恒功率调速

恒功率调速（精选7篇）

恒功率调速 篇1

1 概述

随着电气控制设备, 尤其是电子计算机的迅猛发展, 工业自动化控制技术也发生了深刻的变化。现代的PLC已具备总线高速化, 计算多功能化等指标, 其硬件根据实际需要选配, 软件则根据实际控制需求而进行设计编程, 完全可以兼容高速的数据传输和复杂的计算运行, 绝大部分的控制系统都把可编程序控制器做为控制系统的核心器件, 已经在其领域中形成了一种趋势。

2 分析和理论

在额定磁通量、额定转速范围内可以达到的最大转速是由允许的最大电压决定的。因此无论是直流电还是交流电驱动, 都无法通过提升电压来超过额定转速, 而只能通过弱磁运行实现。但是在弱磁中可用力矩又会减小。因此只有在同时要求减小力矩的情况下才可以实现弱磁控制。在起升机构上, 只有在部分负载小于额定负载时才能实现弱磁。需要提高转速时, 首先通过P=M·ω计算额定转速范围内 (最大) 额定功率P=PN的允许转速ω, 其中, 磁通量恒定, 而该转速由所需力矩决定。

稳态阶段的电流可作为额定转速范围内要求的负载力矩的量度, 电流与负载力矩成正比。不过为了实现加速时从额定转速范围向弱磁范围的无缝过渡, 必须在加速阶段就确定转速附加设定值, 并且在到达额定速度向弱磁过渡点前就输入该值。然而在加速阶段, 电流不仅包含稳态负载电流, 还包含用于负载和旋转质量加速的动态分量。为了在加速时就确定电流分量, 必须在加速阶段就计算出动态分量并从总电流中减去, 从而得到与负载相符的稳态分量。仅该稳态分量可以用于计算恒定功率下、弱磁控制的附加转速设定值。加速时, 该功能块从总电流计算出用于当前力矩的稳态分量。计算该电流时, 负载的加速度分量和旋转质量的加速度分量会被考虑在内。

为确保精度, 电流和加速度值经过多次扫描求积分, 在计算时生成算术平均值。接着, 根据计算出的力矩通过电机的功率曲线求得PN所允许的弱磁附加转速设定值, 从而提高非全载下的转速, 使其超出额定转速, 提高装卸效率。

在加速阶段中测量力矩电流, 它在额定转速范围内和电机形成的总力矩MM (参见下文的公式和说明) 成正比。从总力矩中减去旋转质量的加速力矩 (转动惯量J) 、负载的加速力矩和摩擦力矩。

根据以下力矩公式计算稳态负载力矩:

式中

MMotor:电机力矩

MLoad:负载力矩 (待求)

MALoad:负载的加速力矩 (与加速度成比例)

MARot:齿轮箱的惯性加速力矩等 (与加速度成比例)

MFricton:摩擦力矩

MALoad和MARot是比例系数, 其大小必须通过测量来确定。同样MFricton的确定也必须通过测量进行。

此公式 (2-4) 只适用于提升以及在提升方向上加速时的正dn/dt。在驱动的额定转速范围内力矩可由电流推导得出, 因为在额定转速范围内恒定磁通量下的电流与力矩成正比。如式 (2-5)

为了确定负载, 必须进行转速变化dn/dt的测量。该过程由PLC程序功能块中的微分器执行。当前的dn/dt值和电机的力矩会连续不断地传输到该功能块中并在其中进行测量计算。测量过程必须在电机的额定转速范围内完成, 从而确定相应的负载单位的换算, 最后根据不同的负载相应计算出最大弱磁转速或者减速系数, 从而使PLC传输到驱动器的速度给定相应降低。

3 在PLC中的应用实现

通过上述的理论分析, 对PLC的程序实现提供了数学依据, 如图1所示就是由PLC编写的用于恒功率调速的专用功能块。功能块中电机的力矩和速度反馈值, 可以从变频器中读取, 经过现场总线传递给PLC, 由于现在PLC现场总线均采用的Ethernet或则ProfibusDP, 传输速率快, 保证了系统的动态响应。为了确定输出转矩值与重量值的相应关系, 可以采用称重水箱来进行调测试, 然后再次根据测出的转矩值按照转矩速度表, 给出一定相应的速度值送到驱动器执行。速度的设定依据则需要根据以下公式:

T为此负载匀速上升时的马达输出转矩, 即匀速转矩计算值加上Tfric (百分比) 乘马达额

定转矩值, P为马达额定功率, 由此可见, 转速n的设定应满足T·n/9550≤P, 因此要注意弱磁范围内降低的电机颠覆力矩, 必须和电机制造商提供的数据保持一定的安全余量。功能块中输出的故障信息是提示电流力矩实际值超出额定电流力矩值, 可在程序中做相应的保护功能。

4 总结

该功能在PLC中的实现, 可以在提升机构的方案中使用通用变频器而无需采购恒功率计算工艺卡, 成本上大大节约, 而且该调速方式在原有的基础上没有增加硬件, 只是修改了变频器的参数和增加了PLC的参数, 方式简单, 运行可靠。由于减少了变频器的硬件配置, 对于变频器也更便于维护和保养。对打破此技术长期被国外所垄断的现状也有积极的意义。

新型变频调速恒压供水系统 篇2

1 系统介绍

变频恒压供水系统原理，它主要是由PLC、变频器、PID调节器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及4台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。

通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成4～20m A的标准信号送入PID调节器，经运算与给定压力参数进行比较，得出一调节参数，送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上;当用水量超过一台泵的供水量时，通过PLC控制器加泵。根据用水量的大小由PLC控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水。当供水负载变化时，输入电机的电压和频率也随之变化，这样就构成了以设定压力为基准的闭环控制系统。

正常情况(无泵检修)时，各泵的运行顺序为1#，2#，3#，4#

2 工作原理

2.1 运行方式

该系统有手动和自动两种运行方式：

2.1.1 手动运行

按下按钮启动或停止水泵，可根据需要分别控制1#-4#泵的启停。该方式主要供检修及变频器故障时用。

2.1.2 自动运行

合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节器接收到自压力传感器的标准信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升到50Hz, 1#泵由变频切换为工频，启2#变频，变频器逐渐上升频率至给定值，加泵依次类推;如用水量减小，从先启的泵开始减，同时根据PID调节器给的调节参数使系统平稳运行。

若有电源瞬时停电的情况，则系统停机;待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。

变频自动功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软起动、停止、循环变频的全部操作过程。

2.2 故障处理

2.2.1 故障报警

当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压、差压等情况时，系统皆能发出声响报警信号;特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、超压时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。此外，变频器故障时，系统自动停机，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。

2.2.2 水泵检修

为维护和检修水泵，要求在系统正常供水状态下，在一段时间间隔内使某一台水泵停运，系统设有水泵强制备用功能(硬件备用)，可随意备用某一台水泵，同时不影响系统正常运行。

3 PLC控制系统

该系统采用的是西门子S7-300系列，PLC编程采用step7。为了提高整个系统的性价比，该系统采用开关量的输入/输出来控制电机的启停、定时切换、软起动、循环变频及故障的报警等，而电机转速、水压量等模拟量则由PID调节器和变频器来控制。

泵组的切换。开始时，若硬件、软件皆无备用(两者同时有效时硬件优先)，1#泵变频启动，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间(避免由于干扰而引起误动作)后，1#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz, 2#泵变频启动，如水压仍不满足，则依次启动3#、4#泵，泵的切换过程同上;若开始时1#泵备用，则直接启2#变频，转速从0开始随频率上升，如变频器频率到达50Hz而此时水压还在下限值，延时一段时间后，2#泵切换至工频运行，同时变频器频率由50Hz滑停至0Hz, 3#泵变频启动，如水压仍不满足，则启动4#泵，泵的切换过程同上;若1#、2#泵都备用，则直接启3#变频，具体泵的切换过程与上述类同。

同样，若3台泵(假设为1#、2#和3#)运行时，3#泵变频运行降到0Hz，此时水压仍处于上限值，则延时一段时间后使1#泵停止，变频器频率从0Hz迅速上升，若此后水压仍处于上限值，则延时一段时间后使2#泵停止。这样的切换过程，有效地减少泵的频繁启停，同时在实际管网对水压波动做出反应之前，由变频器迅速调节，使水压平稳过渡，从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发生。

以往的变频恒压供水系统在水压高时，通常是采用停变频泵，再将变频器以工频运行方式切换到正在以工频运行的泵上进行调节。这种切换的方式理论上要比直接切工频的方式先进，但其容易引起泵组的频繁启停，从而减少设备的使用寿命。而在该系统中，直接停工频泵，同时由变频器迅速调节，只要参数设置合适，即可实现泵组的无冲击切换，使水压过渡平稳，有效的防止了水压的大范围波动及水压太低时的短时缺水现象，提高了供水品质。

4 变频控制的优点

用变频调速来实现恒压供水，与用调节阀门来实现恒压供水相比，节能效果十分显著(可根据具体情况计算出来)。其优点是：

1)起动平衡，起动电流可限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击;

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)可以消除起动和停机时的水锤效应;

5 恒压供水系统特点

1)节电：优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行;

2)节水：根据实际用水情况设定管网压力，自动控制水泵出水量，减少了水的跑、漏现象;

3)运行可靠：由变频器实现泵的软起动，使水泵实现由工频到变频的无冲击切换，防止管网冲击、避免管网压力超限，管道破裂。

4)联网功能：采用全中文工控组态软件，实时监控各个站点，如电机的电压、电流、工作频率、管网压力及流量等。并且能够累积每个站点的用电量，累积每台泵的出水量，同时提供各种形式的打印报表，以便分析统计。

5)控制灵活：分段供水，定时供水，手动选择工作方式。

6)自我保护功能完善：如某台泵出现故障，主动向上位机发出报警信息，同时启动备用泵，以维持供水平衡。万一自控系统出现故障，用户可以直接操作手动系统，以保护供水。

6 结语

在供水系统中采用变频调速运行方式，系统可根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速或加减泵，使供水系统管网中的压力保持在给定值，以求最大限度的节能、节水、节地、节资，并使系统处于可靠运行的状态，实现恒压供水;减泵时采用“先启先停”的切换方式，相对于“先启后停”方式，更能确保各泵使用平均以延长设备的使用寿命;压力闭环控制，系统用水量任何变化均能使供水管网的服务压力保持给定，大大提高了供水品质;变频器故障后仍能保障不间断供水，同时实现故障消除后自启动，具有一定的先进性。目前该系统已投入使用，效果明显。

参考文献

[1]满永奎, 韩安荣, 吴成东.通用变频器及应用[M].机械工业出版社, 1995.

[2]王兆义.可编程控制器教程[M].机械工业出版社, 1997.

[3]罗贵隆.变频技术在恒压供水系统中的应用[J].建材技术与应用, 2007.

基于变频调速恒压的供水系统设计 篇3

异步电动机带着水泵不断地高速旋转, 这样水就可以被供给上来。供水系统由多种元件构成, 主要包括水泵, 电动机, 管道阀门, 还可以将电机和也是这三个元件将电机和水泵连接成一体[1]。这样就可改变水流量了, 从而实现恒压供水。pid模块可以接受来自水压力传感器的信号20ma, 比较发现用户的水压力值区别, 这样就可以实现水泵专属的控制。pid的内部自带了优化的算法, 这样可以使谁呀调节程度十分平滑稳定。对反馈的信号进行换算可以使系统简洁高效。系统主要流程示意图如图1所示[2]。

下图2为系统理论模型建设[3]。系统的控制目标是出水网口官网, 实际中的压力是由实现总管网的供水压力设定的。这可以是一个常数, 既可以用分段函数代替, 并且有时候是一个常数, 因此我们实际就是想在某个规定的时间点使得出口总管网实际供水压力低于设定压力, 假如在系统运行的时候得到了正压力差, 实际系统换成低压力供水[4]。系统将这个差值进行转换得到输出系统的增加值, 实际需要计算的值就是这个差值, 将这个量和变频器结合输出就得到了应该输出的频率。水泵的转速增大时因为该频率使得实际供水压力增高。在实际运行时, 这个程序会被反复实现,

当两者相等了才会停止。如果实际供水系统中实际压力高羽设定的压力, 形式就会转变, 最后也是要两者相等。下图3为系统电路相关原理图。

2 控制要求

1) 工艺参数:水泵流量:290 m3/h;水泵出口压力:0.07Mpa。

2) 水泵参数:型号:123H-13;额定流量:733 m3/h;

扬程:32.2m;功率:80.32KW;额定转速:1452 r/min;配用电机功率:102KW。

3) 电动机参数:型号:JD-L-39-4;功率:100KW;额定频率:50Hz额定电压:380VAC;额定转速:1472r/min;额定电流:182.2 A。

4) 起动正转、调速控制;停止反转, 变频控制。

5) 控制程序长距离控制设备。

6) 4—20m A电流信号为变频器所采用的主要控制信号;

7) 如运行、停止、过流、低压等运行状态指示系统。

8) 发生故障时的预处理报警处理。

3 结束语

本文阐述了变频调速恒压的供水系统工作原理和实现控制系统变频调速的控制要求, 通过相关的理论模型建设, 使变频调速恒压的供水系统设计变得简单生动。

参考文献

[1]顾跃.基于PLC的变频调速恒压供水系统研究[D].长沙:中南大学, 2003.

[2]丁莉.变频恒压供水控制系统研究[D].天津:天津大学, 2007.

[3]黄辉.高效变频恒压供水系统研制与应用[D].杭州:浙江工业大学, 2012.

恒功率调速 篇4

在面临能源和环境双重危机的今天,可再生能源的开发利用受到广泛关注。在众多的可再生能源开发中,风电由于其特殊的优势获得了较快发展,但是风能的随机性和不可控性,也给风电机组的控制带来了极大的困难,制约了风电产业的快速发展。

从尽可能大地利用风能的角度看,无论在何时均应该对风力机转速进行控制,使其跟踪最优叶尖速比运行。然而,风电机组受其机械性能和电气性能的限制,存在着转速限制和功率限制。

当采用变桨距风电机组时,可通过调节桨距角改变气流对叶片的攻角,减少对风能的利用,使风力机输出功率更加平滑。文献[1]利用比例—积分(PI)控制设计了变桨距控制器;文献[2]利用模糊控制理论设计了变桨距控制器;文献[3]利用微分几何的方法设计了变桨距控制器。在额定风速以上时,风电系统除桨距角之外,还有发电机电磁转矩这一控制变量。由于变桨距系统的成本和维护费用较高,文献[4,5]提出利用电磁转矩的调节实现风电机组的恒功率控制。这2种控制策略都有一个共同的特点:仅仅考虑了风电机组高风速区域时的功率调节策略,而没有考虑风电机组的转速控制问题。为了有效减小风电系统高风速区域下的功率和转速波动,本文设计了新的控制策略——通过桨距角和双馈感应发电机转子励磁电压的同时调节来减小风电系统的功率和转速波动的多目标控制。仿真表明,与仅考虑桨距角或电磁转矩调节的恒功率控制策略相比,该控制策略的效果令人满意。

1 变速恒频双馈风电机组的数学模型

1.1 风力机数学模型

根据空气动力学原理,风力机从风能中获得的机械功率Pm为:

${\rm P}{}_{\text{m}}=\frac{1}{2}\rho SC{}_{\text{p}}(\lambda ,\beta )v{}^3(1)$

式中:ρ为空气密度;S为风轮扫风面积;v为通过风轮的实际风速; Cp为风能利用系数,它是叶尖速比λ和桨距角β的非线性函数。

叶尖速比定义为叶片叶尖圆周速度与风速比:

$\lambda =\frac{\omega R}{v}(2)$

式中:ω为风力机转速;R为风轮半径。

1.2 传动系统模型

为了简化分析,忽略传动系统的柔性和损耗,并将发电机的转动惯量和电磁转矩归算至风力机侧,可得风电系统的传动系统模型为[4]:

$\dot{\omega }=\frac{1}{J}({\rm T}{}_{\text{m}}-v{}_{\text{i}}{\rm T}{}_{\text{e}\text{m}})(3)$

式中:J为风力发电系统等效转动惯量;Tem为发电机电磁转矩;vi为齿轮箱传动比;Tm为风力机空气动力转矩,与Pm的关系为Tm=Pm/ω。

1.3 变桨距系统模型

在额定风速以上时,通过桨距角的调节可以减小对风能的捕获。目前,桨距角的调节通常是通过液压或电机驱动系统完成的,其动态特性可用一阶惯性环节描述[6]:

$\dot{\beta }=\frac{1}{\tau {}_{\beta }}(\beta {}_{\text{r}}-\beta )(4)$

式中:τβ为桨距角响应时间常数;β为桨距角;βr为参考桨距角。

1.4 双馈感应发电机数学模型

为简化起见,直接给出两相同步旋转dq坐标系下双馈感应发电机的数学模型[7]:

$\{\begin{array}{l}\phi {}_{d\text{s}}=-L{}_{\text{s}}i{}_{d\text{s}}+L{}_{\text{m}}i{}_{d\text{r}}\\ \phi {}_{q\text{s}}=-L{}_{\text{s}}i{}_{q\text{s}}+L{}_{\text{m}}i{}_{q\text{r}}\\ \phi {}_{d\text{r}}=-L{}_{\text{m}}i{}_{d\text{s}}+L{}_{\text{r}}i{}_{d\text{r}}\\ \phi {}_{q\text{r}}=-L{}_{\text{m}}i{}_{q\text{s}}+L{}_{\text{r}}i{}_{q\text{r}}\end{array}(5)$

$\{\begin{array}{l}u{}_{d\text{s}}=\dot{\phi }{}_{d\text{s}}-\omega {}_1\phi {}_{q\text{s}}-r{}_{\text{s}}i{}_{d\text{s}}\\ u{}_{q\text{s}}=\dot{\phi }{}_{q\text{s}}+\omega {}_1\phi {}_{d\text{s}}-r{}_{\text{s}}i{}_{q\text{s}}\\ u{}_{d\text{r}}=\dot{\phi }{}_{d\text{r}}-\omega {}_2\phi {}_{q\text{r}}+r{}_{\text{r}}i{}_{d\text{r}}\\ u{}_{q\text{r}}=\dot{\phi }{}_{q\text{r}}+\omega {}_2\phi {}_{d\text{r}}+r{}_{\text{r}}i{}_{q\text{r}}\end{array}(6)$

${\rm T}{}_{\text{e}\text{m}}=\frac{3}{2}n{}_{\text{p}}L{}_{\text{m}}(i{}_{q\text{s}}i{}_{d\text{r}}-i{}_{d\text{s}}i{}_{q\text{r}})(7)$

式中:下标d和q分别表示d轴和q轴分量;下标s和r分别表示定子和转子分量;φ,u,i分别为磁链、电压和电流;ω1为同步转速;ω2为转差速度,ω2=ω1-npωr=sω1;ωr为发电机转子机械角速度;np为极对数;rs为定子绕组电阻;rr为转子绕组电阻;Lm为定子与转子绕组间互感;Ls为定子绕组自感;Lr为转子绕组自感。

利用矢量控制技术[8,9,10],取d轴与定子磁链φs重合,即给定控制约束条件为:

$\{\begin{array}{l}\phi {}_{d\text{s}}=\phi {}_{\text{s}}\\ \phi {}_{q\text{s}}=0\end{array}(8)$

将式(8)代入式(5)—式(7),并忽略定子绕组电阻rs得:

$\{\begin{array}{l}u{}_{d\text{s}}=0\\ u{}_{q\text{s}}=\omega {}_1\phi {}_{\text{s}}=U{}_{\text{s}}\\ u{}_{q\text{r}}=\frac{1}{b}\dot{i}{}_{q\text{r}}+ai{}_{q\text{r}}+\frac{1}{b}\omega {}_{2}i{}_{d\text{r}}+c\omega {}_2\\ u{}_{d\text{r}}=\frac{1}{b}\dot{i}{}_{d\text{r}}+ai{}_{d\text{r}}-\frac{1}{b}\omega {}_{2}i{}_{q\text{r}}\\ {\rm T}{}_{\text{e}\text{m}}=\frac{3}{2}cn{}_{\text{p}}i{}_{q\text{r}}\end{array}(9)$

式中:Us为双馈感应发电机定子电压;a=rr;1/b=Lr-L2m/Ls;c=Lmφs/Ls。

联立式(3)、式(4)和式(9)可得考虑桨距角和双馈感应发电机电磁转矩动态调节的变速恒频双馈风电机组的非线性数学模型如下:

$\{\begin{array}{l}\dot{\omega }=\frac{1}{J}\left({\rm T}{}_{\text{m}}-\frac{3}{2}cdi{}_{q\text{r}}\right)\\ \dot{\beta }=\frac{1}{\tau {}_{\beta }}(\beta {}_{\text{r}}-\beta )\\ \dot{i}{}_{d\text{r}}=-abi{}_{d\text{r}}+(\omega {}_1-d\omega )i{}_{q\text{r}}+bu{}_{d\text{r}}\\ \dot{i}{}_{q\text{r}}=-abi{}_{q\text{r}}-(\omega {}_1-d\omega )(i{}_{d\text{r}}+bc)+bu{}_{q\text{r}}\end{array}(10)$

式中:d=vinp。

2 状态反馈线性化理论基础[11]

设有多输入多输出(MIMO)仿射型非线性控制系统:

$\{\begin{array}{l}\dot{\mathit{x}}=\mathit{f}(\mathit{x})+\mathit{g}{}_1(\mathit{x})u{}_1+\cdots +\mathit{g}{}_m(\mathit{x})u{}_m\\ y{}_1(t)=h{}_1(\mathit{x})\\ y{}_2(t)=h{}_2(\mathit{x})\\ ⋮\\ y{}_m(t)=h{}_m(\mathit{x})\end{array}(11)$

式中:f(x)=[f1(x),f2(x),…,fn(x)]T∈Rn,gj(x)=[g1j(x),g2j(x),…,gnj(x)]T∈Rn,均为n维光滑向量场,x∈Rn为状态向量;u1,u2,…,um为控制量;h1(x),h2(x),…,hm(x)为输出函数;y1,y2,…,ym为输出变量。

对于式(11)所示的MIMO系统,若存在x0的邻域U⊂Rn以及正整数集合{r1,r2,…,rm}满足以下条件:

1)对于0≤ki≤ri-2,有LgjLkifhi(x)=0,其中i,j=1,2,…,m。

2)对于ki=ri-1,有m×m阶矩阵:

$\mathit{A}(\mathit{x}{}_0)=\left[\begin{array}{ccc}L{}_{\mathit{g}{}_1}L{}_{\mathit{f}}^{r{}_1-1}h{}_1(\mathit{x}{}_0)& \cdots & L{}_{\mathit{g}{}_m}L{}_{\mathit{f}}^{r{}_1-1}h{}_1(\mathit{x}{}_0)\\ ⋮& & ⋮\\ L{}_{\mathit{g}{}_1}L{}_{\mathit{f}}^{r{}_m-1}h{}_m(\mathit{x}{}_0)& \cdots & L{}_{\mathit{g}{}_m}L{}_{\mathit{f}}^{r{}_m-1}h{}_m(\mathit{x}{}_0)\end{array}\right](12)$

若该矩阵是非奇异的,则称{r1,r2,…rm}为系统在x0的向量相对阶,称r=r1+r2+…+rm为系统的总相对阶,其中每个子相对阶ri与输出函数hi(x)相对应。

对于式(11)所示的非线性系统,若系统的总相对阶与系统阶数相等,即r=r1+r2+…+rm=n,则系统可通过一个局部微分同胚变换完全精确线性化为一个线性系统。

若选择的坐标变换为:

z=φ(x)=[h1(x),…,Lr1-1fh1(x),…,

hm(x),…,Lrm-1fhm(x)]T (13)

则系统可变换为式(14)所示的线性系统:

$\{\begin{array}{l}\dot{z}{}_1=z{}_2,\dot{z}{}_2=z{}_3,\cdots ,\dot{z}{}_{\delta {}_1}=v{}_1,\cdots ,\\ \dot{z}{}_{\delta {}_{m-1}+1}=z{}_{\delta {}_{m-1}+2},\cdots ,\dot{z}{}_n=v{}_m\\ y{}_1=h{}_1(\mathit{\phi }{}^{-1}(\mathit{z}))=z{}_1\\ y{}_2=h{}_2(\mathit{\phi }{}^{-1}(\mathit{z}))=z{}_2\\ ⋮\\ y{}_m=h{}_m(\mathit{\phi }{}^{-1}(\mathit{z}))=z{}_{\delta {}_{m-1}+1}\end{array}(14)$

$\{\begin{array}{l}v{}_1=L{}_{\mathit{f}}^{r{}_1}h{}_1(\mathit{x})+L{}_{\mathit{g}{}_1}L{}_{\mathit{f}}^{r{}_1-1}h{}_1(\mathit{x})u{}_1+\cdots \\ +L{}_{\mathit{g}{}_m}L{}_{\mathit{f}}^{r{}_1-1}h{}_1(\mathit{x})u{}_m\\ ⋮\\ v{}_m=L{}_{\mathit{f}}^{r{}_m}h{}_m(\mathit{x})+L{}_{\mathit{g}{}_1}L{}_{\mathit{f}}^{r{}_m-1}h{}_m(\mathit{x})u{}_1+\cdots \\ +L{}_{\mathit{g}{}_m}L{}_{\mathit{f}}^{r{}_m-1}h{}_m(\mathit{x})u{}_m\end{array}(15)$

式中:$\delta {}_i={\displaystyle \sum _{j=1}^{i}r}{}_j$,其中 i=0,1,…,m。

由式(15)即可解出x空间的非线性反馈控制律u为:

u=-A-1(x)α(x)+A-1(x)v (16)

式中:α(x)=[Lr1fh1(x),…,Lrmfhm(x)]T,A(x)与式(12)同。

对于式(14)所示系统,采用线性最优控制理论设计,可得到其反馈控制律为:

v=-kz (17)

联立式(16)和式(17)可得到非线性系统的反馈控制律为:

u=-A-1(x)α(x)-A-1(x)kφ(x) (18)

3 控制器设计

3.1 基本控制策略

调节桨距角和发电机电磁转矩都可以调节风电机组的功率,因此额定风速以上时的恒功率控制主要有以下2种基本控制策略:仅仅通过桨距角或发电机电磁转矩的控制实现风电机组的恒功率控制。

3.1.1 桨距角控制

通过桨距角控制实现恒功率控制时,通常将发电机电磁转矩设定为额定值,通过桨距角的调节,使风力机转速维持在额定值,从而实现恒功率输出。在控制器设计上,通常采用古典的线性控制器,图1给出了一种最基本的恒功率控制器结构。图中,Pe为风电系统电功率,忽略一切损耗的前提下有Pe=viTemω。

在这种控制方案中,由于电磁转矩不参与调节,而桨距角又调节缓慢,风速的快速变化将使得风电机组的转速发生变化,从而使系统的功率产生波动。

3.1.2 电磁转矩控制

通过发电机电磁转矩的调节,可以改变风力机的转速,使其叶尖速比改变,而叶尖速比的改变又将改变风力机输出的机械能,因而可利用电磁转矩的调节实现恒功率控制。图2给出了利用电磁转矩调节实现恒功率控制的控制器结构。图中,P*e为发电机额定输出功率。

在这一控制方案中,桨距角被设定为固定值,仅仅通过电磁转矩的调节来实现风电机组输出功率的稳定。由于电磁转矩响应速度很快,这一控制方案获得了良好的恒功率调节特性,然而风电机组的转速发生了非常大的波动[12]。

通过上述分析可知:仅通过桨距角或发电机电磁转矩的控制,难以同时减小风电系统的功率和转速波动。为此在本文的设计中,提出对桨距角和双馈感应发电机转子励磁电压同时进行调节,以实现风电系统额定风速以上时减小功率和转速波动的双重控制目标。

由于风电系统是一个强非线性系统,微分几何的方法为解决非线性系统的设计问题提供了工具,因此在控制器设计上采用基于微分几何的状态反馈线性化理论。

3.2 多目标非线性控制器设计

由式(10)可见,该系统有3个控制量βr,udr,uqr。根据基于微分几何的状态反馈线性化理论,应选择3个输出函数。根据本文的控制目标——额定风速以上时,减小风电系统的功率和转速波动,因此选择输出函数为:

$\{\begin{array}{l}h{}_1(\mathit{x})=\text{Δ}{\rm P}{}_{\text{e}}={\rm P}{}_{\text{e}}-{\rm P}{}_{\text{e}}^{*}\\ h{}_2(\mathit{x})=\text{Δ}\omega =\omega -\omega {}^{*}\end{array}(19)$

式中:ω*为风力机额定转速。

另外,为了兼顾负荷对无功功率的需求,选择输出函数h3(x)=Δidr=idr-i*dr,i*dr的值根据负荷对无功功率的需求值计算得到。

输出函数确定后,按照第2节介绍的状态反馈线性化理论可设计得式(10)的闭环控制律为:

$\{\begin{array}{l}\beta {}_{\text{r}}=\frac{-k{}_{2}J\text{Δ}\omega -k{}_{3}J\dot{\omega }-b(x)+\frac{3}{2}cd\dot{i}{}_{q\text{r}}}{a(x)}+\beta \\ u{}_{q\text{r}}=-\frac{\frac{k{}_1\text{Δ}{\rm P}}{3c}+i{}_{q\text{r}}\dot{\omega }}{b\omega }+ai{}_{q\text{r}}+\frac{(\omega {}_1-d\omega )(i{}_{d\text{r}}+bc)}{b}\\ u{}_{d\text{r}}=\frac{-k{}_4\text{Δ}i{}_{dr}+abi{}_{d\text{r}}-(\omega {}_1-d\omega )i{}_{q\text{r}}}{b}\end{array}(20)$

$\{\begin{array}{l}a(x)=\frac{1}{2\omega \tau {}_{\beta }}\rho Sv{}^3\frac{\partial C{}_{\text{p}}(\lambda ,\beta )}{\partial \beta }\\ b(x)=\frac{1}{2}\rho Sv{}^3\left(\frac{\frac{\partial C{}_{\text{p}}(\lambda ,\beta )}{\partial \omega }\omega -\dot{\omega }C{}_{\text{p}}(\lambda ,\beta )}{\omega {}^2}\right)\dot{\omega }\end{array}(21)$

为方便后文的叙述,将这一控制策略命名为多目标非线性控制(MNC),控制器结构如图3所示。图中,P*e和Q*分别为有功和无功功率给定值。

4 仿真分析与结论

为验证本文所设计的控制器的正确性和有效性,选择如下参数进行仿真验证:P*e=140 kW;Us=220 V;ω*=10.8 rad/s;rr=0.816 Ω;Lr=Ls=150 mH;Lm=146 mH;J=5 000 kg·m2;R=12 m;ρ=1.25 kg/m3;vi=15;np=2;f=50 Hz;Cp(λ,β)=0.24{116-0.4β-5}exp(1/(λ+0.08β)-0.003 5/(β3+1));额定风速为12 m/s;桨距角调节范围为0～90°,桨距角变化速率为-5～+5°/s[13]。

为了对多目标非线性控制策略的控制效果进行对比,同时还对仅考虑桨距角的PI控制和仅考虑电磁转矩调节实现恒功率控制(简称PC-T)的控制策略进行了仿真计算。

仿真中风速的变化曲线如图4所示。图5显示了在图4给定的风速变化情况下,3种控制方案的风轮转速、输出电功率和电磁转矩的仿真结果。

从风轮转速和电功率仿真结果可见:①仅考虑桨距角控制时系统的功率波动较大,其主要原因在于电磁转矩被设定为额定值,风速变化所引起的系统输入机械能的变化需要由桨距角的调节来维持稳定,而桨距角的响应速度较慢,因此在桨距角的响应过程中不可避免地出现功率波动。②仅考虑电磁转矩控制时,系统能够较好地实现恒功率的控制目标,但是转速波动较大。这是因为风速变化将引起系统转速的变化,而为了维持输出功率不变,电磁转矩必然与转速成反方向变化(比较风轮转速与电磁转矩仿真结果可得到证明),这就导致了电磁转矩的调节不能够维持转速的稳定。从能量角度看,系统输入的机械能增加(或减少),而系统的输出功率维持不变,多余的能量必然导致转速的增加(或减少),从而导致了较大的转速波动。③与仅考虑桨距角和仅考虑电磁转矩调节的恒功率控制策略相比,本文所提出的多目标非线性控制策略不仅能够很好地维持系统输出功率的恒定,而且还能够有效减少系统的转速波动。其原因在于电磁转矩的迅速调节可以有效减少风速变化所引起的功率变化,而桨距角的调节又可以调节输入系统的机械功率,从而减小系统的转速波动。

恒功率调速 篇5

恒压供水变频调速系统的优越性能,已成为设计的主流。其主要特点是:

1.占地面积小,安全可靠,投入成本并不高,而运行效率很高。由于一天内平均转速下降,轴上的平均扭矩和磨损减小,因此水泵的寿命大大提高[1]。

2.变频调速能对水泵实现软起动和软停车,由此可消除水锤效应,减少对管网的冲击。自动化程度高。

2系统概述

(一)传统的供水方式:

1. 水箱/水塔供水-重力供水这种方式供水压力比例恒定,且有储水,但它是由位置高度形成的压力来供水的,为此需建造水塔或将水箱置于建筑物屋顶上。

2. 气压供水。这种供水方式一般是在地下室或空旷处加压将水送到管网中。优点是建设快,可通过改变压力来满足不断增长的供水需求。缺点是建压力罐其体积和投资大,还需设置空压机充气,消耗电能大,运行费用高[2]。

(二)恒压供水变频调速系统:

其控制框如图1所示。由变频器向电机供电,由电机拖动水泵,通过压力传感器把在出口水压检测点测得的压力(反映用水量大小)反馈信号与压力给定信号经比较送入调节器,再将调节器的输出信号作为变频器的频率给定信号,由此来根据用水需求量自动调节供水量的大小。

(三)系统控制要求:

本系统采用三台同容量的水泵供水,具体的控制要求是:

1. 用水量少时由变频器驱动一套电机泵组,且根据用水量自动调节泵速,另两套电机泵组停车。

2. 当此泵速达到最高仍不能满足用水需求时,则起动第二套电机泵组并由变频器供电,而第一套自动切换由工频电网直接供电。

3. 两套电机泵组供水时,若第二套泵速最低时仍大于用水需求,则自动切除第一套泵组;若第二套泵速最高时仍小于用水需求,则自动起动第三套电机泵组并由变频器供电,而第二套自动切换由工频电网直接供电,第一套仍由工频电网直接供电。

4. 三套电机泵组供水时,若第三套泵速最低时仍大于用水需求,则自动切除第一套泵组,第二套仍由工频电网直接供电。同理,以次减之。之后周而复始,实现自动循环切换,因此各台泵的平均使用寿命得到提高[3]。

3 方案选择

多泵并联变频恒压工作模式通常是:当用水流量小于一台泵在工频恒压条件下的流量,由一台变频泵调速恒压供水;当用水流量增大,变频泵的转速自动上升;当变频泵的转速上升到工频转速,为用水流量进一步增大,由变频供水控制器控制,自动启动一台工频泵投入,该工频泵提供的流量是恒定的(工频转速恒压下的流量),其余各并联工频泵按相同的原理投入。在多泵并联变频恒压变量的供水情况下,当用水流量下降,变频调速泵的转速下降;当频率下降到零流量的时候,变频供水控制器发出一个指令,自动关闭一台工频泵使之退出并联供水。为了减少工频泵自动投入或退出时的冲击。在投入时,变频泵的转速自动下降,然后慢慢上升以满足恒压供水的要求。在退出时,变频泵的转速应自动上升,然后慢慢下降以满足恒压供水的要求。上述频率自动上升,下降由供水变频控制器控制[4]。

另一种变频供水模式通常叫做恒压变量循环状启动并先开先停的工作模式。在这种供水模式中,当供水流量少于变频泵在恒压工频下的流量时,由变频泵自动调速供水,当用水流量增大,变频泵的转速升高.当变频泵的转速升高到工频转速,由变频供水控制器控制把该台水泵切换到由工频电网直接供电(不通过变频器供电)。变频器则另外启动一台并联泵投入工作。随用水流量增大,其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入。这就是循环软启动投入方式。当用水流量减少,各并联工频泵按次序关泵退出,并联泵退出的顺序按先投入先关泵退出的原则由恒压控制系统实现。

4 系统工作原理

(一)系统结构

变频恒压供水系统工作原理如图2;它主要有PLC、变频器、压力传感器、动力及控制线路以及泵组组成。用户通过控制柜面板上的指示灯和按钮、转换开关来了解和控制系统的运行。通过安装在出水管网上的压力变送器,把出口压力信号变成4~20m A标准信号送入变频器内置的PID调节器,经PID运算与给定压力参数进行比较,得到4~20m A参数,4~20m A信号送至变频器。控制系统由变频器控制水泵的转速以调节供水量,根据用水量的不同,变频器调节水泵的转速不同、工作频率也就不同,在变频器设置中设定一个上限频率和下限频率检测,当用水量大时,管路压力减小,变频器频率迅速上升到上限频率,此时,变频器输出一个上限频率到达开关信号给PLC;当用水处于低峰时,管路压力增大,变频器输出频率下降并达到下限频率,变频器也输出一个下限频率到达开关信号给PLC;两个信号不会同时产生。系统始终保持每个时刻都有变频泵在运行,自动调节管路内的压力,当产生任何中一台电机的变频转速,使系统管网的工作压力始终稳定,进而达到恒压供水的目的。变频器输出的信号即反馈给PLC,一个信号时,信号即反馈给PLC,PLC通过设定的内部程序驱动I/O端口开关量的输出来实现切换交流接触器组,以此协调投入工作的水泵电机台数,并完成电机的启停、变频与工频的切换。通过调整投入工作的电机台数和控制电机组中一台电机的变频转速,使系统管网的工作压力始终稳定,进而达到恒压供水的目的[5]。

(二)工作原理

图3中Q0为总电源进线断路器、Q01为变频器的电源进线断路器、Q1、Q2、Q3为1#、2#、3#泵工频电源进线断路器、FU为电压转换开关的熔断器、SV为电压转换开关、PV为电压表.KM1、KM2、KM3为泵1#、2#、3#变频接触器。

回路设计:变频器的接线见图3,变频器10,11端子是模拟量输入端口。5,9端子是起动停止信号,9号端子是变频器自带的+24V电源,当5号端子有正电源时变频器允许起动断开时停止运行,因此在5,9号端子连线之间串接了一副继电器辅助触点KA1,当辅助触点闭合时,变频器可起动,断开时变频器停止。通过控制K A 1的闭合和断开,在泵切换时进行断开变频器的控制。21端子输出下限频率信号到PLC输入端,24号端子输出上限频率信号到PLC输入端。在变频器外部接线图中可知见图4,在变频器控制的一路,因变频器自带过流和过热保护,所以没有设过热保护,在工频控制一路我们设置了热继电器,在每个泵的变频器控制和工频控制的两路我们都通过PLC输出控制每个接触器线圈来互相自锁。接触器采用DC24V线圈接触器。

开始工作时,1#泵变频启动,泵的转速上升,如变频器的频率达到50HZ而此时水压还未达到设定值,变频器检测到上限频率并输出一个开关信号给PLC,上限频率信号保持5分钟时间后,1#泵迅速切换至工频运行,同时解除变频器运行信号1秒,然后切换到2#泵由变频器驱动,若此时压力上升,变频器输出下限信号,系统自动切断1#工频泵,由2#变频泵单独运行。若此时压力下降未达到设定值,变频器输出50赫兹上限运行信号,则2#泵切换至工频,3#泵变频启动。在运行中始终保持一台泵变频运行。当在1#泵工频运行,2#泵变频运行时,管路压力未达到设定值时,变频器输出一个上限频率信号至PLC,由PLC控制切除2#泵变频运行,此时由2#泵工频运行、3#泵变频运行,同时保持1#泵工频运行。如果此时压力上升,变频器频率达到下限频率,同样输出下限信号给PLC,PLC解除1#工频泵,由2#工频泵和3#泵变频运行来维持管网压力。当压力上升,变频器频率下降,输出下限频率信号后,2#工频泵切断,此时由3#泵单独运行来维持管路压力。此时如管道压力下降,变频器达到上限频率,并输出上限压力信号,3#变频泵转换为工频运行,1#泵变频启动,若压力仍不满足则1#变切换为1#工,2#泵变频运行,并保持3#泵工频运行。三台泵同时工作以保证供水要求。见图4.5这样的切换过程有效地减少泵的频繁起停,同时在实际管网对水压波动做出反应之前,由变频器迅速调节,使水压平稳过渡,从而有效的避免了高楼用户短时间停水的情况发生。

5 PLC程序设计

变频泵循环运行优点很多,但是实现起来关键问题是变频器输出切换问题。将水泵电动机从变频器供电切换到工频电网供电,将可能遇到很大的电流冲击考虑到变频器每次切换的时会产生的冲击,如表1所示,以第1台电机为例在K M1断开以后,定子绕组是开路的,不可能有励磁电流。而转子绕组是自成回路的,其电流有一个逐渐衰减的过程,它将产生一个逐渐衰减的直流磁场,而定子三相绕组将和此旋转的直流磁场相互切割,从而产生出相应的感应电动势,即电动机在切断电源以后,存在着一个处于非同步发电状态的电磁过渡过程。非同步发电状态不同于电动机的再生发电状态,电动机的再生发电状态是指定子绕组必须和电源相接,以得到励磁电流。而此这时是电机已经脱离电源。

我们在应用中是在水泵脱离变频器后,等待一段时间待电动机的反电动势降下来以后再接到工频电源。在切换的时候PLC先发出停止信号,停止变频器运行1 S使变频器降速到零,在起动前段会有下限低的信号,造成不能正常起动,在变频器切换时都有2S钟的信号下限信号隔离的设计。每次切换时都保持下限和上限信号连续保持5分钟后方可切换,以避免因变频频率波动而产生的频繁切换。

6 变频器参数设定(表2)

7 系统各部分的选型

(一)变频器选型:通过电机容量选用变频器,考虑安全和余量。采用西门子型号为:6SE6440-2AD32-2DA1。功率:22KW.MICROMAST

(二)PLC控制系统及选型:该系统采用三菱FX2N-32ET,I/O点数为32点,继电器输出,PLC编程采用三菱PLC专用编程软件SWOPC-FX/WIN-C。

(三)压力传感器选型:压力传感器采用昆山双桥传感器测量技术有限公司.型号:CYG101型(低压力传感器)。量程:0~40~100~400~1000~1600kpa

(四)断路器的选型:通过电机的功率为1 8.5 KW可知,电机额定电流为36.1A一般选取断路器额定电流为电机的额定电流的1.5~2倍为5 4.1 A,所以选取Q1~Q3具体型号:3VL2706-1AE33-0AA0.Q01

(五)接触器和继电器选型:KM1~KM6接触器采用西门子公司的3TF系列接触器,工作电流为90A,具体型号:3TF4722-0XB0.继电器具体型号:3TH4022-0XB0

8 结束语

PLC控制和变频调速恒压供水系统投入使用后,完全能够达到设计要求,高效节能,故障低,调速供水效果突出,用户反映良好。同时减少设备损耗,延长了水泵和电机的使用寿命.提高了社会效益。

参考文献

[1]变频调速给水的基本原理[EB/OL].http://www.asklight.com/article/Folder9/200746/60534.Html.

[2]基于PLC的新型变频调速恒压供水系统[EB/OL].http://ww w.au tooo.net/Htm l/IN V/Inv-C ase/20 0 7-3/18/0731819409.html

[3]PLC及变频调速技术在泵站恒压供水中的应用[EB/OL].http://www.jd37.com/tech/200810/39839.html,2008,10.

[4]张燕宾主编.变频调速应用实践[M].北京:机械工业出版社,2000.

[5]陈勇,陈亚爱主编.电机与拖动基础[M].北京:电子工业出版社,2007,5.

恒功率调速 篇6

在现代化生活中, 水和电是人类生活、生产不可或缺的资源, 节约资源将是我们永恒的责任。在我国传统的小区供水方式有:水塔高位水箱供水、气压罐供水、恒速泵加压供水等, 普遍不同程度的存在着浪费水力和电力资源、效率低、可靠性差、自动化程度不高等各种缺点, 这严重影响了居民生活和工业系统中的用水供应质量。

基于PLC的变频技术恒压供水系统集成变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。采用该系统进行供水可以大大提高供水系统的稳定性和可靠性, 同时系统具有良好的节能性, 这在能源日益紧缺的今天显得尤为重要, 所以研究设计该系统, 对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有很重要的现实意义。

2 变频恒压供水系统的结构和功能实现

PLC变频调速恒压供水系统主要由可编程控制器、变频器、压力变送器和水泵机组组成调节系统, 该系统的控制流程图如图1所示。

从图中可看出, 系统可分为:动作机构、信号检测机构、控制机构三大部分:

2.1 动作机构:

动作机构是由水泵电机组成, 它们用来给用户供水管网提供动力, 机组包括三台水泵。

2.2 信号检测机构:

系统需要检测的信号包括水池水位信号、管网水压信号和报警信号。

2.3 控制机构:

它包括PLC、变频器和电控设备三个部分。供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。

变频器工作方式是变频器拖动一台水泵作为调速泵, 当这台水泵运行在50Hz时, 供水量仍不能达到用水要求, 需要增加水泵机组时, 系统直接启动另一台恒速水泵, 如果仍不能满足需求, 则将第三台电机启动, 以保障供水需求。

变频恒压供水系统以控制供水管网出口水压为控制目标, 在控制上实现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。所以, 在任何时段内, 恒压控制的目标就是使实际供水压力维持在设定的供水压力值上。

3 硬件系统构建

3.1 设备组成

系统主要硬件及其设备包括:PLC及其扩展模块、变频器、水泵机组、压力变送器、液位变送器。

PLC是系统实现恒压供水的主体控制设备, 本系统采用西门子公司S7-200系列PLC, 它执行速度快, 抗干扰能力强, 性价比较高, 比较经济实惠。

PLC与上位机之间的通信采用PC/PPI电缆, 支持点对点接口 (PPI) 协议, PC/PPI电缆可以方便实现PLC的通信接口RS485到PC机的通信接口RS232的转换, 用户程序有三级口令保护, 可以对程序实施安全保护。

根据控制系统实际所需输入输出端子数目, 考虑PLC端子数目要有一定的预留量, 因此根据系统需求选用S7-200型PLC的主模块为CPU226, 另外系统需要1个模拟量输入点和1个模拟量输出点, 所以需要扩展模块, 扩展模块选择EM235。变频器我们选用西门子公司的MM440, 该变频器足够高实现系统的变频调节功能, 且质量可靠、功能齐备。

3.2 电路设计

基于PLC的变频调速恒压供水系统主电路图如图2所示:三台电机分别为M1、M2、M3, 它们分别为1#、2#、3#水泵。接触器QA1、QA2、QA3分别控制M1、M2、M3的变频频运行;接触器QA5、QA6、QA7分别控制M1、M2、M3的工频频运行;BB1-BB6分别为三台水泵电机过载保护用的热继电器;QA0、QA10、QA11、QA11分别为变频器和三台水泵电机主电路的隔离开关。

本系统采用三泵循环变频运行方式, 即3台水泵中只有1台水泵在变频器控制下做变速运行以控制供水压力, 其余水泵在工频下做恒速运行, 在用水量小的情况下, 只用一台水泵以变频模式运行供压, 当单台变频泵连续运行时间超过3h, 则要切换下一台水泵以变频模式运行, 此即“倒泵功能”, 这样能够有效避免某一台水泵工作时间过长而造成损失。故此在同一时间内只有一台水泵处在变频模式下运行, 但三台水泵可以相互切换轮流做变频泵。

4 系统程序功能

系统软件是硬件实现系统功能的另一重要基础, 软件的优良与否决定了系统能否完成系统功能并稳定运行。结合硬件连接状况和系统功能要求, 系统控制软件主要控制要求和设计方法如下。

4.1 系统启动后恒压供水

增加用户端水压:为了保障稳定可靠的供水水压, 系统会根据用水量调节变频泵转速来稳定水压, 所以系统在启动时只启动一台水泵, 并使它以变频模式运行。系统启动后水压需逐步增加直至设定值。在此过程中, 如果变频泵频率达到上限后供水水压仍需增加, 系统将自动启动一台工频水泵。经过调解后如果一台变频泵和一台工频泵无法满足供水需求, 那么系统将在变频泵频率达到上限值后启动第二台水泵。此后如果变频泵频率调至上限后用户水压仍然达不到设定值, 那么系统将报警。降低用户端水压:当用水量逐渐减小后, 系统需同过高降低变频泵频率来降低供水水压, 此功能通过降低变频泵频率来实现, 当变频泵频率达到设定的下限值时, 系统通过减泵过滤后停止最先启动的工频泵, 当变频泵频率再次达到下限值时, 通过减泵过滤后第二台工频泵被停止。判断需增减新水泵的标准是变频器的输出频率达到设定的上下限值, 为了滤去偶然的频率波动和供水量波动引起的频率达到上下限情况, 在程序中采取时间滤波。

4.2 泵组切换使用

因为每一次启动电动机均要求为软启动, 且各台水泵必须进行交替切换使用, 任意一台泵连续变频运行不得超过3h, 因此在本设计中每次需启动新水泵或切换变频泵时, 新运行泵将作为变频泵, 之前启动的水泵将以工频模式运行。具体的操作是:将正在运行的变频泵从变频器上切除, 并连接工频电源运行, 同时变频器复位并用于新运行泵的启动。程序中我们将通过改变变频泵泵号和工频泵数量来进行泵组切换, 确保完成控制要求。

4.3 消防报警

在发生火灾的情况下, 系统能够全力供应消防用水, 并发出警报。同时对于一些特殊情况自动处理, 当外部传入火灾发生信号后, 程序会给报警灯持续输出脉冲, 同时将生活供水管网关闭、启动消防供水机制。

5 结语

本文根据国内城镇居民小区实际用水情况设计开发了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统, 并实现了各个控制操作的自动化控制。系统利用单台变频器实现多台水泵电机的软起动和调速恒压。压力变送器采样管网压力信号后经过PLC进行PID控制运算处理传送给变频器, 进而通过变频器电机转速来实现恒压供水。系统不仅有效地保证了供水系统管网压力恒定, 而且有工作可靠稳定、施工简单、节能效果显著等优点。

摘要：目前的供水方式正向高效节能、自动可靠的方向发展。本论文根据国内城市居民小区的实际供水要求情况, 设计了一套基于PLC的变频调速恒压供水系统。

关键词：变频器,恒压供水,PLC

参考文献

[1]张燕宾.实用变频调速技术培训教程[M].机械工业出版社, 2003, 18-42.

恒功率调速 篇7

关键词：变频调速,单片机,恒压

1 变频调速恒压供水理论分析

1.1 供水压力和变频器输出频率的关系

在变频调速运行时,电动机的压频比U/f(供电电压/供电电源频率)保持不变,管网压力随着供电电源频率成正比例变化。当变频器的输出频率在一定时,若用户用水量增大,从而流量Q增大时,供水管网的水压将会降低。为了保持供水压力不变,就必须增大变频器的输出频率以提高水泵机组的转速;当用户的用水量减小时,流量Q减小,在变频器输出频率不变的情况下,管网的供水压力将会增大,为了减小供水管网水压,就必须降低变频器的输出频率。

1.2 恒压控制的理论分析

恒压控制的目的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。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△P,这个差值经过相应的控制算法处理之后,可以计算出变频器输出频率的的增量,该增量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频率值相加,得出的值就是变频器当前应该输出的频率。

1.3 变频调速恒压供水系统的构成及工作原理

本文设计的恒压供水系统主要适用于城市高层住宅生活消防供水系统,我们以四台水泵(三台主泵和一台辅助小泵)为例,整个系统的工作流程为:安装在用户端出水管上的压力传感器,将供水管网的压力信号转变为电信号,输入A/D转换器,转换后的数字信号进入到单片机,经过相应的运算处理后,与设定的压力信号进行比较,得出偏差值,再经过自适应模糊算法得出最佳的运行工况参数,并由D/A转换器将其转换为模拟信号,输出给变频器以控制变频器的输出频率,从而控制交流电动机的转速,以控制水泵的输出流量和压力,使供水管网的压力趋向于设定压力值,从而实现闭环控制的恒压供水。

2 变频调速恒压供水系统的重点硬件设计

2.1 单片机的选择

本文所设计的系统中采用的单片机为双列直插式封装,其型号为AT89S52 24PC0532。系统的硬件电路框图如图1。

2.2 串口通信电路

串口通讯电路用来实现系统与上位PC机的通讯。单片机在供水系统中用在现场进行数据采集并实现现场控制。串口通讯电路如图2所示。

3 系统的软件设计与系统调试

系统主程序设计:系统主程序在系统上电后首先要进行一系列的初始化工作,并使得串口通讯模块、A/D模块、D/A模块、LCD显示模块等与单片机的数据传输正常。另外,在系统运行过程中要及时进行故障检测,以防止设备损坏和意外发生;当出现故障时,单片机系统要及时发出报警信号,提示用户检修。若无故障存在,在LCD上会显示实际压力大小,系统启动后自动进入恒压控制模式。

4 总结

变频调速恒压供水系统能极大地改善给水管网的供水环境,可以根据管网瞬间压力变化自动调节水泵电机的转速和多太水泵电机的投入和推出,使管网住干出口端保持在恒定的设定压力值,整个供水系统始终保持高效节能和运行在最佳状态。

参考文献

[1]阎凯峰,牛继荣.交流调速驱动系统与恒压供水[J].内蒙古工业大学学报,1998,2(17):57-62.

[2]罗文军,王焱玉.基于单片机的恒压变频调速供水系统的设计[J].桂林航天高等专科学校校报,2005,2.