冷冻站盐水泵变频调速系统电气工程及其自动化专业毕业设计毕业论文

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本科毕业设计说明书

冷冻站盐水泵变频调速系统

FROZEN STATION SALT WATER PUMP FREQUENCY CONVERSION

GOVERNOR SYSTEM

学院（部）： 电气与信息工程学院

专业班级：电气工程及其自动化

学生姓名：

指导教师：

年 月 日

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冷冻站盐水泵变频调速系统

摘要

近年来，交流调速发展十分迅速，打破了过去直流拖动在调速领域中的统治地位，

交流拖动已经进入了与直流拖动相媲美、相抗衡的时代。本论文结合我国煤矿冻结站的

现状，并利用在校期间掌握的专业技能，设计了一套利用PLC变频调速器以传感器为基

础的水泵流量闭环调速系统。变频调速技术是一项综合现代电气技术和计算机控制的先

进技术，广泛应用于水泵节能和恒压供水领域。变频调速技术用于水泵控制系统，具有

调速性能好、节能效果显著、运行工艺安全可靠等优点。在大力提倡节约能源的今天，

推广使用这种集现代先进电力电子技术和计算机技术于一体的高科技节能装置，对于提

高劳动生产率、降低能耗具有重大的现实意义。可以说变频调速技术是一项利国利民、

有广泛应用前景的高新技术。依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设

备运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然趋势由于电子技术的

飞速发展，变频器的性能有了极大提高，它可以实现控制设备软启软停，不仅可以降低

设备故障率，还可以大幅减少电耗，确保系统安全、稳定、长周期运行。变频器调节流

量闭环控制：通过供水管道上的远传流量计，输出0-20mA模拟量信号送入PLC，在通

过A/D转换，执行PID程序，D/A转换后，输出控制信号给变频器，来自动调节变频器

的输出频率，来自动调节变频器的输出频率，从而改变拖动水泵的电动机的转速，达到

调节流量的作用。交流变频调速是交流电动机调速方法中最优的方案，采用变频器对盐

水泵机械进行调速来调节流量的方法，对节约电能，提高经济效益具有重要意义。

在文章中，我们研究了采用可编程控制器控制的变频器对盐水泵进行调速所产生的

节能减排效益，重点提到了冻结站盐水泵变频节能系统的硬件组成及软件设计。还提到

了对于电动机、变频器、PLC的结构和型号选择等相关方面。

关键词：冻结站，变频器，盐水泵，变频器，节能，闭环调速

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COAL FREEZE STATION SALT WATER PUMPING FREQUENCY

GOVERNORSYSTEM

ABSTRACT

In recent years, the development of AC variable speed very

quickly, breaking the dominance of the DC drive speed field, AC Drive

has entered the era of comparable DC drive, to compete.This paper

combines the status quo of China's coal mines to freeze the station,

and the u of professional skills mastered during the school pump

flow design a PLC frequency control nsor-bad clod-loop speed

control systemFrequency control technology is a modern integrated

electrical and computer control of advanced technology, widely ud

in the field of pump energy efficiency and constant pressure water

ncy control technology for the pump control system with

speed performance, significant energy saving effect, run the process

safe and reliable advantages.Vigorously promote energy conrvation,

promote the u of this t of modern and advanced power electronics

technology and computer technology in one high-tech energy-saving

devices for raising labor productivity, reduce energy consumption

is of great practical significance. It can be said that the frequency

conversion technology is a country wide application prospects of

high-tech.Inverter performance has been greatly enhanced due to the

rapid development of electronic technology, it can achieve a soft

start soft stop control equipment, not only can reduce equipment

failure rates, can also significantly reduce power consumption, and

ensure system curity, stability, long-term operation。Inverter

regulate the flow of clod-loop control: Far EasTone flow meter on

the water supply pipes, into the inverter output 0-20mA analog signal

to automatically adjust the inverter output frequency, thus changing

the drag pump motor speed and reach adjustmentthe role of the flow.

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AC variable speed AC motor speed control method of the optimal

solution, the inverter is ud for salt water pump mechanical

governor to regulate the flow, save energy, improve economic

efficiency.

In the article, we study the brine pump speed generated by the

programmable controller to control the inverter energy saving

benefits, highlighted the freeze Station salt water pump frequency

energy system hardware and software design. Also referred to the

relevant aspects of the motor, inverter, PLC, structure and model

lection.

KEYWORDS: freezing station, inverter，salt water pumps， frequency

converter， energy-saving， clod-loop speed

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目录

摘要（中文） ..................................................................................................................... I

摘要（外文） ................................................................................................................... II

1绪论 ................................................................................................................................. 1

1.1 引言 ...................................................................................................................... 1

1.2 煤矿冻结法凿井简介 .......................................................................................... 1

1.3 冻结施工存在的问题 .......................................................................................... 3

1.4 国内外交流变频技术的发展 .............................................................................. 3

1.5 研究背景及变频改造的意义 .............................................................................. 4

2变频调速在水泵中的研究 ............................................................................................. 6

2.1 变频调速在水泵中的主要调节方式 .................................................................. 6

2.2 水泵变频调速和其他方法的节能对比 .............................................................. 6

2.2.1 调节水泵流量的两种方法 ........................................................................ 6

2.2.2 转速控制法和传统方法的比较 ................................................................ 7

2.3 变频器原理 .......................................................................................................... 8

2.3.1 交流变频器的工作原理 ............................................................................ 8

2.3.2 变频器的控制方式 .................................................................................... 9

2.4 盐水泵变频调速的优点 .................................................................................... 10

2.5 盐水泵变频调速系统的总体设计 .................................................................... 10

3变频技术在冻结站盐水泵应用中的硬件分析和系统说明 ....................................... 12

3.1 盐水泵的选型介绍 ............................................................................................ 12

3.1.1 离心泵的分类 .......................................................................................... 12

3.1.2 离心泵的命名方式 .................................................................................. 12

3.1.3 泵的性能介绍 .......................................................................................... 12

3.1.4 14Sh-9A型水泵介绍 ............................................................................... 13

3.2 异步电动机的选型介绍 .................................................................................... 13

3.2.1 三相电动机的转动原理 .......................................................................... 13

3.2.2 三相异步电动机的选型依据 .................................................................. 14

3.3 变频器选型 ........................................................................................................ 14

3.3.1 变频器的各种分类 .................................................................................. 14

3.3.2 变频器的基本结构框图 .......................................................................... 15

3.3.3 交-直-交变频器主电路 ........................................................................... 16

3.3.4 变频器的参数介绍 .................................................................................. 17

3.3.5 变频器的选型及硬件配置 ...................................................................... 18

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3.4 可编程控制器（PLC）..................................................................................... 19

3.4.1 可编程控制器的作用 .............................................................................. 19

3.4.2 可编程控制器的特点 .............................................................................. 20

3.4.3 PLC的基本结构框图 ............................................................................... 21

3.4.4 S7-200系统概述 ...................................................................................... 22

3.5 电磁流量传感器 ................................................................................................ 23

3.6 冷冻站盐水泵变频调速系统的结构图 ............................................................ 24

3.6.1 结构图说明 .............................................................................................. 24

3.6.2 PLC外部接线图 ....................................................................................... 25

3.6.3 变频/工频切换电路 ................................................................................. 27

4系统软件介绍 ............................................................................................................... 29

4.1 闭环控制与PID控制 ....................................................................................... 29

4.1.1 模拟量闭环控制的组成 .......................................................................... 29

4.1.2 变送器的选择 .......................................................................................... 29

4.1.3 闭环控制反馈极性的确定 ...................................................................... 30

4.2 PID控制的特点与原理 ..................................................................................... 30

4.2.1 PID控制器参数的调节 ........................................................................... 31

4.3 系统流程图 ........................................................................................................ 32

结论 .................................................................................................................................. 35

参考文献 .......................................................................................................................... 36

致谢 .................................................................................................................................. 37

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1绪论

1.1 引言

煤矿冻结法凿井是利用传统的氨循环制冷技术来完成的，其工艺过程包括冻结站安

装；钻孔施工；井筒冻结核井筒掘砌四大内容，其凿井是属高耗能技术，冻结过程中要

耗费大量的电能及水资源，长期以来，由于人们在设计、操作中忽视了节能问题，仅仅

在电能发面的浪费就相当严重。调查发现，如果在设计、运行中采取有效的措施，平均

可节电40%以上。某些传统的设计方法、设计模型及设计参数不符合现场实际，是造成

冻结站耗电严重的原因之一，所以冻结站的节能问题已成为当前不如忽视的大问题。

冻结法凿井是一种理论上和实践上都比较成熟的特殊施工方法。世界主要产煤国家

都把冻结法作为在身后冲积岩层和特大含水基岩中施工的一种安全、可靠、经济的方法

加以推广。

冻结站三大循环系统中的水泵和压缩机的驱动设备都是三相异步电动机，对系统的

控制实际上就是对电动机的控制。但目前各冻结施工单位根据冻结需要调节盐水流量

时，仅对阀门开度进行调节，水泵拖动电机仍处于恒转速运转状态。另外，许多生产单

位在进行系统设计时，容量选择较大，系统匹配不合理，造成了大量的能源浪费。因此，

搞好盐水泵的节能工作，对节能减排据有十分重要的意义。

随着电力电子技术和大规模集成电路发展，变频器原来越多的被用于生产和生活当

中。采用变频器直接控制风机、泵类负载成为了一种最科学的控制方法，利用变频器内

置PID调节软件，直接调节电动机的转速保持恒定的风压、风量，从而满足系统要求的

压力和风量。当电机在额定转速的80％运行时，理论上其消耗的功率为额定功率的51。

2％，去除机械损耗、电机铜、铁损等影响，节能效率也接近40％，同时也可以实现闭

环恒压控制，节能效率将进一步提高。由于变频器可实现大的电动机的软停、软起，避

免了启动时的电压冲击，减少电动机故障率，延长使用寿命，同时也降低了对电网的容

量要求和无功损耗。因此，大力推广变频调速节能技术，不仅是当前煤矿节能降耗的重

要技术手段，而且也是实现经济增长方式转变的必然要求。

变频调速在当代社会具有重要的意义，主要体现在以下几点，（1）它采用变频器控

制电动机的转速，取消挡板调节，降低了设备的故障率，有显著的节能效果。（2）实现

了电机的软启动，延长了设备的使用寿命，避免了对电网的冲击。(3)电机将在低于额

定转速的状态下运行，减少了噪声对环境的影响；(4)具有过载、过压、过流、欠压、

电源缺相等自动保护功能及声光报警功能；

1.2 煤矿冻结法凿井简介

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冻结法是在各种不稳定的松散含水层或含水丰富的岩层中，采用人工制冷的方法，

将不稳定的地层暂时变为稳定的地层，以利于地下下工程的施工。

冻结凿井分为钻冻结孔、形成冻结壁和井筒掘砌三大工序。 首先在井筒周围打一

定数量的冻结孔，孔内安装冻结器，冻结器由带有底锥的冻结管和底部开口的供液管所

组成。冷冻站的低温盐水（-30℃左右）经去路盐水干管、配液圈到供液管底部，沿冻

结管和供液管之间的环形空间上升到集液圈、回路盐水干管至冷冻站的盐水箱，形成盐

水循环。低温盐水在冻结管中沿环形空间流动时，吸收其周围岩层的热量，使周围岩层

冻结，逐渐扩展连成封闭的冻结圆筒（冻结壁）。随着盐水循环的进行，冻结壁厚度逐

渐增大，直到达到设计厚度和强度为止（积极冻结）。然后进行井筒的开挖和衬砌。在

掘砌期间进行维护冻结（消极冻结），直至井筒永久结构完成停止冻结，煤矿冻结施工

系统结构如图1所示。冻结法被应用在各种不稳定的松散含水层（如流砂层），以及含

水丰富的裂隙岩层（或破碎带）的地下施工中，但是当地下水含盐量较高或流速较大（流

速＞17×10-3m/s）时不宜采用

1883年德国工程师F．H．Poetsch在德国阿尔巴里矿，用冻结法开凿了深度为103m

的井筒，获得了冻结法凿井的专利，之后该项技术传播到世界上许多国家。1955年，

我国用冻结法开凿了开滦林西风井，井筒净直径5m冻结深度105m，此后我国科技人员

开始了冻结法凿井技术的研究。近50年，取得了丰硕的研究成果，总共建了430余项

冻结工程，包括20世纪80年代最大冻深415m的淮南潘三东风井和90年代最大冻深

435m的河南永夏矿区陈四楼副井。目前冻结法凿井所通过的最厚表土层为山东济西矿

副井为458.5m，冻结深度488m我国冻结法凿井技术已跨人世界先进行列。国外在煤矿

中冻结深度最深的是波兰的卢布林l号井副井，成井6.0m，冻结深度725m。冻结不稳

定的第三系和第四系地层，具有代表性的是德国的SophiaJacba 8号井，冻结深度558m。

冻结基岩与砂层、粘土互层，具有代表性的是前苏联的雅科夫铁矿2号井，冻结深度

620m；近十年来，我国冻结凿井技术发展很快，打钻、冻结、掘砌设备和施工过程检测

控制技术有较大的发展，基础理论也得到了不断的提高，基本上解决了500m深以内的

冲积层凿井问题。

冻结法的施工顺序是在井筒周围钻若干冻结孔，孔内安装由供液管、回液管和底端

封闭的冻结管组成的冻结器；地面冷冻站将制出的低温媒剂循环输送到冻结器内，吸收

地层的热量，使含水层形成以冻结管为中心的冻结圆柱，逐渐扩大与相邻的冻结圆柱连

成封闭的冻结壁。冻结壁达设计厚度后，即可进行井筒掘砌作业，直到顺利穿过不稳定

地层为止。从冻结开始到冻结壁达到设计厚度的时间，称积极冻结期。掘砌时期须部分

供冷，维护冻结壁，称为维护冻结期或消极冻结期。掘砌工作完成后，拆除冷冻站，拔

出冻结管，充填冻结孔，冻结壁自然解冻，恢复地层初始状态。冻结法建井施工系统由

氨循环系统、盐水循环系统、清水循环系统三大系统组成。氨循环系统流程：气态氨经

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低压螺杆压缩机压缩一冷却器降温

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(防止进入高压螺杆压缩机时温度过高)一高压螺杆压缩机继续增压一冷凝器(气态

氨变成液态氨)一热虹吸储液器一低压调节站一汽化器(液态氨变成气态氨吸收热量使

盐水降温)一气态氨被吸回低压螺杆机(完成～个循环)。盐水循环系统流程：盐水在盐

水池中经过(液态氨变成气态氨吸收热量使盐水降温)降温，通过离心泵送入盐水管路，

进入地沟槽的盐水分配器。分配给各个分盐水管路。循环上来以后进入盐水集中器，经

盐水回路回到盐水池,再通过(液态氨变成气态氨吸收热量使盐水降温)完成一个循环。

低温盐水在冻结管中沿环形空间流动时，吸收其周围岩层的热量，使周围岩层冻结，逐

渐扩展连成封闭的冻结圆筒(冻结壁)。

1.3 冻结施工存在的问题

一方面由于冻结施工工程中对盐水流量的控制通常根据以往的施工经验和测温孔、

冻结器的温度数据进行控制的，温度场数据与盐水流量的控制并没有很好的进行结合，

使的温度数据分析的结果不能完全反映实际冻结壁的情况，而且每隔一段时间分析的数

据结果对流量、温度的控制并没有起到很大的作用，数据的利用率很低，没有实现温度

场分析与流量、温度控制相结合的真正意义上的数字化施工。另一方面冻结制冷系统一

旦启动就要运行到井筒永久结构完成才能停止，盐水循环系统的正常运行直接影响到整

个冻结工程的质量。目前的盐水循环系统都是采用三相异步电动机拖动离心式水泵带动

整个管路中的盐水进行循环。通常，现场所选离心泵的流量、扬程可能会和管路中要求

的不一致，由于泵选型时留有裕量，甚至泵的额定参数超过工艺参数的一倍以上。而实

际工艺操作常有变动，即要根据情况调节盐水管路中的盐水流量，调节过的泵的实际操

作参数偏离其额定参数时，泵的工作效率将大大降低，而目前各个冻结站调节流量的减

小往往都是通过关小泵出口阀来实现，这样阀门处阻力加大，水力损失也随之增大，不

但缩短了泵的有效寿命也必然降低泵的总效率，由此而引起的电能损失也是相当可观。

1.4 国内外交流变频技术的发展

变频技术方面，目前国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化和系统可靠性

等方面仍与国外水平有不小的差距．这种电机在抽水蓄能电站机、大容量风机、压缩机、

轧机传动、矿井卷扬方面都有很大的应用价值，且需求量很大。中小型功率变频技术方

面，国内几乎所有的产品都是普通的V/F控制，只有少量的样机采用矢量控制，生产数

量及技术性能方面远不能满足市场需要，目前还需要大量的进口设备。总结电气传动控

制系统关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态，来实现电能和机械

能的转换，以达到优质、高产、低耗等目的．电气传动分成不可调速和可调速两大类，

可调速方式又可细分为直流调速和交流调速两种方式。不可调速的电动机直接由电网供

电，但随着电力电子技术的发展，这类原本不可调速的机械越来越多地由可调速的传动

装置来代替，以节约电能，降低能耗．在我国大约

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60％的发电量都是由电动机消耗的，因此发展可调速的电气传动技术，提高其生产

应用平是非常重要的，目前在该方面的技术已经有了一定的规模。从总体上看我国的电

气传动技术水平较国际先进水平相差l0-15年．在我国，电气传动产业始建于1954年，

当时在机械工业部门的部属下建立了我国第一个电气传动公司，第一批相关专业的毕业

生参与其中，这就是后来的天津电气传动设计研究所。到现在，我国已有200多家公司、

工厂和研究所从事变频调速技术的工作。

我国还是一个发展中国家，目前自主研发生产的变频调速产品只相当于一些西方国

家80年代的水平。改革开放以来，很多国内的企业与许多外国公司进行贸易往来，进

口一些最先进的产品来满足了我国的生产和生活需要．目前，国内许多合资公司结合当

前先进技术生产当今国际上先进的产品，并自己开发应用软件，为国内外重大工程项目

提供一流的电气传动控制系统．取得了很大的进步对于大功率交流无换向器电机的起

来，目前国内交流变频调速技术的发展状况主要表现为：(1)整机技术落后，没有形成

一定的生产规模；(2)产销量很少，且产品的可靠性和工艺水平都不高；(3)相关配套产

业落后，特别是变频器产品所用的半导体功率器件的制造业还几乎处于空白阶段．

国外交流变频调速技术高速发展有以下特点：

(1)市场需求量大。随着全球性的能源短缺和工业自动化程度的不断提高，变频器

及变频调速技术的应用越来越广泛，主要应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品

等各个行业。另外，在与风机、水泵相关的节能系统中，也被广泛的应用。均取得显著

的经济效益．

(2)大功率变频器件得到迅猛的发展．近年来，随着高电压、大电流的SCR、GTO、

IGBT、IGCT等器件的生产和并联、串联技术的发展应用，使大功率变频器产品的生产

及应用成为现实，并得到广泛应用。

(3)矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论的发展为变频器的

高性能发展提供了很好的理论基础：同时，16位、32位高速微处理器、数字信号处理

(DSP)、专用集成电路(ASIC)水泵调速的意义：工矿供水工况随工艺要求而变化，城市

供水随着昼夜及季节的变化、供水量的变化而变化，为了保证母管压力稳定，满足供水

需要，常采用开停水泵或调节泵出口阀门开度的控制方法。

1.5 研究背景及变频改造的意义

目前，在电力改革不断深化、大力提倡建立节约型社会的政策环境下，应用高新技

术节能降耗，降低厂用电率和发电成本，成为各电厂的当务之急。火电厂的各种动力设

备中，泵与风机类负载的耗能占绝大部分。电厂调峰时，传统调节方式通过改变调节阀

和挡板的开度来调整通过泵与风机的工质流量。而泵与风机的输出功率几乎不变，加之

设计富余量较大，浪费了大量电能，同时使设备运行效率不高。若采用高压变频调速则

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可保持调节阀与挡板全开，通过降低泵与风机的转速来减小流量，从而减小了节流损失，

节约了大量电能。

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近年来，随着电力电子技术的飞速发展，高压变频技术日趋成熟，可靠性和性价比

得到大幅提高。变频调速技术是一项综合现代电气技术和计算机控制的先进技术，广泛

应用于水泵节能和恒压供水领域。变频调速技术用于水泵控制系统，具有调速性能好、

节能效果显著、运行工艺安全可靠等优点。在大力提倡节约能源的今天，推广使用这种

集现代先进电力电子技术和计算机技术于一体的高科技节能装置，对于提高劳动生产

率、降低能耗具有重大的现实意义。可以说变频调速技术是一项利国利民、有广泛应用

前景的高新技术。依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设备运行效率

和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然趋势。交流电机变频调速技术是

一项业已广泛应用的节能技术。由于电子技术的飞速发展，变频器的性能有了极大提高，

它可以实现控制设备软启软停，不仅可以降低设备故障率，还可以大幅减少电耗，确保

系统安全、稳定、长周期运行

今后主要研究的开发项目主要有以下几项：(1)数字控制的大功率交一交变频器供

电的传动设备。(2)大功率负载换流电流型逆变器供电的传动设备在抽水蓄能电站、大

型风(3)电压型GTO逆变器在铁路机车上的推广应用。(4)电压型IGBT、IGCT逆变器供

电的传动设备扩大功能，改善性能。如4象限运行，带有电机参数自测量与自设定和电

机参数变化的自动补偿以及无传感器的矢量控制、直接转矩控制等。(5)风机和泵用高

压电动机的节能调速研究。众所周知，风机和泵改用调速传动后可节约大量电力。特别

是电压电动机，容量大，节能效果更显著。研究经济合理的高压电动机调速方法是当今

重大课题机和泵上的推广应用。

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2变频调速在水泵中的研究

2.1 变频调速在水泵中的主要调节方式

据统计，全国泵类配套电动机的耗电量相当于全国电力消耗总量的1/5。但是水泵

的运行效率很低，有的甚至仅有30％，能量浪费十分严重。因此，泵行业中采用有效

的节能技术是当务之急。

水泵的节能主要有以下几个方法：通过改进配套电机的设计，使电机在大的范围内

有较高的效率；通过对水泵的结构设计和制造性能的改进，提高水泵的性能；水泵、配

套电机的正确选型和合理使用。节能调节的方法有：非变调节和变速调节，非变速调节

包括节流调节和水泵的运行台数调节等。大量的统计调查表明，一些在运行中需要改变

工况而要求进行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，通常是由于采用了不合适的调节

方式。可见，水泵的调节方式与节能的关系非常密切。通过分析水泵运行工况改变时的

节能原理和两种节能调节的方法产生的效果证明，变频调速节能方法节能效益可观，是

有效的减少能量消耗的方法。近年来，真正的“水泵智能控制系统”不再是“变频器”

控制技术的演变。在有效利用变频器的同时，水泵节电控制技术还加入了PLC、滤波等。

2.2 水泵变频调速和其他方法的节能对比

2.2.1 调节水泵流量的两种方法

常见的调节流量方法有阀门控制法和转速控制法两种。

（1）阀门控制法：即通过关小或开大阀门来调节流量，而电动机转速保持不变(通

常为额定转速)。其实质是：水泵本身的供水能力不变，通过改变水路中的阻力大小来

改变供水能力，以适应用户对流量的需求。图2-l为不同调节流量方法的特性曲线。设

用户所需的流量从Q减小到Q，当通过关小阀门来实现时，管阻特性将变为曲线③，而

AB

扬程特性则仍为曲线①，系统工作点由A点移至B点。这时流量减小了，但扬程却从

H增大到H。根据供水功率P与流量Q和扬程H的乘积成正比的关系，即P=CHQ (C

TATBGGPP

为比例常数)，可知此时供水功率P与面积OEBF成正比。我们在国投新集口孜东煤矿风

G

井冻结使用三相电压、电流、功率测试仪对盐水泵电动机的工作状态进行了检测，发现

盐水泵出口阀门处于不同位置时，电动机的工作电压、电流、功率基本上没有变化。这

说明使用阀门调节流量时，电动机消耗的功率基本是不变的。可见，当冻结所需的流量

远小于盐水泵的设计流量时，供液管路中浪费的能量是非常惊人的。

（2）转速控制法：即通过改变水泵拖动电机的转速来调节流量，阀门开度保持不变。

转速控制法的实质是，通过改变水泵的全扬程来适应用户对流量的需求。当转速改变时，

扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。

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以用户所需的流量从Q减小为Q为例。当转速下降时，扬程特性变为曲线④，管阻特

AB

性则仍为曲线②，工作点由A点移至C点。在流量减小为Q的同时，扬H；此时，供

BTC

水功率P与面积OECH成正比。

G

H

管

阻

特

性

③

②

B

A

H

TB

H

TA

①

P

G

C

H

TC

④

ED

Q

B

Q

A



杨

程

特

性

图2-1 不同调节流量的特性曲线

2.2.2 转速控制法和传统方法的比较

(1)供水功率的比较

比较上述两种调节流量的方法可以看出：在所需流量小于额定流量的情况下，转速

控制时的扬程比阀门控制时的小得多，所以转速控制方式所需的供水功率也比阀门控制

方式小得多，两者之差便是转速控制方式节约的供水功率，它与面积HCBF(图2-l

p

G

中的阴影部分)成正比。这是变频调速供水系统具有节能效果的最基本方面。

(2)从水泵的工作效率看节能

水泵的供水功率P与轴功率P之比，即为水泵的工作效率，即

GP



P



p



P

G

P

（2-1）

P

这里，水泵的轴功率P是指水泵轴上的输入功率(即电动机的输出功率)，或者是水

P

泵取用的功率。而水泵的供水功率P是根据实际供水扬程和流量算得的功率，是供水系

P

统的输出功率。因此，上述水泵的工作效率实际上包含了水泵本身的效率和供水系



P

统的效率。水泵工作效率相对值的近似计算公式为：





QQ



2



C()C()

12



. （2-2）

n

n

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式中：和分别为流量和转速的相对值(即实际值与额定值之比的百分数)；

Q



n



C和C为常数，由制造厂家提供。C与C之间通常遵循如下规律：C-C =1；由式（2-3）

121212

表明水泵的工作效率主要取决于流量与转速之比。由式(2-3))可知，当通过关小阀门来

减小流量时由于转速不变，

Q

*

nQ



（2-3）

其效率曲线如图2-2中的曲线①所示。当流量=60％时，其效率将降为80%(由B

Q



点决定)。可见，随着流量的减小，水泵工作效率的降低是十分显著的。而在转速控制

方式下，由于在阀门开度不变的情况下，流量和转速 是成正比的，比值不变，其

Q



n



效率曲线因转速而变化，转速为60％n(n为额定转速)时的效率曲线如图2。当流量

NN

QQ



=60％时，效率由C点决定，它和=100％时的效率(由A点决定)是相等的。可见，

采用转速控制方式时，水泵的工作效率总是处于最佳状态。所以，转速控制方式与阀门

控制方式相比，水泵的工作效率要大得多，这是变频调速供水系统具有节能效果的第2

个方面。

1.0

0.8

C

A

n0.6n1.0

**

B

0

0.6

1

图2-2水泵的效率曲线

(3)从电动机的效率看节能

厂家在生产水泵时，由于对用户的管路情况无法预测，管阻特性难以准确计算，必

须对用户的需求留有足够的余地。因此，在确定额定扬程和额定流量时，通常留有较大

的裕量，所选电动机的裕量也较大。所以，在实际运行中，即使在盐水流量的高峰期，

电动机也常常不是处于满载状态，其效率和功率因数都较低。采用转速控制方式，可将

排水阀完全打开而适当降低转速。由于电动机低频运行时，变频器的输出电压将下降，

从而提高了电动机的工作效率。这是变频调速供水系统具有节能效果的第3个方面。综

合起来。水泵的轴功率与流量问的关系如图2-3所示。图中，曲线①是调节阀门开度时

的功率曲线；当流量=60％时，所消耗的功率由B点决定。曲线②是调节转速时的功

Q



率曲线；当=60％时，所消耗的功率由C点决定。由图3可看出，与调节阀门开度相

Q



比，调节转速所节约的功率

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

P是相当可观的。

*

E

2.3 变频器原理

2.3.1 交流变频器的工作原理

交流变频器是现代电力电子技术高度发展的结果。微计算机是变频器的核心，电力

电子器件构成了变频器的主电路。大家都知道，从发电厂送出去的交流电的频率是恒定

不变的，在我国是每秒50周。而交流电的动机的同步转速为

(2-4)



1

式子中——同步转速，n/min；



1

——钉子频率，Hz；

f

1

P——电机的磁极对数。

而异步电动机的转速

(1s)(1s)

1

(2-5)

60f

1

p

60f

1



式子中 s——异步电动机转差率，s=(N-N)/N，一般小于3%。均与送入电机的电流频

11

率f成正比例或接近于正比例。因而，改变频率可以方便的改变电机的运行速度，也就

是说变频对于交流电机的调速来说是十分合适的。

(2-6)

式中，一电机绕组匝数；

w

1

在电机运行时有：

U4.44wfk

1111dpm



k

dp

一基波绕组因数；



m

一主磁通。

所以如果不变，则磁通随频率的改变而改变，一般电机在设计中为了充分

Uf

11



m

利用铁心材料，都把磁通的数值设计在磁化曲线的膝点，因此，如果频率从额定值



m

下降，则会引起磁通的增加，随之使激磁电流急剧上升，功率因数下降；反之，若频率

升高，则会下降，电机允许的输出转矩降低，电机得不到充分利用。所以在调频的



m

同时还要调压, 应使，成比例地改变，即：

Uf

11

U

1

4.44wkH

1dpm



(2-7)

f

1

保持不变。

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2.3.2 变频器的控制方式

本设计采用SAMCO-VMO5-SPF系列变频器，变频的工作方式采用恒压频比的控制方

式：异步电动机的转速主要由电源频率和极对数决定，改变电源频率，就可进行电动机

的调速，及时进行宽范围的调速运行，也能够获得足够的转矩。为了不使电动机因平率

变化导致磁饱和而造成励磁电流增大，引起功率因数和效率的降低，需对变频器的电压

和频率的比值进行控制，是该比率保持不变，即恒压频比控制，以保持气隙磁通为额定

值。普通功能的变频器采用这种控制方式，适用于调速要求不高的风机，泵类场合。由

于变频的同时都要按随着电压的变化。U/F控制由于忽略了电机漏阻抗的作用，在低频

段的工作特性不理想。因而实际变频器中采用E/F控制。采用E/F控制方式的变频器通

常被称作普通功能变频器。

恒压频比控制是比较简单的控制方式，历史悠久，目前任然被大量采用，该方式被

用于转速开环的交流调速系统，适用于生产机械对调速系统的静、动态性能要求不高的

场合，例如利用通用变频器对风机、泵类进行调速已达到节能的目的。

2.4 盐水泵变频调速的优点

1、节能效果显著

水泵采用变频调速，其轴功率与转速的立方成正比，当转速降低时，驱动电动机的

电功率将以转速的立方减少，因而有显著的节能效果。

2、实用性强

采用变频调速，可以实现低速起动，使起动电流低于额定电流，避免起动力矩对电

机造成的冲击损伤，不仅延长了电动机的使用寿命，而且无震动、无噪音。

3、调速性能好，控制方式灵活

可以非常平滑的调整风量，便于运行人员对锅炉燃烧进行调整和控制。变频装置具

友好的控制方式，容易与控制系统配合实现协调控制和闭环控制，提高了控制精度，使

自动装置的可靠性大大提高。

4、调速范围大

变频装置具有一定的超速功能，在不超出电机额定出力的条件下，可使风机超速

2.5%，因而在机组满负荷下使水泵的水压明显提高，抽水速度明显提高。

2.5 盐水泵变频调速系统的总体设计

系统控制过程如图2-3：

盐水泵变频节能系统由盐水泵、三相异步电动机、变频器、电磁流量传感器和PLC

等部分组成，见图2.4。其中盐水泵型号为14Sh-9A，额定流量1332000/2h，扬程56m，

功率257kw，转速1450r/min；拖动电机型号为Y355L2-2，额定电压380V，电流

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560A，功率315kw。变频器型号为SAMCO SPF-315KW，3相，输入频率50/60Hz，输

入电压380-460V，功率315kW，电流590A，内置标准PID反馈控制功能，带RS-485通

讯接口。电磁流量计型号ZJLDG-300S-M2F110-30(DN300)，额定量程30000m/h，标准电

流4-20mA输出,电源由220V交流供电或者是24V直流供电。由电磁流量计监测盐水通

过上位机对变频器的工作状态进行设定，以达管路中的实时流量值，并将其转换成相应

的4-20mA标准电流信号后，传送给变频器；变频器接收到信号后，通过内置的比较器

与预先设定的数值进行比较并求算出偏差信号，再通过PID环节转变为输出频率信号

后，传送给变频器主电路，控制电机调节转速，以实现对流量的闭环控制。利用通信总

线，可以将变频器的运行状态以及实时流量信息传送给工业控制计算机。并通过组态上

位机显示，便于监视。现场操作人员也可通过上位机对变频器的工作状态进行设定，以

达到远程控制的目的。如果当变频器发生故障或检修等原因不能运行时，可通过PLC的

控制和变频工频切换电路直接启动电机。

电源

故障、状报警、控上位机PC

态量输入制量输入组态

接触器接触器

A/D转换可编程控制器D/A转换

模块PLC模块

通讯模块

变频器软启动器

流量传感

器

接触器接触器

盐水泵

电动机

图2-3 盐水泵变频节能系统原理图

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3变频技术在冻结站盐水泵应用中的硬件分析和系统说明

3.1 盐水泵的选型介绍

3.1.1 离心泵的分类

可按使用目的、介质种类、结构类型等进行分类。这里主要介绍按结结构型式作如

下分类：

（1）按流体吸入叶轮的方式：单吸式泵 双吸式泵;

（2）按级数分类：单极泵 多级泵;

（3）按泵体形式分类：蜗壳泵 筒行泵;

（4）按主轴安放情况分类：卧式泵 立式泵 斜式泵.

3.1.2 离心泵的命名方式

3.1.3 泵的性能介绍

流量是泵在单位时间内输送出去的液体量。单位是s，用q表示质量，单位是kg/s。

m

（3-1）

式中q为液体的密度，常温清水。q=1000kg/m

3

旋转叶轮传递给单位重量液体的能量，亦称理论杨程。考虑有限叶片数受滑移的影

响，较无限多叶片数叶轮做功能力减小，在离心泵中常使用如下的经验公式计算

泵的类型，A或B或C分别表示叶轮外径经过

一、二、三次切割

多级泵的级数，若为单极泵，就不标出

新产品标出杨程数，有时在该值前标出流量，

两值前加以横线隔开。对多级泵标出的是单极

杨程，对老产品标出的是比转速n被10除后的

整数

汉语拼音标出泵的基本型式

泵的吸入口直径，新产品标出毫米数，老产

品标出英寸数

图3-1 离水泵的命名

qqv

m



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Ht。

本文中因应用需要我们选用14Sh-9A型水泵，在下面内容中将主要介绍。

斯托道拉公式 ：

(1ctg)u

(3-2)

H

t

3.1.4 14Sh-9A型水泵介绍

c

2r

2



2A2

u

2

g

SH型是单级双吸、卧式中开离心泵。供输送清水及物理化学性质类似于水的液体。

液体最高温度不得超过80℃，适合工厂、矿山、城市、电站的给排水，农田排涝灌溉

和各种水利工程。泵体与泵盖构成叶轮的工作室。在进出水法兰上，制有安装真空

表和压力表的管螺孔。进出水法兰的下部，制有放水的管螺孔。

结构特点：本型泵的吸入口与吐出口均在水泵轴心线下方，与轴线垂直呈水平方向，

泵壳中开，检修时无需拆卸进水，排出管路及电动机（或其他原动机），从联轴器向泵

的方向看去，水泵为顺时针方向旋转。根据需要也可生产逆时针旋转的泵，但订货时应

特殊提出。泵体与泵盖构成叶轮的工作室，在进、出水法兰上制有安装真空表和压力表

的管螺孔。叶轮经过静平衡检验，用轴套和两侧的轴套螺母固定，其轴向位置可以通过

轴套螺母进行调整，叶轮的轴向力利用其叶片的对称布置达到平衡，可能还有一些剩余

轴向力则由轴端的轴承承受。

本型泵的吸人口与吐出口均在水泵轴心线下方，水平方向与轴线成垂直位置、泵壳

中开，检修时无需拆卸进水，排出管路及电动机(或其他原动机)从联轴器向泵的方向看

去，水泵均为逆时针方向旋转。如根据用户特殊订货需要也可改为顺时针旋转。本型泵

的主要零件有：泵体、泵盖、叶轮、轴、双吸密封环、轴套、轴承等。除轴的材料为优

质碳素钢外，其馀多为铸铁制成。泵体与泵盖构成叶轮的工作室，在进出水法兰上制有

安装真空表和压力表的管螺-，进出水法兰的下部制有放水的管螺。叶轮经过静平衡校

验，用轴套和两侧的轴套螺母固定，其轴向位置可以通过轴套螺母进行调整，叶轮的轴

向力利用其叶片的对称布置达到平衡。 泵轴由两个单列向心球轴承支承，轴承装在泵

体两端的轴承体内，用黄油润滑，双吸密封环用以减少水泵压水室的水漏回吸水室。

14Sh-9A型水泵参数介绍：

流量 1332m/h 杨程56m 必须气蚀余量3.5m

3

转速1450r/min 电机功率257KW。

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3.2 异步电动机的选型介绍

3.2.1 三相电动机的转动原理

三相交流电通入定子绕组后，便形成了一个旋转磁场，其转速为n ,旋转磁场的磁

0

力线被转子导体切割，根据电磁感应原理，转子导体产生感应电动势。转子绕组是闭合

的，则转子导体有电流流过。设旋转磁场按顺时针方向旋转，且某时刻为上为北极N下

为南极S，根据右手定则，在上半部转子导体的电动势和电流方向由里向外，用⊙表示；

在下半部则由外向里，用⊕表示。转子导体受电磁力作用形成电磁转矩，推动转子以转

速n顺n方向旋转（电动机左手定则），并从轴上输出一定大小的机械功率。特点：电

0

动机内必须有一个以n旋转的磁场。实现能量转换的前提；三相异步电动机转子之所以

0

会旋转、是因为转子气隙内有一个旋转磁场。电动运行时n恒不等于n(异步)且 n

00

建立转矩的电流由感应产生。由于转子转速小于旋转磁场的转速，因此称作是三相异步

电动机。

旋转磁场转速n与转子转速n之差与同步转速n1之比称为异步电动机的转差率s，

1

即：

s

nn

1

（3-3）

n

1

转差率是异步电动机的一个基本参数，对分析和计算异步电动机的运行状态及其机

械特性有着重要的意义。当异步电动机处于电动状态运行时，电磁转矩T和转速n同向。

e

转子尚未转动时，n=0, s=1 ；当 时，s=0.可知异步电动机处于电动状态时，转

nn

1

差率的变化范围总在0和1之间，即0＜s＜1。一般情况下，额定运行时=1%-5%。

3.2.2 三相异步电动机的选型依据

首先应根据不同类型地区的特点，不同的生产要求，采用不同的泵型，本设计采用

管道液体为盐水的水泵。从水泵的规格性能表中初步选择几种规格的水泵，在根据管道

的具体布置情况，同时求出水泵的工作点看其工况点是否落在泵的高效区内。核算最大

设计扬程和最小设计扬程是否超出工作范围。

选用电动机应从电源的容量，电压和水泵的轴功率、转速及传动方式考虑，具体进

行配套时可根据水泵容量来选择。对于功率大于300KW的电机，可以采用特别加强绝缘

的鼠笼型JSQ和绕线式JRQ电机。

本文中选用的是Y355L2-2三相异步电动机，全封闭自扇冷式鼠笼型，定子绕组为

Y接法，电气技术参数如下：

额定功率kw： 315 额定转速r/min： 2980 额定电流A： 560

效率： 95% 功率因数： 0.9 额定电压V： 380

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3.3 变频器选型

3.3.1 变频器的各种分类

1.按变换环节分类

（1）交一交变颇器把频率固定的交流电源直接变换成频率连续可调的交流电源。

其主要优点是没有中间环节，电路结构简单，只使用一次变流，变换效率高，不含直流

电路及滤波部分，与电源之间无功功率处理以及有功功率回馈容易。虽然大功率交交变

频器得到了普遍的应用，但因其功率因数低，高次谐波多，输出频率低，变化范围窄一

般为额定频率的1/2以下，使用元件数量多使之应用受到了一定的限制。它在传统大功

率电机调速系统中应用较多。故它主要用于容量较大的低速拖动系统中。

（2）交一直一交变频器先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成

频率连续可调的三相交流电。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此，在频

率的调节范围，以及改善变频后电动机的特性等方面，都具有明显的优势。交直交变频

器由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。整流器为二极管三相桥式不控整流器，逆

变器是大功率晶体管组成的三相桥式电路，其作用正好与整流器相反，它是将恒定的直

流电交换为可调电压，可调频率的交流电。中间滤波环节是用电容器进行滤波。 交直

交变频器按中间直流滤波环节的不同，又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法

和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。它在工业自动化领域的变频器（采

用VVVF控制等）和IT、供电领域的不间断电源都有应用。本次设计的选用的变频器的

主电路为交-直-交变频器。目前迅速地普及应用的主要是这一种。

2.按变频器的主电路分类

电压型是将电压源性质的直流变换为交流的变频器，直流环节的储能元件是电容。

电流型是将电流源性质的直流变换为交流的变频器，直流环节的储能元件是电感。

3.3.2 变频器的基本结构框图

在中小容量变频器中应用最为广泛的是”交一直一交电压型变频器”，其基本结构

如图3-2所示。本次设计采用的SAMCO-VMO5-SPF系列通用变频器也是这个结构

变频器的工作可分为两个基本过程：

（1）先将电源的三相(或单相)交流电经整流桥整流成直流电(交流一直流变换)；

（2）再把直流电变"成频率任意可调的三相逆变"成频率任意可调的三相交流电(直

流一交流变换)。

交流交流

R

38V

50HZ

直流

U

SV

T

整流逆变

U

D

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W

0～380V

O—lOOHZ

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3.3.3 交-直-交变频器主电路

图3-3交-直-交变换电路

U

V

W

~

M

变频器的的整流部分采用三相桥式不可控控整流电路，逆变部分采用全控型器件的

电压型你变电路，直流侧并联有大电容，相当于电压源，直流电压基本无脉动，当交流

侧为阻感负载时，需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功的作用，为了给交流侧向

直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。三相桥式逆变电路

的工作过程与单相逆变桥相同，只要注意三相之间互隔T／3(T是周期)就可以了。如图

3-3所示从电路结构上看，如果把三相负载看成三相整流变压器的三个绕组，那么三相

桥式逆变电路犹如三相桥式可控整流电路与三相二极管整流电路的反并联，其中可控电

路用来实现直流到交流的逆变，不可控电路为感性负载电流提供续流回路，完成无功能

量的续流和反馈，因此VD～VD称为续流二极管。

16

逆变电路采用PWM控制方式，即对脉冲的宽度进行调制的技术，应用面积等效原理，

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将所需要的波形等效为一系列幅值相等，宽度按正弦规律变化的脉冲波形。如果脉冲的

宽度按正弦规律变化，脉冲的面积和正弦波形等效，则为SPWM调制。全控型器件的具体

导通顺序为：

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第1个T/6：V1、V6、V5导通，V4、V3、V2截止：

第2个T/6：Vl、V6、V2导通，V4、V3、V5截止：

第3个T/6：V1、V3、V2导通，V4、V6、V5截止：

第4个T/6：V4、V3、V2导通，V1、V6、V5截止：

第5个T/6：V4、V3、V5导通，V1、V6、V2截止：

第6个T/6：V4、V6、V5导通，V1、V3、V2截止。

3.3.4 变频器的参数介绍

变频器功能参数很多，一般都有数十甚至上百个参数供用户选择。实际应用

中，没必要对每一参数都进行设置和调试，多数只要采用出厂设定值即可。但有

些参数由于和实际使用情况有很大关系，且有的还相互关联，因此要根据实际进

行设定和调试。

因各类型变频器功能有差异，而相同功能参数的名称也不一致，为叙述方

便，本文以富士变频器基本参数名称为例。由于基本参数是各类型变频器几乎都

有的，完全可以做到触类旁通。

(1) 加减速时间

加速时间就是输出频率从0上升到最大频率所需时间，减速时间是指从最大

频率下降到0所需时间。通常用频率设定信号上升、下降来确定加减速时间。在

电动机加速时须限制频率设定的上升率以防止过电流，减速时则限制下降率以防

止过电压。

加速时间设定要求：将加速电流限制在变频器过电流容量以下，不使过流失

速而引起变频器跳闸；减速时间设定要点是：防止平滑电路电压过大，不使再生

过压失速而使变频器跳闸。加减速时间可根据负载计算出来，但在调试中常采取

按负载和经验先设定较长加减速时间，通过起、停电动机观察有无过电流、过电

压报警；然后将加减速设定时间逐渐缩短，以运转中不发生报警为原则，重复操

作几次，便可确定出最佳加减速时间。

(2) 转矩提升

又叫转矩补偿，是为补偿因电动机定子绕组电阻所引起的低速时转矩降低，

而把低频率范围f/V增大的方法。设定为自动时，可使加速时的电压自动提升以

补偿起动转矩，使电动机加速顺利进行。如采用手动补偿时，根据负载特性，尤

其是负载的起动特性，通过试验可选出较佳曲线。对于变转矩负载，如选择不当

会出现低速时的输出电压过高，而浪费电能的现象，甚至还会出现电动机带负载

起动时电流大，而转速上不去的现象。

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(3) 电子热过载保护

本功能为保护电动机过热而设置，它是变频器内CPU根据运转电流值和频率

计算出电动机的温升，从而进行过热保护。本功能只适用于“一拖一”场合，而

在“一拖多”时，则应在各台电动机上加装热继电器。

电子热保护设定值（%）=[电动机额定电流（A）/变频器额定输出电流

（A）>=100% 。

(4) 频率限制

即变频器输出频率的上、下限幅值。频率限制是为防止误操作或外接频率设

定信号源出故障，而引起输出频率的过高或过低，以防损坏设备的一种保护功能。

此功能还可作限速使用，如有的皮带输送机，由于输送物料不太多，为减少机械

和皮带的磨损，可采用变频器驱动，并将变频器上限频率设定为某一频率值，这

样就可使皮带输送机运行在一个固定、较低的工作速度上。

(5) 偏置频率

其用途是当频率由外部模拟信号（电压或电流）进行设定时，可用此功能调

整频率设定信号最低时输出频率的高低，有的变频器当频率设定信号为0%时，偏

差值可作用在0～fmax范围内，有的变频器（如明电舍、三垦）还可对偏置极性

进行设定。如在调试中当频率设定信号为0%时，变频器输出频率不为0Hz，而为

xHz，则此时将偏置频率设定为负的xHz即可使变频器输出频率为0Hz。

(6) 频率设定信号增益

此功能仅在用外部模拟信号设定频率时才有效。它是用来弥补外部设定信号

电压与变频器内电压（+10v）的不一致问题；同时方便模拟设定信号电压的选择，

设定时，当模拟输入信号为最大时（如10v、5v或20mA），求出可输出F/V图形的频

率百分数并以此为参数进行设定即可；如外部设定信号为0～5v时，若变频器输出

频率为0～50Hz，则将增益信号设定为200%即可。

3.3.5 变频器的选型及硬件配置

（1）通过对各主要生产厂家的产品的性能价格比分析，选用三垦力达公司

SAMCO-VMO5-SPF系列通用变频器的调速变频器。SAMCO-VMO5-SPF具备无速度传感器矢

量控制功能，可实现无传感器应用场合的高转矩及高精度控制。同时具备电机参数的自

动检测功能，因此能实现在各种运行条件下对电机的最佳控制。 SAMCO-VMO5-SPF 能适

应不同的用途提供两种系列，一般工业用的SHF系列和风机、水泵用的SPF系列。

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三肯系列通用变频器介绍:三垦通用变频器采用恒定控制方式和无速度传感

U/f

器矢量控制方式，通过电动机参数自动测定功能进行电动机参数的自动测量，实现无速

度传感器矢量控制。三垦通用变频器到目前为止已历经了五次更新换代：第一代SVS、

SVF系列采用大功率晶体管逆变器(GTR)和正弦波脉宽调制(SPWM)控制技术；第二代MS、

MF系列采用16位微机处理控制的电压矢量控制技术，面板采用了全数字控制；第三代

LS、LF系列采用高速开关器件绝缘栅双极性晶体管IGBT、高性能准32位微机处理器及

大规模集成晶片(LIS)，并运用三垦电气株式会社独特的高频载波SPWM控制方式，变频

调速范围为0.5-600Hz，控制功能已扩展到近200项，其中包括可以实现程序运行、内

置PID控制功能、节电控制和变频控制自动切换、与计算器实现串行通信，最多控制

32台变频器运行；第四代IHE/IPF变频器是以矢量控制理论为基础的无速度传感器控

制高性能通用变频器，采用了内含IGBT的智能功率模块IPM及32位微机处理器，使变

频器的低速性能大幅提高，最大起动转矩达到150％额定转矩，在100％负载转矩内，

其速度控制精度小于±l％，与前几代变频器相比，在指令响应和负载响应性能方面都

有提高；IHF/IPF系列变频器还具有控制方式，以供选择使用；最新一代SAMCO-vm05

U/f

系列通用变频器采用了最新的科研成果，整体性能上又有了新的飞跃。SAMCO-vm05系

列通用变频器采用智能功率模块(ASIPM)和高性能IGBT，结构更为紧凑、可靠；内部控

制软件可随用户需求升级，免费提供专门设计的可用于Windows95/98操作系统的功能

软件(通信接口功能、负载控制算法等)、传输软件(FMTP)，并可方便的实现版本升级，

版本升级功能是一种软件用户化功能，可以使通用变频器转变为用户专用型变频器，直

接通过计算机上的串行通信口增加新的功能。

另外还有数据拷贝、用户初始值设定(操作面板内具有原厂和机械配套厂2种初始

值记忆区，可供用户选择)、变更代码查询、自定义多功能输入/输出端子和模拟输出功

能等功能。SAMCO-vm05系列通用变频器除了具有IHF/IPF系列通用变频器的所有功能

外，还具有卷绕控制、带PG的速度／位置控制和功能更加完善的恒压供水控制等功能。、

（2）SAMCO-VMO5-SPF变频器的控制电路端子说明：

R、S、T为三相电源输入端子，从变压器二次侧三相交流电网引入电能；FA、FB、

FC为异常报警信号输出端子以及功能接点输出端子；DI1-DI8为数字信号多功能输入端

子，接受电位器传达的正转、反转、多段调速和空转等程序指令DCM1和DCM2为数字信

号共用端子，加24V外部电源配合使用;VRF1,IRF/VRF2，ACM端口接设定频率的电位器，

+V1，+V2为频率设定的电源端口，VRF1为频率设定端子（0-5V，0-10V或电位器），

IRF/VRF2为频率设定端子（4-20MA或0-5V,0-10V或电位器），ACM为模拟信号共用端

子;FLASH和JPI为版本升级用端子；TRA和TRB、RXR为RS485电阻端；AOUT1和AOUT2

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为模拟信号输出端子；DO1、DO2和DO3为多功能输出端子，分别控制：运转中、

频率一致和过负载预报信号往开路集电极传送；U、V、W是三相交流电输出端子。

3.4 可编程控制器（PLC）

3.4.1 可编程控制器的作用

可编程序控制器是计算机家族中的一员,是为工业控制应用而设计制造的，是一种

数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，

用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并

通过数字的模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有

关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则而设计。

在本设计中PLC作为一种远程控制器，不仅实现流量闭环控制，完成PID调节和控

制变频器的工作，还要实现手动/自动工作切换，变频/工频切换，实时监测系统中各部

分的工作状况并在故障时自动报警，在变频器发生故障时，自动切换到工频工作状态。

实现系统的智能控制。

3.4.2 可编程控制器的特点

1） 编程方法简单易学

梯形图是使用最多的可编程控制器的编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电

路原理相似。梯形图语言形象直观易学易懂熟悉继电器电路图的电气技术人员只要花几

天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。

2） 功能强，性能价格比高

一台小型可编程控制器内有成百上千个可供用户使用的编程元件，有很强的功能，

可以实现非常复杂的控制功能；与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性价比。可

编程控制器可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。

3） 硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强

可编程控制器产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置

供用户使用，用户能灵活方便的进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。可编

程序控制器的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。可编程控制器有较强

的带负载能力、可以直接驱动一般的电磁阀和交流接触器。

4) 可靠性高，抗干扰能力强

传统的继电器控制系统中使用了大量的中间继电器、时间继电器。由于触点接触不

良，容易出现故障。可编程控制器用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下

与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少继电气控制系统的1/10到1/100,因触点接

触不良造成的故障大为减少。

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5) 系统的设计、安装、调试工作量少

可编程控制器用软件功能取代了继电器控制系统中大量的的中间继电器、时间继电

器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。

可编程控制器的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。这种编程方法很有规律，容

易掌握。对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路的时间要少得

多。

可编程控制器的用户程序可以在实验室模拟调试，输入信号用小开关来模拟，通过

可编程控制器上的发光二极管可观察输出信号的状态。完成系统的安装和接线后，在现

场的统调过程中发现问题一般通过修改程序就可以解决，系统的调试时间比继电器系统

少得多。

6) 维修工作量小，维修方便

可编程序控制器的故障率很低，且有完善的自诊断和显示功能。可编程序控制器或

外部的输入装置和执行机构发生故障时，可以根据可编程序控制器上的发光二极管或编

程器提供的信息迅速地查明故障的原因，用更换的方法排除故障。

3.4.3 PLC的基本结构框图

PLC专为工业场合设计，采用典型的计算机结构，主要由CPU模块、编程器、

电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。如图3-4。

按钮

接触器

输

出

单

元

电磁阀

CPU

输

入

单

元

继电器触电

存储器

电源部分

行程开关指示灯

编程器或其他设备

(1) CPU模块

图3-4 PLC基本结构框图

CPU模块是PLC的核心，每套PLC至少有一个CPU模块，它按PLC的系统程序

赋予的功能接受并贮存用户程序和数据，用扫描方式采集现场输入装置的状态或

数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编

程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存储器中逐条读取指令，经分

析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号去控制外部电路。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O

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数量及软件容量，因此限制着控制规模。

(2)存储器

虽然各种PLC的CPU的最大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，

其存储空间一般包括以下三个区域：

(1)系统程序存储区；

(2)系统RAM存储区（包括I/O映像区和系统软设备等）；

(3)用户程序存储区。

(3) 输入/输出模块

I/O模块是PLC与外部电气回路的接口，I/O模块集成了PLC的I/O电路，其

输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器的状态。PLC的CPU处理信

号只能是标准电平，通过I/O模块的接口电路可实现外部信号与PLC所能处理的

信号之间的电平转换；I/O接口还具有良好的光隔离和滤波作用。PLC输入接口的

输入设备一般是各种开关、按钮、传感器触点等；PLC的输出接口与被控对象相连，

一般是接触器、电磁阀、指示灯等。I/O模块分为数字量输入，数字量输出，模拟

量输入，模拟量输出等模块。

(4)电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源，同时，有的还为输入电

路提供24伏的工作电源。电源输入类型有：交流电源(220VAC或110VAC)，直流

电源(常用的为24VDC)。

3.4.4 S7-200系统概述

PLC采用循环扫描工作方式，这个工作过程一般包括五个阶段：内部处理、与编程

器等的通信处理、输入扫描、用户程序执行、输出处理，这五个阶段称为一个扫描周期，

PLC完成一个扫描周期后，又重新执行上述过程，扫描周而复始的进行。

S7-200在扫描循环中完成一系列任务。任务循环执行一次称为一个扫描周期。在

一个扫描周期中，S7-200主要执行下列五个部分的操作：①读输入：S7-200从输入单

元读取输入状态，并存入输入映像寄存器中。②执行程序：CPU根据这些输入信号控制

相应逻辑，当程序执行时刷新相关数据。程序执行后，S7-200将程序逻辑结果写到输

出映像寄存器中。③处理通讯请求：S7-200执行通讯处理。④执行CPU自诊断：S7-200

检查固件、程序存储器和扩展模块是否工作正常⑤写输出：在程序结束时，S7-200将

数据从输出映像寄存器中写入把输出锁存器，最后复制到物理输出点，驱动外部负载。

S7-200PLC的产品：

⑴集成一定数字I/O点的CPU：CPU221、CPU222、CPU224、CPU226、CPU226XM

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⑵扩展模块：①数字量扩展模块：EM221、EM222、EM223②模拟量扩展模块：EM231、

EM232、EM235③通信模块：EM277、EM241等

S7-200系列PLC可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元，其系统构成

包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。S7-200系列PLC

主要有6种扩展单元，它本身没有CPU，只能与基本单元相连接使用，用于扩展I/O点

数，本系统PLC型号为S7-200CPU224，含24个输入点，16个输出点，可带2个扩展模

块，78路数字量I/O点或10路模拟量I/O点。数字量扩展模块EM222，该模块无输入

点，有8个输出点。模拟量扩展模块EM235，有4个输入点，1个输出点。

S7-200的接口模块主要有数字量I/O模块、模拟量I/O模块和通信模块。数字量

I/O模块选用EM222，模拟量I/O模块选用EM235，S7-200系列PLC除了CPU226本机集

成了两个通信口以外，其他均在内部集成了一个通信口，通信口采用了RS-485总线。

数字量输出模块将PLC内部信号电平转化为控制过程中所需要的外部信号电平，同

时有隔离和功率放大的作用。可直接用于驱动电磁阀、接触器、继电器、灯和电动机启

动器等负载。按负载回路的电源不同分为：直流输出模块、交流输出模块和交直流输出

模块。本系统选用的EM222DC为直流输出模块，用以驱动接触器、指示灯等负载。

模拟量输入模块用于接受来自生产过程的连续变化的模拟量信号，如温度、压力、

流量、液位及频率等非电量；电压、电流、有功功率、无功功率等电量。传感器检测的

模拟量信号通过相应的的变送器转换成标准的直流电压和电流信号，例如：DC 0-10V，

0-10mA和4-20mA。模拟量输入模块将来自变送器的模拟信号转换成CPU处理的数字信

号，及A/D转换。模拟量输入模块的精度有12bit，14bit，16bit等。

模拟量输出模块的作用是将PLC输出的数字量转换为模拟量信号（电压、电流）去

控制执行机构，其主要组成部分是D/A转换器。本系统选用的EM235为模拟量混合模块，

4个模拟量输入点，将变送器送来的4路4-20mA模拟量信号转换成CPU能处理的数字

信号。1个模拟量输出点，将经过PLC处理过的数字信号转换成模拟信号频率，送给变

频器，实现变频调节。

3.5 电磁流量传感器

（1）电磁流量传感器和电磁流量转换器配套组成分体型电磁流量。电磁流量

传感器也可以配套组成一体型或分体型智能型电磁流量计，根据用户需要选择可

以用来测量酸，碱，盐等腐蚀性液体。

（2）电磁流量传感器是根据法拉第电磁感应定律设计的，在测量管轴线和磁

场磁力线相互垂直的管壁上安装一对检测电极，当导电液体沿测量管在交变磁场

中，与磁力线成垂直方向运动时，导电液体切割磁力线产生感应电动势，此感应

电动势由测量管上的两个检测电极检出。用下列公式表示

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：

（3-6）

BVD

式子中：E-感应电动势，单位（V）

B-磁场的磁通密度 单位（T）

V-导电液体平均流速 单位(m/s)

D－导管的内径 单位（m）

（3）结合冻结站的实际生产需要，本次设计采用台湾创基品牌的CJ-D型电磁流量

计，是一种分体式电磁流量计，主要用于测量封闭管道中的导电液体和浆液中的体积流

量。产品特点是：测量不受流体密度、粘度、温度、压力和电导率变化的影响；转换器

采用新颖励磁方式，功耗低、零点稳定、精确度高。流量范围度可达1500m/s：1；转

换器采用16位高性能微处理器，2x16LCD显示，参数设定方便，编程可靠；流量计为

双向测量系统，内装三个积算器：正向总量、反向总量及差值总量；可显示．庄、反流

量，并具有多种输出：电流、脉冲、数字通讯、HART；

CJ-D型电磁流量计参数介绍：精度等级：±0.5％、±1％；环境温度：-10℃~180℃;

输出信号：4-20mA电流信号 ；流速：0-10m/s

3.6 冷冻站盐水泵变频调速系统的结构图

3.6.1 结构图说明

如图3-5就是冻结站变频技术时的主结构图，结合冷冻站的实际情况，只需要

选择一拖一的方式就能满足生产需要。从图中可以看出，当PLC给变频器一输入信

号时。变频器控制电机的转速，从而达到调速效果。

如图示L1，L2,L3为工频电源接入端子，KM1和KM2接触器实现水泵的变频运

行，KM3接触器和KM4接触器实现水泵的工频运行方式，FR为热继电器，用于电动

机在工频运行下的过载保护，PLC作为变频器的控制器，要实现水泵的变频/工频切

换，保证KM1和KM3，KM2和KM4的互锁功能，在各种故障时好要进行声光报警，

在通信方面，要实时监测和显示各部分的工作状态，以便工作人员查看。

结构图说明：（1）其中软启动器的作用的是实现电机从零转速的平滑启动，降

低启动电流，避免启动过流跳闸 ，软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其

接入电源和电动机定子之间。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，

电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑

启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软

启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，

以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波

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污染。软启动器同时还提供软停车功能，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由

停车引起的转矩冲击

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。

（2）变频器的作用：变频器能够起到节能的作用，节能主要表现在风机、水泵的应

用上。为了保证生产的可靠性，各种生产机械在设计配用动力驱动时，都留有一定的富

余量。当电机不能在满负荷下运行时，除达到动力驱动要求外，多余的力矩增加了有功

功率的消耗，造成电能的浪费。泵类设备传统的调速方法是通过调节阀门开度来调节给

水量，其输入功率大，且大量的能源消耗在阀门的截流过程中。当使用变频调速时，如

果流量要求减小，通过降低控制泵的电动机的转速即可满足要求。在本设计中通过流量

传感器的反馈信号，经过PLC的PID调节，给变频器输出一控制信号，改变接入三相异

步电动机的定子频率，从而改变电机的转速，起到调节流量的作用。

L1L2L3

KM3KM1

软启动器变频器

KM4KM2

PLC

FR

M

~

图3-5 冷冻站盐水泵变频调速系统的主接线图

本系统采用S7-200PLC的产品，其外部接线图如图3-12所示。PLC型号为

S7-200CPU224，S7-200的接口模块主要有数字量I/O模块、模拟量I/O模块和通信模

块。数字量I/O模块选用EM222，模拟量I/O模块选用EM235. ①数字量输出模块将PLC

内部信号电平转化为控制过程中所需要的外部信号电平，同时

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有隔离和功率放大的作用。可直接用于驱动电磁阀、接触器、继电器、和电动机启

动器等负载。

本系统选用的EM222DC为直流输出模块，用以驱动PLC的接触器、指示灯等负载。

②模拟量输入模块将来自变送器的模拟信号转换成CPU处理的数字信号。③模拟量输出

模块的作用是将PLC输出的数字量转换为模拟量信号（电压、电流）去控制执行机构，

其主要组成部分是D/A转换器。本系统选用的EM235为模拟量混合模块，4个模拟量输

入点，1个模拟量输出点，将经过PLC处理过的数字信号转换成模拟信号频率，送给变

频器，实现变频调节。

3.6.2 PLC外部接线图

图3-6所示为PLC及扩展模块得外围接线图。实现了KM1和KM3的互锁，KM2和KM4

得互锁，避免了系统工频/变频的同时出现。因为在工频运行时，变频器将不能对电动

机的过载进行保护，所以，有必要接入热继电器FR，用于作为工频运行时得过载保护。

。

SA1

1M

I0.0

CPU224

1L

220V

KM3

Q0.0

KM1

KM3

KM4

SB1

ST1

I0.1

Q0.1

I0.2

QO.2

I0.3

2M

I0.4

I0.5

Q0.4

I0.6

I0.7

I1.0

L+

EM222

M

2L

L+

Q2.4

Q2.5

Q2.6

Q2.7

2L

KM1

KM2

SB2

HL2

220V

+V1

KM4

KM2

VRF1

ACM

变

频

器

D01

D04

ST2

SB

FR

QO.5

QO.6

HL4

变频器运行

故障复位

FAI0.8

FC

变频器故障

1L

Q2.0

HL6

Q2.1

HL7

HA

Q2.2

Q2.3

KA

EM235

M

L+

RA

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工频电源接触器 KM3 Q0.0

输出信号

SA1 I0.0

输入信号

表3-1 输入输出点代码及地址编号

名称 代码 地址编号

工频运行

变频运行 SA1 I0.1

变频启动

变频停止 ST1 I0.3

工频启动

工频停止 ST2 I0.5

变频器故障复位 SB I0.6

电动机过热保护 FR I0.7

远程流量计模拟量电流值 IAIWO

水泵工频信号接触器及指示灯

变频电源接触器 KM1 Q0.1

水泵变频信号接触器及指示灯

火灾报警指示灯 HL6 Q2.0

报警电铃

变频器故障报警灯 HL7 Q2.1

变频升速继电器 KAQ2.3

SB1 I0.2

SB2 I0.4

P

KM4,HL4 Q0.4

KM2 HL2 Q0.2

HA Q2.2

从上面分析可知，控制系统共有开关量输入点9个，开关量输出点10个，模拟量

输入点1个，模拟量输出点1个。如果选用CPU226PLC,价格昂贵；如果选CPU222,则输

入点数少，不能完全实现功能。参照西门子S7-200产品及市场实际价格，选用主机为

CPU224(14点24VDC输入、10继电器输出)一台，加上一台扩展模块EM222(8继电器输

出)，在扩展一个模拟量模块EM235（4AI/1AO）,这样的配置是比较经济的。

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3.6.3 变频/工频切换电路

主电路如图3-7所示，接触器KM1用于将电源接至变频器的输入端；KM2用于将变

频器的输出端接至电动机；KM3用于将工频电源接至电动机，热继电器FR用于工频运

行时的过载保护。当变频器发生故障时，该切换电路将接触器KM2切断，接入工频电源，

避免了流量的断续。由于在变频器的输出端是不允许与电源相接的，接触器KM2和KM3

绝对不允许同时接通，互相之间必须有可靠地互锁。系统的运行方式由选择开关SA1进

行选择，当SA1合至“工频运行”方式时，按下工频启动按钮SB2，由PLC将KM3接通，

电动机进入工频运行状态，按下停止按钮SB2，电动机停止运行；当SA2合至“变频”

运行方式时，按下变频启动按钮SB1，由PLC将KM2接通，KM1也接通，电动机进入变

频运行状态。按下停止按钮ST1，电动机停止运行。SB用于变频器发生故障后的复位。

为了使KM2和KM3绝对不能同时接通，除了在PLC内部的软件中具有互锁环节外，外部

的电路中也必须在KM2和KM3之间进行互锁。在变频器故障时，通过梯形图设计，使变

频器的数字输入端子无信号，系统能够自动进入“工频模式”下运行。而且必须有一定

的可靠延时，让工作人员能够手动操作，处理变频器的故障。

KM1

PS

R

S

T

A

B

C

S

T

R

S

T

O

P

S

D

S

T

F

U

V

1

0

2

KM2

KA

FR

~

图3-7变频/工频切换电路

M

5

W

1

0

E

KM3

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4系统软件介绍

4.1 闭环控制与PID控制

4.1.1 模拟量闭环控制的组成

PID是比例、微分、积分的缩写，典型的PID模拟量闭环控制系统如图所示，

sp(t)

是给定值，为过程变量(反馈量)，误差e(t)=sp(t)-pv(t) (4-1), c(t)为系统

pv(t)

的输出量，PID控制器的输入输出关系式为：

MKeedM

(t)c(t)(t)

1



Tdt

l



0

t

D

d

e(t)

(4-2)

即控制器的输出 = 比例项 + 积分项 + 微分项 + 输出的初始值，式中M(t)是控

制器的输出，是回路输出的初始值；是PID回路的增益，和分别是积分时

MK

0C

TT

I

D

间常数和微分时间常数。

sp(t)

e(t)

PID调节器执行机构被控对象

M(t)

C(t)

pv(t)

测量元件

图4-1 模拟量闭环控制系统框图

比例(P)、积分(I)、微分(D))部分分别与误差、误差的积分和微分成正比，如果取

其中的一项或两项，可以组成P、PD或PI控制器。需要较好的动态品质和较高的稳态

精度时，可以选用PI控制方式；控制对象的惯性滞后较大时，应选择PID控制方式。

闭环控制系统的结构简单, 易实现自动控制，因此在各个领域得到了广泛的应用。

4.1.2 变送器的选择

变送器用于将传感器提供的电量或非电量转换为标准量程的直流电流或直流电压

信号，例如DC 0-10V和DC 4-20mA。变送器分为电流输出型和电压输出型。电压输出

型变送器具有恒压源的性质，PLC模拟量输入模块的电压输入端的输入阻抗很高，在

100K～10M。如果变送器距离PLC较远，通过线路间的分布电容和分布电感产



范围

生的干扰信号电流，在模块的输入阻抗上将产生较高的电压干扰。例如

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1A干扰电流在10M输入阻抗上将产生10V的干扰电压信号，所以远程传送模拟





量电压信号时抗干扰能力很差。

电流输出型变送器具有恒流源的件质，恒流源的内阻很大。PLC的模拟量输入模块

输入电流时，输入阻抗较小。线路上的干扰信号在模块的输入阻抗上产生的干扰电压很

低，所以模拟量电流信号适于远程传送。本设计的变送器将检测到的流量信号转化为

4~20mA的电流。

4.1.3 闭环控制反馈极性的确定

闭环控制必须保证系统是负反馈(误差=给定值-反馈值)，而不是正反馈（误差=给

定值+反馈值)。如果系统接成了正反馈，将会失控，被控制量会向单一方向增大或减小，