電力拖動課程設計--變頻液位自動控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1前言1</b></p><p>　　1.1變頻液位系統(tǒng)的應用1</p><p><b>　　1.2設計任務2</b></p><p>　　2變頻液位系統(tǒng)的基本構成與工作原理3</p>

2、<p>　　2.1變頻液位系統(tǒng)的結構框圖3</p><p>　　2.2液位自動控制系統(tǒng)原理3</p><p>　　2.3電動機的調速原理3</p><p>　　2.4變頻調速節(jié)能原理分析4</p><p>　　2.5變頻液位系統(tǒng)的工作原理5</p><p>　　3變頻液位系統(tǒng)主電路設計及元件清單

3、6</p><p>　　3.1主電路設計結果6</p><p>　　3.2主要參數計算及器件選擇6</p><p>　　3.3主電路元件清單6</p><p>　　4變頻液位系統(tǒng)保護電路設計及元件清單7</p><p>　　4.1保護電路設計結果7</p><p>　　5變頻液位系統(tǒng)

4、驅動電路設計8</p><p>　　5.1驅動電路設計結果8</p><p>　　5.2驅動電路主要參數計算及器件選擇8</p><p>　　5.3驅動電路元件清單10</p><p><b>　　6設計心得11</b></p><p>　　6.1變頻液位自動系統(tǒng)設計的優(yōu)點11<

5、/p><p>　　6.2變頻液位自動系統(tǒng)設計的缺點11</p><p><b>　　7參考文獻11</b></p><p>　　8附錄：設計總圖12</p><p><b>　　1前言</b></p><p>　　水是一個和人的生存息息相關的物質，而水位換言之即液位，它則是

6、一種生產、生活中需要測量和控制的重要物理量，液位控制廣泛應用于農業(yè)生產與居民生活中。比如，民用水塔的供水，如果水位太低，則會影響居民的生活用水；工礦企業(yè)的排水與進水，如果排水或進水控制得當與否，關系到車間的生產狀況；鍋爐汽包液位的控制，如果鍋爐內液位過低，會使鍋爐過熱，可能發(fā)生事故；精流塔液位控制，控制精度與工藝的高低會影響產品的質量與成本等。液位控制技術在現實生活、生產中發(fā)揮了重要作用，在這些生產領域里，基本上都是勞動強度大或者操作有

7、一定危險性的工作性質，極容易出現操作失誤，引起事故，造成廠家的的損失。隨著經濟的發(fā)展，能源的過分消耗日益成為影響經濟穩(wěn)定快速增長的阻力，為了響應國家節(jié)能減排的號召，實現能源充分利用，就需要對電機進行轉速調節(jié)，研究變頻液位就是節(jié)能研究的主要內容之一。</p><p>　　隨著電力電子技術以及工業(yè)自動控制技術的不斷發(fā)展,使得變頻液位系統(tǒng)在工業(yè)生產與居民生活領域得到了廣泛應用。由于PLC的功能強大、容易使用、高可靠性。

8、常常被用來作為現場數據的采集和設備的控制。變頻器技術是一門綜合性的技術，它與傳統(tǒng)的交流拖動系統(tǒng)相比,利用變頻器對交流電動機進行調速控制，繼而達到節(jié)能和提高控制精度、自我保護等特點。</p><p>　　本課題就是根據PLC和變頻器，設計變頻液位自動控制系統(tǒng)。PLC的作用是運用PID算法對系統(tǒng)進行控制，而變頻器的作用則是最電機進行調速，最終達到變頻調速的目的。</p><p>　　1.1變頻

9、液位系統(tǒng)的應用</p><p>　　20世紀80年代初，可編程控制器在先進工業(yè)國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程控制器發(fā)展的特點是大規(guī)模、高速度、高性能、產品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產可編程控制器的國家日益增多，產量日益上升。這標志著可編程控制器已步入成熟階段。 20世紀末期，可編程控制器的發(fā)展特點是更加適應于現代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來說，這個時期發(fā)展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生

10、了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產品的配套能力來說，生產了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程控制器的工業(yè)控制設備的配套更加容易。目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、輕紡、交通運輸、及文化娛樂等各個行業(yè)，被稱為現代技術的三大支柱之一。</p><p><b>　　1.2設計任務</b></p>

11、<p>　　1．課題完成的功能：</p><p>　　設計變頻液位控制系統(tǒng)的主電路和控制電路以及驅動電路。并針對驅動電路進行數學建模，使計算機對水箱有較好的控制，在此基礎上對元件進行選取：包括PLC控制器，電機，變頻器，液位變送器等。</p><p>　　2．設計任務及要求：</p><p>　?。?）設計液位變頻控制系統(tǒng)的主電路圖、控制電路和驅動電路圖并

12、且繪制。</p><p>　?。?）對各個電路中需要涉及的參數進行計算。</p><p>　?。?）結合實際對主電路以及驅動電路各個元件進行選取。</p><p>　?。?）對驅動電路中計算機對水箱的控制建立數學模型，以便控制方便，準確。</p><p><b>　　3．技術參數：</b></p><

13、p>　?。?）電動機的參數：額定功率125Kw 額定電壓380V 額定電流220A 額定轉速1450rpm 額定效率0.92。</p><p>　?。?）接線方式為△ 短路電抗標準值為0.192 過載能力1.2倍、電網電壓380V、50Hz。</p><p>　　2變頻液位系統(tǒng)的基本構成與工作原理</p><p>　　2.1變頻液位系統(tǒng)的結構框圖</p&

14、gt;<p>　　圖2-1液位自動控制系統(tǒng)結構框圖</p><p>　　2.2液位自動控制系統(tǒng)原理</p><p>　　圖2-2液位自動控制系統(tǒng)原理圖</p><p>　　2.3電動機的調速原理</p><p>　　水泵電機多采用三相異步電動機，而其轉速公式為：</p><p><b>　?。?

15、-1）</b></p><p>　　式中：f表示電源頻率，p表示電動機極對數，s表示轉差率。</p><p>　　從上式可知，三相異步電動機的調速方法有：</p><p>　?。?） 改變電源頻率。（2） 改變電機極對數。（3）改變轉差率。</p><p>　　改變電機極對數調速的調控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，

16、但需要專門的變極電機，是有級調速，而且級差比較大，即變速時轉速變化較大，轉矩也變化大，因此只適用于特定轉速的生產機器。改變轉差率調速為了保證其較大的調速范圍一般采用串級調速的方式，其最大優(yōu)點是它可以回收轉差功率，節(jié)能效果好，且調速性能也好，但由于線路過于復雜，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗[7]，且成本高而影響它的推廣價值。</p><p>　　2.4變頻調速節(jié)能原理分析</p><p>　　1

17、．交流電機變頻調速原理</p><p>　　根據電磁感應原理，交流電動機的轉速滿足下式：</p><p>　　（同步電動機） （2-2）</p><p>　?。ó惒诫妱訖C） （2-3）</p><p>　　式中：—電動機同步轉速

18、</p><p><b>　　—電動機異步轉速</b></p><p><b>　　—電動機定子極對數</b></p><p><b>　　—交流電源頻率</b></p><p><b>　　—電動機轉差率</b></p><p>

19、　　電動機的轉速隨著電源頻率，電動機極對數，電動機轉差率（異步電動機）變化。由于電動機的極對數只能有級調節(jié)并且調整量有限，因此調速范圍有限，從而使其應用受到限制。而使用過大的轉差率調速顯然是不經濟的，對電動機的功率因數及效率的影響也很大，故應用范圍十分有限。變頻調速則通過改變電動機的輸入頻率改變其空間旋轉磁場的角速度達到速度調節(jié)的目的，電動機的轉速隨著電源頻率的變化而改變，電源頻率 增加，電動機的轉速隨之增加，反之則下降。變頻調速方式實

20、現了在不影響電動機各項性能前提下的速度無級調節(jié)、恒轉矩調速或恒功率調速等調速方式，因此受到工業(yè)界的廣泛重視，應用案例越來越多。</p><p>　　2．水泵特性分析及節(jié)能原理</p><p>　　根據流體力學原理，在管徑一定的條件下，管道流量 Q 與水泵轉速 n 成正比；揚程 H 與轉速平方()成正比，而電機軸功率 P 與轉速的三次方()成正比?？梢姰斄髁績H下降到 80%時需要的功率 P將

21、下降到額定功率的 50%(0.83≈0.5)左右，當流量下降到 50%時需要的功率 僅為額定功率的13%．圖 2 是水泵特性曲線。若要求恒壓于 HA，當流量 QA變小至時，如果水泵轉速不變，壓力會上升至 B1，壓力傳感器輸出壓力上升信號，經智能調節(jié)器分析運算后輸出轉速下降信號給調速電機的變頻控制器，調速電機轉速隨即從降低至（B點），使管網壓力維持在 HA；同理，當流量變化至時，壓力升至 點而調速電機隨即降低轉速至（C 點），仍保持恒壓

22、HA，從而實現了水泵自動恒壓變流量供水。</p><p>　　可見調速控制變載水泵具有顯著的節(jié)電效果。利用變頻器可以根據電機負載的變化實現自動、平滑地增速或減速，基本保持異步電機固有特性轉差率小的特點，具有效率高、范圍寬、精度高且能無級變速的優(yōu)點，這對于水泵、風機等設備是很適用的。夜間供水量急劇減少時，可方便地設定每日休眠工作的起始/停止時刻，并可設定休眠時的壓力給定值。休眠期間，變頻器監(jiān)測管網壓力，當壓力低于設

23、定植時，系統(tǒng)被自動喚醒，變頻泵投入工作；壓力高于設定值時，系統(tǒng)再次進入休眠狀態(tài)，只有休眠水泵運行，這樣能最大限度地節(jié)水節(jié)電。實踐證明，使用變頻設備可使水泵運行平均轉速比工頻轉速降低 20%，從而大大降低能耗，節(jié)能率可達（20～40）%。同時，通過采用變頻器控制，可在不同季節(jié)、節(jié)假日、白天和晚上及上下班等時間全面調控水量。</p><p>　　2.5變頻液位系統(tǒng)的工作原理</p><p>　

24、　變頻器采用PID恒定控制，它采集外部信號作為反饋信號。PLC對水泵的運行模式、機組的選擇及機組的起動停止等進行控制。以上控制信號都為PLC的輸入信號。一級泵站水泵的起止信號取自清水池內所裝的液位傳感器，當水位達到低限位液位傳感器給出啟動水泵的信號。當水位達到高限位時，液位傳感器給出停止水泵運行的信號。二級泵站的反饋信號取自出水管出遠傳壓力表。當壓力高于設定值時，變頻器變頻，水泵電機減速。當壓力低于設定值時，變頻器變頻，水泵電機加速。在

25、二級泵站水泵的運行當中，它將受到一級泵站的清水池的缺水信號的控制，以此來防止清水池幾乎缺水時水泵空轉。缺水液位開關設置在低水位下方的0.5米處。</p><p>　　3變頻液位系統(tǒng)主電路設計及元件清單</p><p>　　3.1主電路設計結果</p><p>　　圖3-1變頻液位控制主電路圖</p><p>　　3.2主要參數計算及器件選擇&

26、lt;/p><p>　　水箱液位自動控制電機采用2.2KW的常用泵轉速，即可滿足水箱水位液位穩(wěn)定，本設計采用兩臺變頻器，兩臺電動機，通過PLC控制液位的自動調節(jié)兩臺電機分別控制進水與出水，以便能讓其迅速響應。</p><p>　　3.3主電路元件清單</p><p><b>　　表3-1設備清單</b></p><p>　　

27、4變頻液位系統(tǒng)保護電路設計及元件清單</p><p>　　4.1保護電路設計結果</p><p>　　檢測主電路的電壓、電流等，當發(fā)生過載或過壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。保護回路主要包括以下幾種：</p><p><b>　　(1)逆變器保護</b></p><p>　

28、　1.瞬時過電壓保護：由于逆變器負載側短路等，流過逆變器器件的電流達到異常值（超過容許值）時，瞬時停止逆變器運轉，切斷電流。交流器的輸出電流達到異常值，也同樣停止逆變器運轉。</p><p>　　2.過載保護：逆變器輸出電流超過額定值，且持續(xù)流通達規(guī)定的時間以上，為了防止逆變器器件、線路等損壞要停止運轉。恰當的保護需要反時限特性，采用熱繼電器或者電子熱保護（使用電子電路）。過負載是由于負載的GD2（慣性）過大或因

29、負載過大使電動機堵轉而產生的。</p><p>　　3.再生過電壓保護：采用逆變器使電動機快速減速時，由于再生功率直流電路電壓將升高，有時超過容許值。可以采取停止逆變器運轉或停止快速減速的辦法，防止過電壓。</p><p>　　4.瞬時停電保護：對于數毫秒以內的瞬時停電，控制電路工作正常。但瞬時停電時間在10ms以上時，通常會使控制電路誤動作，主電路也不能供電，所以檢出后使逆變器停止運轉。

30、</p><p>　　5.接地過電流保護：逆變器負載側接地時，為了保護逆變器，有時要有接地過電流保護功能。但為了確保人身安全，需要轉設漏電斷路器。</p><p>　　6.冷卻風機異常：有冷卻風機的裝置，但風機異常時裝置內溫度將上升，因此采用風機熱繼電器或器件散熱片溫度傳感器，檢出異常后停止逆變器。</p><p>　　(2)異步電動機的保護</p>

31、<p>　　1.過載保護：過載檢出裝置與逆變器保護共用，但考慮低速運轉的過熱時，在異步電動機內埋入溫度傳感器，或者利用轉在逆變器內的電子熱保護來檢出過熱。動作頻繁時可以考慮減輕電動機負載、增加電動機及逆變器容量等。</p><p>　　2.超頻（超速）保護：逆變器的輸出頻率或者異步電動機的速度超過規(guī)定值時，停止逆變器運轉。</p><p><b>　　(3)其他保護&l

32、t;/b></p><p>　　1.防止失速過電流：急加速時，如果異步電動機跟蹤遲緩，則過電流保護電路動作，運轉就不能繼續(xù)進行（失速）。所以，在負載電流減小之前要進行控制，抑制頻率上升或使頻率下降。對于恒速運轉中的過電流，也進行同樣的控制。</p><p>　　2.防止失速再生過電壓：減速時產生的再生能量使主電路直流電壓上升，為了防止再生過電壓保護電路動作，在直流電壓下降之前要進行控

33、制，抑制頻率下降，防止失速再生過電壓。</p><p>　　5變頻液位系統(tǒng)驅動電路設計</p><p>　　5.1驅動電路設計結果</p><p>　　圖5-1驅動電路設計圖</p><p>　　5.2驅動電路主要參數計算及器件選擇</p><p>　　本設計以單容水箱為研究對象。要對該對象進行較好的計算機控制，有必要

34、建立被控對象的數學模型。正如前面提到的，單容水箱是一個自衡系統(tǒng)。根據它的這一特性，我們可以用階躍響應測試法進行建模。</p><p>　　如圖2-1，設水箱的進水量為，出水量為，水箱的液面高度為，出水閥固定于某一開度值。若作為被控對象的輸入變量，為其輸出變量，則該被控對象的數學模型就是與 之間的數學表達式。</p><p>　　根據動態(tài)物料平衡關系有得到如下表達式：</p>

35、<p><b>　　（5-1）</b></p><p>　　將式（5-1）表示為增量形式如下：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中，、、——分別為偏離某一平衡狀態(tài)、、的增量；</p><p><b>　　C——水箱底面積。</b>

36、</p><p>　　在零初始條件下，對上式求拉氏變換得：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　式中，為水箱的時間常數。</p><p><b>　　PID控制原理：</b></p><p>　　數字PID控制是在實驗研究和生產過程中采用最普遍

37、的一種控制方法，在液位控制系統(tǒng)中也有著極其重要的控制作用。一般，在控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖5-5所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。</p><p>　　圖5-2模擬PID控制系統(tǒng)原理框</p><p>　　PID控制器是一種線性控制器，它是根據給定值與實際輸出值構成控制偏差</p><p><b&

38、gt;　?。?-4）</b></p><p>　　將偏差的比例（P），積分（I）和微分（D）通過線性組合可以構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。它的控制規(guī)律為</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　寫成傳遞函數形式為： （5-6）</p><

39、p>　　式中： ——比例系數；</p><p><b>　　——積分時間常數；</b></p><p><b>　　——微分時間常數；</b></p><p>　　從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應速度、超調量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：</p><p><b>

40、　　1、比例環(huán)節(jié) </b></p><p>　　用于加快系統(tǒng)的響應速度，提高系統(tǒng)的調節(jié)精度。越大，系統(tǒng)的響應速度越快，系統(tǒng)的調節(jié)精度越高，但易產生超調，甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。取值過小，則會降低調節(jié)精度，使響應速度緩慢，從而延長調節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。</p><p><b>　　2、積分環(huán)節(jié) </b></p><p&g

41、t;　　主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但過小，在響應過程的初期會產生積分飽和現象，從而引起響應過程的較大超調。若過大，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調節(jié)精度。</p><p><b>　　3、微分環(huán)節(jié) </b></p><p>　　能改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，其作用主要是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預報。但過大

42、，會使響應過程提前制動，從而延長調節(jié)時間，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。</p><p>　　5.3驅動電路元件清單</p><p>　　表5-1驅動電路元件清單</p><p><b>　　6設計心得</b></p><p>　　6.1變頻液位自動系統(tǒng)設計的優(yōu)點</p><p>　　1．采用PLC

43、控制設計，可靠性高、抗干擾能力強。PLC編程簡單，容易被人接受，易懂。</p><p>　　2．采用PLC設計安裝容易，維護工作量少，采用分裝的方式，可以在惡劣環(huán)境下工作，它的體積小，而且功能完善，通用性特別強，性價比高。</p><p>　　3。在設計過程中添加保護電路，保護電路可以保護電路正常運行，減少損失。</p><p>　　6.2變頻液位自動系統(tǒng)設計的缺點

44、</p><p>　　1. 在對設計以單容水箱控制時，建立了數學，在對進水口和出水口取值方面會有誤差，影響總體的設計效果。</p><p>　　2．在對PID現場參數取值時，以及PI參數對偏差進行比例和積分計算會出現誤差，也會對變頻調節(jié)產生一定的影響。</p><p>　　通過兩周的課程設計，我對變頻器的性能和應用有了進一步的了解，初步掌握了電機調速系統(tǒng)設計的一般原

45、則，在設計過程中，通過自己思考，親自動手實踐，讓我對電力拖動的控制理論有了更為深刻的理解，同時在設計調速系統(tǒng)時，對PLC控制技術的相關知識進行了回顧復習，和計算機控制技術，電力拖動技術有效的聯(lián)系起來，更好的掌握了相關知識。但是在設計過程中我也遇到了很多問題，由于之前沒有系統(tǒng)的學過變頻器的相關原理及應用，在設計過程中不知道如何熟練應用，還有在設計電路時，對一些相關電路的參數計算不太熟悉，但是通過請教老師和同學，通過上網查詢很快解決了這些問

46、題。</p><p><b>　　7參考文獻</b></p><p>　　[1]王也仿.可編程控制器技術應用.機械工業(yè)出版社，2003.</p><p>　　[2]陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)（第二版）.機械工業(yè)出版社，1992.</p><p>　　[3]張燕賓.SPWM變頻調速應用技術.機械工業(yè)出版社，1997.&l

47、t;/p><p>　　[4]汪曉光,孫曉英,王艷月.可編程控制器原理及應用.機械工業(yè)出版社，2000.</p><p>　　[5]石紅梅.變頻器技術原理與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003 263-268.</p><p>　　[6]袁任光.可編程控制器應用技術與實例[M].廣州：華南理工大學出版社，2003 10. </p><p>

48、　　[7]王洪猛等.基于PLC的過程控制系統(tǒng)設計與實現[J]. 自動化技術與應用,2004，</p><p>　　23（7）：25-27.</p><p>　　[8]秦虹.PLC控制系統(tǒng)的編程方法簡述[J].機床電器 2003，（3）.</p><p>　　[9]張選正，張金遠. 變頻器應用經驗[M].北京：中國電力出版社 2006.</p><