均方根值，f1为定子频率，N1为定子项绕组有效砸数，为每级磁通量。由此可见，气隙磁通是由E1和f1共同决定的，要保持不变，只要保持为常数，但E1难于直接控制。当E1和f1都较高时，定子的漏阻抗相对比较小，可以忽略不计，可近似认为U1等于E1，从而保持为常数即可。当频率较低时，定子漏阻抗不能忽略，可适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响，使气隙磁通基本保持不变。所以异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电
28、压和频率，实现所谓的VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）。根据f1与U1的关系，变频调速原则上主要有以下两种:（1）恒转矩变频调速(恒磁通变频调速)由异步电动机的电势方程知：电动机定子相电压U1近似与电源f1、磁通的乘积成正比。故若U1一定时，则磁通必将随着f1的变化而变。若f1从额定值(我国通常为50HZ)往下调节时，磁通就增大。而电动机在设计时，为了充分利用铁芯材料，一般都把磁通值选在接近磁饱和数值附近。因此，磁通的增大，就会导致磁路过饱和，励磁电流大大增加，这将使电动机带负载的能力降低，功率因数值变小，铁损增加，电动机过热，这是不允许的。反之
29、，若f1从额定值往上调节时，磁通就减小，这在一定的负载下又有过电流的危险。为此通常要求磁通恒定，即f1与U1成正比关系，即：u1/f1=u2/f2 （2.5）式2.5中u2、f2为电动机在非额定工况时的定子电压和电源频率。又由异步电动机的转矩方程式知，当有功电流I2额定时，磁通一定时，电动机的转矩M也一定，故恒磁通即恒转矩。（2）恒功率变频调速当电动机在额定转速以上运转时，定子频率将大于额定频率。这时若仍采用恒磁通变频调速，则要求电动机的定子电压随着升高。可是电动机绕组本身不允许承受过高的电压，电压必须限制在允许的范围内，这就不能再应用恒磁通变频调速。在这种情况下，可以采用恒功率变频调速。根据
30、推导可知，恒功率调速必须满足式2.6所示的条件: （2.6）由于恒功率变频调速时必将发生变化，故电动机效率和功率因数将有可能下降。从上面对恒磁通和恒功率的变频调速特性分析可以得知，变频调速从额定频率往频率下降的方向调速时，即次同步高速时，应采用恒转矩(恒磁通)变频调速；变频调速从额定频率往频率增加的方向调速时，即超过同步调速时，需要采用恒功率变频调速。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
31、的调速。2.1.2 变频器的构成、分类及各种型式变频器的特点变频器（frequency changer / frequency converter）是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。此外，它还具有改变交流电电压的辅助功能。过去，变频器一般被包含在电动发电机、旋转转换器等电气设备中。随着半导体电子设备的出现，人们已经可以生产完全独立的变频器。变频器通常包含3个组成部分：整流器（rectifier）和逆变器（Inverter）,还有直流部分(DC)。其中，整流器将输入的交流电转换为直流电，逆变器将直流电再转换成所需频率的交流电。除了这2个部分之外，变频器还有可能
32、包含变压器和电池。其中，变压器用来改变电压并可以隔离输入/输出的电路，电池用来补偿变频器内部线路上的能量损失。不同的变频器能够处理的电源功率是不一样的，从几瓦到几兆瓦都有。 变频器主要是由主电路、控制电路组成：（1）主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，变频器的主电路大体上可分为两类：电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。（2）控制电路是给异步电动
33、机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。变频器的变流元件(电力开关元件)目前使用的主要有如下4种:晶闸管(可控硅)、大功率三极管(GTR，动力晶体管)、可关断晶闸管(GTO，可关断可控硅)、二极管。变频器可分为交流直流交流(简称交直交)变频器和交流交流(简称交交)变频器两类。交直交变频器是先将工频交流电通过整流器整流成直流；再把直流电经逆变器变成频率可调的交流电。交交变频器将电网的交流电直接变为电压和频率都可调的交
34、流电。由于交交变频器的输出频率一般最高只能达到电源频率的1/21/3,所以它适用于低速大功率的传动，在泵与风机的调速节能中迄今很少使用。交直交变频器又分为电压型和电流型两种：（1）电压型：在交直交变压变频装置中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电压源型变频器。一般的交一交变压变频装置虽然没有滤波电容，但供电电源的低阻抗使它具有电压源的性质，也属于电压源型变频器。（2）电流型：当交直交变压变频装置的中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个
35、电流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频装置叫做电流源型变频器。有的交交变压变频装置用电抗器将输出电流强制变成矩形波或阶梯波，具有电流源的性质，它也是电流源型变频器。除上述电流型和电压型变频器外，70年代后期又在电压型变频器的基础上发展出一种脉冲宽度调制(PWM)型变频器。以单相变频器180通电型为例，电压型变频器输出的电压波形为矩形；而PWM型则是把电压型的180矩形波分割成若干个脉冲，若适当选择脉冲个数和脉冲宽度，则其输出波形近似和正弦波相当。这就减少了电压中的低次谐波，减少了谐波损失，扩大了装置系统调速范围，提高了电动机在低速运行时的稳定性。PWM型变频器根据供给逆变器的直流电压是
36、可变还是恒定又分为恒幅PWM型变频器和变幅(脉冲幅值可调的)PWM型变频器两种。恒幅PWM型变频器是由二极管整流器，逆变器组成，逆变器的输入恒定直流电压，通过调节其脉冲宽度和输出交流电压频率来实现既调压又调频，变频变压都由逆变器承担。由于输出电压由逆变器决定，所以恒幅PWM型变频器的调节速度快，系统的动态响应好；并且由于直流电源由整流桥整流得到，所以无需移相控制，功率因数高。这种变频器的逆变器的交流元件可采用大功率三极管(GTR)(适用于中小容量)或可关断晶闸(GTO)(适用于大中容量)。由于GTO和GTR均有自己关断的能力，故在变频调速系统中可省去复杂的换流电路和换流元件，从而消除了电路的换
37、流损耗，故恒幅PWM型变频器具有高的调速效率和可靠性。脉冲幅值可调的PWM型变频器，它与普通电压型变频器相同。PWM型变频器虽多为上述电压型的，但近来也有电流型的。电流型PWM变频器波形的特点是把120宽的电流矩形波中间的60保留不动，而把前后30的波形切成脉冲状。普通的电流变频器的主要问题是由于它的输出电流为矩形波，由此产生的高次谐波成分将会对电动机和电源产生不良影响。如使供电电源质量下降，电动机的特性恶化；电动机产生转矩脉动问题等。为了减少高次谐波成分，除了采用前面所述的PWM技术以外，还可采用多重化技术，即把多组电流型变频器并联起来，以改善其输出电流波特形。在泵与风机调速节能的变频调速系
38、统中现已普遍采用这一多重化技术。2.1.3 变频器的选型变频器选型时要确定以下几点： （1）采用变频的目的；恒压控制或恒流控制等。 （2）变频器的负载类型；如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。 （3）变频器与负载的匹配问题； 1）电压匹配；变频器的额定电压与负载的额定电压相符。 2）电流匹配；普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。额定电流为所驱动电动机额定电流的1.11.5倍。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。 3）转矩匹配；这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。（4）在使用变频器驱
39、动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。（5）变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。（6）对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。（7）保证可靠地满足工艺要求，再尽可能节省资金。变频器的额定功率指的是它适用的4级交流异步电动机的功率。由于同容量电动机，其极数不同，电动机额定电流不同。随着电动机极数的增多，电动机额定电流增大。变频器的容量
40、选择不能以电动机额定电流为依据。同时，对于原来采用变频器的改造项目，变频器的容量选择也不能以电动机额定电流为依据。这是因为，电动机的容量选择在考虑最大负载，富裕系数，电动机规格等因素，往往电动机的容量富裕较大，工业用电动机常常在50%60%额定负荷下运行。若以电动机额定电流为依据来选择变频器的容量，留有富裕量太大，造成经济上浪费，而可靠性并没有因此而得到提高。变频器与电动机的匹配主要是电动机的额定电压及电流，如果电动机额定电流小于同功率的变频器额定电流，一般来说用同等功率的就足够了，但如果大了，只好用大一级的变频器。对于鼠笼式异步电动机，变频器的容量选择应以变频器的额定电流大于电动机的最大正常
41、工作电流1.1倍为原则，这样可以最大限度地节约资金。在选用变频器时除了考虑技术性和可靠性外还应考虑经济性，一般不要留有太大功率余量，变频器与电动机两者的功率应相匹配，不但经济性好而且输出波型更好。综合以上因素，系统选用专为风机、泵用负载设计的普通功能型U/f控制方式的富士变频器FRN55P11S-4CX，此为富士变频器低噪声高性能多功能变频器，为风机、泵用的PllS系列，功率范围为7.5-500KW，该系列有自带操作面板。功率大于75KW以上的，有自带直流电抗器。可以使用延伸电缆选件，可简单地实现远方操作。高性能和多功能的理想结合，动态转矩控制，能在各种运行条件下实现对电动机的最佳控制，具有P
42、G反馈更高性能的控制系统，新方式在线自整系统，能使电机低转速时脉动大大减小，更方便了使用的键盘面板，适应了各种环境的结构。其特点为：采用富士电机独自开发的动态转矩矢量控制方式，在0.5Hz时的起动转矩可达到200；具有包括自整定功能在内的许多方便功能；小型、全封闭防护结构(22KW)，容量范围0.2-400KW，机种规格齐全。P11S系列有它内在的性能以及功能，即动态转矩矢量控制、带PG反馈更高的性能的控制系统、电动机低转速时脉动大大减小、新方式在线自整定系统、优良的环境兼容性。具有各种通信功能，丰富的实用功能，保护功能。变频器内置PID控制模块，可用于闭环控制系统，实现恒压供水。2.2 变频
43、调速运行的节能原理离心式水泵广泛应用于工业和生活供水系统中。其输出特性取决于水泵的种类和供水管网系统的阻力特性。水泵轴功率按下式计算： （2.7）式中，为轴功率； 为工况点的流量； 为工况点的扬程；为介质的单位体积重量；为工况点的效率。每台水泵只有在原设计工况点时，泵的使用效率才为最高点，偏离这个工况点效率就会降低。根据以上分析，按照供水系统的实际流量Q0和扬程H0。以及与之相对应的水泵使用效率，可以算出水泵经济的轴功率。即： （2.8）这样整个供水系统的节能潜力为： （2.9）式中，为水泵消耗的总轴功率；为水泵运行时间。水在管道输送时，受到管网阻力的作用。管网装置特性可以从阀门全开时测得的各
44、种数据由下式求得： （2.10）式中，为阻力系数；为泵进出口水位差。从管网特性上求得管网实际所需的性能以及泵与管网性能的匹配情况，以此作为水泵节能依据。根据式2.8求出阀门控制流量运行时的泵轴功率为: （2.11）变频调速运行时的泵轴功率为： （2.12）两者之差： （2.13）也就是说，用阀门控制流量时有的功率被白白浪费了，而且损耗随着阀门的关小增加，而被浪费的功率要随之增加。根据水泵运行的相似定律，变速前后流量Q、扬程H、轴功率P转速N之间的关系为：; ; （2.14）式中，、为变速前的流量、扬程、功率；、为变速后的流量、扬程、功率。由式2.14可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速
45、成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。2.3 可编程序控制器选型2.3.1 可编程控制器的一般特点可编程控制器的种类虽然千差万别，但为了在恶劣的工业环境中使用，它们都有许多共同的特点。（1）抗干扰能力强，可靠性极高。（2）编程方便。可编程控制器的设计是面向工业企业中一般电气工程技术人员的，它采用易于理解和掌握的表达形式，又考虑到工业企业中的电气技术人员的看图习惯和微机应用水平。（3）使用方便。虽然PLC种类繁多，由于其产品的系列化和模块化，并且配有品种齐全的各种软件，用户可灵活组合成各种规模和要求不同的控制系统，用户在硬件设计方面，只是确
46、定PLC的硬件配置和通道的外部接线。（4）维护方便。（5）设计、施工、调试周期短。用可编程控制器完成一项控制工程时，由于其硬、软件齐全，设计和施工可同时进行。由于用软件编程取代了继电器硬接线实现控制功能，使得控制柜的设计及安装接线工作量大为减少，缩短了施工周期。同时，由于用户程序大都可以在实验室模拟调试，模拟调试好后再将PLC控制系统在生产现场进行联机统调，使得调试方便、快速、安全，因此大大缩短了设计和投运周期。（6）易于实现机电一体化。因为可编程控制器的结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高，抗振防潮和耐热能力强，使之易于安装在机器设备内部，制造出机电一体化产品。2.3.2 PLC的选择在进行PLC选型时，从以下几个方面来考虑：处理器技术指标；I/O模板技术指标；编程器及编程软件；通信功能；扩展性。而且在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠，维护使用方便及最佳的性能价格比。PLC容量主要是指PLC的I/O点数，I
