【正文】 年代發(fā)展的新技術(shù)，由于采用了微機(jī)控制和大功率晶體管(GTR)技術(shù)，生產(chǎn)出了交流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的先進(jìn)產(chǎn)品 — 交流電機(jī)變頻調(diào)速器。這些技術(shù)和裝備在給水系統(tǒng)中的應(yīng)用，使得變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)成為當(dāng)前高層建筑供水方式中一種新型的供水方案。利用變頻調(diào)速裝置和壓力傳感器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)控制水泵的轉(zhuǎn)速，保持水壓恒定。下面就詳細(xì)介紹雙恒壓供水系統(tǒng)的理論構(gòu)置情況。 2. 2 工藝調(diào)節(jié)過(guò)程簡(jiǎn)介 系統(tǒng)由三臺(tái)變速泵及可編程控制器、遠(yuǎn)程壓力表、控制 柜等單元設(shè)備和器件組成。其中變速變量泵是利用變頻器改變電機(jī)工作頻率來(lái)改變水泵的輸出流量，利用速度變化來(lái)恒定系統(tǒng)壓力的。 當(dāng)系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，遠(yuǎn)程壓力表檢測(cè)管網(wǎng)壓力并將信號(hào)傳送到變頻器和 PLC 在變頻控制軟件和 PLC 的作用下，系統(tǒng)根據(jù)不斷收取到的管網(wǎng)壓力信號(hào)，發(fā)出變頻調(diào)速泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度和各泵投運(yùn)和輪休的指令，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)論用水量怎樣變化，管網(wǎng)壓力始終保持在設(shè)定壓力范圍，變化誤差符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，即 系統(tǒng)內(nèi)有常規(guī)供水壓力和消防用水壓力兩種壓力預(yù)置。正常狀態(tài)下，系統(tǒng)按生活 (生產(chǎn) )預(yù)定壓力供 水。當(dāng)有火災(zāi)信號(hào)輸入，或手動(dòng)強(qiáng)制開啟消防供水開關(guān)，裝置都會(huì)自動(dòng)報(bào)警并自動(dòng)轉(zhuǎn)入消防用水壓力供水，同時(shí)切斷生活、消防管網(wǎng)保證生活 (生產(chǎn) )供水。當(dāng)運(yùn)行中的水泵不足以提供預(yù)定消防用水壓力時(shí)，自動(dòng)逐一開啟各個(gè)水泵直至達(dá)到設(shè)定消防用水壓力。 2. 3 變頻調(diào)速調(diào)節(jié)系統(tǒng) 2. 3. 1 調(diào)速原理 ①基本原理 在三、四十年代，電機(jī)調(diào)速理論和技術(shù)已在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家開始研究和應(yīng)用，如通過(guò)改變電機(jī)的極對(duì)數(shù)，利用變頻，改變交流電源的頻率值，在轉(zhuǎn)子電路中加入調(diào)速變阻器或磁性放大器等方法對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。但都由于技術(shù)及設(shè)備 復(fù)雜而不能在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中廣泛應(yīng)用，隨著微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展特別是到了 80 年代采用大功率晶體管后，使得工業(yè)交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)有了廣泛應(yīng)用的可能。 目前，水泵電機(jī)絕大部分是三相交流異步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性，電機(jī)電氣專業(yè) 高級(jí)工畢業(yè)課題設(shè)計(jì)說(shuō)明書 9 的轉(zhuǎn)速 n為 psfn /)1(60 ?? （ ） 式中 n 電機(jī)轉(zhuǎn)速 . f 電 源頻率 s 轉(zhuǎn)差率 p 當(dāng)水泵電機(jī)選定后， P 為定值，也就是說(shuō)電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉(zhuǎn)速越高 。反之，轉(zhuǎn)速越低。變頻調(diào)速就是根據(jù)這一原理，通過(guò)改變電源的頻率值來(lái)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。 ②變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制特性分析 電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩由負(fù)載的需要來(lái)決定，在不同的轉(zhuǎn)速下，不同的負(fù)載需要的轉(zhuǎn)矩也是不同的，調(diào)速方法和控制特性應(yīng)適應(yīng)負(fù) 載的要求。 1)水泵負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性 水泵負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL基本上與轉(zhuǎn)速 n 的平方成正比，即 2knTL? （ ） 式中， k 為比例常數(shù)，兩者的關(guān)系曲線如圖 點(diǎn)劃線所示。 2)變頻調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 變頻調(diào)速時(shí)，為了使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能好，勵(lì)磁電流和功率因數(shù)應(yīng)基本保持不變，即希望氣隙磁通 ? 也 保持不變，若 N??? （ N? 為額定運(yùn)行時(shí)的磁通 )， 將引起電機(jī)磁路過(guò)分飽和而使勵(lì)磁電流增加，功率因數(shù)降低 :若 N??? ， 將使電機(jī)的容許輸出轉(zhuǎn)矩下降，電機(jī)的功率得不到充分利用，因此變頻調(diào)速一般應(yīng)使氣隙磁通保持不變。 根據(jù)電動(dòng)機(jī)的等效電路，如圖 所示，在忽略定子漏阻抗壓降 電氣專業(yè) 高級(jí)工畢業(yè)課題設(shè)計(jì)說(shuō)明書 10 的條件下，定子的相電壓 U1 與氣隙磁通中和頻率 f1 之間的關(guān)系為 （ ） 式中 ， 11 NKN 為定子繞組每相的有效匝數(shù)，當(dāng)電機(jī)確定后，為一常數(shù)。由式 ()可知，在 f 變化時(shí)，電機(jī)的端電壓 U，必須與頻率 f 成正比變化，才能保持。不變，即 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 T為： （ ） 式中， P 為電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)， R1 , 為定子每相繞組的電阻和額定頻率 fN下的漏抗； 為轉(zhuǎn)子每相繞組折算到定子側(cè)的電阻和額定頻率 fN的漏抗 。s 為轉(zhuǎn)差率，即 式中， n。為某一頻率下的同步轉(zhuǎn)速 在額定電壓 NU 和額定頻率 Nf 時(shí)， T= f(n)曲線如圖 中實(shí)線 na 時(shí)所示。令 0/ ?dsdt ，求得電動(dòng)機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩 Tm為 () 在變頻調(diào)速過(guò)程中，保持 U1/f1=C(常數(shù) )，也就是保持氣隙磁通近似為常數(shù)，若令 ,則 ，此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩 () 相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩為 電氣專業(yè) 高級(jí)工畢業(yè)課題設(shè)計(jì)說(shuō)明書 11 (） 正常運(yùn)行時(shí)， S 很小，約在 5%之內(nèi)，式 ()中 sR1，忽略不計(jì)。在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速之差 (n。 n}將不變，轉(zhuǎn)矩特性 (穩(wěn)定運(yùn)行段 )在 U1/f1=常數(shù)。運(yùn)行方式下，當(dāng) a不同時(shí)，它為一組平行的曲線，如圖 實(shí)線所示。 從式 ()可看出，由于定子電阻 R1 的存在，隨著運(yùn)行頻率的降低， R1 與電抗相比， R1的作用愈來(lái)愈大，使最大轉(zhuǎn)矩 Tm將明顯減小。 3)恒壓變頻供水系統(tǒng)中負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL與電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩 T2 的配合 根據(jù)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)方程式，在忽略空載轉(zhuǎn)矩條 件下，電磁轉(zhuǎn)矩 T=T2，這樣，運(yùn)動(dòng)方程式為 : () 式中， 為系統(tǒng)的飛輪矩。從圖 可看出，負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性 )(nfTL ? 和電機(jī)機(jī)械特性 )(nfTL ? 的交點(diǎn)，就是轉(zhuǎn)矩的平衡點(diǎn)，從圖中曲線的變化可知，這些點(diǎn)也是穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)?？梢?，在基頻 Nf 以下實(shí)現(xiàn)調(diào)速，調(diào)速范圍比較大，即使考慮低頻下 R1 的影響，仍可使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，非常適宜供水系統(tǒng)晝夜用水量變化較大的場(chǎng)合。 由于采用恒壓頻比的控制特性，使整個(gè)調(diào)速運(yùn)行中 保持額定磁通 N保持不變，從功率因數(shù)看，是最好的控制特性。 如圖 為變頻調(diào)速恒壓給水的水泵曲線圖，當(dāng)流量由 變化至 時(shí)，恒速泵揚(yáng)程必定會(huì)升至 39。B 處，由于恒壓線定在 Ha，壓力傳感器檢測(cè)出壓力上升趨勢(shì)后，反饋增加輸出信號(hào)，使變頻器降低頻率控制水泵，減速至 n2，使之保持恒壓 Ha,節(jié)省揚(yáng)程 BB39。隨著水泵轉(zhuǎn)速的降低，工況點(diǎn)將從 A 沿恒壓 線逐漸變化至 B, C 流量隨之減少，當(dāng) n 下降至 n4, QH 曲線的最大揚(yáng)程為 aH ，在 n4 以下時(shí)，因?yàn)?QH曲線最大揚(yáng)程小于 Ha，水泵揚(yáng)程將不滿足要求。 電氣專業(yè) 高級(jí)工畢業(yè)課題設(shè)計(jì)說(shuō)明書 12 按這一原理水泵的轉(zhuǎn)速只要從額定轉(zhuǎn)速變化至 n4 時(shí)，可供小于 的任一流量，水泵的工況點(diǎn)沿恒壓線從 AD變化。實(shí)際上以上的原理是在水泵曲線為 : ，的情況下，即 中， k=0 水泵的最大揚(yáng)程為零流量時(shí)揚(yáng)程的情況下成立。 當(dāng) k/=0 時(shí)，實(shí) 際水泵曲 線分如下兩 類 : (1)曲線的峰點(diǎn)在 Q=0 時(shí)的右側(cè) (見圖 )，此時(shí)水泵變頻將到 n2 時(shí)出水量為 Q39。 ，水泵轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降將不出水， Q39。 為水泵變頻后的最小出水量，此時(shí)的轉(zhuǎn)速所對(duì)應(yīng)的頻率為最低調(diào)節(jié)頻率。 (2)水泵曲線 (見圖 )，當(dāng)流量逐漸減少到某一流量 Q39。 時(shí)，水泵揚(yáng)程不再上升或上升幅度極小，曲線幾乎平行于恒壓線，此類水泵變頻后，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速下降至 3n 時(shí) ，流量 Q39。 轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降時(shí)水泵將不出水，轉(zhuǎn)速 3n 所對(duì)應(yīng)的頻率為變頻調(diào)速給水設(shè)備水泵的最低調(diào)節(jié)頻率。 由此可知，以上兩種情況，水泵變頻后的最小出水量有一臨界值 Q39。 ,此值隨水泵的不同其值也不同，設(shè)有 n 臺(tái)水泵組成的變頻供水設(shè)備，當(dāng)用戶的用水量為 : 39。QXQ? (X= 1, 2,?， n1 其中 Q 為水泵的工頻流量 )時(shí)，設(shè)備將出現(xiàn) x 臺(tái)水泵因無(wú)法供出小 于Q39。 的水量，而出現(xiàn)反復(fù)的啟、?，F(xiàn)象，此區(qū)為設(shè)備的“流量失調(diào)區(qū)”。 水泵調(diào)速具有一定范圍的，不同的水泵有不同的調(diào)速范圍，不是任意可調(diào)的，其它范圍由水泵本身的特性和用戶所需的揚(yáng)程決定。當(dāng)選定某型號(hào)的水泵時(shí)可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，再根據(jù)用戶的揚(yáng)程確定具體最低調(diào)頻范圍 。 電氣專業(yè) 高級(jí)工畢業(yè)課題設(shè)計(jì)說(shuō)明書 13 2. 4 節(jié)能分析 采用變頻調(diào)速恒，改變了傳統(tǒng)采用改變出水閥的開口度來(lái)調(diào)節(jié)流量和壓力的方法，避免了能量的大量浪費(fèi)，下面就從水泵和管網(wǎng)的特性及節(jié)能的具體運(yùn)行原理加以說(shuō)明。 水泵 的基本參數(shù)和特性 離心式水泵廣泛應(yīng)用于工業(yè)和生活供水系統(tǒng)中。其輸出特性取決于水泵的種類和供水管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力特性。離心泵的 HQ 曲線如圖 所示。 水泵軸功率按下式計(jì)算 : () 式中 P 一一軸功率 (KW) Q一一工況點(diǎn)的流量 (( sm/3 )。 H 一一一工況點(diǎn)的揚(yáng)程 (m)。 一一介質(zhì)的單位體積重量 (kg/m3 )。 — 工況點(diǎn)的效率。 每臺(tái)水泵只有在原設(shè)計(jì)工況點(diǎn) (A 點(diǎn) )時(shí)，泵的使用效率才為最高點(diǎn)，偏離這個(gè)工況點(diǎn) (在 B. C 兩點(diǎn) )效率就會(huì)降低。根據(jù)以上分析，按照供水系統(tǒng)的實(shí)際流量 0Q 和揚(yáng)程 H。以及與之相對(duì)應(yīng)的水泵使用效率 ?？梢运愠鏊媒?jīng)濟(jì)的軸功率 0P 。即 : () 這樣整個(gè)供水系統(tǒng)的節(jié)能潛力為 : W=(PP0 )t， () 式中 P水泵消耗的總軸功率 : t水泵運(yùn)行時(shí)間。 水泵在管道輸送時(shí)，受到管網(wǎng)阻力的作用，圖 繪出了供水管網(wǎng)的 HQ 阻力曲線。管網(wǎng)裝置特性可以從閥門全開時(shí)測(cè)得的各種數(shù)據(jù)由下式求得 : 電氣專業(yè) 高級(jí)工畢業(yè)課題設(shè)計(jì)說(shuō)明書 14 由圖 可知泵的特性曲線 (1)與管網(wǎng)阻力曲線 (2)的交點(diǎn)即為泵的正常使用工況點(diǎn)。從管網(wǎng)特性上求得管網(wǎng)實(shí)際所需的性能以及泵與管網(wǎng)性能的匹配情況以此作為水泵節(jié)能依據(jù)。 圖 為水泵調(diào)速時(shí)的 HQ 曲線。水泵運(yùn)行在泵特性曲線 N 與管網(wǎng)阻力曲 線 R 的交點(diǎn) D。 傳統(tǒng)的流量控制用閥門控制時(shí)，由于必須關(guān)上閥門才能減小流量，使閥門對(duì)供水的摩擦阻力變大，阻力曲線從 R 移到 R`，揚(yáng)程則從 H0 升到 H1，流量從 Q 0 減小到 Qa 。運(yùn)行工況點(diǎn)從 D 點(diǎn)移到 A 點(diǎn)。 用變頻調(diào)速控制時(shí)，阻力曲線 R 不動(dòng)，泵的特性曲線取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)速，如果把速度從 n 降到 n1，工況點(diǎn)將從 D 點(diǎn)移到 C 點(diǎn)， Q0 減小到 Q1 與閥門控制時(shí)輸出的流量相同。 根據(jù)公式 ()求出運(yùn)行時(shí)在 A 點(diǎn)的泵軸功率為 :軸功率為 : ， C點(diǎn)泵的軸功率為： ，兩者之差 ： （ ） 也就是說(shuō)，用閥門控制流量時(shí)有△ P 的功率被白白浪費(fèi)了，而且損耗隨著閥門的關(guān)小增加 。用轉(zhuǎn)速控制時(shí)，由水泵葉輪相似定律，流量 Q、揚(yáng)程 H、軸功率 P 和轉(zhuǎn)速 n 之間的關(guān)系為 : 電氣專業(yè) 高級(jí)工畢業(yè)課題設(shè)計(jì)說(shuō)明書 15 由這些關(guān)系可知 :流量、揚(yáng)程、軸功率分別與轉(zhuǎn)速的 1, 2. 3 次方而變化。采用變頻器改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_(dá)到調(diào)節(jié)流量的方法，其揚(yáng)程特性曲線 (HQ)及功率 特性曲線（ PQ)對(duì)于轉(zhuǎn)速的變化如圖 所示。 對(duì)于特定的管路，當(dāng)流量為 Q1 ，需要揚(yáng)程為 HA 時(shí)，可在泵特性曲線上求得工作點(diǎn)A，假定此時(shí)泵的轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速 n以滿足要求，相應(yīng)的功率是 PA 。當(dāng)流量從 Q1 :降低到Q2 時(shí)，由管路要求此時(shí)揚(yáng)程為 HB 所以出現(xiàn)了 Q2 時(shí)的工作點(diǎn) B，其相的功率是 BP 。此時(shí)若有變頻器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，由圖 看出可獲得 AB 大小的節(jié)電效果。 2. 5 本章小結(jié) 本章從系統(tǒng)的構(gòu)置框圖傳遞函數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩及等效電路和水泵調(diào)速高效區(qū)分析，等進(jìn)行了理論分析，使恒壓系統(tǒng)的構(gòu)筑有了堅(jiān)實(shí)持理論支撐，并為下步的設(shè)計(jì)選型提供了依據(jù)。 ①變頻調(diào)速給水設(shè)備恒壓供水存在要當(dāng)范圍的“流量失調(diào)區(qū)”和低效運(yùn)行區(qū)域。在“流量失調(diào)區(qū)”內(nèi)水泵將反復(fù)啟停，耗能嚴(yán)重，而且在較大的流量范圍內(nèi)低效運(yùn)行，在不帶氣壓罐的情況下水 泵將在夜間不停運(yùn)行。 ②變頻調(diào)速給水設(shè)備的頻率變化大部分在 4050Hz之間。就是說(shuō)轉(zhuǎn)速的下降在 20%以內(nèi)， 40Hz 往下時(shí)因揚(yáng)程下降較大，同時(shí)效率下降也較大，不能按相似工況拋物線變化，比例律誤差增大，因此變頻調(diào)速給水設(shè)備的調(diào)速是有范圍的。 ③變頻調(diào)速給水設(shè)備在配置水泵的時(shí)候應(yīng)盡量選用 QH 曲線較陡型的水泵，且選取電氣專業(yè) 高級(jí)工畢業(yè)課題設(shè)計(jì)說(shuō)明書 16 中應(yīng)盡量使用戶要求的壓力靠近水泵高效區(qū)的下區(qū)，即揚(yáng)程較小處。 ④該裝置具有占地小、設(shè)備簡(jiǎn)單、便于集中管理、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，適用于建筑用水不均勻的現(xiàn)象，使之運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理，更適用于高 層建筑。 ⑤應(yīng)用在高層建筑消防給水系統(tǒng)中可消除初期火災(zāi)時(shí)管網(wǎng)壓力過(guò)高而損壞消防管網(wǎng)現(xiàn)象，同時(shí)應(yīng)采用穩(wěn)壓泵配合使用。 ⑥由