【正文】 用戶預(yù)先設(shè)計(jì)的壓力值 ， 達(dá)到恒壓供水的目的。 P L C1 泵 3 泵2 泵電 源壓 力 傳 感 器變 頻 器用 戶 圖 變頻固定方式切換原理框圖 多泵并聯(lián) 變頻恒壓供水系統(tǒng)相關(guān)問(wèn)題 研究 變頻 調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和民用生活領(lǐng)域都得到 了廣泛的應(yīng)用。水泵在工頻運(yùn)行時(shí) ， 流量 50%以下時(shí)處在低效段 ， 對(duì)于調(diào)速泵而言 ， 由于等效段的擴(kuò)大 ，這個(gè)值最小為 40%。當(dāng)變頻器帶動(dòng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后 ， 就要將電動(dòng)機(jī)切換到工頻電網(wǎng)直接供電運(yùn)行 ， 變頻器可以再去 啟動(dòng) 其他的電動(dòng)機(jī)。據(jù)文獻(xiàn)介紹 ， Ross Hill 公司的 VFD 變頻裝置通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)的端電壓進(jìn)行采樣 、 適當(dāng)?shù)目刂?， 在變頻器內(nèi)部對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行微調(diào) ， 可以實(shí)現(xiàn)在 電機(jī)電壓和主線電壓相位相同 的 瞬間 ，先接通工頻電源后斷開(kāi)變頻器輸出 ， 保證了在電機(jī)不丟轉(zhuǎn)的情況下無(wú)任何過(guò)電流。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性 ， 面向各種各樣的供水系統(tǒng) ， 而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚(yáng)程等方面存在著較大的差異 ， 因此其控制對(duì)象的模型具有很強(qiáng)的多變性。同時(shí)用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。如果相位差較大 ， 會(huì)造成對(duì)電網(wǎng)和變頻器雙方的電流沖擊 ， 還會(huì)影響電網(wǎng)上其他設(shè)備的正常工作 ， 并損壞變頻器。變頻軟 啟動(dòng) 的優(yōu)點(diǎn)是 ， 由于采用電壓 /頻率按比例控制方法 ，所以不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電流 ， 并可提供等于額定轉(zhuǎn)矩的 啟動(dòng) 力矩 ， 故特別適合于需重載或滿載啟動(dòng) 的大功率水泵電機(jī)。由此可見(jiàn) ， 由于定 速泵容量設(shè)置過(guò)大 ， 調(diào)速泵水量下調(diào)幅度變得很小 ， 僅為 ΔQ， 若此時(shí)供水量稍有減少 ， 系統(tǒng)即執(zhí)行定速泵停機(jī)操作 ， 使定速泵出現(xiàn)頻繁操作現(xiàn)象。 起 動(dòng) 器 變 頻 器現(xiàn) 場(chǎng)開(kāi) 關(guān) 信 息P L C報(bào) 警控 制 面 板變 送 器水 管 、 網(wǎng) 壓力 傳 感 器泵 M 3泵 M 2泵 M 1主 電 源3 8 0 V A C2 2 0 V A CS B4 5 613 2去 用 戶進(jìn) 水 圖 變頻固定方式切換 當(dāng)采用變頻固定方式時(shí) ， 僅將 1水泵與變頻器相連 ， 原理框圖如圖 所示。假設(shè)該恒壓供水系統(tǒng)由三個(gè)水泵構(gòu)成。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 21 水泵運(yùn)行方式的選擇 這里說(shuō)的多泵并聯(lián)變頻恒壓供水的工作方式 是 指以下兩種 ， 一是變頻循環(huán)軟啟動(dòng)工作方式 ， 二是變頻泵固定方式。其次是防止給水泵出現(xiàn)“大馬拉小車”的工況。 在現(xiàn)代建筑生活給水系統(tǒng)中，采用一臺(tái)或多臺(tái)變頻調(diào)速泵給水的突出優(yōu)點(diǎn)是： ⑴ 采用變頻調(diào)速給水可以大幅度降低節(jié)流能量損耗，具有優(yōu)異的節(jié)能效果。 軟啟動(dòng)節(jié)能 由于電機(jī)為直 接 啟動(dòng) 或 /YD啟動(dòng) ， 啟動(dòng) 電流等于 (4~7)倍額定電流 ， 這樣會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊 ， 而且還會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量要求過(guò)高 ， 啟動(dòng) 時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)時(shí)對(duì)擋板和閥門的損害極大 ， 對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。管網(wǎng)裝置特性可以從閥門全開(kāi)時(shí)測(cè)得的各種數(shù)據(jù) ， 由下式求得： 22 jH kQ H?? （ 215） 式中 ， k 為阻力系數(shù) ； jH 為泵進(jìn)出口水位差。 由于采用恒 /uf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。 根據(jù)電動(dòng)機(jī)的等效電路 ， 在忽略定子漏阻抗壓降的條件下 ， 定子的相電壓 1U 與氣隙磁通 ? 和頻率 f 之間的關(guān)系為 1 1 1 1 14. 44 NU E f N k ??? （ 23） 式中 ， 11NNk 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)。 變頻調(diào)速時(shí) ， 從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率 ， 因而變頻調(diào)速具有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn) ， 調(diào)速性能可與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。 采用變頻器驅(qū)動(dòng)具有很高的節(jié)能空間。當(dāng)用水量大時(shí) ， 水壓降低 ， 用水量小時(shí) ， 水壓升高。由水泵 — 管道供水原理可知 ， 調(diào)節(jié)供水流量 ，原則上有二種方法 ， 第一種方法是節(jié)流調(diào)節(jié) ， 開(kāi)大供水閥 ， 流量上升 ， 關(guān)小供水閥 ， 流量下降。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn) ， 稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn) ， 如圖 中的 A 點(diǎn)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 12 第二章 變頻恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng) 簡(jiǎn)介 供水系統(tǒng)的基本特性 供水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性是以供 水系統(tǒng)管路中的閥門開(kāi)度不變?yōu)榍疤?， 表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 H 與流量 Q 之間的關(guān)系曲線 f(Q)如圖 21 所示。該系統(tǒng)可以用于深井泵恒壓供水系統(tǒng) 、 各類型的自來(lái)水廠 、 消防用水系統(tǒng)、工業(yè)鍋爐補(bǔ)水系統(tǒng) ， 還可以廣泛應(yīng)用于化工、制冷空調(diào)和其他工業(yè)及民用領(lǐng)域。這無(wú)疑將推動(dòng)交流變頻調(diào)速技術(shù)向新的方向發(fā)展。因此 ， 有待于進(jìn)一步研究改善變頻 恒壓供水系統(tǒng)的性能 ，使其能被更好 地 應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐。它將 PID 調(diào)節(jié)器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上 ， 通過(guò)設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn) PLC 和PID 等電控系統(tǒng)的功能 ， 只要搭載配套的恒壓供水單元 ， 便可直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作 ， 可構(gòu)成最多 7 臺(tái)電機(jī) (泵 )的供水系統(tǒng)。氣壓罐式的運(yùn)行不穩(wěn)定 ， 突出表現(xiàn)在它啟動(dòng)頻繁 ， 而且由于氣壓罐的調(diào)節(jié)容積僅占其總?cè)莘e的 1/3～ 1/6， 因而每個(gè)罐的調(diào)節(jié)能力很小 ， 只得依靠頻繁的啟動(dòng)來(lái)保證供水 ， 這樣不僅增加了啟動(dòng)能耗 ， 還將產(chǎn)生較大的噪聲和電信號(hào)的干擾 ， 嚴(yán)重影響居民生活。當(dāng)系統(tǒng)所需水量下降時(shí) ， 供水壓力超出系統(tǒng)所需壓力而造成能量的浪費(fèi)。它 比水泵出口 恒 壓控制方式更能節(jié)能 ， 但這取決于將全天 24 小時(shí)分成的時(shí)段數(shù)及所需水泵出口壓力計(jì)算的精確程度。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 6 這種系統(tǒng)的原理是通過(guò)設(shè)在系統(tǒng)中的壓力傳感器將系統(tǒng)壓力信號(hào)與設(shè)定值作比較 ，再通過(guò)控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出 ， 無(wú) 級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。對(duì)于高層建筑 ， 還可分層設(shè)水箱。水塔注滿后水泵停止 ， 水塔水位低于某一位置時(shí)再啟動(dòng)水泵。 變頻恒壓供水 產(chǎn)生 的 背景 及研究意義 眾所周知 ， 水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分 ， 在節(jié)水節(jié)能己成為時(shí)代特征的現(xiàn)實(shí)條件下 ， 我們這個(gè)水資源和電能短缺的國(guó)家 ， 長(zhǎng)期以來(lái)在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面 的 技術(shù)一直比較落后 ， 自動(dòng)化程度低。 關(guān)鍵詞： 恒壓供水；變頻調(diào)速；可編程控制器；自動(dòng)控制；節(jié)能 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） II Automatic control system of constant press water supply based on converter and PLC Abstract With the developement of society,it demands higher and higher water supply quality,both in producing and living. However,one of the important guide lines of the water supply quality is offer the relatively steady water supply hydraulic , the paper closely bines actuality of water supply and designs a suit of constant pressure water supply automatic control system based on variable frequency speedregulating technology and PLC. The constant pressure water supply automatic control system is made up of PLC,transducer,pump assembling unit,pressure sensor,industrial control puter and system used a transducer to make four electromotors starting,running,and timing. The three highpower electromotors and one lowpower electromotors are circulated running. In the system, water pump’s start amp。為此， 本論文 緊密結(jié)合當(dāng)前供水現(xiàn)狀 ， 設(shè)計(jì)了一套基于 PLC 和變頻器的 恒壓供水系統(tǒng) 。其中 ， 三 臺(tái)大 電 機(jī) 和一 臺(tái)小 電 機(jī)采用循環(huán)使用的方式運(yùn)行。PLC。 在這種供水方式中 ， 水泵從蓄水池中抽水加壓后直接送往用戶 ， 有的甚至連蓄水池也沒(méi)有 ， 直接從城市公用水網(wǎng)中抽水 ， 嚴(yán)重影響城市公用水網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。這種方式顯然比前一種節(jié)電 ， 其節(jié)電率與水塔容量 、 水泵額定流量 、 用水不均勻系數(shù) 、 水泵的開(kāi)停時(shí)間比 、 開(kāi)停頻率等有關(guān) ， 供水壓力比較穩(wěn)定。 這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水 ， 通過(guò)監(jiān)測(cè)罐內(nèi)壓力來(lái)控制泵的開(kāi)停。 ⑴ 水泵出口恒壓控制 水泵出口恒壓控制是將壓力傳感器設(shè)在水泵出口處 ， 使系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中水泵出口水壓恒定。這種方式的節(jié)能效果是最佳的 ， 但 是由于最不利點(diǎn)一般距離泵房較遠(yuǎn) ， 信號(hào)傳遞 過(guò)程 在實(shí)際應(yīng)用中受到諸多限制 ， 因此工程中很少采用。而且其變頻調(diào)速式水泵采用軟啟動(dòng) ， 啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很小 ， 又降低了啟動(dòng)能耗 ， 進(jìn)一步節(jié)能。更主要的是由于調(diào)速式是經(jīng)水泵加壓后直接送往用戶的 ， 防止了氣壓罐中由于氣水接觸、隔膜與水接觸而可能造成的水質(zhì)二次污染 ， 保證了用水水質(zhì)的安全可靠。對(duì)于 水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制 ， 有的采用可編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn) ， 有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。 20 世紀(jì) 70 年代 ， 電力電子器件開(kāi)發(fā) 了 電力晶體管 (GTR)和門極關(guān)斷 (GTO)晶閘管 ， 它是一種電流型自關(guān)斷的電力電子器件 ， 可以方 便的實(shí)現(xiàn)變頻、逆變和斬波 ， 為變頻調(diào)速技術(shù)的開(kāi)發(fā)、發(fā)展和普及奠定了基礎(chǔ)。尤其在水泵、風(fēng)機(jī) 控制 方面的應(yīng)用 ， 取得了顯著的節(jié)能效果 ， 近年來(lái)高電壓大電流的 SCR、 GTO、 IGBT 等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用 ， 使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí) 。 知識(shí)。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤?， 表明閥門在某一開(kāi)度下 ， 揚(yáng)程 H與流量 Q 之間的關(guān)系 H=f(QV)。一般在水源離 用水場(chǎng)所較遠(yuǎn)的場(chǎng)合 ， 需要管道的輸送。其優(yōu)點(diǎn)是 啟動(dòng) 平穩(wěn) ， 啟動(dòng) 電流可限制在額定電流以內(nèi) ， 從而避免 啟動(dòng) 時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊 。水泵轉(zhuǎn)動(dòng)的越快 ， 產(chǎn)生的水壓越 大 ， 才能將水輸送到遠(yuǎn)處或較高的樓層。 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(kāi)始研究和應(yīng)用 ， 如通過(guò)改變電機(jī)的磁極對(duì)數(shù) 、 利用發(fā)電機(jī)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。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。在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下 ，變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí) ， 轉(zhuǎn)速之差將不變 ， 轉(zhuǎn)矩特性 （ 穩(wěn)定運(yùn)行段 ）在 11/Uf?常 數(shù) 運(yùn)行方式下 ， 當(dāng) ? 不同時(shí) ， 它為一族平行的曲線。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。 根據(jù)水泵運(yùn)行的相似定律 ， 變速前后流量 Q 、揚(yáng)程 H 、軸功率 P 與 轉(zhuǎn)速 N 之間的關(guān)系為 : 2211QN? ； 22211()HN? ； 32211()PN? (219) 式中 ， 1Q 、 1H 、 1P 為變速前的流量、揚(yáng) 程、功率 ； 2Q 、 2H 、 2P 為變速后的流量、揚(yáng)程、功率。由多泵并聯(lián)恒壓變頻供水理論可知 ， 在該系統(tǒng)中 只 需要 其中一臺(tái)泵是變頻泵 ， 其余全是工頻泵 ，便 可實(shí)現(xiàn)恒壓變量供水。這種準(zhǔn)變壓變量給水系統(tǒng)設(shè)備可以適用于給水管路，具有一定的通用性。理論分析及實(shí)際使用證明，多泵并聯(lián)變頻調(diào)速給水可以顯著提高節(jié)能效果。在變頻器停止運(yùn)行的條件下 ， 在其輸出端進(jìn)行切換 ， 在切換好后再重新啟動(dòng)變頻器而恢復(fù)正常運(yùn)行。 具體系統(tǒng)采用 3 臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行方式 ， 當(dāng)用水量較小時(shí) ， 一臺(tái)泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行 ， 當(dāng)用水量大到水泵全速運(yùn)行也不能保證管網(wǎng)的壓力 要求 時(shí) ， 變頻器的控制信號(hào)被 PLC 檢測(cè) ， 通過(guò) PLC 控制泵組的切換。特別是通用變頻器和異動(dòng)電機(jī)結(jié)合起來(lái) ， 實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速傳動(dòng)控制 ， 其具有固定的優(yōu)勢(shì) ， 應(yīng)用到不同的生產(chǎn)領(lǐng)域 ， 可以體現(xiàn)不同的功能 ， 收到相應(yīng)的效益。如果綜合水泵