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1课程名称：30kw钻井水驳运泵磁力启动箱电路设计系别：交通工程系班级：14级船电二班姓名：王鹏飞学号：20141405051指导老师：石本安2摘要目录前言一.变频器概述31.1变频器的基本原理1.2变频器的类型1.3变频器的基本构成二.恒压供水变频控制系统2.1恒压供水控制系统的基本控制策略2.2恒压供水系统的基本构成三.PLC的模拟量扩展单元的配置和选型四.电控系统的原理图五.系统的程序设计六.小结七.致谢词八.参考文献前言4随着社会经济的迅速发展，人们对供水的质量和安全可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、通讯技术、网络技术等应用到供水领域，成为对供水企业新的要求。在大力提倡节约能源的今天，研究高性能、经济型的恒压供水监控系统。所以，对于某些用水区提高劳动生产率、降低能耗、信息共享，采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。变频调速恒压供水技术以其节能、安全、供水高品质等优点，得到了广泛应用，恒压供水调速系统可依据用水量的变化(实际上为供水管网的压力变化)自动调节系统的运行参数，保持水恒定以满足用水要求，是当今先进、合理的节能型供水系统，在短短的几年内、调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐为多泵系统所代替，投资更为节省，运行效率提高，成为主导产品。自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。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，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统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。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，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面很有潜力，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，若自来水供水因故压力不足或短时缺水时，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，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，具有较大的经济和社会意义。据统计资料报道，我国现有约5000万台水泵和风机在运行，总计年用化量可达约1000亿度。泵和风机均属于叶片式流体机械；由流体机械理论，在相似工况下，泵、风机的流量，扬程和功率分别与其转速的一次方、二次方和三次方成正比。如转速下降一半，其功率可下降到原来的。流量是给水系统在使用过程中需要调节的主要参数。由水泵通过管路供水的理论可知，调节流量原则上有两大方法；一是节流调节，泵的转速不变，改变供水管路上阀门的开度以调节流量；开大阀门，流量增加；关小阀门，流量减少。采用流调节，有大量能量消耗在节流损耗上。调节流量的第二种方法是变速调节，即供水管路的状态不变(供水阀门度不变)，改变泵的转速以进行流量调节；转速升高，流量增加，转速降低，流量减少。用调速调节流量可以大幅度降低节流能量损耗，具有显著的节能效果。我国政府机关(国家科委、国家经贸委)在颁发的《中国节能技术政策大纲》中把泵和风机的变频调速技术列为国家九五计划重点推广的节能技术项目。51.1变频器的基本原理频器是把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备，其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。变频调速是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。作为一种能够把频率恒定不断的交流电转换为频率连续变化交流电的基本电力元件，变频器的出现，从根本上改变了电气行业的现状。以最为广泛运用的交流电动机为例，变频器的引入使其能够以更加节能的方式进行调速，提高了电动机的性能，提高了质量。而三相交流异步电动机中，其电流是由电动机的磁感应产生后驱动转子转动的，相比于传统的电动机，其体积更小、原理更简单、重量更轻、成本也更低，维护和使用更简单，因为很快得到了推广运用。现代工业的发展随着变频器的出现得到了加速，生产力和技术水平都得到了有效提高，在大幅节省了材料和能源的条件下，有效降低了生产的成本。随着变频器技术的成熟，目前已经运用到了生产和生活的每一个细节中。在国内变频器已经发展了十余年，目前其整体技术水平、性能和种类等都已较为成熟和成型。国内的变频器市场上有国内外多个品牌的变频器产品，像欧美的有ABB、西门子等十多个品牌，日本产的有安川、日立、三菱、三垦等十多个品牌，韩国产的有三星、LG等。国产的变频器有惠丰、安邦信、康沃等目前已经发展出了十多个较为成熟的品牌。整体品牌特点上说，欧美国家的变频器技术水平更高，适用性更强，日本产的变频器则体积更小，追求功能的全面。国内的变频器主要是大规模使用的价格较低、功能单一、技术成熟的产品。1.2变频器的类型变频器的主要作用是把由电网上接下的工频交流电变换为可以供交流电机6使用的电压和频率均可调的交流电。在电动机中使用的变频器主要是实现交-直-交工作模式，其基本工作原理见图1-2。图1-2“交—直—交”变频器工作原理图1、按变换的环节分类：可分为交-交变频器，即将工频交流直接变换成频率电压可调的交流，又称直接式变频器；交-直-交变频器，则是先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率电压可调的交流，又称间接式变频器，是目前广泛应用的通用型变频器。2、按直流电源性质分类：（1）电流型变频器电流型变频器特点是中间直流环节采用大电感作为储能环节，缓冲无功功率，即扼制电流的变化，使电压接近正弦波，由于该直流内阻较大，故称电流源型变频器（电流型）。电流型变频器的特点（优点）是能扼制负载电流频繁而急剧的变化。常选用于负载电流变化较大的场合。（2）电压型变频器电压型变频器特点是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓VV(电压可变)VF（频率可变）ACACDCCC7冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。此外，变频器还可以按输出电压调节方式分类，按控制方式分类，按主开关元器件分类，按输入电压高低分类。1.3变频器的基本构成在容量较小的变频器领域中，用的最多的也是交-直-交类型的变频器，且多是电压通用型的。交流器的结构根据其功能可以分为控制回路以及主回路两部分，其中主回路包括了中间直流环境、整流器以及逆变器3个结构，各部分结构的作用分别为：1.整流器。主要作用是把单相或者三相的交流电通过内部电路整流为直流。2.逆变器。常用的逆变器结构是一个三相的桥式逆变电路，是用6个半导体主开关组合连接而成的。可以通过对这6个半导体主开关通断的控制来进行三相交流电的变频率输出。3.常用的逆变器是与异步电动机相连，而异步电动机属于电感性的负载电器。因而不管电动机是工作在哪种模式下，其总的功率因数会低于1，因为存在无功功率，主要存在于电动机以及这里所说的中间直流环节间。中间直流环节中包含有储能元件，通常是电抗器或者是电容器，可以对无功功率进行缓冲，避免电路功率振荡。4.控制电路。控制电路主要包括了检测电路、运算电路、输出电路、控制信号器、驱动电路等几个部分。控制电路主要是负责对逆变器进行控制和保护，像对逆变器的开关控制以及对于整流器电压的控制，并完成对各个部件的电压和电流保护。控制电路的控制信号主要有数字和模拟控制两种。目前技术水平较高的变频器已经开始使用全数字的控制方法，并尽量简化硬件，由于软件控制的灵活性更好，因而利用数字控制，现在的控制电路已经能够完成一些较为复杂的电路控制功能。8二、恒压供水变频控制系统2.1恒压供水控制系统的基本控制策略采用电动机调速装置与可编程控制器（PLC）构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，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。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，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（4~20ｍＡ）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电源频率，从而实现控制水泵转速。供水系统选用原则水泵扬程应大于实际供水高度。水泵流量总和应大于实际最大供水量。2.2、恒压供水系统的基本构成恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵电机节能而可靠。配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够大，在用水量少时来开一台大电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大时供水量则相应的会不足。而且水泵与电机维修的时候，备用泵是必要的。而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的，那么这就是要用变频器为水泵电机供电。在此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器，从解决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不须切换，但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵。另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时，一台水泵变频运行，其余的水泵工频运行，以满足不同的水量需求。9如图为恒压供水泵的水的构成示意图2。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。当用水量大时，水压降低；用水量小时，水压升高。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。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，4~20MA变化的电流信号或0~10V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。用PLC代替调节器，其控制性能和精度大大提高了，因此，PLC作为恒压供水系统的主要控制器，其主要任务就是代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字PID调节；它还控制水泵的运行与切换，在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀的磨损，水泵及电机是轮换的工作。如规定和变频器相连接的泵为主泵（主泵也是轮流担任的），主泵在运行时达到最高频时，须增加一台工频泵投入运行。PLC则是泵组管理的执行设备。PLC同时还是变频器的驱动控制。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用PLC的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端子接受到传感器送来的模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。另外，泵站的其他控制逻辑也由PLC承担，如：手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站的工作异常的报警，系统的自检等等。PSMCFURMP压力传感器调节器变频器水箱水泵用户开关图2恒压供水泵的构成10三、PLC的模拟量扩展单元的配置和选型1．PLC模拟量扩展单元的配置及应用PLC的普通输入输出端口均为开关量处理端口，为了使PLC能完成模拟量的处理，常见的方法是为整体式PLC加配模拟量扩展单元。模拟量扩展单元可以将外部模拟量转换为PLC可处理的数字量及将PLC内部运算结果数字量转换为机外所需的模拟量