【正文】 統(tǒng)的新要求。由于安全生產(chǎn)和供水質(zhì)量的特殊需要，對恒 壓供水壓力有著嚴(yán)格的要求，因而變頻調(diào)速技術(shù)得到了更加深入的應(yīng)用 。但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說，還遠遠沒能達到所有用戶的要求 。采 用該系統(tǒng)進行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控 ， 同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義 。徹底消除水錘現(xiàn)象。 變頻調(diào)速的方式在節(jié)能效果上明顯優(yōu)于氣壓罐方式。而變頻恒壓供水在系統(tǒng)用水量下降時可無級調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使供水壓力與系統(tǒng)所需水壓大致相等，這樣就節(jié)省了許多電能，同時變頻器對水泵采用軟啟動，啟動時沖擊電流很小，啟動能耗比較小。而變頻調(diào)速式中的調(diào)速裝置占地面積僅為幾平米。由于氣壓罐的調(diào)節(jié)容量僅占其總?cè)莘e的 1/31/6，因而每個罐的調(diào)節(jié)能力很小，只得依靠頻繁的啟動來保證供水，這樣將產(chǎn)生較大的噪聲，同時由于啟動過于頻繁，壓力不穩(wěn)，加之硬啟動，電氣和機械沖擊較大，設(shè)備損壞很快。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 第二 章 調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)能耗與安全性分析 在供水系統(tǒng)中，用水量處于動態(tài)變化過程之中，采取恒速泵供水方式，無法維持管壓恒定，同時也影響設(shè)備壽命；若采取閥門控制調(diào)節(jié)流量來維持管壓，必然造成大量的電能浪費；而且水泵電機直接工頻起動與制動帶來的水錘效應(yīng)，對管網(wǎng)、閥門等也具有破壞性的影響。 供水系統(tǒng)的基本模型 供水系統(tǒng)的基本模型如圖 所示。只有在 3h 大于管道的實際最高位置的情況下，才能正常水。即 ： TH = 3h 0h ； 5． 損失揚程 LH 全揚程與實際揚程之差，即為損失揚程。 供水系統(tǒng)的特性曲線和工作點 供水系統(tǒng)的參數(shù)表明了供水的性能。 圖 中 ： EH 0H NH CH EQ NQ O BH ② ① ③ ④ TH A B N 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 曲線 ① —— 額定轉(zhuǎn)速 Nn 時的揚程特性曲線 ； 曲線 ② —— 轉(zhuǎn)速 1n 時的揚程特性曲線 ； 曲線 ③ —— 閥門開度 100%時的管阻特性曲線 ； 曲線 ④ —— 閥門開度不足 100%時的管阻特性曲線 。在這里，流量的大小取決于用戶，是用水流量，用 UQ 表示。 管阻特性表明由閥門開度來控制供水能力的特性曲線。 當(dāng)供水流量 GQ 接近于 0 時，所需的揚程等于實際揚程（ BT HH ? ） 。在這一點，供水系湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 統(tǒng)既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性。 供水系統(tǒng)中恒壓實現(xiàn)方式 對供水系統(tǒng)進行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用 戶對流量的需求。 若供水能力 GQ ＜用水需求 UQ ，則壓力 P 下降； 若供水 能力 GQ = 用水需求 UQ ，則壓力 P 不變。 異步電動機調(diào)速方法 通過轉(zhuǎn)速控制法實現(xiàn)恒壓供水，需要調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。磁極對數(shù)的改變通過改變電機定子繞組的接線方式來實現(xiàn)。2239。雖然變轉(zhuǎn)差調(diào)速中的串級調(diào)速法能將增加部份的轉(zhuǎn)差功率通過整流、逆變裝置回饋給電網(wǎng)，但其功率因數(shù)較低，低速時過載能力低，還需一臺與電動機相匹配的變壓器，成本高，且 增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗。最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的，簡稱為 VVVF (Variable Voltage Variable Frequency)。21139。 圖 中 Nf ＞ 1f ＞ 2f ＞ 3f ＞ 4f 。 圖 變頻調(diào)速機械特性 變頻器選型 變頻器的選擇包括變頻器的型式選擇、容量選擇和變頻器箱體結(jié)構(gòu)的選擇三個方面。對于風(fēng)機，泵類等平方轉(zhuǎn)矩，低速負載轉(zhuǎn)矩較小，通?？蛇x擇普通功能型的變頻器。為減少主電源千擾，使用時可在中間或變頻器輸入電路中增加電抗器，或安裝前置隔離變壓器。選擇變頻器時，只有變頻器的額定電流量是一個反映半導(dǎo)體變頻器裝置負載能力的關(guān)鍵量。隨著電動機極數(shù)的增多，電動機額定電流增大。若以電動機額定電流為依據(jù)來選擇變頻器的容量，留有富裕量太大，造成經(jīng)濟上浪費，而可靠性并沒有因此而得到提高。 3. 變頻器箱體結(jié)構(gòu)的選用 變頻器的箱體結(jié)構(gòu)要與環(huán)境條件相適應(yīng)，即必須考慮溫度， 濕度，粉塵，酸堿度，腐蝕性氣體等因素，這些因素與能否長期安全、可靠運行有很大的關(guān)系。適用環(huán)境條件差，有水，塵及一定腐蝕氣體的場合。 圖 變頻器實物圖 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)能耗分析 轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)流量實現(xiàn)節(jié)能 （ 1）轉(zhuǎn)速控制法與閥門控制法供水能耗分析 在圖 ，將閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法的特性曲線畫在了同一坐標(biāo)系中。 一般在設(shè)計中，水泵均考慮在最不利工況下供水，水泵在選型上也是按水泵額定工作點選型和安裝使用，即按額定工作點設(shè)計。 轉(zhuǎn)速控制供水系統(tǒng)的工作效率高 (1) 工作效率的定義 供水系統(tǒng)的工作效率為水泵的供水功率 GP 與軸功率pP之比，即 PGp Pp?? () 該效率是包含了水泵本身效率在內(nèi)的整個供水系統(tǒng) 的總效率。 有以下關(guān)系 ，Np ??? ?* 、湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 NQ?* 、Nnnn?* 1C 、 2C 為 常數(shù)，遵循如下規(guī)律 1C 2C =1。 所以，轉(zhuǎn)速控制方式與閥門控制方式相比，供水系統(tǒng)的工作效率要大得多。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果的第三個方面 供水系統(tǒng)安全性討論 水錘效應(yīng) 水錘效應(yīng)是一種形象的說法 .它是指給水泵在起動和停車時，水流沖擊管道，產(chǎn)生的一種嚴(yán)重水擊。相反，關(guān)閉的閥門在突然打開或給水泵 啟動后，也會產(chǎn)生水錘，叫負水錘，但沒有前者大。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 產(chǎn)生水錘效應(yīng)的原因及消除辦法 產(chǎn)生 水錘效應(yīng)的根本原因，是水泵在起動和制動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩太大，短時間內(nèi)流量的巨大變化而引起的。 采用變頻調(diào)速，通過減少動態(tài)轉(zhuǎn)矩，可以實現(xiàn)徹底消除水錘效應(yīng)。 圖中曲線 ① 是異步電動機的機械特性，曲線 ② 是水泵的機械特性，圖 )中的鋸齒狀線是變頻起動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 第三 章 變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計 供水系統(tǒng)總體方案的確定 1． 用戶需求 供水系統(tǒng)總體要求 ： (1) 由多臺水泵機組實現(xiàn)供水，流量范圍 120m3/h，揚程 80米左右； (2) 設(shè)置一臺小泵作為輔助泵，用于小流量時的供水； (3) 供水壓力要求恒定，尤其在換泵時波動要?。? (4) 系統(tǒng)能自動可靠運行，為方便檢修 和應(yīng)急，應(yīng)具備手動功能； (5) 各主泵均能可靠地實現(xiàn)軟啟動； (6) 具有完善的保護和報警功能； (7) 系統(tǒng)要求較高的經(jīng)濟運行性能 。 連續(xù)型是指一天內(nèi) 很少有流量為零的時候，或本身管網(wǎng)的正常泄漏就保持有一定的流量。 采用多臺水泵并聯(lián)供水，根據(jù)用水量大小調(diào)節(jié)投入水泵臺數(shù)的方案。 處于供水低谷小流量或夜間小流量時，為進一步減少功耗，采用一臺小流量泵來維持正常的泄漏和水壓。 綜合以上分析，確定以可靠性高、使用簡單、維護方便的變頻器和 PLC 作為主要控制設(shè)備來設(shè)計變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖 。供水系統(tǒng)屬泵類負載，低速運行時的轉(zhuǎn)矩小，可選用價格相對便宜的 u/f 控制變頻器。 3． PLC 的選型 依據(jù)控制任務(wù)，從 PLC 的輸入 1輸出點數(shù)、存儲器容量、輸入 l輸出接口模塊類型等方面等來選擇 PLC 型號。壓力表測量范圍 01MPa，精度 ；數(shù)顯儀輸出一路 420mA 電流信號，送給變頻器作為 PID調(diào)節(jié)的反饋電信號，可設(shè)定壓力上下、限，通過兩路繼電器控制輸出壓力超限信號。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 圖 主電路圖 變頻器的主電路輸出端子 (U,V,W)經(jīng)接觸器接至三相電動機上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向與工頻時電機轉(zhuǎn)向不一致時，需要調(diào)換輸出端子 (U,V,W)的相序，否則無法工作。變頻器接地端子必須可靠接地，以保證安全，減少噪聲。通過隔離，可延長系統(tǒng)的使用壽命，增強系統(tǒng) 工作的可靠性。為提高互鎖的可靠性，在 PLC 控制程序設(shè)計時，進M1 M2 M3 M4KM2 KM4 KM6 KM7KM3 KM5KM1QF2 QF3 QF4 QF5QF1FUFR1 FR2 FR3 FR4VVVFR S TUVWN3~ 3~ 3~ 3~湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 一步通過 PLC 內(nèi)部的軟繼電器 來做 互鎖。圖 給出了供水系統(tǒng)的部 分 電氣控制線路圖。 中間繼電器 KA 的 7 個常閉觸點串接在四臺泵的手動控制電路上，控制四臺泵的手動運行。 HLO為自動運行指示燈。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 X12X13X14KA15Y15KA14Y14Y13KA13KA12Y12Y11KA11KA10FR 4KA7KA1KA3 KA6KA5KA5KA6FR 3KA5KA1 KA4KA3KA3KA4FR 2FR 1KA2KA1KA1KA2KA3KA5Y10Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1KA8Y0KM9變頻器的 Y1KM8水位下限信號遠傳壓力表上限電節(jié)點遠傳壓力表下限電節(jié)點變頻器的Y2KAX16X15X11X10X7X6X5X4X3X2X1X0CO MFX 2N 3 2 M R圖 PLC 的接線圖 變頻器功能設(shè)定及接線 圖 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 表 變頻器 接線及 參數(shù)設(shè)置 表 中頻率參數(shù)設(shè)置說明： (1) 最 大 頻率：水泵屬于平方律負載，轉(zhuǎn)矩 T ∝ 2n ，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過其額定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律增加，導(dǎo)致電動機嚴(yán)重過載。所以，在多數(shù)情況下，下限頻率不能太低，可根據(jù)實際情況適當(dāng)調(diào)整。 (2) 上限頻率：由于變頻器內(nèi)部具有轉(zhuǎn)差補償功能，在 50Hz 的情況下，水泵在變頻運行時的實際轉(zhuǎn)速要高于工頻運行時的轉(zhuǎn)速，從而增大了電動機的負載，因此實際預(yù)置得略低于額定頻率。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 PLC 的 I/O 端子分配 及接線圖 PLC 的 I/O 分配如表 。在自動狀態(tài)時，四臺泵在 PLC 的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運行。在手動狀態(tài)，通過 按鈕 SB1SB14控制各臺泵的起停。 出于可靠性及檢修方面的考慮，設(shè)計了手動 /自動轉(zhuǎn)換控制電路。變頻器的輸出端嚴(yán)禁和工頻電源相連，也就是說不允許一臺電機同時接到工頻電源和變頻電源的情況出現(xiàn)。 控制電路設(shè)計 在控制電路的設(shè)計中，必須要考慮弱電和強電之間的隔離的問題。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端子 FWD(REV)來操作，不得以主電路空氣開關(guān) QF2的通斷來 進行。連線時一定要注意，保證水泵旋向正確，接觸器的選擇依據(jù)電動機制容量來確定。 FX2N32MR 主要參數(shù)及特點 ： I/O 點數(shù) ： 16/16；用戶程序步數(shù) ： 4K；基本指令 ： 27 條；功能指令 ： 298 條；基本指令執(zhí)行時間 ： 微秒；通信功能 ： 強；輸出形式 ： 繼電型；輸出能力 ： 2A/點 。 其主要參數(shù)及性能介紹如下 ： 額定容量： 30KVA；額定電壓： 380V；額定電流： 45A；額定過載電流：額定電流的120%1 分鐘 。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 表 水泵型號及參數(shù) 用水量 /（ hm/3 ） 揚程 /m 水泵型號 電動機功率 /kw 配用變頻器 /kw 36? 3 100 65LG5020? 5 22 22 24? 1 100 50LG2420? 5 11 11 2．變頻器的選型 根據(jù)控制功能不同，通用變頻器分為三種類型。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 供水系統(tǒng)的恒壓通過壓力變送器、 PID 調(diào)節(jié)器和變頻 器組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。多泵并聯(lián)代替一、二臺大泵單獨供水不會增加投資，而其好處是多方面的 。 采用變頻調(diào)速方式來實現(xiàn)低流量時的恒壓供水節(jié)能效果比較明顯，與通常的工頻氣壓給水設(shè)備相比平均節(jié)能可達 30%。 根據(jù)用戶的用水時段特點