【文章內(nèi)容簡介】 5 略，并歸納實(shí)用性的控制方案。 3） 研究 PDI 控制器的設(shè)計原理及方法。 4） 設(shè)計變頻 恒壓供水系統(tǒng)的硬件和軟件。 5） 對變頻調(diào)速技術(shù)及可編程序控制器 (PLC)進(jìn)行簡單介紹。 7） 以 組態(tài)軟件組態(tài)王設(shè)計工控機(jī)監(jiān)控程序。廣東石油化工 學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計 )論文： 基于 PLC 的 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的設(shè)計 6 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 供水系統(tǒng)的基本特性 水泵的主要參數(shù) 水泵主要工作參數(shù)有 :流量、揚(yáng)程、功率、效率、轉(zhuǎn)速以及壓力 [6]。 (1) 流量 Q 水泵流量是指水泵在單位時間從水泵出水口排出的水量，可分為體積流量和質(zhì)量流量兩種。以耐 /s(米 3/秒 )、 m3/h(米 3/小時 )、七 /:(千克 /秒 )、 t/:(噸 /秒 )等表示。供水系統(tǒng)的基本任務(wù)是滿足用戶的流量要求。 (2) 揚(yáng)程 水泵揚(yáng)程也稱水頭，是水泵由葉輪傳給單位質(zhì)量液體的總能量，單位以 m計。揚(yáng)程主要包括三個方面 :提高水位所需的能量 ?？朔诠芫W(wǎng)中流動時所需的能量 。使水流具有一定流速所需的能量。 其中提高水位所需的能量是揚(yáng)程的主體部分。因此把水從一個位置“上揚(yáng)”到另一位置時，用水位的變化量 (即水位差 )代表揚(yáng)程。即水泵揚(yáng)程最終反映的是水泵供水高度。水泵總揚(yáng)程包括把水上揚(yáng)到最高水位所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需的能量，等于排水垂直水柱和管路阻力損失水柱之和。 實(shí)際揚(yáng)程是通過水泵實(shí)際提高的水位所需的能量。損失揚(yáng) 程是全揚(yáng)程與實(shí)際揚(yáng)程之差 ,即 : 總揚(yáng)程 =實(shí)際揚(yáng)程 +損失揚(yáng)程 (3) 功率 水泵功率有兩種 :有效功率 PM和軸功率 PN。 有效功率 PM(KW)為泵內(nèi)液體實(shí)際所獲得的凈功率 ； 軸功率 PM(KW)是水泵在一定流量、揚(yáng)程下運(yùn)行時所需的外來功率，即由電動機(jī)傳給水泵軸上的功率。軸功率不可能全部傳給液體，而要消耗一部分功率后，才成為有效功率。 (4) 效率 有效功率與軸功率的比值為效率 η mnP=P? （ 21） 水泵效率標(biāo)志著水泵傳遞能量的 有效程度，亦即反映了泵內(nèi)功率損失的大小，是 一 項重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 (5) 轉(zhuǎn)速 n 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 7 轉(zhuǎn)速 n 是指葉輪每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)速改變后，水泵工作性能也隨著改變。 (6) 壓力 p P 表示 供水系統(tǒng)中某個位置或某個點(diǎn)水壓的物理量，其大小在靜態(tài)時取決于管路的結(jié)構(gòu)和所處的位置，而在動態(tài)情況下，則還與供水流量與用水流量之間的平衡情況有關(guān)。 水泵的供水特性 水泵的供水特性包括揚(yáng)程特性和管阻特性 [7]。 (1) 揚(yáng)程特性 在管路中閥門完全打開的情況下，表明全揚(yáng)程 H隨用水量 Q變化曲線 H=f(Q)，稱為揚(yáng)程特性曲線，如圖 21 所示。圖中 A1 點(diǎn)是流量較小 (等于 Q1)時的情形，這時全揚(yáng)程較大，為 H1； A2 點(diǎn)是流量較大 (等于 Q2)時的情形，這時全揚(yáng)程較小，為 H2。當(dāng)流量越大時，管道中的摩擦損失以及保持一定流速所需的能量也越大，故供水系統(tǒng)的全揚(yáng)程就越小。流量的大小取決于用戶，是“用水流量”。因此，揚(yáng)程特 性 反映了用戶的用水需求對全揚(yáng)程的影響。 圖 21 水泵的揚(yáng)程特性 (2) 管阻特性 管阻是管道系統(tǒng) (包括水管、閥門等 )對水流阻力的物理量。通常用揚(yáng)程與流量間的關(guān)系曲線來描述。 管阻特性也叫管路特性，是反映為了維持一定的流量而必須克服管阻所需的能量 ，它和閥門開度有關(guān)。實(shí)際上是表明當(dāng)閥門開度一定時，為了提供一定流量的水所需要的揚(yáng)程，因此這里的流量可以理解為“供水流量”，用 Q 表示 .所以管阻特性的函數(shù)關(guān)系是 H=f(Q)，如圖 22 所示，供水流量較小 (Q=Q1)時，所需揚(yáng)程也較小 (H=H1)，如點(diǎn) B1。反之，在供水流量較大 (Q=Q2)時，所需揚(yáng)程也較大 (H=H2)，H 1H 2HA 1A 2Q 1 Q 2 Q廣東石油化工 學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計 )論文： 基于 PLC 的 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的設(shè)計 8 如點(diǎn) B2。管阻特性的起始揚(yáng)程等于靜揚(yáng)程 HA，如果全揚(yáng)程小于 靜揚(yáng)程的話，將不足以克服管路的管阻，從而不能供水，因此，靜揚(yáng)程也是能夠供水的“基本揚(yáng)程 ”。 圖 22 水泵的管阻特性 水泵的工 作點(diǎn)確定 水泵工作點(diǎn)是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實(shí)際運(yùn)行時所具有的揚(yáng)程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù) [8]。 水泵在實(shí)際運(yùn)行時的工況點(diǎn)取決于水泵性能管路性能以及所需實(shí)際揚(yáng)程。這三種因素任一項發(fā)生變化，水泵的運(yùn)行工況都會發(fā)生變化。如果把某一水泵揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線畫在同一坐標(biāo)系中 (圖 23)，則這兩條曲線的交點(diǎn) A 就是水泵的工 作點(diǎn)。 圖 23 水泵的工作點(diǎn)的確定 H H 1H 2 H AB 1 B 2Q 1Q 2 Q0HH AA0Q A Q 管阻特性曲線 揚(yáng)程特性曲線 水泵效率曲線 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 9 工作 點(diǎn) A 是水泵運(yùn)行的理想工作 點(diǎn)，若把水泵的效率曲線也畫在同一坐標(biāo)系中，在圖 23 中可以找出 A 點(diǎn)的揚(yáng)程 H、流量 Q 以及效率 η 。從圖中可以看 出，水泵在工作 點(diǎn) A 點(diǎn)提供的揚(yáng)程和管路所需的揚(yáng)程相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達(dá)到流量和能量的平衡，這個平衡點(diǎn)是有條件的，平衡也是相對的。實(shí)際運(yùn)行時水泵并非總是固定在 A 點(diǎn)。一旦當(dāng)水泵和管阻特性中的一個參數(shù)或所有參數(shù)同時發(fā)生變化時，平衡就會被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。另外確定工況點(diǎn)一定要保證水泵裝置在高效率范圍內(nèi)運(yùn)行 。 工 作 點(diǎn)的參數(shù)，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設(shè)計和運(yùn)行管理中的一個重要問題 [9]。供水功率是供水系統(tǒng)向用戶供水時所消耗的功率 P(KW)稱為供水功率，供水功率與流量 Q 和揚(yáng)程 H 的乘積 (如圖 23 中 0QAAHA的 面積 )成正比。 水泵的工作 點(diǎn)調(diào)節(jié) 對供水系統(tǒng)進(jìn)行的控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對流量的需求。所以在供水系統(tǒng)中，最根本的控制對象是流量。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，實(shí)際運(yùn)行中水泵的流量是隨著用水量的變化而變化的，揚(yáng)程也因水位和流量的變化而變化，因此水泵不能總工作在一個工況點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制，因此要討論節(jié)能問題，必須從考察調(diào)節(jié)流量的方法入手，即工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)方法，常見的方法有閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制法兩種 [9][10]： (1) 閥門控制法 圖 24 管網(wǎng)和泵運(yùn)行曲線 閥門控制法屬于節(jié)流調(diào)節(jié)，即通過關(guān)小或開大閥門來調(diào)節(jié)流量，而 泵的 轉(zhuǎn)速保持 不變。閥門控制法的實(shí)質(zhì)是水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水路中的阻力大小來強(qiáng)行改變流量，以適應(yīng)用戶對流量的要求。這時管阻特性將隨閥門H BF H A Hc H 0B4123 閥門關(guān)小 閥門開大 額定轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)速下降C 0 Q B Q A Q廣東石油化工 學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計 )論文： 基于 PLC 的 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的設(shè)計 10 開度的改變而改變，但是揚(yáng)程特性不變。這種通過關(guān)小閘閥來改變水泵工作點(diǎn)位置的方法，稱為節(jié)流調(diào)節(jié)，如圖 24 所示 。 泵的初始工作點(diǎn)在 A 點(diǎn)，水泵提供的揚(yáng)程、流量恰好與管路所需得揚(yáng)程、流量相等。當(dāng)用戶所需流量減少時，設(shè)從 Qa 降至 Qb，必須把水泵出水口閘閥關(guān)小來減少水泵出口水流量，使之與管網(wǎng)所需流量相等，否則會因管 網(wǎng)過載而造成爆管的危險。此時，管阻特性由曲線 2 變?yōu)榍€ 4，水泵的工況點(diǎn)則沿著水泵特性曲線由 A 點(diǎn)移至 B 點(diǎn)，此時流量減小了，但揚(yáng)程卻由 HA增大到 HB。供水功率與面積 OEBF 成正比，水泵所提供的能量一部分消耗于克服閘閥的附加阻力，造成額外損失。并且隨著閥門的不斷關(guān)小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運(yùn)行工況點(diǎn)也隨之上移，于是 H 增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。 (2) 轉(zhuǎn)速控制法 轉(zhuǎn)速控制法屬于變速調(diào)節(jié)，是通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度則保持不變 (通常為最大開度 )，轉(zhuǎn)速控制法的實(shí)質(zhì)是通過改變水泵 的供水能力來適應(yīng)用戶對流量的要求，當(dāng)水泵的轉(zhuǎn)速改變時，揚(yáng)程特性將隨之改變而管阻特性不變。如圖 24，當(dāng)用戶所需用水流量由 QA減小至 QB，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降時，揚(yáng)程特性變?yōu)榍€ 3，管阻特性仍為特性曲線 2，故工作點(diǎn)從 A 點(diǎn)移動到 C 點(diǎn)，在 C 點(diǎn)流量減小為 QB，而揚(yáng)程減小為 HC，供水功率與面積 0ECHC成正比。 兩種方法比較 : 由于閥門控制是通過增加管道的阻力而達(dá)到控制流量的目的，因而浪費(fèi)了能量 。而電動機(jī)調(diào)速控制可以通過改變水泵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來變更水泵的工況點(diǎn)，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，從而達(dá)到節(jié)能的效果。但由于開環(huán) 轉(zhuǎn)速控制中，揚(yáng)程隨著流量的減小而減小，往往不能滿足實(shí)際工程需要。 PHH ’H*0QAQBQCA’ABCn2n1nNQ圖 變頻恒壓控制工況點(diǎn)調(diào)節(jié) 第二章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論分析 11 因此采用閉環(huán)恒壓控制，對于變頻調(diào)速恒壓控制，工況點(diǎn)如圖 所示，理想運(yùn)行特性曲線為直線 H*ABC。 三相異步電動機(jī)的調(diào)速 異步電動機(jī)調(diào)速原理 變頻供水系統(tǒng)是通過變頻器控制泵的異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過異步電動機(jī)驅(qū)動水泵供水來改變水泵的實(shí)時供水量，完成恒壓供水的目標(biāo)。因此，供水系統(tǒng)變頻調(diào)速的實(shí)質(zhì)是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速。三相異步電動機(jī)的 調(diào)速是指在電動機(jī)負(fù)載不變的條件下，通過控制改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到用戶要求。這種調(diào)速方式，可以大大簡化系統(tǒng)中的變速機(jī)構(gòu)，提 高 系統(tǒng)的 性 能價格比。 異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的。 異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為 : 10 60fn=p （ 22） 其中 n0是異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速， f1是異步電動機(jī)的電源頻率， p為異步電動機(jī)的極對數(shù)。 異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率為 ： 00nnS= n? （ 23） 其中 n 為異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。 根據(jù)公式 ()和公式 ()，得三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為 : 160fn= Sp （ 1 ） （ 24） 調(diào)速方法 由公式 ()可知，異步電動機(jī)可以通過改變電源頻率、磁極對數(shù)和轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 (l) 變極調(diào)速 改變定子極對數(shù)，可使異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 10 60fn=p改變，從而得到轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。改變電機(jī)的極對數(shù)調(diào)速相當(dāng)困難，這會使電機(jī)結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，而且不能實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速 。 (2)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 變轉(zhuǎn)差率調(diào)速 即轉(zhuǎn)子電路串接電阻調(diào)速、改變定子電壓調(diào)速、滑差電機(jī)等。廣東石油化工 學(xué)院本科畢業(yè) (設(shè)計 )論文： 基于 PLC 的 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 的設(shè)計 12 這些方法的共同特點(diǎn)是 :在調(diào)速過程中均產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)差功率，消耗在轉(zhuǎn)子電路，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性較差，會使效率降低，而且調(diào)速范圍也受到限制 。 (3)變頻調(diào)速 當(dāng)極對數(shù) p 不變時，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 與電動機(jī)的電源頻率 f1 成正比。因此，通過連續(xù)調(diào)節(jié)異步電動機(jī)供電頻率，就可以平滑的調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。異步電動機(jī)變頻調(diào) 速具有調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)這種調(diào)速的設(shè)備稱作變頻器，變頻器的硬件組成框圖見圖 26 所示。 整 流 電 路 中 間 電 路逆 變 電 路控 制 電 路M3 ~外 部 接 線 端 子控 制 面 板交流電源RST 圖 26 交流變頻調(diào)速器的基本原理 下面簡單介紹一 下變頻器的工作原理 : 變頻器由整流電路、中間電路、逆變電路、控制電路、操作面板等組成。交流電源首先經(jīng)過整流電路，將工頻交流電源整流成直流，通過中間電路中的電感或者電容濾波作用，使整流后的直流紋波降低，同時中間電路可以降低逆變電路反饋到工頻電源的諧波電流。 逆變電路是變頻器的功率輸出 部分，一般由 多刀 T 等大功率開關(guān)器件及其驅(qū)動、保護(hù)電路構(gòu)成。逆變電路接受來自控制板的控制信號，將直流電進(jìn)行逆變成交流電，