变频器在恒压供水方面的应用分析

电动机知识

变频器在恒压供水方面的应用分析 一、变频调速的特点及分析 用户用水的多少是经常变动的，因此供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中反映在供水的压力上，即用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水压力的恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。

恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的。例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时断水，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如发生火灾时，若供水压力不足或或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以，某些用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。

随着电力技术的发展，变频调速技术的日臻完善，以变频调速为核心的智能供水控制系统取代了以往高位水箱和压力罐等供水设备，起动平稳，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；由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等东西的使用寿命；可以消除起动和停机时的水锤效应。其稳定安全的运行性能、简单方便的操作方式、以及齐全周到的功能，将使供水实现节水、节电、节省人力，最终达到高效率的运行目的。

二、恒压供水的变频应用方式 通常在同一路供水系统中，设置多台常用泵，供水量大时多台泵全开，供水量小时开一台或两台。在采用变频跳速进行恒压供水时，就用两种方式，其一是所有水泵配用一台变频器；其二是每台水泵配用一台变频器。后种方法根据压力反馈信号，通过PID运算自动调整变频

器输出频率，改变电动机转速，最终达到管网恒压的目的，就一个闭环回路，较简单，但成本高。前种方法成本低，性能不比后种差，但控制程序较复杂，是未来的发展方向，我公司开发GGK-A系列恒压供水控制器就可实现一变频器控制任意数马达的功能。下面讲到的原理都是一变频器拖多马达的系统。 三、控制原理 根据反馈原理：要想维持一个物理量不变或基本不变，就应该引这个物理量与恒值比较，形成闭环系统。我们要想保持水压的恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定值比较，从而形成闭环系统。但被控制的系统特点是非线性、大惯性的系统，现在控制和PID相结合的方法，在压力波动较大时使用模糊控制，以加快响应速度；在压力范围较小时采用PID来保持静态精度。这通过PLC加智能仪表可时现该算法，同时对PLC的编程来时现泵的工频与变频之间的切换。实践证明，使用这种方法是可行的，而且造价也不高。

要想维持供水网的压力不变，根据反馈定理在管网系统的管理上安装了压力变送器作为反馈元件，由于供水系统管道长、管径大，管网的充压都较慢，故系统是一个大滞后系统，不易直接采用PID调节器进行控制，而采用PLC参与控制的方式来实现对控制系统调节作用。

四、控制原理 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；

一般地说，当由一台变频器控制一台电动机时，只需使变频器的配用电动机容量与实际电动机容量相符即可。当一台变

频器同时控制两台电动机时，原则上变频器的配用电动机容量应等于两台电动机的容量之和。但如在高峰负载时的用水量比两台水泵全速供水量相差很多时，可考虑适当减小变频器的容量，但应注意留有足够的容量。

虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小。但是，当用户的用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升、降速状态，而升、降速的电流可略超过电动机的额定电流，导致电动机过热。因此，电动机的热保护是必需的。对于这种由于频繁地升、降速而积累起来的温升，变频器内的电子热保护功能是难以起到保护作用的，所以应采用热继电器来进行电动机的热保护。

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随着起重机的不断发展，传统控制技术难以满足起重机越来越高的调速和控制要求。在电子技术飞速发展的今天，起重机与电子技术的结合越来越紧密，如采用PLC取代继电器进行逻辑控制，交流变频调速装置取代传统的电动机转子串电阻的调速方式等。在选型对比基础上，本项目电动机调速装置采用了先进的变频调速方案，变频器最终选型为ABB变频器ACS800，电动机选用专用鼠笼变频电动机。在众多交流变频调速装置中，ABB变频器以其性能的稳定性，选件扩展功能的丰富性，编程环境的灵活性，力矩特性的优良性和在不同场合使用的适应性，使其在变频器高端市场中占有相当重要的地位。ACC800变频器是ACS800系列中具有提升机应用程序的重要一员，

它在全功率范围内统一使用了相同的控制技术，例如起动向导，自定义编程，DTC控制等，非常适合作为起重机主起升变频器使用。本文结合南京梅山冶金发展有限公司设备分公司所负责维修管理的宝钢集团梅钢冷轧厂27台桥式起重机变频调速控制系统，详细介绍ACC800变频器在起重机主起升中的应用。

1DTC控制技术 DTC（直接转矩控制，DirectTorqueControl）技术是ACS800变频器的核心技术，是交流传动系统的高性能控制方法之一，它具有控制算法简单，易于数字化实现和鲁棒性强的特点。其实质是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下建立异步电动机空间矢量数学模型，通过测量三相定子电压和电流（或中间直流电压）直接计算电动机转矩和磁链的实际值，并与给定转矩和磁链进行比较，开关逻辑单元根据磁链比较器和转矩比较器的输出选择合适的逆变器电压矢量（开关状态）。定子给定磁链和对应的电磁转矩的实际值，可以用定子电压和电流测量值直接计算得到。在计算中，只需要一个电动机参数―――定子电阻，这一点和几乎需要全部电动机参数的直接转子磁链定向控制（矢量控制）形成了鲜明对比，极大地减轻了微处理器的计算负担，提高了运算速度

。直接转矩控制结构较为简单，可以实现快速的转矩响应（不大于5ms）。

2防止溜钩控制

作为起重用变频系统，其控制重点之一是在电动机处于回馈制动状态下系统的可靠性（\回馈\是指电动机处于发电状态时通过逆变桥向变频器中间直流回路注入电能），尤其需要引起注意的是主起升机构的防止溜钩控制。溜钩是指在电磁制动器

抱住之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停止状态出现下滑的现象。

电磁制动器从通电到断电（或从断电到通电）

需要的时间大约为016s（视起重机型号和起重量大小而定），变频器如过早停止输出，将容易出现溜钩，因此变频器必须避免在电磁制动器抱闸的情况下输出较高频率，以免发生\过流\而跳闸的误动作。

防止溜钩现象的方法是利用变频器零速全转矩功能和直流制动励磁功能。零速全转矩功能，即变频器可以在速度为零的状态下，保持电动机有足够大的转矩，从而保证起重设备在速度为零时，电动机能够使重物在空中停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，以防止溜钩的发生。直流制动励磁功能，即变频器在起动之前自动进行直流强励磁，使电动机有足够大的起动转矩，维持重物在空中的停止状态，以保证电磁制动器在释放过程中不会发生溜钩。

3系统硬件配置

梅钢冷轧桥式起重机上应用的ACS800变频器调速系统由电控柜，大小车变频控制柜，起升变频控制柜，联动控制台等组成。主起升采用1台ACC800变频器驱动1台起升专用电动机，并在电动机轴尾安装1台速度编码器，做速度反馈用。

该速度编码器用来提高低速状态下电动机模型的速度和转矩计算精度，保证转矩验证，开闭闸等功能。主起升采用斩波器加制动电阻实现制动功能，斩波器与制动电阻串联后接入变频器整桥与逆变桥之间的直流回路中，并由变频器根据中间直流回路电压高低控制斩波器接通与否（即控制制动电阻的投切）。变频器配有RPBA201接口卡件，提供标准的Profibus2DP现场总线接口，用于与PLC通信控制，并接收PLC发来的开，

停车命令和速度设定值等控制参数。

4起升变频器功能参数设置

ABB变频器在出厂时，所有功能码都已设置。 但是，起重机变频调速系统的要求与工厂设定值不尽相同，所以，ACC800中一些重要的功能参数需要重新设定。

（1）起动数据（参数组99）

参数99102（用于提升类传动，但不包括主/从总线通信功能）：CRANE；参数99104（电动机控制模式）：DTC（直接转矩控制）；参数99105～99109（电动机常规铭牌参数）：按照电动机的铭牌参数输入。

（2）数字输入（参数组10） 参数10101～10113（数字输入接口预置参数）：按照变频器外围接口定义进行设置，限于篇幅，不再赘述。

（3）限幅（参数组20）

参数20101（运行范围的最小速度）：-1000 r/min（根据实际电动机参数进行设定）；参数20102（运行范围的最大速度）：1000r/min（根据实际电动机参数进行设定）；参数20103（最大输出电流）：120%；参数20104（最大正输出转矩）：150%；参数20104（最大负输出转矩）：-150%；参数20106（直流过压控制器参数）：OFF（本例中ACC800变频器使用了动力制动方式，此参数设为OFF后，制动斩波器才能投入运行）。

（4）脉冲编码器（参数组50）

参数50101（脉冲编码器每转脉冲数）：1024；参数50103（编码器故障）：FAULT（如果监测到编码器故障或编码器通信失败时，ACC800变频器显示故障并停机）。

（5）提升机（参数组64） 参数64101（独立运行选择）：FALSE；64103（高速值1）：

98%；64106（给定曲线形状）：0（直线）；参数64110（控制类型选择）：FBJOYSTICK.（6）逻辑处理器（参数组65）

参数65101（电动机停止后是否保持电动机磁场选择）：TRUE（在电动机停止后保持电动机磁场为\）；参数65102（ON脉冲延时时间）：5s.（7）转矩验证（参数组66）

参数66101（转矩验证选择）：TRUE（转矩验证有效，要求有脉冲编码器）。

（8）机械制动控制（参数组67） 参数67106（相对零速值）：3%；参数67109（起动转矩选择器）：AUTOTQMEM（自动转矩记忆）。

（9）给定处理器（参数组69）

参数69101（对应100%给定设置电动机速度）：980r/min（根据实际电动机参数进行设定）；参数69102（正向加速时间）：3s；参数69103（反向加速时间）：3s；参数69104（正向减速时间）：3s；参数69105（反向减速时间）：3s.（10）可选模块（参数组98）

参数98101（脉冲编码器模块选择）：RTAC2 SLOT2（脉冲编码器模块类型为RTAC，连接接口为传动控制单元的选件插槽2）；参数98102（通信模块选择）：FIELDBUS（激活外部串行通信并选择外部串行通信接口）。

5试运行

变频调速系统的功能参数设定完后，就可进行系统试运行。应先在变频器操作盘上进行速度给定，手动起动变频器，让起升电动机空载运转一段时间，并且这种试运行可以在5，10，15，20，25，35，50Hz等几个频率点进行，注意观察电动机的运转方向是否正确，转速是否平稳，显示数据是否正确，温升是否正常，加减速是否平滑等

。单台变频器试运行正确后，再接入脉冲编码器模块进行速度闭环调试，试运行起升机构变频调速系统。

起升变频器手动运行无误后，就可接入PLC控制系统，进行整机联调。整机联调中，关键要注意观察变频器起动与停止时，主起升机械制动器的开闭反应是否快速，钩头是否存在溜钩现象等。

其次还要注意观察钩头在下降过程中，制动单元和制动电阻投运后，其温升是否正常。在重物下放过程中，重物的势能会释放出来，此时电动机将工作在反向发电状态。在钩头下降过程中，电动机通过逆变桥向变频器中间直流回路充电，当直流回路的电压高于变频器系统设定值时，变频器控制斩波器接通，进而使制动电阻投入工作，以消耗变频器中间直流回路多余的电能，确保变频器中间直流回路电压稳定在一个特定电压范围内。

随着起重机的不断发展，传统控制技术难以满足起重机越来越高的调速和控制要求。在电子技术飞速发展的今天，起重机与电子技术的结合越来越紧密，如采用PLC取代继电器进行逻辑控制，交流变频调速装置取代传统的电动机转子串电阻的调速方式等。在选型对比基础上，本项目电动机调速装置采用了先进的变频调速方案，变频器最终选型为ABB变频器ACS800，电动机选用专用鼠笼变频电动机。在众多交流变频调速装置中，ABB变频器以其性能的稳定性，选件扩展功能的丰富性，编程环境的灵活性，力矩特性的优良性和在不同场合使用的适应性，使其在变频器高端市场中占有相当重要的地位。ACC800变频器是ACS800系列中具有提升机应用程序的重要一员，

它在全功率范围内统一使用了相同的控制技术，例如起动

向导，自定义编程，DTC控制等，非常适合作为起重机主起升变频器使用。本文结合南京梅山冶金发展有限公司设备分公司所负责维修管理的宝钢集团梅钢冷轧厂27台桥式起重机变频调速控制系统，详细介绍ACC800变频器在起重机主起升中的应用。

1DTC控制技术 DTC（直接转矩控制，DirectTorqueControl）技术是ACS800变频器的核心技术，是交流传动系统的高性能控制方法之一，它具有控制算法简单，易于数字化实现和鲁棒性强的特点。其实质是利用空间矢量坐标的概念，在定子坐标系下建立异步电动机空间矢量数学模型，通过测量三相定子电压和电流（或中间直流电压）直接计算电动机转矩和磁链的实际值，并与给定转矩和磁链进行比较，开关逻辑单元根据磁链比较器和转矩比较器的输出选择合适的逆变器电压矢量（开关状态）。定子给定磁链和对应的电磁转矩的实际值，可以用定子电压和电流测量值直接计算得到。在计算中，只需要一个电动机参数―――定子电阻，这一点和几乎需要全部电动机参数的直接转子磁链定向控制（矢量控制）形成了鲜明对比，极大地减轻了微处理器的计算负担，提高了运算速度

。直接转矩控制结构较为简单，可以实现快速的转矩响应（不大于5ms）。

2防止溜钩控制

作为起重用变频系统，其控制重点之一是在电动机处于回馈制动状态下系统的可靠性（\回馈\是指电动机处于发电状态时通过逆变桥向变频器中间直流回路注入电能），尤其需要引起注意的是主起升机构的防止溜钩控制。溜钩是指在电磁制动器抱住之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停止状态出现下

滑的现象。

电磁制动器从通电到断电（或从断电到通电）

需要的时间大约为016s（视起重机型号和起重量大小而定），变频器如过早停止输出，将容易出现溜钩，因此变频器必须避免在电磁制动器抱闸的情况下输出较高频率，以免发生\过流\而跳闸的误动作。

防止溜钩现象的方法是利用变频器零速全转矩功能和直流制动励磁功能。零速全转矩功能，即变频器可以在速度为零的状态下，保持电动机有足够大的转矩，从而保证起重设备在速度为零时，电动机能够使重物在空中停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，以防止溜钩的发生。直流制动励磁功能，即变频器在起动之前自动进行直流强励磁，使电动机有足够大的起动转矩，维持重物在空中的停止状态，以保证电磁制动器在释放过程中不会发生溜钩。

3系统硬件配置

梅钢冷轧桥式起重机上应用的ACS800变频器调速系统由电控柜，大小车变频控制柜，起升变频控制柜，联动控制台等组成。主起升采用1台ACC800变频器驱动1台起升专用电动机，并在电动机轴尾安装1台速度编码器，做速度反馈用。

该速度编码器用来提高低速状态下电动机模型的速度和转矩计算精度，保证转矩验证，开闭闸等功能。主起升采用斩波器加制动电阻实现制动功能，斩波器与制动电阻串联后接入变频器整桥与逆变桥之间的直流回路中，并由变频器根据中间直流回路电压高低控制斩波器接通与否（即控制制动电阻的投切）。变频器配有RPBA201接口卡件，提供标准的Profibus2DP现场总线接口，用于与PLC通信控制，并接收PLC发来的开，停车命令和速度设定值等控制参数。

4起升变频器功能参数设置

ABB变频器在出厂时，所有功能码都已设置。 但是，起重机变频调速系统的要求与工厂设定值不尽相同，所以，ACC800中一些重要的功能参数需要重新设定。

（1）起动数据（参数组99）

参数99102（用于提升类传动，但不包括主/从总线通信功能）：CRANE；参数99104（电动机控制模式）：DTC（直接转矩控制）；参数99105～99109（电动机常规铭牌参数）：按照电动机的铭牌参数输入。

（2）数字输入（参数组10） 参数10101～10113（数字输入接口预置参数）：按照变频器外围接口定义进行设置，限于篇幅，不再赘述。

（3）限幅（参数组20）

参数20101（运行范围的最小速度）：-1000 r/min（根据实际电动机参数进行设定）；参数20102（运行范围的最大速度）：1000r/min（根据实际电动机参数进行设定）；参数20103（最大输出电流）：120%；参数20104（最大正输出转矩）：150%；参数20104（最大负输出转矩）：-150%；参数20106（直流过压控制器参数）：OFF（本例中ACC800变频器使用了动力制动方式，此参数设为OFF后，制动斩波器才能投入运行）。

（4）脉冲编码器（参数组50）

参数50101（脉冲编码器每转脉冲数）：1024；参数50103（编码器故障）：FAULT（如果监测到编码器故障或编码器通信失败时，ACC800变频器显示故障并停机）。

（5）提升机（参数组64） 参数64101（独立运行选择）：FALSE；64103（高速值1）：98%；64106（给定曲线形状）：0（直线）；参数64110（控制类

型选择）：FBJOYSTICK.（6）逻辑处理器（参数组65）

参数65101（电动机停止后是否保持电动机磁场选择）：TRUE（在电动机停止后保持电动机磁场为\）；参数65102（ON脉冲延时时间）：5s.（7）转矩验证（参数组66）

参数66101（转矩验证选择）：TRUE（转矩验证有效，要求有脉冲编码器）。

（8）机械制动控制（参数组67） 参数67106（相对零速值）：3%；参数67109（起动转矩选择器）：AUTOTQMEM（自动转矩记忆）。

（9）给定处理器（参数组69）

参数69101（对应100%给定设置电动机速度）：980r/min（根据实际电动机参数进行设定）；参数69102（正向加速时间）：3s；参数69103（反向加速时间）：3s；参数69104（正向减速时间）：3s；参数69105（反向减速时间）：3s.（10）可选模块（参数组98）

参数98101（脉冲编码器模块选择）：RTAC2 SLOT2（脉冲编码器模块类型为RTAC，连接接口为传动控制单元的选件插槽2）；参数98102（通信模块选择）：FIELDBUS（激活外部串行通信并选择外部串行通信接口）。

5试运行

变频调速系统的功能参数设定完后，就可进行系统试运行。应先在变频器操作盘上进行速度给定，手动起动变频器，让起升电动机空载运转一段时间，并且这种试运行可以在5，10，15，20，25，35，50Hz等几个频率点进行，注意观察电动机的运转方向是否正确，转速是否平稳，显示数据是否正确，温升是否正常，加减速是否平滑等

。单台变频器试运行正确后，再接入脉冲编码器模块进行

速度闭环调试，试运行起升机构变频调速系统。

起升变频器手动运行无误后，就可接入PLC控制系统，进行整机联调。整机联调中，关键要注意观察变频器起动与停止时，主起升机械制动器的开闭反应是否快速，钩头是否存在溜钩现象等。

其次还要注意观察钩头在下降过程中，制动单元和制动电阻投运后，其温升是否正常。在重物下放过程中，重物的势能会释放出来，此时电动机将工作在反向发电状态。在钩头下降过程中，电动机通过逆变桥向变频器中间直流回路充电，当直流回路的电压高于变频器系统设定值时，变频器控制斩波器接通，进而使制动电阻投入工作，以消耗变频器中间直流回路多余的电能，确保变频器中间直流回路电压稳定在一个特定电压范围内。

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