【文章內容簡介】 的流量，從而達到能量和流量的平衡，這個平衡點是有 條件的，平衡也是相對的。一旦當水泵或管路性能中的一個或同時發(fā)生變化時，平衡就被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。 2．水泵工作點的調節(jié) 交流電動機的轉速 n 與電源頻率 f 具有如下關系： )1(60 spfn ?? (2－ 11) 式中： p－極對數； s－轉差率 因此不改變電動機的極對數，只改變電源的頻率，電動機的轉速就按比例變動。變頻器調速的工作原理就是通過選擇電壓頻率比（ V/F）曲線，設定加減速時間以及轉矩補償曲線，使電動機 啟動 時轉速從零開始逐漸升高，實 現(xiàn)軟啟動，減少了啟動電流。在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率 f 來改變電機的轉速 n 從而改變水泵的轉速。由于水泵的流量、揚程和消耗的功率都可以隨其轉 速的變化而變化，變頻調速技術可以使水泵性能曲線改變，達到調節(jié)水泵工況，大大擴展了水泵的高效運行范圍。 當管網負載減小時，通過 VVVF 降低交流電的頻率，電動機的轉速從 n1降低到n2。另外根據葉片泵工作原理和相似理論 [11]，改變轉速 n，可使供水泵流量 Q、揚程 H 和軸功率 N 以相應規(guī)律改變。 η A AH AAH x QAH～Qn 1η ～ Q 圖 22 水泵工作點的確定 張北泰生花園小區(qū)無塔上水變頻調速恒壓供水及消防用水電氣設計 13 ????? HQkN (2－ 12) 1212 / nn ? (2－ 13) ? ?21212 nnHH ? (2－ 14) 將式 (2－ 13)和 (2－ 14)代入 (2－ 18)可得： ? ?31212 nnNN ? (2－ 15) 式 (2－ 12)中： ?－水的比重； k－功率常數。 從上述比例律公式中消去 n1/n2 就得到下式 22121 ????????? HH(2－ 16) 即 kQHQH ?? 222211 或 2kQH? (2－ 17) 式 (2－ 17)是頂點在坐標原點的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線。 在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調節(jié)是通過改變電源的頻率來改變電機轉速 n，從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。由圖 23 可見，設定管網壓力值（揚程）為 H0，管網初始用水量為 QA，初始工況點為 A，水泵電機的轉速為 n1。當管網負載減小時，管網壓力升高，壓力傳感 器將檢測到升高壓力轉換成 4～ 20?A電流信號送往 PID 調節(jié)器，經比較處理后，輸出一個信號令變頻器頻率降低，從而降低電機轉速至 n2。水泵轉速的下降是沿著水泵的相似工況拋物線下降的，也就是從點 A 移至 B 點，在此過程中水泵輸出的流量和壓力都會相應減小 .。恒壓供水系統(tǒng)中壓力值恒定在 H0,因此水泵工作點又沿著轉速 n2所對應的水泵性能曲線從點 B移至 C 點，在此階段水泵輸出壓力升高，流量減少，水泵運行在新的工作點 C 點，在圖 23 中可以找出 C 點的揚程 HC、流量 QC 以及水泵運行效率 C? 。 考察水泵的效率曲線 ?Q，當變頻調速使水泵偏離甚至位于高效區(qū)之外時，水η AηCQ AQ C Qη ～ Qn 1n 2H 0HH ～Q 相似工況拋物線Hx ～Q 管路性能曲線H ～Q 水泵性能曲線圖 23 變頻調速恒壓供水單臺水泵工況調節(jié)圖 張北泰生花園小區(qū)無塔上水變頻調速恒壓供水及消防用水電氣設計 14 泵的運行效率會大大下降。因此，水泵轉速調節(jié)要盡量使水泵在高效區(qū)之內運行，避免使變頻器頻率下降得過低，而造成水泵在低效率段運行。 水泵變頻調速節(jié)能分析 水泵運行工況點 A 是水泵性能曲線 n1 和管路性能曲線 R1 的交點。在常規(guī)供水系統(tǒng)中，采用閥門控制流量。需要減少流量時關小閥門，使管路性能曲線由 R1 變?yōu)?R2。運行工況點沿著水泵性能曲線從 A 點移到 D 點，揚程從 H0 上升到 H1，流量從 Q0 減少 到 Q1。采用變頻調速控制時，管路性能曲線 R1保持不變，水泵的特性取決于轉速。如果水泵轉速從 n0 降到 n1，水泵性能曲線從 n0 平移到 n1，運行工況點沿著水泵性能曲線從 A 點移到 C 點，揚程從 H0 下降到 H2，流量從 Q0 減少到 Q1。在圖 24 中，水泵運行在 B 點時消耗的軸功率與 H1BQ1O 的面積成正比，運行在 C點時消耗的軸功率與 H2CQ1O 的面積成正比。從圖上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調速控制比恒速泵控制節(jié)能效果十分明顯。 由 (2－ 12)求出運行在 B 點的泵的軸功率 ?11HkQNB ? ，運行在 C 點時泵的軸功率 ?21HkQNC ? ， 兩者之差： ?121 )( kQHHNNN CB ????? (2－ 18) 也就是說，采用閥門控制流量時有 N?的功率被白白浪費了，而且損耗隨著閥門的關小而增加。相反，采用變頻調速控制水泵電機時，由式 (2－ 15)可知，當轉速在允許范圍內降低時，功率以轉速的三次方下降，在可調節(jié)范圍內與恒速泵供水方式中用閥門增加阻力的流量控制方式相比，節(jié)能效果十分顯著。 調速范圍的確定 考察水泵的 效率曲線 ?Q,，水泵轉速的工況調節(jié)必須限制在一定范圍之內，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行 [19]。水泵的調速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚程規(guī)定，當選定某型號的水泵時即可確定此水泵的最大調速范圍，在根據用戶的揚程確定具體最低調速范圍，在實際配泵時揚程設定在高效區(qū)，水泵的調速范圍將進一步變小，其頻率變化范圍在 40Hz 以上，也就是說轉速下降在 20%以內，在此范圍內，電動機的負載率在 50%～ 100%范圍內變化， 0Q 1n 0AH sjBR 2R 1H 0H 10n 1CH 2H 圖 24 水泵節(jié)能分析圖 張北泰生花園小區(qū)無塔上水變頻調速恒壓供水及消防用水電氣設計 15 電動機的效率基本上都在高效區(qū)。 啟動頻率一般來說，水泵在低速運行的意義并不 大，有的水泵并不能從 0Hz開始啟動，所以，應該預置運轉開始頻率一下，變頻器處于待機狀態(tài)，一利于更好的節(jié)能。所以，在變頻啟動無過流的前提下，運轉開始頻率可預置的高一些，一般設定范圍為 0～ 20Hz（也可以通過預置下限頻率來達到目的） 。 最高頻率：水泵屬于平方律負載，當轉速超過其額定轉速時，轉矩將按平方規(guī)律增加。例如，當轉速超過額定轉速 10％（ nx＝ ） 時，轉矩將比額定轉矩超過21％（ Tx＝ ），導致電動機嚴重過載。因此，變頻器的工作頻率是不允許超過額定轉矩的，其最高頻率只能與額定頻率相等， fmax＝ fN＝ 50Hz。 一般來說，上限頻率也以等于額定頻率為宜，但有時也可以預置的略低 一些，原因有二： （ 1） 變頻器由于內部往往具有轉差補償功能，所以，在同是 50Hz 額情況下，水泵在變頻運行時，實際轉速要高于工頻運行時的轉速，從而增大了水泵和電機的負載； （ 2） 變頻調速系統(tǒng)在 50Hz 下運行時，不如直接在工頻下運行為好，可以減少變頻器本身的損失 因此，將上限頻率預置為 49Hz或 。 下限頻率： 在供水系統(tǒng)中，轉速過低時會出現(xiàn)水泵的全揚程小于基本揚程（實際揚程）形成水泵“空轉”的現(xiàn)象。所以，在多數情況下，下 限頻率應定為 30Hz～ 35Hz。 本章小結 ： 本章介紹了傳統(tǒng)的供水方法與現(xiàn)代變頻調速恒壓供水，闡述了各種供水方法的優(yōu)點，對各種方法進行了比較，凸顯了變頻調速恒壓供水的優(yōu)勢。變頻調速恒壓供水系統(tǒng)有兩種調節(jié)方法，一是調節(jié)泵的閥門來調節(jié)泵水的壓力與流量，另一是調節(jié)水泵的轉速來達到調節(jié)供水的壓力和流量。 本章將兩種調節(jié)流量的方法進行比較，采用轉速控制方式后，可將排水閥完全打開而適應降低轉速，由于電動機在低頻運行時，變頻器具有能夠 根據負載輕重調整輸入電壓的功能，從而提高了電動機的工作效率 ，從而達到節(jié)能的目的。 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)在調節(jié)電機轉速時，其頻率并非不受限制的，頻率太低 水泵會“空轉”而達到泵水的目的，頻率太高，水泵過載能力差。所以本章對啟動頻率和頻率上下限做了簡單的闡述，從而為預置變頻器做了準備。 本章從水泵理論和管網特性曲線分析入手，討論水泵工作點（工況點）的確定方法。接著介紹了水泵工況調節(jié)的幾種常用方法。在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調節(jié)是通過改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。本章重點對變頻調速恒壓供水張北泰生花園小區(qū)無塔上水變頻調速恒壓供水及消防用水電氣設計 16 系統(tǒng)中水泵能耗機理進行深入研究，得出了以下結論： 水泵的工作點就是在同一坐標系中水泵的性能曲線 和管路性能曲線的交點。水泵工作點是水泵運行的理想工作點，實際運行時水泵的工作點并非總是固定不變的。 水泵工況的調節(jié)就是采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來移動工作點，使其符合要求。在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺水泵工況的調節(jié)是通過變頻器來改變電源的頻率 f 來改變電機的轉速 n，從而改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。 考察水泵的效率曲線 ?Q,，水泵轉速的工況調節(jié)必須限制在一定范圍之內，也就是不要使變頻器頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運行。實際配泵時揚程應設定在水泵的高效區(qū)，水泵的調速范圍將進一步 變小，其頻率變化范圍在 40Hz以上，轉速下降在 20%以內。 張北泰生花園小區(qū)無塔上水變頻調速恒壓供水及消防用水電氣設計 17 第三章 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)的設計 系統(tǒng)的方案設計 根據泵水系統(tǒng)的要求和電氣控制目標，可以看出變頻調速恒壓供水系統(tǒng)屬于典型開關量輸入輸出控制系統(tǒng)，控制要求和連鎖要求較多，在調試中需要不斷對其改進和擴充。如采用繼電器控制，則只能接成固定線路，靈活性太差，液不能很好的滿足泵水要求，故采用本身自帶 PLC程序控制為核心的電氣控制方案。 具體方案如下： （ 1）生活泵電機四臺，為變頻調速電機，故采用變頻器控制調速運行 ； （ 2）消防泵電機因不會 長時間使用，只是定期維護，且限于電子產品的壽命，所以消防泵電機采用繼電器星角啟動控制； （ 3）在手動過程中，生活泵電機功率很大，所以采用星角啟動繼電器控制。 工作流程與工作過程 系統(tǒng)流程圖 (附圖一 ) 系統(tǒng)框圖 （附圖二） 系統(tǒng)工作過程 ： 首先開機，液位繼電器自動輸出信號，如果液位比較低，不能滿足崩誰要求，則整個泵水系統(tǒng)不能工作。當液位滿足要求時，開始選擇操作方式，一般先選用自動操作，當自動操作方式無故障時，變頻器開始工作，生活泵開始泵水，在泵水壓力 不能滿足要求時，根據壓力調節(jié)電機轉速或投切水泵。當自動操作有故障不能運行時，采用手動操作泵水 。 系統(tǒng)的控制原理及組成 系統(tǒng)的控制 方式 圖 （附圖三） 系統(tǒng)控制原理 通過比較強將反饋壓力信號與給定壓力進行比較，產生一個壓差值，把壓差值傳給壓力調節(jié)器，由壓力調節(jié)器調節(jié)變頻器輸出頻率，當壓力不能滿足要求時，通過控制切換裝置將原來運行在變頻狀態(tài)下的水泵切換到工頻運行，把另一臺水泵投入到變頻運行，之后，重復上述操作，在變頻器發(fā)生故障時傳信號給可編程控制器PLC 報警，切除變頻器，由 PLC 控制手動 泵水。 本系統(tǒng)附帶消防 設計，消防設計由星角手動啟動。 系統(tǒng)硬件設計 （包括生活泵和消防泵） （附圖四） （附圖五） 張北泰生花園小區(qū)無塔上水變頻調速恒壓供水及消防用水電氣設計 18 （附圖六） PLC 的外部接線圖 （附圖七） （附圖八） PLC 程序梯形圖 （附圖九） （附圖十） 系統(tǒng)工作過程說明 根據現(xiàn)場實際情況，一天之中用水量會有若干個高峰，變頻器會根據出水口的壓力調節(jié)水泵的轉速與 投切。 分析自動控制系統(tǒng)的機組（ 1＃ ， 2， 3＃ ， 4＃ 水泵電機）工作過程 ,可分為以下四個工作狀態(tài)： 1) 1電機變頻啟動； 2)1電機工頻運行， 2電機變頻運行； 3) 1電機，2＃ 電機工頻運行， 3＃ 電機變頻運行； 4） 1＃ 電機， 2＃ 電機， 3＃ 電機工頻運行， 4＃ 電機變頻運行。一般情況下，水泵電機都處于這四種工作狀態(tài)之中，當管網壓力突變時，四種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應轉換，因此這四種工作狀態(tài)對應著四個切換過程。 Ⅰ 當液位滿足要求時交流接觸器 KM16 的常閉觸點不動作，主電源被接入系統(tǒng)，這時按下 SB3 系統(tǒng) 處于自動狀態(tài)，交流繼電器 KM11 的常開觸 點吸合，電源接入變頻器，只要變頻器處于正常運行狀態(tài)交流繼電器 KM1 處于閉合狀態(tài)，變頻器就正常工作。按下 SB7，這時，交流繼電器 1～ 4KM8 處于吸合狀態(tài)，四臺電機處于角接狀態(tài)下。按下 SB9，交流接觸器 KM9 處于吸合狀態(tài)，變頻器啟動 1＃泵，一拖多擴展板單元 1K1 輸出高電平，交流接觸器 1KM3 處于吸合狀態(tài)， 1＃泵處于變頻器運行狀