变频器供水系统设计毕业设计

I 目 目 录 第一部分 设计任务与调研..............................1 1 第二部分 设计说明....................................4 第三部分 设计成果...................................20 第四部分 结束语....................................2 23 3 第五部分 致谢.......................................2 24 4 第六部分 参考文献...................................2 25 5

1 第一部分 设计任务与调研 1 毕业设计的主要任务 随着近年来我国城市建设的发展，各生活小区，高校以及企业等水用户对供水品质的要求不断提高，为满足用户的要求，就需要高效、节能的自动调节供水系统。目前，国内大部分供水泵站采用的是传统供水工艺，利用恒速水泵，手工操作，人工监控、经验管理，管网供水量的变化靠大小水泵的搭配开停加上调节阀来满足。这种传统的供水系统存在漏失多、耗能高，技术水平低，综合效率低的缺点。

针对上述问题，本文研制了变频调速恒压供水系统，该系统是以管网水压为设定参数，通过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，使供水系统自动恒稳于设定的压力值。即用水量增加时，频率升高，水泵转速加快，供水量相应增大，当用水量超过一台泵的供水量时，通过控制器加泵；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢，供水量相应减小。也就是根据用水量的大小，由供水控制器控制水泵数量以及变频器对水泵的调速，来实现恒压供水。同时达到供水效率的目的“用多少水，供多少水”。采用该供水系统不需建造高位水箱、水塔，水质无二次污染，是一种理想的现代化建筑供水方案。

2 设计的思路、方法 近年来，随着城市居民区的不断扩建与改造，楼房层数的不断加高，我国居民用水难的问题越来越突出，原有的自来水管网的压力出现了不足，用水困难给生活带来极大不便。为解决上述问题，本文研制了交流变频恒压供水系统。该系统控制部分是以 AT89C51 为核心,并与变频器、压力传感器等器件有机结合起来，构成了变频恒压供水系统。该系统是以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率来自动调节水泵电机的转速，并根据用水量的大小由单片机控制水泵数量及变频器对水泵的调速，实现管网水压的闭环调节，即恒压供水。

恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用变频器对水泵电动机进行变频调速，组成供水压力的闭环控制系统，系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系

2 统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入 CPU 即单片机芯片进行运算处理后，发出控制指令，改变水泵电动机的转速和控制水泵电动机的投运台数，从而使给水总管压力稳定在设定的压力值。

系统由变频器、控制器、传感器、水泵电机及相关电气控制设备集成而成，是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。

3 3 变频供水研究目的及意义 众所周知,水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象，而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏。

供水厂希望通过对原有系统的技术改造，提高生产过程的自动化水平。并在此基础之上配备相应的系统管理软件，改变传统的落后管理方式，使管理工作规范化，提高水厂的业务管理水平。由于水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统，所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行，设计一套取水和供水的自动控制系统，克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。

在相当比较大规模的工业生产供水系统，变频调速恒压供水有它自身的特点：1.供水量在短时间内（一天时间内）变化大，这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。2.对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。3.一般情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。； 从上即可结论：以变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。

3 4 调研的总结 恒压供水是指在供水网中用水量发生变化时出口压力保持不变的供水方式。传统的恒压供水方式是采用水塔、高位水箱、气压罐等设施实现的。随着变频调速技术的日益成熟和广泛使用，利用变频器、PID 调节器、单片机、PLC 等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，实现恒压供水。

4 第二部分 设计说明 1 2.1 压力传感器简介 技术参数: 控制方式 变频控制 安装场所 室内 温度环境 5℃-+40℃ 输送液体 清水 液体温度 0℃-+70℃ 最高使用压力 20 Kg/c ㎡ 水泵 立式、卧式多级离心泵 电源 三相×220/380V ×50Hz 恒压供水压力传感器产品简介 :恒压供水压力传感器具有全自动化,多启停方式,多控制方式,全数字智能化控制,故障自诊断和自处理功能等特点.恒压供水压力传感器概述 恒压供水压力传感器采用具有国际先进水平的交流变频调速技术，对水泵电机进行自动调速,从而达到恒压供水的目的,一般城市管网的供水压力只保证6 层以下楼房的用水,其余上部分各层均需提升水压才能满足用水要求,传统上大多采用水塔,高位水箱或气压罐等方式进行增压,但这些方式不仅投资大,结构复杂，占地面积大,而且它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来增压,其结果必然增大了水泵能耗.恒压供水压力传感器,是通过将管网上传来的压力信号送到恒压控制器,恒压控制器输出 4~20mA 电流信号用以控制变频器的输出频率,从而控制水泵的转速,例如 ：

当用水量小的时候,控制器输出减小从而降低水泵转速,当用水量增大时控制器将变频器输出频率升高,从而加快水泵转速。整个过程自动进行，保证管网压力始终恒定不变.恒压供水压力传感器产品性能与特点 ：

5--恒压供水压力传感器为工业及民用供水设备，它可由一台变频器控制多台水泵，实现多台水泵循环启动。

--恒压供水压力传感器为生活及消防共用供水设备，它能在平时以低恒压（第一压力）保证生活供水。在接到消防信号后立即转为高压供水（第二压力）方式，满足消防的需要。另外，该系列设备还具备消防泵定时自动巡检功能。

--恒压供水压力传感器不仅恒压自动供水，且节电效果非常显著，节电率可达 30%以上。

--全自动控制,无需专人值班.--输出水压非常稳定,且不会产生二次污染.--可靠性高，保护功能完善.恒压供水压力传感器详细信息：恒压供水压力传感器适用于工业,公共设施及民用建筑生活,生产,消防用水系统,热水锅炉及管道定压系统.恒压供水压力传感器特点：

--自动化程度高、多种启停方式、稳定时压力控制精度＜1%。

--多种控制方式（变频自动、工频自动、工频手动）。

--全数字智能化控制，任意修改运行参数（控制方式、水泵电机数量、设定值、压力上下值、PID 值、加减速时间等）--故障自诊断和自处理功能，对缺相、过流、过压、水位过低和变频故障等均能自行诊断，及时发出声光报警信号，设备具有完善的 气安全保护及电机故障跨越功能。

--变频器对水泵全部实现软启动，水泵自动循环运行，减少设备损耗、延长水泵寿命。

--节能 20%-50%。

恒压供水压力传感器用途介绍: : 1.普通住宅楼,商住楼,居民小区的生活消防供水.2.高层建筑,高级宾馆饭店的生活消防供水.3.综合楼,写字楼,俱乐部等建筑物的生活消防供水.4.各种类型的自来水厂及供水加压泵站.5.工矿企业的生产,生活供水,恒压供应的工艺流程用水.6 6.生活小区、高层建筑等的热水供应系统或热水采暖系统.7.各种类型的循环水,冷却水供应系统.8.深水井（深水泵,潜水泵）恒压供水系统.9.污水处理厂,排水站的自动变频液位控制.10.石油,化工等行业输送石油及含酸碱等的液体系统.2 2.2 变频器简介 变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF 变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为 IGBT 三相桥式逆变器，且输出为 PWM 波形，中间直流环节为滤波、直流储 能和缓冲无功功率。

变频器是运动控制系统中的功率变换器。当今的运动控制系统包含多种学科的技术领域，总的发展趋势是：驱动的交流化，功率变换器的高频化，控制的数字化、智能化和网络化。因此，变频器作为系统的重要功率变换部件，提供可控的高性能变压变频的交流电源而得到迅猛发展。

随着新型电力电子器件和高性能微处理器的应用以及控制技术的发展，变频器的性能价格比越来越高，体积越来越小，而厂家仍然在不断地提高可靠性实现变频器的进一步小型轻量化、高性能化和多功能化以及无公害化而做着新的努力。变频器性能的优劣，一要看其输出交流电压的谐波对电机的影响；二要看对电网的谐波污染和输入功率因数；三要看本身的能量损耗（即效率）如何。这里仅以量大面广的交—直—交变频器为例，阐述它的发展趋势。

主电路功率开关元件的自关断化、模块化、集成化、智能化；开关频率不断提高，开关损耗进一步降低。

变频器主电路的拓扑结构方面。变频器的网侧变流器对低压小容量的装置常采用6脉冲变流器，而对中压大容量的装置采用多重化12脉冲以上的变流器。负载侧变流器对低压小容量装置常采用两电平的桥式逆变器，而对中压大容量的装置采用多电平逆变器。对于四象限运行的转动，为实现变频器再生能量向电网回馈和节省能量，网侧变流器应为可逆变流器，同时出现了功率可双向流动的双PWM

7 变频器，对网侧变流器加以适当控制可使输入电流接近正弦波，减少对电网的公害。

脉宽调制变压变频器的控制方法可以采用正弦波脉宽调制控制来消除指定次数谐波的PWM控制、电流跟踪控制、电压空间矢量控制（磁链跟踪控制）。

交流电动机变频调整控制方法的进展主要体现在由标量控制向高动态性能的矢量控制与直接转矩控制发展和开发无速度传感器的矢量控制和直接转矩控制系统方面。

微处理器的进步使数字控制成为现代控制器的发展方向。运动控制系统是快速系统，特别是交流电动机高性能的控制需要存储多种数据和快速实时处理大量信息。近几年来，国外各大公司纷纷推出以DSP（数字信号处理器）为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内的称为DSP单片电机控制器，价格大大降低，体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。DSP和普通的单片机相比，处理数字运算能力增强10～15倍，可确保系统有更优越的控制性能。数字控制使硬件简化，柔性的控制算法使控制具有很大的灵活性，可实现复杂控制规律，使现代控制理论在运动控制系统中应用成为现实，易于与上层系统连接进行数据传输，便于故障诊断、加强保护和监视功能，使系统智能化（如有些变频器具有自调整功能）。

变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。变频器选型时要确定以下几点：

（1）采用变频的目的：恒压控制或恒流控制等。

（2）变频器的负载类型：如叶片泵或容积泵等，特别注意负载的性能曲线，性能曲线决定了应用时的方式方法。

（3）变频器与负载的匹配问题：

①电压匹配：变频器的额定电压与负载的额定电压相符。

8 ②电流匹配：普通的离心泵，变频器的额定电流与电机的额定电流相符。对于特殊的负载如深水泵等则需要参考电机性能参数，以最大电流确定变频器电流和过载能力。

③转矩匹配：这种情况在恒转矩负载或有减速装置时有可能发生。

（4）在使用变频器驱动高速电机时，由于高速电机的电抗小，高次谐波增加导致输出电流值增大。因此用于高速电机的变频器的选型，其容量要稍大于普通电机的选型。

（5）变频器如果要长电缆运行时，此时要采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不足，所以在这样情况下，变频器容量要放大一档或者在变频器的输出端安装输出电抗器。

（6）对于一些特殊的应用场合，如高温，高海拔，此时会引起变频器的降容，变频器容量要放大一挡。

2.1.2 水泵变频调速原理 异步电动机定子三相对称绕组空间相隔 120 度，当通以三相对称电流时，产生旋转磁场，旋转磁场的转速，即同步转速为 n=60f/p(r/min)(1.1)异步电动机的转差率为: s=(n-n)/n1(l.2)n=nl(1-s)=60f(1-s)/p(l.3)式中:f，一定子绕组电源频率 P 一磁场极对数 s 一转差率 n，一同步转速((r/min)n 一异步电动机转速(r/min)因此，改变电源频率，就可以改变电动机的转速。从而可以调节水泵的转速，这就是水泵变频调速的基本原理。

3 2.1.3 变频器控制原理设计（1）首先确认变频器的安装环境：

9 ①工作温度 变频器内部是大功率的电子元件，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0～55℃，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40℃以下。在控制箱中，变频器一般应安装在箱体上部，并严格遵守产品说明书中的安装要求，绝对不允许把发热元件或易发热的元件紧靠变频器的底部安装。

②环境温度 温度太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。在水处理间，一般水汽都比较重，如果温度变化大的话，这个问题会比较突出。

③腐蚀性气体 使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能。

④振动和冲击 装有变频器的控制柜受到机械振动和冲击时，会引起电气接触不良。淮安热电就出现这样的问题。这时除了提高控制柜的机械强度、远离振动源和冲击源外，还应使用抗震橡皮垫固定控制柜外和内电磁开关之类产生振动的元器件。设备运行一段时间后，应对其进行检查和维护。

⑤电磁波干扰 变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰。因此，柜内仪表和电子系统，应该选用金属外壳，屏蔽变频器对仪表的干扰。所有的元器件均应可靠接地，除此之外，各电气元件、仪器及仪表之间的连线应选用屏蔽控制电缆，且屏蔽层应接地。如果处理不好电磁干扰，往往会使整个系统无法工作，导致控制单元失灵或损坏。

（2）变频器和电机的距离确定电缆和布线方法：

①变频器和电机的距离应该尽量的短，这样减小了电缆的对地电容，减少干扰的发射源。

② 控制电缆选用屏蔽电缆，动力电缆选用屏蔽电缆或者从变频器到电机全部用穿线管屏蔽。

③电机电缆应独立于其它电缆走线，其最小距离为500mm。同时应避免电机 电缆与其它电缆长距离平行走线，这样才能减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰。如果控制电缆和电源电缆交叉，应尽可能使它们按90度角交叉。与

10 变频器有关的模拟量信号线与主回路线分开走线，即使在控制柜中也要如此。

④与变频器有关的模拟信号线最好选用屏蔽双绞线，动力电缆选用屏蔽的三芯电缆（其规格要比普通电机的电缆大档）或遵从变频器的用户手册。

（3）变频器的接地：

变频器正确接地是提高系统稳定性，抑制噪声能力的重要手段。变频器的接地端子的接地电阻越小越好，接地导线的截面不小于4mm，长度不超过5m。变频器的接地应和动力设备的接地点分开，不能共地。信号线的屏蔽层一端接到变频器的接地端，另一端浮空。变频器与控制柜之间电气相通。

（4）变频器控制柜设计：

变频器应该安装在控制柜内部，控制柜在设计时要注意以下问题：

①散热问题：变频器的发热是由内部的损耗产生的，在变频器中各部分损耗中主要以主电路为主，约占98%，控制电路占2%。为了保证变频器正常可靠运行，必须对变频器进行散热我们通常采用风扇散热；变频器的内装风扇可将变频器的箱体内部散热带走，若风扇不能正常工作，应立即停止变频器运行；大功率的变频器还需要在控制柜上加风扇，控制柜的风道要设计合理，所有进风口要设置防尘网，排风通畅，避免在柜中形成涡流，在固定的位置形成灰尘堆积；根据变频器说明书的通风量来选择匹配的风扇，风扇安装要注意防震问题。

②电磁干扰问题：

（a）变频器在工作中由于整流和变频，周围产生了很多的干扰电磁波，这些高频电磁波对附近的仪表、仪器有一定的干扰，而且会产生高次谐波，这种高次谐波会通过供电回路进入整个供电网络，从而影响其他仪表。如果变频器的功率很大占整个系统25%以上，需要考虑控制电源的抗干扰措施。

（b）当系统中有高频冲击负载如电焊机、电镀电源时，变频器本身会因为干扰而出现保护，则考虑整个系统的电源质量问题。

③防护问题需要注意以下几点：

（a）防水防结露：如果变频器放在现场，需要注意变频器柜上方不的有管道法兰或其他漏点，在变频器附近不能有喷溅水流，总之现场柜体防护等级要在IP43以上。

（b）防尘：所有进风口要设置防尘网阻隔絮状杂物进入，防尘网应该设计

11 为可拆卸式，以方便清理，维护。防尘网的网格根据现场的具体情况确定，防尘网四周与控制柜的结合处要处理严密。

（c）防腐蚀性气体：在化工行业这种情况比较多见，此时可以将变频柜放在控制室中。

（5）变频器接线规范：

信号线与动力线必须分开走线，使用模拟量信号进行远程控制变频器时，为了减少模拟量受来自变频器和其它设备的干扰，请将控制变频器的信号线与强电回路（主回路及顺控回路）分开走线。距离应在30cm以上，即使在控制柜内，同样要保持这样的接线规范。该信号与变频器之间的控制回路线最长不得超过50m，信号线与动力线必须分别放置在不同的金属管道或者金属软管内部，连接PLC和变频器的信号线如果不放置在金属管道内，极易受到变频器和外部设备的干扰。同时由于变频器无内置的电抗器，所以变频器的输入和输出级动力线对外部会产生极强的干扰，因此放置信号线的金属管或金属软管一直要延伸到变频器的控制端子处，以保证信号线与动力线的彻底分开: ①模拟量控制信号线应使用双股绞合屏蔽线，电线规格为0.75mm2。在接线时一定要注意，电缆剥线要尽可能的短（5-7mm左右），同时对剥线以后的屏蔽层要用绝缘胶布包起来，以防止屏蔽线与其它设备接触引入干扰。

②为了提高接线的简易性和可靠性，推荐信号线上使用压线棒端子。变频器的运行和相关参数的设置：变频器的设定参数多，每个参数均有一定的选择范围，使用中常常遇到因个别参数设置不当，导致变频器不能正常工作的现象。

控制方式：即速度控制、转距控制、PID控制或其他方式，采取控制方式后，一般要根据控制精度，需要进行静态或动态辨识。

最低运行频率：即电机运行的最小转速，电机在低转速下运行时，其散热性能很差，电机长时间运行在低转速下，会导致电机烧毁。而且低速时，其电缆中的电流也会增大，也会导致电缆发热。

最高运行频率：一般的变频器最大频率到60Hz，有的甚至到400 Hz，高频率将使电机高速运转，这对普通电机来说，其轴承不能长时间的超额定转速运行，电机的转子是否能承受这样的离心力。

载波频率：载波频率设置的越高其高次谐波分量越大，这和电缆的长度，电

12 机发热，电缆发热变频器发热等因素是密切相关的。

电机参数：变频器在参数中设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到。

跳频：在某个频率点上，有可能会发生共振现象，特别在整个装置比较高时；在控制压缩机时，要避免压缩机的喘振点。

2.1.2 变频器容量 变频器的容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项，变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切的表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器的额定电流是选择变频器基本容量的基本原则。需要着重指出的是，确定变频器容量前应仔细了解生产工艺设备的情况及电动机参数，应保证在无故障状态下负载总电流均不超过变频器的额定电流。

变频器的类型的选用要根据生产机械的负载特性、调速范围、静态速度精度、启动转矩的要求，决定选用那种控制方式的变频器，在变频器选型前应掌握传动系统的以下参数：

（1）电动机的极数 一般电动机的极数以不多于 4 极为宜，否则变频器容量就要适当加大。

（2）转矩特性、临界转矩、加速转矩 在同等电动机功率情况下，相对于高超载转矩模式，变频器规格可以将额选取。

（3）电磁兼容性 为减少主电源干扰，使用时可在中间电路或变频器输入电路中增加电抗器，或安装前置隔离变压器。一般当电动机与变频器距离超过 50m时，应在它们中间串入电抗器、滤波器或采用屏蔽防护电缆。

变频器的选型应满足以下条件：

① 电压等级与驱动电动机相符。

② 额定电流为所驱动电动机额定电流的 1.1～1.5 倍。

③根据被驱动设备的负载特性选择变频器的控制方式。

变频器的选择原则 ：在我国将 50Hz 以下区间，作为变频器的“恒力矩区”，即频率和转速越高，电动机力矩越小。变频器的输出频率和拖动电动机的转速成13 正比，其输入的功率（机械功率）为：转速*转矩。选择变频器时应根据以下原则：

①电动机功率在 280 KW 以上应选择电流型变频器（多重化波形）75KW 以下的电动机应选择电压型变频器（PWM 波形），75～280KW 的电动机可根据实际情况决定。

②根据拖动是由特性决定：机床类设备需要尽可能满足恒功率的硬特性，可选用专用电动机和配足变频器功率，尽可能选用向量型变频器，并要求变频器带有制动电阻单元；风机、水泵等减力矩负载要选用专用变频器，便于节能运行；对于只需恒力矩的传动系统，可选用变频器，向量型或 U/f 型变频器均可。

在选用变频器时除了考虑技术性和可靠性外还应考虑经济性，一般不要留有太大功率余量，变频器与电动机两者的功率应相匹配，不但经济性好而且输出波形更好。鼓风机和泵类负荷为变力矩负载，在超载能力方面的要求较低，低速运行时负载较轻，对转速精度也无特殊要求，故选型时常以价廉为、主要原则。另外，也有为此类负载配套的专用变频器可供选用。恒力矩负载，负载在转速精度以及动态性能等方面要求不高时，选型时选普通功能变频器。

对于低速运行时要求有较硬的机械特性和一定的调速精度，但动态性能方面无较高要求时，可选用具有转矩控制功能的高功能型变频器，以实现恒转矩负载的调速运行。另外对于恒转矩负载下驱动电动机，如果采用通过标准电动机，则应考虑低速下电动机的通风冷却，以避免电动机在低速运行时发热。

对于某些对调速精度和动态性能都有较高要求，并要求高精度同步运行等生产机械，可选用带速度回馈的向量控制方式的变频器。

对以下几种负载在选择变频器需要注意的事项是：

①搅拌机负载：必须根据实际情况进行功率高选（甚至 2 挡）。

②离心机负载：注意负载发电回馈，选择具有能量回馈型的变频器最好。

③同步电机负载：根据电流、电压进行选择，而不是功率。变频器功率的选取：

变频器的额定功率指的是它使用的 4 极交流异步电动机的功率。由于同容量电动机，其极数不同，电动机的额定电流不同。随着电动机极数的增多，电动机额定电流增大。变频器的容量选择不能以电动机额定功率为依据。同时，对于原来未采用变频器的改造项目，变频器容量的选择也不能以电动机的额定电流为依据。

14 这是因为电动机容量选择要考虑最大负荷、裕量系数、电动机规格等因素，往往电动机的容量裕量较大，工业用电动机常常在 50%～60%额定负荷下运行。若以电动机额定电流为依据来选择变频器的容量，留有裕量太大，造成经济上的浪费，而可靠性并没有因此得到提高。变频器与电动机的匹配主要还是电动机的额定电压及额定电流，如果电动机的额定电流小于同功率变频器的额定电流，一般来说用同等功率的就足够了，但如果大了，只好用大一级的变频器。另外：如果负载较重且起动频繁要考虑变频器容量放大一级，如用高原或电动机接线太长要考虑变频器的输出能力，可能也要放大一级，并要采取相应的措施。

1 2.2.1 变频调速恒压供水系统 构成及原理 一般规定城市管网的水压只保证 6 层以下楼房的用水，其余上部各层均需“提升”水压才能满足用水要求。以前大多采用传统的水塔、高位水箱，或气压罐式的增压设备，但它们都必须由水泵以高出实际用水高度的压力来“提升”水量，其结果增大了水泵的轴功率和能量损耗。

用变频调速来实现恒压供水，与用其他方式实现恒压供水相比较，节能效果十分明显，具有一系列优点：起动平稳，起动电流可以限制在额定电流以内，从而避免了起动时对电网的冲击；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；可以消除启动和停机时的水锤效应；在锅炉和其他燃烧重油的场合，恒压供油可使油的燃烧更加充分，大大减少了对环境的污染。

近年来，随着城市居民区的不断扩建与改造，楼房层数的不断加高，我国居民用水难的问题越来越突出，原有的自来水管网的压力出现了不足，用水困难给生活带来极大不便。为解决上述问题，本文研制了交流变频恒压供水系统。该系统控制部分是以 AT89C51 为核心,并与变频器、压力传感器等器件有机结合起来，构成了变频恒压供水系统。该系统是以管网水压为设定参数，通过控制变频器的输出频率来自动调节水泵电机的转速，并根据用水量的大小由单片机控制水泵数量及变频器对水泵的调速，实现管网水压的闭环调节，即恒压供水。

恒压供水控制系统的基本控制策略是：采用变频器对水泵电动机进行变频调速，组成供水压力的闭环控制系统，系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入 CPU 即单片

15 机芯片进行运算处理后，发出控制指令，改变水泵电动机的转速和控制水泵电动机的投运台数，从而使给水总管压力稳定在设定的压力值。

系统由变频器、控制器、传感器、水泵电机及相关电气控制设备集成而成，是一种具有变频调速和全自动闭环控制功能的机电一体化智能设备。系统构成框图为 1。

由上图可以看到变频恒压供水控制系统通过测到的管网压力，经变频器的内置 PID 调节器运算后，调节输出频率，实现管网的恒压供水。变频器的频率超限信号（一般可作为管网压力极限信号）可适时通知 CPU 进行变频泵逻辑切换。为防止水锤现象的产生，泵的起停将联动其出口阀门。

系统工作原理如下：假设整个系统由三台水泵，一台变频器，一台控制器和一个压 图 1 变频恒压供水系统结构图 力传感器及若干辅助部件构成。各部分功能如下：安装于供水管道上的压力传感器将检测的管网压力转换成 1—5 伏的电信号，输入至供水控制器的输入模块，信号经单片机运算处理后与设定的信号进行比较运算，得出偏差值，再经过 PID处理得出最佳的运行工况参数，并将其转换成模拟信号，由系统的输出模块输出变频器的频率设定值至变频调速器，变频器控制水泵的转速来调节管网的实际压力，使之趋向于设定值，从而实现闭环控制的恒压供水。对于多台泵调速的方式，用户 压力传感器 变频控制柜 水池

16 控制器控制泵站投运水泵的台数及变泵量的运行工况，并实现对每台水泵根据CPU 指令实施软启动、软切换及变频运行。系统通过计算判定目前是否已经达到设定压力，决定是否增加或减少水泵。

综上所述，交流变频调速恒压供水是现代化城市和生活小区供水的发展方向。采用单片机控制的变频供水系统具有实现容易、价格低廉等特点，是较理想的控制器。

2 2.2.2 变频恒压供水系统的特点 本文研究的变频恒压供水系统能适用生活水等多种场合的供水，该系统具有以下特点：

1)滞后性 供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其他一些过程控制量(如：温度、流量、浓度等)一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。

2)非线性 用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。

3)多变性 变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。

17 4)时变性 在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制〔包括定量泵的停止和运行)是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此可以认为，变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。

5)容错性 当出现意外的情况(如突然断电、泵、变频器或软启动器故障等)时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。

6)可扩充性 水泵的电气控制柜，具有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制信号或控制软件相连，能对供水的相关数据进行实时传送，以便显示和监控以及报表打印等。

7)节能性 系统用变频器进行调速，用调节泵和固定泵的组合进行恒压供水，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击的同时减少了启动惯性对设备的大惯量的转速冲击，延长了设备的使用寿命。

3 2.3 变频调速恒压供水系统 1)工作原理 在设备开始运行前, 首先应建立相关设备在工作压力下的动作参数等。当设

18 备运转时, 对供水管网的水压及水压率变化的信号,由压力变送器不断检测并转换成电信号传输到变频控制系统。控制系统将电信号和设定压力值进行对比运算。

如果实际压力比设定压力低,然后将控制水泵加速运动；如果实际压力高于设定压力，则会控制水泵减速运动；当达到设定压力时，水泵将保持这一运动的频率.当一台水泵工作频率达到最高频率时，若管网压力仍达不到预设水压，则将次台泵切换到工频运行，变频器将自动启动下一台水泵，控制其变频运行。此后往复工作直至满足设定压力要求为止。反之，若管网压力大于设定水压，控制器控制变频器频率降低，当频率低于下限时自动切掉一台工频泵或此变频泵，始终使管网水压保持恒定。工频泵以最高频率运行, 辅助泵供水也变为变频恒压供水方式, 进一步提高了工作效率,达到了节能的目的。

2)系统框图 系统框图 3)系统特点 高效节能.根据需要设定的供水压力来变频调节水泵转速；根据管网的供水量, 使水泵运行于最高效率模式。与普通的无塔给水设备相比,变频供水节能效

19 果达到 20%。对电网冲击小,保护功能完善。消除了水泵电机直接起动对电网的冲击和干扰,设备控制系统具有减少短路,大压力、超负荷运行停机, 散热等的多种保护功能,大大提高了工作效率, 延长水泵使用寿命。

人机连接面板操作灵活,设定参数方便。但建立灵敏的频率下限、上升时间、减速时间、水泵行业的时间等每一种操作参数仍有困难。可显示系统运行时间, 查找每一种故障原因。

固定时间唤醒功能。因为系统投运水泵数量是根据管网用水量多少决定的，因此,当水量相当大的时候，一些小范围内的变化可能引起一些水泵长期运动带来的严重磨损，而其他水泵很长一段时间的不使用又造成生锈。解决了这个问题,系统便能更方便使用。

对于同一电流容量的多台水泵,由于泵的平均运行时间是相同的, 必须设定与工频泵相同的时间参数。设定后,就有固定时间进行交替运行的水泵。变量泵连续工作时间一超过设定的时间值, 就会处于"休息"的状态, 则变频器自动切换启动"休息"时间最长的变量泵, 并停止原变量泵,保证每个水泵运行时间相等, 延长水泵使用寿命。水泵运行的时间可以自由设定。一旦变频器出现故障,可以手动改变频率,以保证供水不间断。由于掉电引起的停机在来电系统也能够自动开始运行。

20 第三部分 设计成果 1 1 变频供水原理 2 c plc 应用设计

21 3 3 电气控制系统原理图设计 4 4 电控系统控制电路图

22 5 c plc 内部器件及功能定义 6 6 流程图

23 第四部分 结束语 变频调速恒压供水是现代化城市和生活小区供水的发展方向，采用单片机控制的变频供水系统具有工作可靠、实现容易、价格低廉等特点，是较理想的控制器。

本毕业设计的研究主要完成了以下内容：通过对变频恒压供水控制系统的工作原理和控制原理的分析，用单片机语言C51结合硬件电路，设计出以AT89C52为核心的恒压供水控制器。并将模糊自整定PID算法应用到变频恒压供水控制器中，使得用户在使用时更加方便快捷。由于本人能力有限，所以目前还有很多不足之处，有待进一步的完善与发现：在日常生活中，深夜的用水量很小，采用单纯变频调速供水设备容易使水泵频繁启停，影响水泵的寿命。针对这种情况，我们可以考虑再在原有供水设备的基础上，附加一个小气压罐和一台稳压水泵组成一个副系统。这样在用水量很小时，主系统(由变频器控制的主供水泵)自动切断，而由副系统供水从而防止了主供水泵的频繁启动。我们还可以进一步考虑将变频恒压供水用于船舶供水方面，由于在船舶系统中，使用环境较为恶劣，适当的保护和抗干扰措施是必不可少的。

单片机控制电路优于逻辑电路，但在应付不同管网、不同供水情况时调试较麻烦，追加功能时往往要对电路进行修改，不灵活也不方便，电路的可靠性和抗干扰能力都不是很高，这是它的缺点所在。

24 第五部分 致谢 本次毕业设计是在老师的悉心指导下完成的，在设计期间，老师作了大量的辅导工作，帮我解决了许多在设计中所遇到的难题。

毕业设计是大学阶段检验和锻炼学生实际工程设计能力的一个重要教学环节。在此次设计中，我们综合运用所学知识，认真贯彻执行我国节资降耗有关方面的方针、政策，理论联系实际，在老师的指导下完成了变频技术在供水系统中应用，培养了独立分析和解决变频技术在实际中运用的能力，为将来的工作打下坚实的基础。毕业设计让我充分认识到各学科之间交叉紧密、不可分割, 对我以后的学习、工作有很大的帮助。通过参与这次毕业设计，我掌握了许多原来没有学到的东西，培养了自己独立工作的能力，提高了自己设计开发的能力。同时也认识到自己知识的不足，在以后的学习中还须不断学习新的知识，以实际应用为目的，让学到的理论与新技术结合去丰富实践、指导实践。

不久我也将走向社会、走上工作岗位。回忆这段时间里老师的教诲、同学的帮助、朋友的支持、自己的努力，不禁感慨万分。毕业设计是个系统工程，虽然以书本理论为核心，却涉及了众多实用性领域和经验化常识，待到真正要靠自己动手去查找资料、绘制电路、乃至撰写文档时，才会感到手足无措，不会的东西其实还很多很多。毕业设计是一次学习、一次锻炼，也是一次寻找不足的过程，学会从整体出发来把握问题、并有条理有步骤地考虑细化，这种收获与看书和做习题是无法相比的。

感些评阅老师百忙之中抽出时间对本毕业设计报告进行了评阅！

25 第六部分 参考文献 [1] 王也房.可编程控制器技术应用.北京：机械工业出版社，2011.[2] 方玉龙 吕洪善 变频器应用技术项目教程 北京：中国铁道出版社 2013 [3] 袁秀英.组态控制技术[M].北京：电子工业出版社，2003.[4] 马正午，周德兴.过程可视化组态软件 InTouch 应用技术[M].北京：机械工业出版社，2006.[5] 廖常初.可编程控制器的编程方法与工业应用.重庆：重庆大学出版社，2002.[6] 张万中.可编程控制器应用技术.北京：化学工业出版社，2001

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