【正文】 分析自動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)組Ⅰ（ 2水泵機(jī)組）工作過程，可分為以下三個(gè)工作狀態(tài)：電機(jī)變頻啟動(dòng)； 電機(jī)工頻運(yùn)行， 2電機(jī)變頻運(yùn)行； 電機(jī)單獨(dú)變頻運(yùn)行，一般情況下，水泵電機(jī)都處于這三種工作狀態(tài)中，當(dāng)管網(wǎng)壓力突變時(shí)，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應(yīng)變換，因此這三種工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)著三個(gè)切換過程。 切換過程Ⅰ 1電機(jī)變頻啟動(dòng)，頻率達(dá)到 50Hz， 1電機(jī)工頻運(yùn)行， 2電機(jī)變頻運(yùn)行。系統(tǒng)開始工作時(shí)，管網(wǎng)水壓低于設(shè)定壓力下限 P。按下相應(yīng)的按鈕，選擇機(jī)組Ⅰ運(yùn)行，在 PLC 可編程控 制器控制下， KM2 得電， 1電機(jī)先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器 FWD 端。變頻器對(duì)拖動(dòng) 1泵的電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)， 1電機(jī)啟動(dòng)，運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著運(yùn)行頻率的增加，當(dāng)變頻器輸出頻率增至工頻 f0 可編程控制器發(fā)出指令，接通變頻器 BX端，變頻器 FWD 端斷開， KM2 失電， 1電機(jī)自變頻器輸出端斷開， KM1 得電， 1電機(jī)切換至工頻運(yùn)行， 1電機(jī)自變頻器輸出端斷開， KM1 得電 1電機(jī)切換至工頻運(yùn)行。 1電機(jī)工頻運(yùn)行后，開啟 1泵閥門， 1泵工作在工頻狀態(tài)。接著 KM3 得電， 2電機(jī)接至變頻器輸出端，接通變頻器 FWD 端，變 頻器 BX端斷開， 2電機(jī)開始軟啟動(dòng)，運(yùn)行一段時(shí)間后，開啟 2泵閥門， 2水泵電機(jī)工作在變頻狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn) 1水泵由變頻切換至工頻電網(wǎng)運(yùn)行， 2水泵接入變頻器并啟動(dòng)運(yùn)行，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，直到管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值（ Pi＜ P＜ Pm）為止。 切換過程Ⅱ 由 1電機(jī)工頻運(yùn)行， 2電機(jī)變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)?2電機(jī)單獨(dú)變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)晚上用水量大量減少時(shí)，水壓增加， 2水泵電機(jī)在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，水泵輸出流量減少，當(dāng)變頻器輸出頻率下降到指定值 fmin，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到指定值，水管水 壓高于設(shè)定水壓上限 Pk時(shí)（ 2電機(jī)， f=fmin， P＜ Pk），在 PLC 可編程控制器控制下， 1水泵電機(jī)在工頻斷開， 2水泵繼續(xù)在變頻器拖動(dòng)下變頻運(yùn)行。 切換過程Ⅲ XXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 由 2電機(jī)變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)?2電機(jī)變頻停止， 1電機(jī)變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)早晨用水量再次增加時(shí)， 2電動(dòng)機(jī)工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)變頻器輸出頻率增至工頻 fi（即 50Hz），水管水壓低于設(shè)定水壓上限 Pi時(shí)（ 2電機(jī) f=fi， P≦ Pi），接通變頻器 BX 端，變頻器FWD斷開， KM3 斷開， 2電機(jī)自變頻器輸出端斷開； KM2 得電， 1電機(jī)接至變頻器輸出端；接通變頻器 FWD 端，于此同時(shí)變頻器 BX端斷開。 1電機(jī)開始軟啟動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)又回到初始工作狀態(tài)Ⅰ，開始新一輪循環(huán) 。 圖 1和 2機(jī)組工作過程流程圖 變頻調(diào)速的基本調(diào)速原理 水泵機(jī)組應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)。即通過改變電動(dòng)機(jī)定子電源效率來改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以相應(yīng)的改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒定，達(dá)到節(jié)能效果。 如圖 ， n 為水泵特性曲線， A管路特性曲線， H0 為管網(wǎng)末端的服務(wù)壓力，H1為泵出口壓力。當(dāng)用水量達(dá)到最大 Qmax 時(shí)，水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)， 出口閥門全開，達(dá)到了滿負(fù)荷運(yùn)行，水泵的特性 n0 和用水管特性曲線 A0匯交于 b點(diǎn)，此時(shí)，水泵輸出口壓力XXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 為 H，末端服務(wù)壓力剛好為 Qmax 減少到 Q1的過程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同 [3]。 圖 節(jié)能分析曲線圖 ★ 水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠關(guān)小泵出口閥門來控制；此時(shí)，管路阻力特性曲線變陡（ A2），水泵的工況點(diǎn)由 b點(diǎn)上滑到 c點(diǎn)，而管路所需的揚(yáng)程將由 b點(diǎn)滑到 d點(diǎn)，這樣 c 點(diǎn)和 d點(diǎn)揚(yáng)程的差值即為全速水泵的能量浪費(fèi)。 ★ 水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠泵的出口壓力恒定來控制；此時(shí)，當(dāng)用水量由 Qmax下降時(shí)，控制系統(tǒng)降低水泵轉(zhuǎn)速來改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。所以其工況點(diǎn)是在 H上平移。在水量到達(dá) Q1時(shí)，相應(yīng)的水泵特性趨向?yàn)?nx。而管路的特性曲線將向上平移到 A1，兩線交點(diǎn) e即為此時(shí)的工況點(diǎn)，這樣，在水量減少到 Q1 時(shí)，將導(dǎo)致管網(wǎng)不利點(diǎn)水壓升高到 H0﹥ H1，則 H1 即為水泵的能量浪費(fèi)。 ★ 水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)取不利點(diǎn)壓力恒定來控制；此時(shí)，當(dāng)用水量由 Qmax 下降到 Q1 時(shí)，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵的特性曲線 n1，其工況點(diǎn)為 d 點(diǎn)，正好落在管網(wǎng)特性曲線 A0 上，這樣可以使水泵的工作點(diǎn)式中沿著 A0 滑動(dòng)，管網(wǎng)的 服務(wù)壓力 H0 恒定不變，其揚(yáng)程與系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，沒有能量的浪費(fèi)。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗下降了 h1。 XXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 根據(jù)水泵相似原理： Q1/Q2=n1/n2 H1/H2=(n1/n2)*2 P1/P2=(n1/n2)*3 式中， Q、 H、 P、 n 分別為泵流量、壓力、軸功率和轉(zhuǎn)速。即通過控制轉(zhuǎn)速可以減少軸功率。根據(jù)以上分析表明，選擇供水管網(wǎng)最不利點(diǎn)允許的最低壓力為控制參數(shù)，通過壓力傳感器以獲得壓力信號(hào)，組成閉環(huán)壓力自控調(diào)速系統(tǒng)，以使水泵的轉(zhuǎn)速保持與調(diào)速裝置所設(shè)定的控制壓力相匹配，使調(diào)速技術(shù)和自控技 術(shù)相結(jié)合，達(dá)到最佳節(jié)能效果。 采用變頻恒壓供水系統(tǒng)除可節(jié)能外，還可以使水泵組啟動(dòng)，降低了起動(dòng)電流，避免了對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊負(fù)荷，提高了供水供電的安全可靠性。另外，變頻器本身具有過電流、過電壓、失壓等多種保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。 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)的 轉(zhuǎn)速 n為 n=120(1s)/p 式中 s為電機(jī)的滑差（ s=）， p為電機(jī)極對(duì)數(shù)， f 為定子供電頻率。當(dāng)水泵電機(jī)選定后， p和 s 為定值，也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)速與電 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)速時(shí)是根據(jù)這一公式來實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速的。 由流體力學(xué)知：管網(wǎng)壓力 P、流量 Q和功率 N的關(guān)系為 N=PQ 由功率與水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速成三次方正比關(guān)系，基于轉(zhuǎn)速控制比，基于流量控制可以大幅度降低軸頻率 [4]。 水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析 水泵運(yùn)行工況點(diǎn) A是水泵性能曲線 n1 和管道性能曲線 R1 的交點(diǎn)。在常規(guī)供水系統(tǒng)中，采用閥門控制流量，需要減少流量時(shí)關(guān)小閥門，管路性能曲線有 R1變?yōu)?R2。 運(yùn)行工況點(diǎn)沿著水泵性能曲線從 A點(diǎn)移到 D點(diǎn)，揚(yáng)程從 H0 上升到 H1，流量從 Q0 減 少到 Q1。采用變頻調(diào)速控制時(shí)，管路性能曲線 R1保持不變，水泵的特性取決于轉(zhuǎn)速，如果水泵轉(zhuǎn)速?gòu)?n0 降到 n1，水泵性能曲線從 n0 平移到 n1，運(yùn)行工況點(diǎn)沿著水泵性能曲線從 A點(diǎn)移到 C 點(diǎn)，揚(yáng)程從 H0 下降到 H1，流量從 Q0 減少到 Q1。 在圖 中水泵運(yùn)行在 B點(diǎn)時(shí)消耗的軸功率與 H1BQ1O 的面積成正比，運(yùn)行在 C點(diǎn)時(shí)消耗的軸功率與 H2CQ1O 的面積成正比，從圖 26上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調(diào)速控制比恒速泵控制節(jié)能效果明顯。 XXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 圖 變頻調(diào)速恒壓供水單臺(tái)水泵工況調(diào)節(jié)圖 求出運(yùn)行在 B點(diǎn) 的泵的軸功率 B y yN kQ H? 運(yùn)行在 C點(diǎn)泵的軸功率 C y yN kQ H? 兩者之差 22222j j jhQg gA???? 也就是說，采用閥門控制流量時(shí)有Δ V 的功率被白白浪費(fèi)了，而且損耗閥門的關(guān)小而增加。相反，采用變頻調(diào)速控制水泵電機(jī)時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)降低時(shí)，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)與恒速泵供水方式中用閥門增加阻力的流量控制方式相比，節(jié)能效果顯著。 本章小結(jié) 本章從水泵理 論和管網(wǎng)特性曲線分析入手討論水泵工作點(diǎn)的確定方法。接著介紹了水泵工況調(diào)節(jié)的幾種常用方法。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調(diào)節(jié)是通過改變水泵性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。本章重點(diǎn)對(duì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機(jī)理進(jìn)行深入研究，得到以下幾個(gè)結(jié)論： a. 水泵的工作點(diǎn)就是在同一坐標(biāo)系中水泵的性能曲線和管路性能曲線的交點(diǎn) ， 水泵工作點(diǎn)是水泵運(yùn)行的理想工作點(diǎn) ， 實(shí)際運(yùn)行時(shí)水泵的工作點(diǎn)并非總是固定不變的。 b. 水泵工況的調(diào)節(jié)就是采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來移動(dòng)工作點(diǎn)，使其符合要求。 XXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 3 變頻恒壓調(diào)速供水系 統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件總體說明 單片機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框架圖如圖 。 本系統(tǒng)以 8951單片機(jī)為核心，它有 4KEPROM,所以不用外擴(kuò) EPROM,這樣可以利用 P0、P2口作為輸入、輸出 I/O 口，簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的顯示采用 4 片 74LS164 驅(qū)動(dòng) LED，使用 8951 的串行通訊口 TXD， DXD。 93C46 為串行 EEPROM，用于保存開機(jī)設(shè)定的原始參數(shù) [5]。 圖 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 555 定時(shí)器復(fù)位電路 用 NE555 組成的硬件定時(shí)復(fù)位系統(tǒng)，可以有效地防止程序死機(jī)現(xiàn)象。 XXX 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 NE555 封裝 圖 NE555封裝圖