【文章內(nèi)容簡介】 ，轉(zhuǎn)速為 Nn 。 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩減輕為 LQT 時，工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移至 Q點(diǎn)，轉(zhuǎn)速升高為 Qn 。如上述，這時的功率因數(shù)和效率都較低。 （ 1） 降低電壓后的運(yùn)行特點(diǎn) 異步電動機(jī)在降低電壓后，其機(jī)械特性的特點(diǎn)是：臨界轉(zhuǎn)差 nk? 不變，但臨界轉(zhuǎn)矩減小為 39。kT ，起動轉(zhuǎn)矩減小為 39。sT ，如圖 中之曲線②所示，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為 LQT 時的工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移至 39。Q 點(diǎn)。這時：一方面，電動機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩為 MET ，有效轉(zhuǎn)矩點(diǎn)為 E點(diǎn)。如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩 LGT 與有效轉(zhuǎn)矩 LET 十分接近，則功率因數(shù)和效率趨于最佳狀態(tài)，減小了電流；另一方面，電壓也下降了。 所以，輸入的電功率減小了，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。 變頻調(diào)速與二次方律負(fù)載 如圖 所示： 圖 變頻調(diào)速與二次方律負(fù)載 a)低頻時的情形 b)低頻降壓時的情形 （ 1）在額定轉(zhuǎn)速時 ，負(fù)載轉(zhuǎn)矩 LNT 等于電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩 MNT ，拖動系統(tǒng)在額定工作點(diǎn) N運(yùn)行； （ 2）當(dāng)電壓與頻率成正比地下降時，電動機(jī)的機(jī)械特性曲線如曲線③所示。這時：同步轉(zhuǎn)速為 Xn0 ；臨界轉(zhuǎn)矩為 KXT ；有效轉(zhuǎn)矩點(diǎn)為 XE基于 PLC 的自動恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 10 點(diǎn)；有效轉(zhuǎn)矩為 MEXT ；比額定轉(zhuǎn)矩 NT 有所減??；另一方面，二次方律負(fù)載的機(jī)械特性如曲線⑤所示，拖動系統(tǒng)的工作點(diǎn)移至 D 點(diǎn)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大幅下降為 LDT 。由圖知 LDT MEXT ，所以，功率因數(shù)和效率都很低。 （ 3）如通過減小 fU 比而減小與 Xf 對應(yīng)的電壓 XU ，使電動機(jī)的機(jī)械特性如圖 中的曲線④所示 ，則電動機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩點(diǎn)為 39。XE 點(diǎn)。與 D 點(diǎn)十分接近，從而提高了功率因數(shù)和效率，減小了運(yùn)行電流，同時，電壓也下降了許多，可以較好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。 這時候，由于工作點(diǎn)下移至 39。D 點(diǎn)，拖動系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)速將略下降為 39。LDn ，負(fù)載轉(zhuǎn)矩也略減小為 39。LNT 。 徹底消除供水系統(tǒng)中的水錘效應(yīng) 在供水管路中，水錘效應(yīng)具有很大的破壞作用，說明如下： （ 1）起動時的水錘效 應(yīng)：異步電動機(jī)在全壓起動時從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速，所需時間只有 。這意味著在 的時間里，水的流量從零猛增到額定流量。由于流體具有動量和一定程度的可壓縮性，因此，在極短時間內(nèi)流量的巨大變化將引起對管道的壓強(qiáng)過高或過低的沖擊，并產(chǎn)生“空化現(xiàn)象”。 壓力沖擊將使管壁受力而產(chǎn)生噪音，猶如錘子敲擊管子一樣，稱為水錘效應(yīng)。水錘效應(yīng)具有極大的破壞性：壓強(qiáng)過高，將引起管子的破裂；反之，壓強(qiáng)過低，又會導(dǎo)致管子的癟塌。此外，水錘效應(yīng)也可能損壞閥門和固定件。 （ 2）停機(jī)時的水錘效應(yīng)：如果讓水泵切斷電源，使之自由 停機(jī)，供水系統(tǒng)的水頭將克服電機(jī)的慣性而使水泵急劇地停止。這也同樣會引起壓力沖擊和水錘效應(yīng)。 （ 3）產(chǎn)生水錘效應(yīng)的原因：產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，是在起動和制動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩太大。因?yàn)樵谕蟿酉到y(tǒng)中，決定加速過程的是動態(tài)轉(zhuǎn)矩。水泵在直接起動過程中，拖動系統(tǒng)動態(tài)轉(zhuǎn)矩是很大的，所以，加速過程很快。 （ 4）水錘效應(yīng)的消除：采用了變頻調(diào)速后，可以通過對升速時間的預(yù)置來延長起動過程，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小。在停機(jī)過程中，同樣可以通過對降速時間的預(yù)置來延長停機(jī)過程，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小。從而徹底消除了水錘效應(yīng)。水錘效應(yīng)的消除，無 疑可大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。 基于 PLC 的自動恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 11 2 供水系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 現(xiàn)在，國家日益強(qiáng)盛，人們生活生產(chǎn)過程中不免要大量消耗能源，經(jīng)濟(jì)的快速增長也加劇了能源的消耗量，隨著時光流逝，能源問題越來越突出。為此政府強(qiáng)調(diào)節(jié)能環(huán)保，要求盡量節(jié)約能源，為可持續(xù)發(fā)展奠定堅實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。本人就為突出節(jié)能功效，設(shè)計了一種變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)。這一系統(tǒng)可以用于學(xué)校宿舍樓供水網(wǎng)絡(luò)。由于學(xué)校宿舍樓比較集中，學(xué)生用水量最大，常常在用水高峰期時宿舍樓高層出現(xiàn)斷水現(xiàn)象。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)供水量，保證管網(wǎng)壓力恒定，實(shí)現(xiàn)恒壓變量控制供水方式，從而達(dá)到節(jié) 能節(jié)水的目的，滿足學(xué)校用水需要。 供水系統(tǒng)的具體要求 （ 1）水泵能自動變頻軟起動 4 臺水泵自動變頻軟起動，并根據(jù)用水量大小自動調(diào)節(jié)開泵臺數(shù)。 （ 2）電控自動狀態(tài)時， 4 臺水泵自動輪換變頻運(yùn)行，工作泵故障時備用泵自動投入，可轉(zhuǎn)換自動或人工手動開﹑停機(jī)。 （ 3）設(shè)備具有缺相﹑欠壓﹑過壓﹑短路﹑過載等多種電氣保護(hù)功能，具有缺水保護(hù)功能。 （ 4）有設(shè)備工作﹑停機(jī)﹑報警指示。 變頻恒壓供水系統(tǒng)原理 變頻恒壓供水系統(tǒng)采用一 個 電位器設(shè)定壓力（也可采用面板內(nèi)部設(shè)定壓力），采用一個壓力傳感器（反饋為 4～ 20mA）檢測管網(wǎng)中壓力，壓力傳感器將信號送入變頻器 PID 回路， PID 回路處理之后，送出一個水量增加或減少信號，控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速。如 果 在一定 的 時間內(nèi)，壓力還是不足或過大，則通過變頻器 做 工頻 /變頻切換起動另一臺水泵，使實(shí)際管網(wǎng)壓力與設(shè)定壓力相一致 ，由此構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng) 。隨著用水量的減少，變頻器自動減少輸出頻率或切除水泵，達(dá)到了節(jié)能的目的。 變頻恒壓供水系統(tǒng)功能框圖如圖 所示。 基于 PLC 的自動恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 12 圖 供水系統(tǒng)的功能框圖 變頻恒壓供水系統(tǒng)供水特點(diǎn) 恒壓供水能自動 24小時維持恒定壓力，并根據(jù)壓力信號自動啟動備用泵 ，無級調(diào)整壓力，供水質(zhì)量好，與傳統(tǒng)供水比較，不會造成管網(wǎng)破裂及水龍頭共振現(xiàn)象。 動平滑，減少電機(jī)水泵的沖擊，延長了電機(jī)及水泵的使用壽命，避免了傳統(tǒng)供水中的水錘現(xiàn)象。 采用變頻恒壓供水保護(hù)功能齊全，運(yùn)行可靠，具有欠壓、過壓、過流、過熱等保護(hù)功能。 系統(tǒng)配置可實(shí)現(xiàn)全自動定時供水 ,徹底實(shí)現(xiàn)無人值守自動供水 .控制系統(tǒng)具有故障報警和顯示功能 ,并可進(jìn)行工變頻轉(zhuǎn)換 ,應(yīng)急供水。 系統(tǒng)根據(jù)用戶用水量的變化來調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使水泵始終工作在高效區(qū)，當(dāng)系統(tǒng)零流量時 ,機(jī)組進(jìn)入休眠狀態(tài) ,水泵停止，流量增加后才進(jìn)行工作 ,節(jié)電效果明顯，比恒速水泵可節(jié)電 23%55%。 變頻恒壓供水設(shè)備不設(shè)樓頂水池，既減少建筑物的造價，又克服了水源二次污染，氣壓波動大，水泵啟動頻繁和建造水塔一次性投資大，施工周期長，費(fèi)用高等缺點(diǎn)。 整套設(shè)備只需一組控制柜和水泵機(jī)組，安裝非常方便，占地面積少。 本設(shè)備采用全自動控制，操作人員只需轉(zhuǎn)換電控柜開關(guān)，就可基于 PLC 的自動恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 13 以實(shí)現(xiàn)用戶所需工況，操作簡單。 水壓控制信號算法處理 在該控制系統(tǒng)中，壓力信號的檢測采用壓力變送器，變送器輸出信號為 4～ 20mA電流或 0～ 10V 電壓，對應(yīng)水壓為 0～ maxP ；通常情況下供水管網(wǎng)允許最低壓力為某一值 P1，即管網(wǎng)最小設(shè)定值，不為 0 壓力，而正常工作條件下管網(wǎng)最大允許工作壓力為 P2，假定兩者對應(yīng)的模擬電流為 I1﹑ I2，則有如下函數(shù)關(guān)系： ? ?16max PIPp ? （ 21） 在上式中， P 為某一時刻時管網(wǎng)壓力。 類似地，變頻器控制信號電流函數(shù)關(guān)系為 ? ?? ? ? ?12m a x2 4164 PPIPPI Pf ?????? （ 22） 變頻恒壓供水控制方式比較和選擇 眾所周知，水泵消耗與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。即： 3KnN? （ 23） N：為水泵消耗功率； K：為比例系數(shù) 水泵設(shè)計是按工頻運(yùn)行時設(shè)計的，但除用水高峰外，大部分時間流量較小，因此可以使水泵運(yùn)行的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，最終達(dá)到節(jié)能的目的。實(shí)踐證明，使用變頻設(shè)備可使水泵運(yùn)行平均轉(zhuǎn)速比工頻轉(zhuǎn)速降低 20%，從而大大降低能耗，節(jié)能率可 達(dá) 20%～ 40%。 目前國內(nèi)各廠家的供水設(shè)備電控柜，除采用落后的繼電接觸器控制方式外，大致有以下四類： （ 1） 邏輯電子電路控制方式： 這類控制電路難以實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組全部軟啟動 ﹑ 全流量變頻調(diào)節(jié)。往往采用一臺泵固定于變頻狀態(tài)，其余泵均為工頻工作狀態(tài)的方式。因此控制精度比較低 、 水泵切換時水壓波動大 、 調(diào)試麻煩 ﹑ 工頻泵啟動時有沖擊 、 抗干擾能力低，但成本比較低 （ 2）單片機(jī)電路控制方式： 這類控制電路優(yōu)于邏輯電路，但在應(yīng)付不同管網(wǎng)﹑不同供水情況時調(diào)試比較麻煩，追加功能時往往要對電路進(jìn)行修改，不靈活也不方便?；?PLC 的自動恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 14 電路的可靠性和抗干擾 能力都不是很高。 （ 3）帶 PID 回路調(diào)節(jié)器和 /或可編程序控制器（ PLC）的控制方式： 此時變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓。壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足需要的水壓期望值。壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號在輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部 PID 控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。還有一種辦法是將壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號送入 PID 回路調(diào)節(jié)器，由 PID 回路調(diào)節(jié)器內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)算后，輸入給變頻器一個調(diào)速信號。 （ 4）新型變頻調(diào)速供水設(shè)備 針對傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水設(shè)備的不足之處，國內(nèi)外不少生產(chǎn)廠家紛紛推出了一系列新型產(chǎn)品。這些產(chǎn)品將 PID 調(diào)節(jié)器以及簡易可編程控制器的功能都綜合進(jìn)變頻器，形成了帶有各種應(yīng)用宏的變頻器，由于 PID運(yùn)算在變頻器內(nèi)部，這就省去對可編程控制器存儲容量的要求和對 PID算法的編程，而且 PID 參數(shù)的在線調(diào)試非常容易，這不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大大提高了生產(chǎn)效率。由于變頻器內(nèi)部自帶的 PID 調(diào)節(jié)器采用了優(yōu)化算法。所以使水壓的調(diào)節(jié)十分平滑，穩(wěn)定。同時，為了保證水壓信號反饋信號值的準(zhǔn)確﹑不失信，可對該信號設(shè)置濾波時間常數(shù)，同時還可對反饋 信號進(jìn)行換算，使系統(tǒng)的調(diào)試非常簡單﹑方便。 從以上控制方式看，我發(fā)現(xiàn)新型變頻調(diào)速供水設(shè)備效率高，所以在本設(shè)計中我采用了這種方式。 通過安裝在出水管網(wǎng)上的壓力傳感器，把出口壓力信號變成 4～20mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號送入 PID 調(diào)節(jié)器，經(jīng)運(yùn)算與給定的壓力進(jìn)行比較，得出一比較參數(shù)，送給變頻器，由變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的供水量，使供水管網(wǎng)上的壓力保持在給定的壓力上，當(dāng)用水量超過一臺泵的供水量時，通過 PLC 控制切換器進(jìn)行加泵。根據(jù)用水量的大小由 PLC控制工作泵的數(shù)量增減及變頻器對水泵的調(diào)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。當(dāng)供水負(fù)載變化 時，輸入電機(jī)的電壓和頻率也隨著變化，這樣就構(gòu)成了以設(shè)定壓力為基準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外，系統(tǒng)還設(shè)有多種保護(hù)功能，充分保證了水泵的及時維修和系統(tǒng)的正常供水。 基于 PLC 的自動恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 15 圖 圖 為變頻恒壓供水系統(tǒng)。該系統(tǒng)由 MM440 變頻器﹑ S7300 PLC控制器﹑空氣開關(guān)﹑指示燈﹑ 4 臺異步電動機(jī)﹑ KEY5m 液位傳感器和YZT 耐震遠(yuǎn)傳壓力表等組成。其中變頻器的作用是為電機(jī)提供可變頻率的電源，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無極調(diào)速，從而使管網(wǎng)水壓連續(xù)變化。傳感器的任務(wù)是檢測管網(wǎng)水壓，壓力設(shè)定單元為系統(tǒng)提供滿足用戶需求的水壓 期望值。壓力設(shè)定信號和壓力反饋信號輸入可編程控制器后，經(jīng)可編程控制器內(nèi)部 PID 控制程序的計算，輸出給變頻器一個轉(zhuǎn)速控制信號。供水設(shè)備控制 4 臺水泵，在這些水泵中，只有一臺變頻泵。當(dāng)供水設(shè)備供電開始時，先啟動變頻泵，管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值時，變頻器的輸出頻率則穩(wěn)定在這一數(shù)值上。而當(dāng)用水量增加，水壓降低時，傳感器將這一信號送入可編程控制器或 PID 回路調(diào)節(jié)器，可編程控制器或 PID 回路調(diào)節(jié)器則送出一個比用水量增大的信號，使變頻器的輸出頻率上升，水泵的轉(zhuǎn)速提高，水壓上升。如果用水量增加很多，使變頻器的輸出頻率達(dá)到最大值，仍 不能使管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值，可編程控制器或 PID 回路調(diào)節(jié)器就基于 PLC 的自動恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計 16 發(fā)出控制信號，啟動一臺工頻泵，啟動一號備用泵作為變頻泵，如此類推。反之，當(dāng)用水量減少，變頻器的頻率達(dá)到最小值時，則發(fā)出減少一臺工頻泵的信號，其他泵依次類推。液位傳感器提供蓄水池中水位超過最低限制時的停機(jī)信號，當(dāng)這一信號可編程控制器時，可編程控制器發(fā)出指令斷開所以工作水泵，保護(hù)水泵。 由于變頻器的轉(zhuǎn)速控制信號是由可編程控制器或 PID 回路調(diào)節(jié)器給出的，所以對可編程來講，要有模擬量輸入接口。由于帶模擬量輸入輸出接口的可編程控制器價格很高，這無形中就增加了供 水設(shè)備的成本。若采用帶模擬量輸入輸出接口的可編程控制器，則要在可編程控制器的數(shù)字量輸出口另接一塊 PWM 調(diào)制板，還增加了連線和附加設(shè)備，降低了整套設(shè)備的可靠性。如果采用一個開關(guān)量輸入輸出接口的可編程控制器和一個 PID 回路調(diào)節(jié)器，其成本也和帶模擬量輸入輸出接口的可編程控制器差不多。所以，在變頻器調(diào)速恒壓給水控制設(shè)備中， PID 控制信號的產(chǎn)生和輸出就成為降低給水設(shè)備成本的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。就針對傳統(tǒng)的變頻調(diào)速供水的不足之處，該設(shè)計采用新型變頻器，這些變頻器將PID 調(diào)節(jié)器都綜合進(jìn)變頻器內(nèi)。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)工 作方式 該系統(tǒng)可以使用兩種控制方式： （ 1）手動控制 將手動控制接通時