水泵变频调速系统——自控课程设计

《自动控制》课程设计

课题：水泵变频调速系统

班级：电气1101

学号：0401110130

姓名：程思儒

指导教师：杨科科

河南工业职业技术学院

2013年10月30日

目录

第一章引言 (1)

1.1 研究背景 (1)

1.1.1 变频技术的国内外发展与现状 (1)

1.2 本设计研究的主要内容 (1)

第二章水泵变频调速控制系统总体设计方案 (3)

2.1变频调速控制系统的理论基础 (3)

2.1.1三相异步电动机的调速原理 (3)

2.1.2软启动器及其使用 (4)

2.2水泵变频调速控制系统的分析说明 (6)

2.2.1水泵变频调速恒压供水系统构成 (6)

2.2.2中水系统的主电路接线图 (7)

第三章系统硬件的设计 (8)

3.1软启动器的选择 (9)

第四章参数复位 (10)

总结 (10)

参考文献 (11)

附录A (12)

第一章引言

1.1 研究背景

1.1.1 变频技术的国内外发展与现状

近年来电力电子器件的材料开发和制造工艺水平不断提高，尤其是高压大容量绝缘栅双极型晶体管IGBT、集成门极换向晶闸管IGCT器件的成功开发，与此同时伴随着微型计算机控制技术及电机拖动控制系统理论的发展，使大功率变频技术得以迅速发展，性能日臻完善。如今我国每年大约60%的发电量是由电动机消耗掉的，因此如何利用电机调速技术进行电机运行方式的改造以节约电能，受到了国家和业界人士的重视。在80年代末90年代初以及中期，我国变频技术主要依赖于国外产品进口。国外变频技术发展从20世纪80年代后半期开始，尤其以欧洲、美国、日本发展较早，基于VVVF 技术的变频器技术产业也愈来愈成熟。而在我国这十几年的变频技术发展期间，我们走的是集成化的道路，从先学习国外的先进技术到自主的创新研发。我国自主研发变频器的生产地区主要集中于南方地区，且主要集中为低压变频器，但多数国外跨国企业在我国变频技术占有主导地位，不仅是低压变频方面，还包括了高压变频方面。

1.2 本设计研究的主要内容

本设计是以电厂综合水泵房的中水提升泵及工业补给水泵两套系统为控制对象，采用变频技术，设计一套某电厂综合水泵房的恒压供水系统，现拟对其进行变频调速改造。其中3台中水提升泵配备一台变频器，采用一面变频柜；2台工业补给水泵配备一台变频器，采用一面变频柜；在综合水泵房安装一套双电源切换装置，为两套变频调速系统供电。

中水提升泵变频调速系统可由现场集控系统进行协调控制，根据运行工况按设定程序，实现对中水提升泵电动机转速控制。

表1.1 电动机的参数表

电动机型号Y315S-6 额定电压380V

额定功率75KW 台数 3

额定电流140A 绝缘等级 F 工业补给水泵变频调速系统可由现场集控系统进行协调控制，根据运行工况按设定程序，实现对工业补给水泵电动机转速控制。

表1.2 电动机的参数表

电动机型号Y2-200L2-2 额定电压380V

额定功率37KW 台数 2

额定电流68A 绝缘等级 F 另外一台工业补给水泵不参与变频调速，只工频运行。

表1.3 电动机的参数表

电动机型号Y2-280S-4 额定电压380V

额定功率75KW 台数 1

额定电流140A 绝缘等级 F 具体要求如下：

1、控制方式：

中水提升泵采用一控三的方式，工业补给水泵采用一控二的方式。具体如下：以母管压力为自动控制依据，根据运行情况，设定母管压力实现恒压供水。在用水高峰期，变频器以较高频率运行，保证正常的用水压力。当不用水时，变频器运行在0Hz,水泵电机停车。当下次用水时，随着用水量的增加，管网压力降低，变频器开始由低频启动，直到运行在满足用水压力要求的相应频率下。

另外两台水泵作为工频备用泵，当变频水泵达到额定频率且人不满足系统用水要求时，自动启动1台工频备用泵。如启动后系统压力大于母管压力时，不立即切除工频备用泵，而是首先由变频调节系统母管压力，以避免切除备用泵后系统母管压力急剧下降造成备用泵频繁启动。当变频泵调整为某一合适的频率时，切除备用泵，改为变频调节。当启动1台工频备用泵仍不满足系统用水要求是在启动另外一台工频备用泵，以满足系统用水要求。

为了保证水系的安全用水，系统应设计变频器故障旁路功能。即在变频器检修或故障情况下系统具有工频供水功能，使供水系统更加安全，更加可靠。

系统采用的变频器，可实现PID控制，能无冲击的再启动瞬停后正在旋转的电动机。

2、变频柜功能

变频柜控制方式分为：手动操作、自动运行两种。具体功能描述如下：

操作方式选择功能

系统的操作方式由设置在变频控制柜上的转换开关选择。

第二章 水泵变频调速控制系统总体设计方案

2.1变频调速控制系统的理论基础

2.1.1三相异步电动机的调速原理

水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为：

60(1)f

n s p =

- (2.1)

式中：f 表示电源频率，p 表示电动机极对数，s 表示转差率。 从上式可知，三相异步电动机的调速方法有： (l) 改变转差率 (2) 改变电机极对数 (3) 改变频率

改变转差率调速，异步电动机运行时，从定子传给转子的电磁功率一部分转化为有效功率被负载消耗掉，另一部分就是转差功率。而转差功率等于转差率与电磁功率的乘积。又因为电磁功率等于转矩乘以角速度，所以若负载不变则电磁功率等于常数。那么负载不变时转差功率正比于转差率，改变转差功率就可以改变转差率，从而改变电机的转速。有两种改变转差功率的办法，一是把全部的转差功率转化成热能消耗掉，但这种调速在转速越低时效率也越低，如降低定子电压、绕线转子异步电动机转子串电阻、电磁转差离合器的调速都属于该方式；二是除小部分能量消耗在转子电阻上外，其余大部分反馈给电网或被充分利用。绕线转子异步电动机一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗，且成本高而影响它的推广价值。

改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。

改变频率调速，由公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n 基本上与

电源频率f成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电源装置，它们促进了变频技术的发展。

2.1.2软启动器及其使用

传统的三相异步电动机启动线路较简单，不许外加启动装置，但其启动电流冲击较大，启动转矩较小且不可调节。电动机停机时采用控制接触器的触点断开，切掉电源，从而使其自由停车，这样会造成电网的剧烈波动。

对于启动电流和启动转矩要求较高的场合，可选用软启动器。其主要特点具有软起动和软停车功能，启动电流和启动转矩可调节，另外还有电动机过载保护等功能。

1.软启动器的工作原理

如图2.1所示为软启动器内部原理结构示意图。它主要由三相交流调压电路和控制电路构成。其基本原理是利用晶闸管的移相控制原理，通过控制晶闸管的导通角来改变其输出电压，达到通过调压来控制启动电流和启动转矩的目的。控制电路按预定的启动方式，通过检测主电路的反馈电流，控制其输出电压，可以实现不同的启动特性。最后软启动器输出全压，电动机全压运行。由于软启动器内部会对电流实时检测，因此它具有对电动机及其自身的热保护、限制转矩电流的冲击、三相电源的不平衡等功能。

图2.1 软启动器原理示意图

2.软启动器的控制功能

异步电动机在软起动过程中，软启动器通过控制加在电动机上的电压来控制电动机

的启动电流和转矩，启动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。一般软启动器可以通过改变参数设定得到不同的启动特性，以满足不同的负载特性要求。

(1)斜坡升压启动方式

斜坡升压启动特性曲线如图2.2所示。此种启动方式一般可设定启动初始电压U

qo

和启动时间t

1

。这种启动方式断开电流反馈，属开环控制方式。在电动机启动过程中，电压线性逐渐增加，在设定的时间内达到额定电压。这种启动方式主要用于一台软启动器并接多台电机或电动机功率远低于软启动器额定值的应用场合。

(2)转矩控制及启动电流限制启动方式

转矩控制及启动电流限制特性曲线如图2.3所示。此种启动方式一般可设定启动初

始力矩T

qo 。启动阶段力矩限幅T

1L

，力矩斜坡上升时间t

1

和启动电流限幅I

1L

。这种

启动方式引入电流反馈，通过计算间接得到负载转矩，属闭环控制方式。由于控制目标为转矩，因此软启动器输出电压为非线性上升。图2.3同时给出启动过程中转矩T、电压U、电流I和电动机转速n的曲线，其中转速曲线为恒加速度上升。

在电动机启动过程中，保持恒定的转矩使电动机转速以恒定加速度上升，实现平稳启动。在电动机启动的初始阶段，启动转矩逐渐增加，当转矩达到预先所设定的限幅值后保持恒定，直至启动完毕。在启动过程中，转矩上升的速率可以根据电动机负载情况调整设定。斜坡陡，转矩上升速率大，即加速度上升速率大，启动时间短。当负载较轻或空载启动时，所需启动转矩较低，可使斜坡缓和一些。由于在启动过程中，控制目标为电动机转矩，即电动机的加速度，既使电网电压发生波动或负载发生波动，通过控制电路自动通过增大或减小启动器的输出电压，也可以维持转矩设定值不变，保持启动的恒加速度。此种控制方式可以使电动机以最佳的启动加速度、以最快的时间完成平稳的启动，是应用最多的启动方式。

随着软启动器控制技术的发展，目前它大多采用转矩控制方式，也有采用电流控制方式，即电流斜坡控制及恒流升压启动方式。此种方式间接控制电动机电流来达到控制转矩目的，与转矩控制方式相比启动效果略差，但控制相对简单。

图2.2斜坡升压启动方式图2.3转矩控制及启动电流限制启动方式

(3)电压提升脉冲启动方式

电压提升脉冲启动特性曲线如图2.4所示。此种启动方式一般可设定电压提升脉冲。升压脉冲宽度一般为5个电源周波，即100ms。在启动开始阶段，晶闸管在限幅U

1L

极短时间内按设定升压幅值启动，可得到较大的启动转矩，此阶段结束后，转入转矩控制及启动电流限制启动。该启动方法适用于重载并需克服较大静摩擦的启动场合。

2.2水泵变频调速控制系统的分析说明

2.2.1水泵变频调速恒压供水系统构成

水泵变频调速系统因其控制性能稳定、可靠性能强，节能效果好等特点，被广泛地应用于高层建筑、安全消防、污水处理、工厂和电厂水泵房中。水泵变频调速系统能适用生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合的供水要求，该系统具有以下特点:

(1)系统的控制对象是管网的水压，它是一个过程控制量，同其它一些过程控制量(如：温度、流量、液位等)一样，对控制作用的响应具有延迟性。

(2)管网中因为有管道内部的摩擦阻力、水锤效应等因素的影响，同时又由于水泵自身的一些固有特性，使水泵电机旋转速度的变化与管道内水压的变化成正的比例关系，所以水泵变频调速恒压供水系统是一个线性系统。

(3)水泵变频调速恒压供水系统具有广泛的通用性，然而面向种类繁多的供水系统，不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面又存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。

(4)在变频调速恒压供水系统中，由于有工频泵的加入减少，而工频泵的控制(包括工频泵的停止和运行)是时时发生的，同时工频泵的运行状态直接影响供水系统，使其不确定性增加。因此我们可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是具有变化性的。

2.2.2系统的主电路接线图

其相应的图形见图2.4 中水提升泵系统主回路接线图(一控三)，

图2.4 中水提升泵系统主回路接线图(一控三)

电机有两种工作情况：在工频电下运行和在变频电下运行。KM1、KM3、KM5 分别为电动机M1 、M2 、M3 变频运行时接通电源的控制接触器，KM2、KM4 、KM6 、KM7、KM8 、KM9分别为电动机M1、M2、M3 工频运行时接通电源的控制接触器。

具体为：接触器KM1闭合时，KM3、KM5均为断开，电动机M1变频运行。当压力检测值低于压力给定值时，变频器的输出继电器闭合进而控制接触器KM2闭合，使得电动机M2 工频软启动开始，软启动结束后接触器KM8闭合且KM4断开，使得电动机M2 全压工频运行。如启动后系统压力大于母管压力时，不立即切除工频备用泵，而是首先由变频调节系统母管压力，以避免切除备用泵后系统母管压力急剧下降造成备

用泵频繁启动。当变频泵调整为某一合适的频率时，切除备用泵，改为变频调节。当启动1台工频备用泵仍不满足系统用水要求是再启动另外一台工频备用泵，以满足系统用水要求。第二台工频泵的起动原理与第一台工频泵的启动原理相同。

同时变频器要求在电动机M1 、M2 、M3中定时循环切换，且一周切换一次。

第三章系统硬件的设计

3.1变频器的选型

根据设计的要求，本系统选用西门子MM430系列变频器，

具体型号选择为：

140A，75KW电机变频器选择①电源电压3AC 400V 功率90KW 调制脉冲频率4KHZ 145A，输入电压范围3AC (380~480)V±10% （内置A级滤波器）订货号

6SE6430- 2AD38-8FA0 高：1150mm，宽：350mm，深：320mm。

68A，37KW电机变频器选择②电源电压3AC 400V 功率45KW 调制脉冲频率4KHZ 75A，输入电压范围3AC (380~480)V±10% （内置A级滤波器）订货号6SE6430- 2AD34-5EA0 高：650mm，宽：275mm，深：245mm。

2、外部端子相关参数的设置

外接模拟给定信号的参数设置

为了从电压模拟输入切换到电流模拟输入，仅仅修改参数P0756 是不够的。更确切地说，要求端子板上的DIP 开关也必须设定为正确的位置。DIP 开关的设定值如下:

- OFF = 电压输入(10 V) - ON = 电流输入(20 mA)

DIP 开关的安装位置与模拟输入的对应关系如下:

- 左面的DIP 开关(DIP1)=模拟输入1，对应的DIP 开关设置为OFF

- 右面的DIP 开关(DIP2)=模拟输入2，对应的DIP 开关设置为ON

模拟I/O （P0004 = 8）对应的模拟输入通道1和模拟输入通道2的参数表见表3.1

表3.1模拟I/O （P0004 = 8）对应的参数表

参数号说明设定值功能

P0756[0] ADC的类型 1 带监控的单极性电压输入

(0~+10V)

P0757[0] 标定ADC的x1值[V] 0

电压0V对应0Hz P0758[0] 标定ADC的y1值0

P0759[0] 标定ADC的x2值[V] 10

电压10V对应50Hz P0760[0] 标定ADC的y2值100

P0761[0] ADC死区的宽度[V] 0 死区的宽度

P0756[1] ADC的类型 3 带监控的单极性电压输入

(0~20mA)

参数号说明设定值功能

P0757[1] 标定ADC的x1值[mA] 4

电压4mA对应0Hz P0758[1] 标定ADC的y1值0

P0759[1] 标定ADC的x2值[mA] 10

电压20mA对应50Hz P0760[1] 标定ADC的y2值100

P0761[1] ADC死区的宽度[mA] 4 死区的宽度

3.2软启动器的选择

目前国内外软启动器产品的技术发展很快，产品的型号很多，比较有代表性的有ABB公司的PSA、PSD和PS—DH型；法国TE公司的Altistart46、Altistart48型；德国西O门子公司的3RW22型；英国CT公司的SX型等。本设计选择了施耐德Altistart46型软启动器。Altistart46型软启动器有应用于标准负载和重型负载两种类型，额定电流从17~l200A共21种额定值，电机功率4~800kW。其主要特点是：具有斜坡升压启动、转矩控制启动、启动电流限制启动、电压提升脉冲启动三种启动方式；具有转矩控制软停车、制动停车、自由停车三种停车方式；具有对电动机和软启动器本身的热保护、限制转矩和电流冲击、三相电源不平衡、缺相、断相和电动机运行中过流等保护功能并提供故障输出信号；具有实时检测并显示如电流、电压、功率因数等参数的功能，并提供模拟输出信号；提供本地端子控制接口和远程控制RS—485通信接口。通过人机对话操作盘或通过PC机与通信接口连接，可显示和修改系统配置、参数。

其主要参数设置范围如下。

启动电流可调节范围：额定值的2—5倍之间；

启动转矩可调节范围：额定值的0．15—1．0倍之间；

加速力矩斜坡时间可调节范围：l一60s；

减速力矩斜坡可调节范围：1—60s；

制动转矩可调节范围：额定值0—100％；

电压提升脉冲幅值可调节范围：额定电压的50％一100％；

电动机运行时过流跳闸值可调节范围：额定值的50％一300％；

根据软启动器的额定电流具体75KW的电机选择型号为ATS-46C17N，其额定电流为160A，37KW的电机选择型号为ATS-46D75N，其额定电流为68A。

第四章参数复位

参数复位是指将变频器的参数恢复到出厂值。在变频器初次调试或者参数混乱时，需要进行此操作，以便将变频器的参数恢复到默认状态。

在参数复位以后需要进行快速调试，应根据电动机及其负载的特性要求和变频器的控制方式等信息进行必要的参数设置。然后变压变频装置就可以驱动三相交流异步电动机运行了。

总结

本设计基于对某电厂综合水泵房水泵变频调速系统改造要求，利用变频器的PID控制功能和变压变频调速功能及软启动器的控制功能，来实现水泵房的恒压供水、多泵循环、变频器故障旁路功能、电机转速捕捉再起动功能；利用软启动器的控制功能及其相关的电气控制线路来实现单台电机的软启动，变频泵的定时循环运行，单台电机的启动与停止及其运行状态显示。

本文主要的工作如下：

1.设计了中水提升泵系统和工业补给水泵系统的主电路与控制电路。

2.选择合适的变频器及相关电器元件，选择合适的电线及传感器。

3.设计双电源电路，选择相应的电器。

4.设置变频器相关功能的参数。

5.利用AutoCAD绘制电路图。

通过这次设计让我不仅仅学到了变频调速技术和软启动技术，还让我知道了养成注意细节的习惯非常重要。我也发现了我平时学习习惯不太好，不能光看课本知识，还要去理论联系实际去多思考其中的原理。我还发现我的知识面还很窄，还有很多未知的领域等着我去探索。细节是我们一生都要学习的功课，每个事物都是由细节构成的，只有明白了细小的部分，才可能综合起来真正的认识它。

最后我首先要感谢杨老师这学期以来对我的悉心指导，她不但让我学会了曾不知道的知识，而且使我发现自己读书不够认真、缺乏思考。

参考文献

1.自控原理与系统；

2.电力电子技术；

3.变频调速应用实践张燕宾编。

附录A

A.1变频器（P0004 = 2）

参数号说明设定值功能

P0201 功率组件的标号7 MICROMASTER 430 P0210 电源电压380 变频器的供电电压P0290 变频器的过载保护0 降低输出频率

P0291[2] 变频器的保护 1 使能相电压丢失的检测

P0292 变频器的过载报警信号15 变频器过温时跳闸温度与发出报警信息的温度门限值之间的温度差

P1800 脉宽调制频率 4

P1802 调制方式 2 空间矢量调制P1820 输出相序反向0 相序正向

P1911 自动测定（识别）的相数 3 选择要自动检测的电动机

相数

表A.2电动机数据（P0004 = 3）

参数号说明设定值功能

中水提升泵系统工业补给水泵系统

P0304 电动机的额定电压380 380 P0305 电动机的额定电流140 68 P0307 电动机的额定功率75 37 P0308 电动机的额定功率因数0.9 0.89

P0309 电动机的额定效率92.8 90.5

P0310 电动机的额定频率50 50

P0311 电动机的额定速度980 2950

P0340 电动机参数的计算 4 只计算控制器的设定数据

P0335 电动机的冷却 2 自冷和内置风机冷却,设定值的范围：0.0-99.0%

P0640 电动机的过载因子150

电动机过载电流的限定值,设定值的范围：10.0-400.0%

P1910 选择电动机数据的自动

检测方式

1

所有参数都带参数修改的

自动检测

表A.3工艺过程的应用对象（P0004 = 5）