交流调速系统在供水系统上的应用设计
黑龙江八一农垦大学--王长劲--20104073219--2013.12.28 摘 要：本论文根据加压泵站供水要求，在原来自耦降压启动控制的基础上，
改造设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统。变频恒压供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器等构成。本系统包含三台水泵电机，它们组成变频循环运行方式。采用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速，运行切换采用“先启先停”的原则。压力传感器检测当前水压信号，送入PLC与设定值比较后进行PID运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。
关键词：变频器；可编程控制器；恒压供水 一 绪论
泵站担负着工农业和生活用水的重要任务，运行中需要大量消耗能量，提高泵站效率；降低能耗，对提高经济效益有重大意义。目前，有一20年前的加压泵站已不能适应当前的应用环境，需要改造。因此，研究提水系统的能量模型，找出能够节能的、有效地控制策略方法是目前较为重要的一件事。
随着变频技术的发展，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，广泛应用于供水系统中。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。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
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企业正常供水、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。
二 总体方案
2.1设计要求
本系统是以PLC与变频器协调控制电机的启动、运行时的转速和停止，来达到供水系统的恒压供水的目的。 系统供水要求：
根据加压泵站的3台水泵的实际设备配置情况，增设变频器装置及循环控制装置一套，使每一台的电机能单独进入自动恒压供水闭环控制系统。保留原来的降压启动电器柜备用。在自动故障时，可以手动控制，使电器柜运行，确保正常供水。 2.2 电机运行要求
运行由变频柜与循环转换柜、水泵、水流、压力传感装置构成的闭环自控系统，首先由变频柜软启动1#水泵，变频器频率从零升至50Hz，水泵达到额定转速。此时供水压力若达不到设定的压力，系统自动将1#水泵切换到工频恒速运行，变频器再软启动2#水泵，进行调速供水，如还达不到设定压力，系统又自动将2#水泵切换到工频恒速运行，变频器又再软启
动3#水泵，直到达到设定压力，变频器始终停留在某一水泵上调速运行。如运行中变频泵频率降至设定的最低频率，供水水压大于设定压力，系统将自动停止最先启动的水泵，如仍大，再停第二次启动的水泵。在夜间运行时，当最后一台变频泵频率降到设定的最低频率，此时供水压力还大于设定的压力时，变频装置将进入休眠状态，系统自动停止水泵工作。此时由压力传感装置监视管网压力，若低于设定压力的0.05MPa，变频装置自动唤醒，启动水泵补水。该系统就如此循环启动、调速运行、停止，不断进行调整，达到恒压供水的目的。
三 控制电路的设计
如图所示，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0～5V电压信号)；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级调速、无波动稳压的效果和各项功能。
从原理框图，我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信号检测、控制系统、人机界面等部分组成。
3.1 PLC的选型
水泵M1、M2，M3可变频运行，也
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可工频运行，需PLC的6个输出点，变频器的运行与关断由PLC的1个输出点，控制变频器使电机正转需1个输出信号控制，报警器的控制需要1个输出点，输出点数量一共9个。控制起动和停止需要2个输入点，变频器极限频率的检测信号占用PLC的2个输入点，系统自动/手动起动需1输入点，手动控制电机的工频/变频运行需6个输入点，控制系统启动运行需1个输入点，检测电机是否过载需3个输入点，共需15个输入点。系统所需的输入/输出点数量共为24个点。本系统选用FXos-30MR-D型PLC。
手动运行
当按下SB7按钮，用手动方式。按下SB10手动启动变频器。当系统压力不够需要增加泵时，按下SBn（n=1,3,5）按钮，此时切断电机变频，同时启动电机工频运行,再起动下一台电机。为了变频向工频切换时保护变频器免于受到工频电压的反向冲击，在切换时，用时间继电器作了时间延迟，当压力过大时，可以手动按下SBn（n=2,4,6）按钮，切断工频运行的电机，同时启动电机变频运行。可根据需要，停按不同电机对应的启停按钮，可以依次实现手动启动和手动停止三台水泵。该方式仅供自动故障时使用。
自动运行
由PLC分别控制某台电机工频和变频继电器，在条件成立时，进行增泵升压和减泵降压控制。
升压控制：系统工作时，每台水泵处于三种状态之一，即工频电网拖动状态、变频器拖动调速状态和停止状态.系统开始工作时，供水管道内水压力为零，在控制系统作用下，变频器开始运行，第一台水泵M1，启动且转速逐渐升高，当输出压力达到设定值，其供水量与用水量相平衡时，转速才稳定到某一定值，这期间M1处在调速运行状态。当用水量增加水压减
小时，通过压力闭环调节水泵按设定速率加速到另一个稳定转速；反之用水量减少水压增加时，水泵按设定的速率减速到新的稳定转速。当用水量继续增加，变频器输出频率增加至工频时，水压仍低于设定值，由PLC控制切换至工频电网后恒速运行；同时，使第二台水泵M2投入变频器并变速运行，系统恢复对水压的闭环调节，直到水压达到设定值为止。如果用水量继续增加，每当加速运行的变频器输出频率达到工频时，将继续发生如上转换，并有新的水泵投人并联运行。当最后一台水泵M3投人运行，变频器输出频率达到工频，压力仍未达到设定值时，控制系统就会发出故障报警。
降压控制：当用水量下降水压升高，变频器输出频率降至起动频率时，水压仍高于设定值，系统将工频运行时间最长的一台水泵关掉，恢复对水压的闭环调节，使压力重新达到设定值。当用水量继续下降，每当减速运行的变频器输出频率降至起动频率时，将继续发生如上转换，直到剩下最后一台变频泵运行为止。
因子很低，而空载损耗中占主要成份的是定子满电压的铁损耗，一点没有减少，所以效率很低。如果适当降低定子电压，见电机定子感应电势公式:
U1?E1?4.44F1N1KN1?m
四 经济性分析
4.1变频器恒压供水节能原理
任何利用交流感应电动机作为电力传动方式的生产机械，电动机的功率是按最大负荷期额定负荷选择的。而工作时绝大部分不能满载运行，电动机工作于满电压、满速度而负载很小，也会有很多时间空载运行，由电机设计和运行特性可以知道，电动机只有运行在满载时才是效率最高、功率因子最佳状况，轻载时降低，空载时甚至降到0.3N以下，造成许多不必要的电能损耗。现在采用检测负载大小的方法，根据负载的减少，适当降低定子电压可以提高效率，这是因为当轻载、空载时定子电流有功分量很小，而主要是励磁的无功电流，因此功率
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KN1由于轻载、空载时定子电流很小，可以忽略定子绕组的漏阻抗压降，所以U1约等于E1,当其它条件不变时，降低定子电压U1，则功率因子比例下降，也即励磁无功电流也成比例下降，这样定子电流中的无功分量减少了，功率就提高了，适当控制可以接近最佳值。随着U1下降，定子铁损以平方比例迅速下降，这样轻载、空载时占主要损耗的铁耗大量减少，使电机的运行效率大大提高，这就是轻载降压节电的道理。 4.2变频启动节能
通常感应电机采用直接接入电网启动方法，电机的启动电流为额定电流的3—5倍，这不仅损耗大，对电网的冲击也大，如用变频启动，可以将电流限制到很小，如满载启动，也只要比额定电流稍大就行。这样启动损耗大大降低了。既不冲击电网，也不冲击机械。
小结
本文针对加压泵站供水的特点，在原来的基础上设计开发了一套基于PLC的变频恒压供水自动控制系统。该系统利用单台变频器实现多台水泵电机的软起动和调速，并保留了原有的自耦降压起动装置，同时把水泵电机控制纳入自动控制系统。压力变送器采样管网压力信号经PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调节电机转速，通过改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。该系统不仅有效地保证了供水系统管网压力恒定，而且具有工作可靠、施工简单、节能效果显著、全自
动控制、无二次污染等优点。
结束语
通过本次毕业设计，不仅使我巩固了对原有知识的掌握，还拓宽了我的知识面。在提高自己的同时，我也更加清楚的认识到自己的一些不足之处。比如：在硬件设备之间的连接，I/O端口的分配，地址的分配这几方面自己起初不是很了解，但经过这半年的自学，以及向老师、同学们请教，我对这些知识有了更深入的理解。通过这两周的实践和学习，我学到了很多课本中无法涉及到的知识，体会到了工程设计的复杂与困难，也感受到了亲自做出成绩的成功与喜悦，这些都为以后的学习打下了坚实的基础。在以后的学习和生活中，我会不断的提高、充实自己，争取获得更大的成绩。
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参考文献
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[5]陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京:机械工业出版社，1996.