【文章內容簡介】 給企業(yè)的生產過程造成非常嚴重的影響，這在一些對供水有嚴格要求的場所表現(xiàn)地尤為突出。自動化程度 低的供水系統(tǒng)也會使企業(yè)的工藝流程受到一定的限制。還有，如果供水設備能耗太大，這也會給企業(yè)帶來很大的經(jīng)濟損失。 傳統(tǒng)的改變供水壓力的方式效率低、能耗大。采用的設備自動供水能力差，用水需求多時，供給卻不足。在不大需要用水時，供水又多，這滿足不了人們用水的要求。傳統(tǒng)供水方式在浪費寶貴能源的同時，又污染了環(huán)境。當設備遭到損壞時，又需要投入大量的資金進行維護。 變頻恒壓供水系統(tǒng)能實現(xiàn)水泵的無級調速，在用水量發(fā)生變化時能始終保持水壓恒定。它具有廣泛的應用范圍，適用在生活用水、工業(yè)用水、消防用水等多種場合。它與傳統(tǒng)的供水 方式相比，無論是在設備的投資，運行的經(jīng)濟性，還是在系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動化程度等方面都有無法 相比 的優(yōu)勢。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內外研究現(xiàn)狀 國外變頻恒壓供水系統(tǒng)主要采用一臺變頻器只帶一臺水泵機組的方式。每臺水泵都由一個變頻器專門控制，當變頻器發(fā)生故障時，別的電機不會受到影響。這在很大程度上提高了系統(tǒng)的可靠性。 使用這種供水方式，控制方法也變得多種多樣。同時，采用這種方式也能實現(xiàn)靈活變壓。所以，這種變頻恒壓供水系統(tǒng) 被頻繁用在國外一些重要建筑內。但這種供水方式使得電機 和變頻器的數(shù)量一樣多，投資成本高。 現(xiàn)在，國內有很多公司都生產變頻恒壓供水系統(tǒng)。這些系統(tǒng)能進行 PID 控制，實現(xiàn)水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調節(jié)。 用水量發(fā)生變化時，系統(tǒng)能隨之做出相應的改變，通過調節(jié)水泵電機使水壓始終保持恒定。 這增強了系統(tǒng)控制的準確性。同時，系統(tǒng)能實現(xiàn)多臺水泵循環(huán)控制， 不管用水多還是少，系統(tǒng)都能處于合適的工作狀態(tài)來達到用水要求，這在 提高了 運行 效率 的同時也節(jié)約了大量的能源 。這些系統(tǒng)的功能有的通過可編程邏輯控制器（ PLC）來實現(xiàn)，有的通過單片機來實現(xiàn)，但在系統(tǒng)的動態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗干擾性能等多方面的綜合技術指標來說，還遠遠沒有達到所有用戶 的要求。它 常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業(yè)設計說明書 2 們主要面向小容量用水廠家，這些廠家對供水沒有非常嚴格的要求，對變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制要求也較低，一般的供水系統(tǒng)已經(jīng)能滿足它們的要求。一些大容量用水市場，廠家很注重供水的質量，供水不達到一定的標準，它們的生產就會受到影響。生產出適用于這些廠家的供水設備是有廣闊市場前景的。在這些領域，國內公司生產的變頻恒壓供水系統(tǒng)在技術上有待進一步提高。 國內外變頻恒壓供水系統(tǒng)，不同的廠商有各自的特點。 它們在系統(tǒng)中加入了自己性能上的特色之處，使設備能完成各種功能。 在各種應用領域都出現(xiàn)了一些質量好、效率高的供水裝置。 但目前的變頻恒壓供水系統(tǒng)尚存在一些不足之處?，F(xiàn)代控制技術在其中 體 現(xiàn)地并不明顯，網(wǎng)絡和通訊技術也尚未在這個領域有深入的發(fā)展。同時，具有電磁兼容性的變頻恒壓供水系統(tǒng)也沒有得到很好的推廣。當今時代，各種技術相互融合，科技不斷進步。如果能將這些滲透到系統(tǒng)中，它的性能將會得到更大的拓展，應用在繁雜的控制中，滿足更多用戶的需求 ，以 充分發(fā)揮它的經(jīng)濟效益和社會效益。 各類供水系統(tǒng)的比較 氣壓罐供水 是過去用得比較多的供水方式。以前還經(jīng)常用的供水方式有： 恒速泵加壓供水 、 液力耦合器 供水、 水塔供水 等。 氣壓罐供水具有體積小 的優(yōu)點，這種供水方式技術簡單，不受高度限制。但是，在這種 供水方式 中 ，水泵電機為硬啟動，啟動頻繁時對電器設備要求較高。為減少水泵啟動次數(shù)，停泵時壓力往往比較高，這使得水泵 得 在低效段工作。出水壓力無謂地增高，也使浪費加大，這限制了它的發(fā)展。 這種 供水 方式在過去的一段時間內有被頻繁的使用，不過現(xiàn)在，它也不能達到用戶的供水要求了。 恒速泵加壓供水 具有很多缺點。它運行過程中產生的 水錘效應 會對管網(wǎng)產生很多不利的影響。這種 供水方式 沒有采用 自動化 設備，當管網(wǎng)水壓發(fā)生 變化時，為了保持水壓恒定，需要工人在設備旁邊對閥門開度進行控 制。由此可見，這種 供水方式 效率低，而且需要投入大量的人力。不僅如此，如果對供水設備不進行適當控制，它的壽命也很短。 液力耦合器的供水方式結構簡單、價格低廉，這是它相對于其它供水方式的優(yōu)點。它的不足之處在于只能一對一驅動，需要經(jīng)常檢修，因此要投入一定的資金。還有，這種供水方式易漏油，發(fā)熱需冷卻。如果將其投入運行，它的工作效率也低，而且后期改造麻煩。 水塔高位水箱供水主要應用于高層建筑，它運行經(jīng)濟合理、控制方式簡單。在短時間維修時，它可以不停水。它的水泵電機為硬啟動，啟動電流大，而且頻繁 啟 動易損壞聯(lián)軸器。同時， 水箱需要建在高處，這使 它 的 基建投資 比別的供水方式大。 水塔高位水箱供水占地面積大，維護也不方便。 如果在供水過程中沒有進行很好的控制，水質也得不到保障。采用這種 供水 方式，還有一個缺點就是，它會一定程度地污染周 第一章 緒論 3 圍的環(huán)境。雖然，它有很多的優(yōu)點，不過它的這些不足之處也使得它得不到廣泛的應用。 傳統(tǒng)供水方式因自動化程度不高，所以都存在著效率低、可靠性差等缺點。當前，人們對供水的要求越來越高，只有供水得到了保障，人們的日常生活和工業(yè)生產才有所依靠。傳統(tǒng)的供水方式已不能滿足人們的用水需求。變頻恒壓供水系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)供水方 式的缺點，它采用先進的自動化技術，在保證供水質量的同時，還節(jié)約了大量能源。它不但使供水效率得到了顯著的提高，而且還保護環(huán)境。它的工作原理與傳統(tǒng)供水方式完全不同，它采用變頻調速技術，在用水量發(fā)生變化時能始終保持水壓恒定。正是因為它具有傳統(tǒng)供水方式無法比擬的優(yōu)點，所以它被頻繁地應用在生活和生產中。 本章小結 在社會快速發(fā)展的今天，供水成為了一個焦點問題。傳統(tǒng)的 供水方式 在水質、水量等方面都不能達到當今人們的要求， 變頻恒壓供水系統(tǒng)的產生取代了各種傳統(tǒng)的 供水方式 。它以優(yōu)異的性能被廣泛應用在各種場合。我國的 變頻 恒壓供水系統(tǒng)采用的 是一臺變頻器帶動多臺水泵運行的工作方式。它適合一些小容量用水市場，在對供水有嚴格要求的場所，它在技術上還得進一步改進。 第二章 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論及方案確定 4 揚程↑ 流量↑→→ 揚程↓流量↑第 2 章 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論及方案確定 供水系統(tǒng)的主要參數(shù) （ 1）揚程 H。 揚程指水位從一處變?yōu)榱硪惶幍乃徊睿膯挝皇?m。 （ 2）全揚程 HT。 全揚程表示的是水位的最高值與水被吸入時的水位差。全揚程的值越大，表示水泵能將水上揚的高度越高。 （ 3）實際揚程 HA。 在實際情況下，水泵上揚水的能力會受到一些因素的影響，實際揚程指的是水位上升的值。 （ 4）損失揚程 HL。 水泵在將水上揚時未能將水位提高到理想的值，在此過程中損失的高度稱為損失揚程。 （ 5）流量 Q。 流量與管道截面與水流速度有關，一般情況下，截面不變，水流越快，流量越大。流量的單位是 m3/min。 （ 6）管阻 R。 水在供水系統(tǒng)中流動時會受到一定的阻力，這些阻力是由供水系統(tǒng)管網(wǎng)造成的，我們機這個阻力稱為管阻。 （ 7）壓力 P。 壓力表示的是管網(wǎng)中某一處的水壓。 供水系統(tǒng)的特性與工作點 1. 供水系統(tǒng)的特性 （ 1） 揚程特性 。 如果閥門開度不變，供水系統(tǒng)中的水泵在某一轉速下為用戶供水，全揚程與流量間會存在一定的關 系，這就是揚程特性。 圖 21 表示的就是揚程特性。在流量為 Q1 時，揚程對應為 HT1，這便是 A1 點表示的情況。當流量增大為 Q2， A1點下移至 A2點，對應的揚程為 HT2。 從圖中可以看出，流量越大，全揚程越小。 圖 21 揚程特性 圖 22 管阻特性 常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業(yè)設計說明書 5 ②①（ 2） 管阻特性 。 管阻特性與揚程特性正好相反，當水泵電動機的轉速為定值，對閥門開度進行改變，相應的，此時全揚程與流量間又會存在另一種關系，我們稱這種關系為管阻特性。 這里的流量指的是供水流量。需要說 明的是，在實際情況中，管網(wǎng)中的流量是具有連續(xù)性的特點的，因此無需區(qū)分什么是供水流量，什么又是用水流量。這里的流量是假設出來的一個量，這樣能夠方便闡述供水與需水間的關系。 管阻特性 曲線 如 圖 22 所示。 流量 QG 為 0，全揚程小于等于實際揚程時，系統(tǒng)無法供水 的 。揚程在 HT1 時，流量處在 Q1點如圖中 B1點所示。當揚程上升為 HT2，流量也移至 Q2 點。簡而言之，通過改變閥門開度來調節(jié)流量，流量是隨著揚程的增大而增大的。 2. 供水系統(tǒng)的工作點 （ 1）工作點。當 QG 為 0，需要的揚程與實際揚程相等。它說明，如果全揚程不比實際 揚程大的話，系統(tǒng)是不能為用戶供水的。 在圖中，揚程特性與管阻特性有一交點，這一交點就是系統(tǒng)的工作點。也就是說，在 N 點，供水系統(tǒng)兩種特性都滿足。這點表明，此時閥門為全開狀態(tài)，水泵以最大轉速運行。 N 點 被稱作自然工作點，也被叫作額定工作點，它表示供水系統(tǒng)正處在額定狀態(tài)。 圖 23 供水系統(tǒng)的工作點 （ 2） 供水功率 。 水泵電動機在供水過程中會消耗一定的功率，這個功率稱為供水功率，用 PG表示 PG=CPHTQ 在上面的式子中， CP 是比例常數(shù)。顯而易見， PG 與揚程和流量的積成正比。 在圖中，供水功 率與點 O、 A、 N、 G 形成的面 成正比。 第二章 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論及方案確定 6 閥門關小閥門全開轉速下降額定轉速揚程特性管阻特性Δ③④①② 變頻恒壓供水系統(tǒng)能耗分析 1. 調節(jié)流量的方法 節(jié)能方面的問題與流量直接相關。 以前用的比較多的是閥門控制法。現(xiàn)在，這種方法已經(jīng)不用了，取而代之的是轉速控制法。 （ 1） 閥門控制法 。 閥門控制法，顧名思義，即通過改變閥門開度來調節(jié)流量，在這種方法中，水泵電機的轉速是不變的。 如果用水量增多，使閥門開度便可滿足供水要求。換句話說，在此過程中，變化的是管阻特性，揚程特性是不變的。如圖所示，原來的揚程特性是曲線①，管阻特性是曲線②。當流量為 QE 時便能達到用戶用水要求，使閥門 開度變小，管阻特性會變成曲線③，揚程特性曲線不變，這時， E 點變?yōu)榱斯ぷ鼽c。由供水功率的公式可知， PG與點 O、 D、 E、 G 形成的面積成正比。 （ 2） 轉速控制法 。 在通過改變轉速來調節(jié)流量時，水泵的閥門開度是不變的，一般為最大開度。 現(xiàn)在的供水系統(tǒng)一般用的都是 轉速控制法 ， 它在節(jié)能等方面有著非常顯著的效果。 轉速控制法與閥門控制法相反，在調節(jié)流量的過程中，變化的是揚程特性，管阻特性則保持不變。如果用戶用水量降為 QE 時，轉速降低，揚程特性從曲線①變?yōu)榍€④，管阻特性還是曲線②不變，此時工作點變?yōu)?C 點。供水功率與矩形 ODCK 的面積成正比。 圖 24 調節(jié)流量的方法 常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業(yè)設計說明書 7 ② ①2. 轉速控制法 能耗分析 （ 1）供水功率的比較。在 上 述的比較后，很明顯就可以看出，在需求流量一樣的情況下，轉速控制法在節(jié)能方面的特性比閥門控制法要好。矩形 ODEJ 與矩形 ODCK 的面積之差即為轉速控制法能節(jié)約的功率。 （ 2）水泵的工作效率 1）工作效率的定義。η P 為水泵的工作效率，它可以表示為： η P=PG/PP 在上面的式子里， PG 表示的是水泵的軸功率，也可以稱為水泵的取用功率； PP 指的是供水功率，它是根據(jù)實際情況算出來的功 率。 水泵的工作效率，一方面指的是水泵自身的效率，另一方面也代表了供水系統(tǒng)的效率。 2）近似計算公式。用η *表示水泵工作效率的相對值，它的近似計算式： η P*=C1(Q*/n*)－ C2(Q*/n*)2 上式里，η P*、 Q*、 n*分別是效率、流量與轉速的相對值。 C1 和 C2 是常數(shù)，在一般情況下， C1－ C2=1。 圖 25 效率曲線圖 3）不同 的 工作方式。將閥門關小，流量隨之減少，因為轉速保持不變，所以 n*為 1， Q*/n*依然為 Q*，如曲線①所示。當流量的相對值為 的時候， 它的效率即變?yōu)?B 點。可以看出，流量在減少時，水泵的工作效率會發(fā)生顯著的降低。轉速控制方式則不同，在這種情況下，閥門開度不變，流量與轉速是成正比關系的，所以 Q*/n*是一個確定的值，如曲線②所示。當流量相對值同樣為 時，工作效率在于點 C 的位置，它和點 A 的 效率是一樣的。 換句話說，轉速控制法優(yōu)于閥門控制法，前者比后者在工作效率方面要大很多。 第二章 變頻恒壓供水系統(tǒng)理論及方案確定 8 變頻器 的 工作 原理 異步電動機的同步轉速，即旋轉磁場的轉速為 式中， —— 同步轉速， r/min； —— 定子電流頻率， Hz； P—— 柵極對數(shù)。 異步電動機的軸轉速為 式中， s——