变频器恒压供水系统的设计.docx

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变频器恒压供水系统的设计

漯河职业技术学院

毕业论文

题目变频器恒压供水系统的设计

系别电气电子工程系

专业电气自动化

班级（3）班

学生姓名李会斌

指导教师陈相志

2014年3月

论文摘要

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。

变频恒压供水方式与过去的水塔或或高水

位水箱以及无塔（气压）供水方式相比，不论设备的投资，还是系统的稳定性、

可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟优势，而且具有显著的节能效果。

高

可靠性，高智能化是未来供水设备适应社会发展和人民生活要求的必然趋势。

本论文首先对基于补偿降压启动的无塔供水系统工作原理进行了分析，认识

到了其优缺点，另一方面从分析恒压变频供水的可行性，改造的理论、技术、经

济可行性等方面进行多次实验分析，继而设计出“变频恒压供水控制系统”。

变

频器供水系统以管网水压（或用户用水流量）为设定参数，通过微机控制变频器

的输出频率从而自动调节水泵电机的转速，实现管网水压的闭环调节（PID），使

供水系统自动恒稳于设定的压力值：

及用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，

供水量相应增大。

用水量减小时，频率降低，水泵转速减慢，供水量亦相应的减

小，这样就保证了供水效率用户对水压和水量的要求，同时达到了提高供水质量

和供水效率的目的，采用该设备不需要建造高位水箱，水塔，水质无二次污染，

是一种较为理想的现代化建筑供水设备。

前言…………………………………………………………...................1

　　0.１引言.............................................................................................1

　　0.２课题产生的背景...................................................................2

　　0.３本论文主要内容.......................................................................2

第一章基于补偿降压启动的无塔供水系统…………………....3

　　1.１系统的构成……………………………………………............3

　　1.２系统的工作原理………………………………………............3

　　1.３系统的优缺点…………………………………………….........5

第二章变频器恒压供水原理………………………………………..6

　　2.１变频调速原理………………………………………………......6

2.２变频恒压供水原理分析……………………………………...6

2.2.1变频恒压供水理论模型.............................................6

2.2.2变频恒压供水原理及优点.........................................7

第三章变频器恒压供水系统的设计……………………………8

　　3.１变频器的选择………………………………………………...8

　　3.２变频器ACS510及其优点………………………………....8

　　3.３系统原理图设计……………………………………………...9

3.４系统工作原理………………………………………………..11

第四章其它设备的选择..................................................................13

4.1压力变送器的选择............................................................13

4.2其它设备的选择................................................................13

第五章变频的参数设定……………………………………………15

　　5.１ACS510控制板面…………………………………………....15

　　5.２控制宏的选择………………………………………………...17

　　5.３PID控制宏的默认参数……………………………………..18

　　5.４电机铭牌参数设定…………………………………………....21

　　5.５其他参数的设定……………………………………………....22

总结……………………………………………………………………...23

参考文献……………………………………………...............................24

致谢………………………………………………………………........24

前言

0.1引言

随着社会经济的迅速发展，居民人口的增多，紧紧依靠高位水塔和压力罐来

提供水源已不能满足居民的要求。

高位水塔占用空间大，距地面较高，容易氧化，

最主要的是储存的水量有限对现代居民来说很不便。

压力罐供水原理是利用密封的罐体，使局部增压达到供水目的，具体工作顺

序是由水泵将水通过逆变止阀压入罐体使罐体内气体受到压缩，压力逐渐增大，

当压力达到指定上限时电接点压力表通过控制柜使泵机自动停止，设备中的水压

高于外界压力，自动送至供水管网，当罐体内水位下降，气压减少到指定的下限

位置时，电接点压力表通过控制柜使水泵重新启动，如此反复，使设备不停地供

水，当罐内气体不足时，补气阀可自动补气。

衡量供水质量的重要标准之一是供

水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工业或特殊用户是非常重要的，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，会造成更大的经济损失或

人员伤亡。

而上述供水方式供水压力不能够恒定，而且在用水高峰时，水泵启动

频繁，每次启动都会有较大的电流对电网冲击，水泵的损坏较大，每次进行维修

水泵都要花费一笔不小的费用。

在经济技术快速发展的今天，变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠

的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。

利用变频技术与自动控制技术相结合，在中小型供水企业实现恒压供水，不仅能

达到比较明显的节能效果，提高供水企业的效率，更能有效保证从水系统的安全

可靠运行。

0.2课题产生的背景

我校供水系统主要是由深井泵并网供水，水泵电机属大功率交流电机（37

kw）,不能全压启动，采用的是自耦变压器补偿降压启动控制加以控制。

其显著特

点：

在用水低峰时，水泵启动频繁，水泵使用寿命短，易损坏，一般半年就得将

水泵拔出来修一次，维修费用大。

08年上半年，南水罐严重老化，不能继续使用，

学院将其控制改为变频器控制。

改造后已连续无故障运行一年半，仅水泵维修费就节约2万余元。

0.3本论文主要内容

本论文首先对较落后的基于补偿降压启动的无塔供水系统工作原理进行了

分析，认识到了其优缺点，另一方面从分析恒压变频供水的可行性，改造的理论、

技术、经济可行性等方面进行多次实验分析，继而设计出“变频恒压供水控制系

统”其中设计了变频主电路、变频电机的运行模式、控制模式等。

第一章基于补偿降压启动的无塔供水系统

1.1系统的构成

图1-1无塔供水装置结构图

1.2系统的工作原理

该无塔供水的基本原理是利用水泵向水箱内进水，压缩被封闭在水箱内的气体实现增压，由理想气体的状态方程可知，在气体温度不变的情况下，密闭容器中气体的体积V和压强P关系为：

PV=定值。

最初，水箱内气体的压强为外界大气

压P其体积为水箱容积V，随着水箱内水位升高，气体的体积在减小，其压强在升高，水箱内水的压力也在升高。

因此，虽无高高的水塔也可向高处供水。

图1-2无塔供水装置的主电路和控制电路

1：

手动控制

转换开关SA置手动操作位置，其触点SA2为断开状态。

按下启动按钮SB2，接触器KM2，KM3和时间继电器KT线圈通电，主电路中KM2和KM3的主触点闭合，电机开始降压起动。

控制电路中，常闭触点KM21断开实现互锁，KM22闭合实现自锁，同时时间继电器KT开始延迟时，一段时间后，其常开触点KT闭合，中间继电器KA1线圈通电，触点KM13断开，使KM2，KM3，KT线圈断电，触点KM21恢复闭合，触点KA11闭合，接触器KM1线圈通电，其主触点闭合，电机切断为全压运行状态。

电机在工作状态下，按一下停车按钮SB1，可使KM1线圈断电，电机停止工作。

2：

自动控制。

转换开关SA置自动操作位置，其触点SA2为闭合状态，压力表对电机起控制作用。

电机的起动：

当压力表指针落到下限位置时，图中1，2两触点接通，中间继电器KA2线圈通电，其触点KM22闭合，实现自锁，触点KA21闭合，使KM2，KM3和三个线圈通电，电机降压起动。

经过延时后时间继电器KT触点闭合，KA1线圈通电并自琐，触点KA13打开，使线圈KM2，KM3，KT断电，触点KA11闭合，使KM1线圈通电，电机切换到全压运行，水泵进入正常工作状态。

电机的停止：

当压力表指针上升到上限位置时，图中1，3触点接通，中间继电器KA3线圈通电，触点KA32断开，使KA2线圈断电，触点KA21，KA22断开；触点KA31断开，使线圈KA1和KM1断电，电机停止工作。

3：

定时控制

本控制电路采用定时开关设定允许系统工作的时间，图中DS触点时定时开关的触点，该触点闭合时控制系统才能工作，从而实现定时控制。

定时开关可采用

KS36T型微电脑定时开关，该开关定时设置较为灵活。

1.3系统的优缺点

1优点：

系统优点是该无塔供水装置以地下水或河水为水源，向局部或小范围区域供水，具有运行费用低，初期投入小的优点。

2缺点：

（1）水泵起动频繁是影响电机使用寿命。

（2）水箱内的压力随着用水量的减少而下降，无法满足高层楼房需求，必须到达下限时电机才运行向水箱内供水。

第二章变频器恒压供水原理

2.1变频调速原理

变频调速技术原理是把工频50HZ的交流电转换成频率和电压可调的交流电，通过改变交流电动机定子绕组的供电频率，在改变变频率的同时也改变电压，从而达到调节电动机转速的目的。

此处变频调速是根据用户在单位时间内用水量的的多少来调速。

在水流量小的时候变频控制水泵的转速缓慢，或变频器处于睡眠状态。

一旦水流量大时，变频器则控制水泵快速运行，以达到管网压力一直处于稳定状态。

始终保持供求关系为：

供水=用水。

2.2变频恒压供水系统原理分析

变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管

网的实际供水压力跟随设定的供水压力。

设定的供水压力可以是一个常数，也可

以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。

所以，在某个特定时段内，

恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。

2.2.1变频恒压供水理论模型

从下图中可以看出，在系统运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。

该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设定压力相等为止。

如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵的转速减小，实际供水压力因此而减小。

同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。

图2-1变频恒压供水理论模型图

2.2.2变频恒压供水原理及优点

变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动机、管道和阀门等构成。

通常由异步电动机驱动水泵旋转来供水，并且把电机和水泵连成一体，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非同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变同步转速而实现调速的。

变频器恒压恒压供水采用变频器的PID控制功能实现恒压控制。

变频恒压供水原理是指变频器接受PID控制器的信号对水泵进行速度控制，压力感测器检测管网出水压力，把信号传给PID控制器，通过PID控制器调节变频器的频率来控制水泵电机的转速，从而实现恒压供水。

优点①启动平衡，启动电流可限制在额定电流以内，从而避免了启动时对电网的冲击。

②由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命。

③可以消除启动和停机时的水锤效应。

在主要功能预置方面，最高频率应以电动机的额定频率为变频器的最高工作频率。

④节约电能。

水泵的负载转矩与转速的平方成正比，输出功率与转速的立方成正比。

根据所需流量变频器自动调节转速，这样就可以大量节约电能。

⑤节约用水。

采用变频器进行变频恒压供水，管道保持恒压，可杜绝崩管现象，减少跑、冒、滴、漏等情况，从而节约用水。

⑥延长系统的使用寿命。

利用供水专用变频器进行变频恒压供水，可保持系统水压恒定，不会出现水压过高的现象，管道的压力一直可维持在合理的范围内，延长了设备更换周期，减少了维修的投入，并且避免了管道崩裂事故。

⑦无需储水箱，避免了水箱内长期沉积污垢及滋生微生物对水体质量的污染。

第三章变频恒压供水系统设计

3.1变频器的选择

变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器；按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器；按照工作原理分类，可以分为V/f控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等；按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。

变频器的选择依据是水泵电机的负载特性和电机的额定参数。

从负载类型考虑水泵属于二次方率负载，即电机工作时阻力转矩大小与转速的平方成正比，本课题选用常用于水泵、风机控制的ACS510系列变频器。

水泵的额定电压380V，额定电流为75A,额定功率为37KW。

据此选择变频器的型号为：

ACS510－01－96－4。

型号的含义：

ACS510为系列代号；01为变频器结构代号；96为额定电流；4为额定电压等级，380-480V；该型号变频器的额定功率为45KW。

3.2变频器ACS510及特点

ACS510是ABB又一款杰出的低压交流传动产品，它可以简单地购买，安装，配置和使用，可节省相当多的时间。

ACS510传动应用于广泛的工业领域，适用各种类型负载。

ACS510还针对风机水泵应用作了特别的优化，典型的应用包括恒压供水，冷却风机，地铁和隧道通风等。

特点：

调节十分平滑，稳定；具有睡眠功能可节能；最多可控制7台泵，使用相当方便；噪音最优化，当传动温度降低时增加开关频率，负载降低时自动降低电机磁通，简单安装，容易连接电缆，多种I/O和即插式可选件方便地连接到现场总线上；该系列变频器针对水泵，风机负载设计了多种应用宏，根据不同的控制宏要求，选择相应的宏，变频器有不同的默认设置，可实现接线最少，参数设置最简化的特点。

3.3系统原理图设计

图3-1变频器恒压供水主电路和控制电路

DI2：

得电选择PID控制宏；

DI5：

允许运行端，一旦失电变频器将停车；

DI6：

PID控制模式下，DI6得电变频器起动、失电停止；

AI2：

PID控制下，实际信号的反馈输入，0-20mA；

GND：

辅助电压输出的公共端；

DCOM：

所有数字输入的公共端；

24V直流电源

用于故障保护的继电器RO3的一对触点B-C端。

变频器对外引出六根控制接线：

线1－线6

转换开关SA1置手动操作位置，即工频接电源，变频为断开状态，按下启动按

钮SB2，接触器KM1,KM2和时间继电器KT线圈通电，主电路中KM1，KM2的主触点闭合，电机开始降压起动，控制电路常开出点KM1断开实现互锁，KM1的常开触点闭合实现自锁，同时时间继电器KT开始延时，一段时间后，其常开触点KT闭合，中间继电器KA线圈通电，KA的常闭触点断开，使KM1，KM2，KT线圈断电，触点KM1恢复闭合，KA的两个常开触点闭合，上面一个实现自锁，下面的常开触点接通KM3线圈，KM3线圈得电KM3的常闭触点断开，工频停止指示灯熄灭，KM3的常开触点闭合，工频运行指示灯点亮。

同时其主触点闭合，电机切断降压运行状态进行全压运行。

电机在工作状态下，按一下停止按钮SB1,可使KM3线圈断电电机停止工作。

转换开关SA1置自动操作位置，即变频运行，水泵的起动与停止，即可通过变频器面板控制，也可以通过外部开关控制。

通过变频器的面板控制起动，是指用用水量来通过定时器DS决定线路是断开还是闭合，在用水量较大时用定时器DS设定时间控制开关闭合，而在用水量小或不用水时定时器DS控制开关为断开状态，水泵停止运行。

一般设定的时间为五点至二十三点是闭合状态，电机正常工作。

其余时间是断开状态，水泵停止工作。

也就是说变频器进入睡眠功能。

变频器的睡眠功能是指在无人用水或用水流量很小时的情况下，所有工频泵均已停止运行，只有变频泵运行在下限频率，且当用户管网压力仍然偏高则变频泵停止运行，则变频泵进入休眠状态，所有水泵均停止运行，由自来水管网维持压力。

睡眠功能更有利于实现节能运行。

通过外部开关控制起动，是指直接将转换开关SA2转换为闭合，变频线路得电。

这样起动电机会浪费电能，减少电机的使用寿命，因为在深夜用水量小时或不用水时，电机还是在运行。

开关闭合后，线圈KM4通电，KM4的常闭点断开变频停止指示灯熄灭，KM4的常开触点闭合变频运行指示灯点亮，同时主电路中的KM4主点闭合，变频器得电并运行。

3.4系统工作原理

系统启动时首先闭合空气开关，把转换开关达到变频位置，三相交流电通过开关送到交流接触器和热继电器加载到变频器上，变频器输出驱动变频电机启动运行，如果检测得管网压力大于设定值，则系统不启动，当管网压力小于设定值时，系统启动。

（在恒压供水系统中可根据用户用水量的大小实现自动调节电机的转速，达到恒压供水的目的．水泵电机是系统的输出环节，它的转速由变频器控制，实现变水压的恒压控制．变频器接受PID控制器的信号对水泵进行速度控制，PID控制器它以其结构简单，稳定性好，工作可靠，挑战方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控制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，控制理论的其他技术难以采用时，即当不完全了解一个系统和被控制对象，或不能通过有效的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，微分计算出量进行控制的。

PID控制属于闭环控制，是指将被控制量的检测信号反馈到变频器，与被控制量的目标信号相比较，以判断是否已经到达预定的控制目标。

如尚未达到，则根据两者的差值进行调整，直至达到预定的控制目标为止。

其特点：

PID应用范围广。

虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可以控制了。

PID参数较易整定。

也就是说，PID的参数K,T,T可以根据过程的动态特性及时整定，如果过程的动态特性变化，如可能由于负载的变化引起系统动态特性的变化，则PID参数就可以重新整定。

PID控制器在实践中也不断地得到改进，如结合人工智能系统，模糊控制。

采用远传压力表作为压力检测与变送元件，它将管道内的压力值（0-0.4MP）转换为（0-20MA）的直流电压（电流）信号，经AI2接线端输入变频器。

远传压力表在工作原理上相当于一个可变的电阻，将24V直流电压加在两固定端，压力表的指针带到可变电阻的可动端，压力表的满偏量程为1MP,所以当压力在0-0.4MP范围内变化时，压力反馈为（0-20MA）。

压力感测器检测管网出水压力，把信号传给PID控制器，通过PID控制器调节变频器的频率来控制水泵电机的转速，压力检测值与压力给定值差距越大，该输出信号变化就越大．一旦管网压力达到了设定值，该输出控制信号就恒定下来，系统稳定运行．）

当变频器出现故障时，为了不影响居民用水，我们就要进行临时手动工频供水。

首先要切断加在变频器上的三相电源，将电源连接在工频中，由于水泵电机的容量一般较大，直接启动时，将会出现很大的起动电流，这样对电机的使用寿命有一定的影响，为减小起动电源常采用补偿降压起动，补偿电压起动是大容量三相异步电动机常用的起动方法之一，按下启动按钮后，降压动作，即接触器KM1,KM2和时间继电器得电，主电路上的接触点KM1,KM2闭合电机从自藕变压器中间抽头霍德尔80%或60%额定电压降压起动，以达到减小起动电流的目的，当电机的转速上升到一定值时，时间继电器KT动作，KM1,KM2主触点断开，KM3接触器得电，KM3主触点闭合，电机加额定电压进入全压运行状态，即达到临时手动供水

的目的。

第四章其它设备的选择

4.1压力变送器的选择

CYYB-120系列压力变送器为两线制4～20mA电流信号输出产品。

它采用

CYYB-105系列压力感测器的压力敏感元件。

经后续电路给电桥供电，并对输出信

号进行放大、温度补偿及非线性修正、V/I变换等处理，对供电电压要求宽松，具

有4～20mA标准信号输出。

一对导线同时用于电源供电及信号传输，输出信号与环

路导线电阻无关，抗干扰性强、便于电缆铺设及远距离传输，与数字显示仪表、

A/D转换器及计算机数据采集系统连接方便。

CYYB-120系列压力变送器新增加了全

密封结构带现场数字显示的隔爆型产品。

可广泛应用于航空航天、科学试验、石

油化工、制冷设备、污水处理、工程机械等液压系统产品及所有压力测控领域[。

主要特点：

（1）高稳定性、高精度、宽的工作温度范围；

（2）抗冲击、耐震动、体积小、防水；

（3）标准信号输出、良好的互换性、抗干扰性强；

（4）最具有竞争力的价格。

4.2其它低压电器的选择

1.断路器的选择

当变频器需要检修时，或者因某种原因而长时间不用时，将QF切断，使变频器与电源隔离。

当变频器输入侧发生短路等故障时，进行保护。

选择原则

（1）变频器在刚接电源的瞬间，对电容器的充电电流可达额定电流的（2-3）倍；

（2）变频器的进线电流是脉冲电流，其峰值常可能超过额定电流；

（3）变频器允许的超载能力为150%，1min。

为了避免误动作，断路器的额定电流

应选：

其中

为变频器的额定电流。

故选择断路器额定电流选择150A

根据上述数据可以选择断路器DW15—400断路器额定电压为380V，额定电流为200A满足要求可以选择

2.接触器的选择

接触器的选择应考虑到电动机在工频下的起动情况，其触点电流通常可按电动机的额定电流再加大一个档次来选择即可

第五章变频器的参数设定

5.1ACS510控制板面

ACS510变频器配置有两种不同型号的控制面板：

助手型控制板面-该控制板面可以提供中文显示，并包括多种运行模式，在出现故障时该控制板面提供相关的文字说明。

基本控制板面-该控制板面为手动输入参数提供了基本的工具。

助手型控制板面

ACS510助手型控制板面具有下列性能：

。

液晶显示

。

语言选择

。

与变频器的链接可随时插拔