【文章內(nèi)容簡介】 法的實質(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，管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但是揚(yáng)程特性不變。 如圖 ，設(shè)用戶所需流量 QX為額定流量的 60%(即 QX=60%QN)。當(dāng)通過關(guān)小閥門來實現(xiàn)時，管阻特性將改變?yōu)榍€③，而揚(yáng)程特性則仍為曲線①，故供水系統(tǒng)的工作點移至 E點，這時，流量減小為 QE(=Qx)；揚(yáng)程增加為 HE；供水功率 PC與面積 ODEJ成正比。 13 JKOGEN①②③④CQH閥門關(guān)小閥門全開轉(zhuǎn)速下降穩(wěn)定轉(zhuǎn)速Q(mào)EQNDA 圖 調(diào)節(jié)流量的方法與比較 (2) 恒壓控制法：即通過改變水泵的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變，也稱為轉(zhuǎn)速控制法。 轉(zhuǎn)速控制法的實質(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)水泵的餓轉(zhuǎn)速改變時，揚(yáng)程特性將隨之改變，而管阻特性不變。 以用戶所需流量等于 60%Qn 為例，當(dāng)通過降低轉(zhuǎn)速使得 Qx=60%Qn 時，揚(yáng)程特性仍為曲線②，故工作點移向 C 點。這時流量減小為 QE（ =Qx），揚(yáng)程減小為Hc，供水功率 PC與面積 0DCK成正比。 比較上述兩種調(diào)節(jié)流量的方法可以看出，在所需流量小于額定流量(Qx100%QN)的情況下，轉(zhuǎn)速控制時的揚(yáng)程比閥門控制方式小得多，所以轉(zhuǎn)速控制方式所需的供水功率也比閥門控制方式小得多。兩者之差△ P 便是轉(zhuǎn)速控制方式節(jié)約的供水功率，它與面積 KCEJ 成正比。這是變頻調(diào)速供水系統(tǒng)具有節(jié)能效果最基本的方面。 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要求。所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對象。而流量的大小又取決于揚(yáng)程，但是揚(yáng)程難以進(jìn)行具體測量和控制。考慮到 動態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力（由流量 QG表示）和用水要求（由流水量 QU表示）之間的平衡情況有關(guān)。 如：供水能力 QG用水需求 QU，則壓力上升（ P↑）； 如：供水能力 QG用水需求 QU，則壓力上升（ P↓）； 如：供水能力 QG=用水需求 QU，則壓力上升（ P不變）。 14 可見，供水能力與用水需求之間的矛盾具體地反映在流體壓力的變化上。從而，壓力就成為了用來作為控制流量大小的參變量。就是說，保持供水系統(tǒng)中某處的壓力的恒定，也就保證了使該處的供水能力和用水流量處于平衡狀態(tài)，恰到好處地滿足了用戶所需的用水流量，這 就是恒壓供水所要達(dá)到的目的[7][8]。 供水系統(tǒng)的安全性問題 [9] 水錘效應(yīng) 異步電動機(jī)在全電壓啟動時，從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速所需要的時間只有在 。這意味著在 ，水的流量從零增到額定流量。由于水具有動量和不可壓縮性，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)生噪聲，猶如錘子敲擊管子一樣，故稱為水錘效應(yīng)。 水錘效應(yīng)具有極大的破壞性，壓強(qiáng)過高，將引起管道的破裂，反之，壓強(qiáng)過低又會導(dǎo)致管道的癟塌。此外 ，水錘效應(yīng)也可能破壞閥門和固定件。在直接停機(jī)時，供水系統(tǒng)的水頭將克服電動機(jī)的慣性而使系統(tǒng)急劇地停止。這也同樣會引起壓力沖擊和水錘效應(yīng)。 水錘效應(yīng)的產(chǎn)生原因 產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，是在啟動和制動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩太大 .在啟動過程中，異步電動機(jī)和水泵的機(jī)械特性如圖 ，圖中曲線 1是異步電動機(jī)的機(jī)械特性，曲線 2是水泵的機(jī)械特性，陰影部分是動態(tài)轉(zhuǎn)矩 TJ(即兩者之差 )。 12nT0nT021TJTJTNTN （ a）全壓啟動 （ b）變頻啟動 15 圖 水泵的全壓啟動與變頻啟動 在拖動系統(tǒng)中，決定加速過程的是動態(tài)轉(zhuǎn)矩 JT J M LT T T?? 由圖 ，水泵在直接啟動過程中，拖動系統(tǒng)動態(tài)轉(zhuǎn)矩寫的大小如陰影部分所示，是很大的。所以，加速過程很快。 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)置來延長啟動過程，使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小，如圖 。圖中 ，曲線簇 1是異步電動機(jī)在不同頻率下的機(jī)械特性，曲線 2是水泵的機(jī)械特性，中間的鋸齒狀線是升速過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩 (即不同頻率時電動機(jī)機(jī)械特性與水泵機(jī)械特性之差 )。 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)。 延長水泵壽命的其他因素 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。此外，由于水泵平均轉(zhuǎn)速下降、工作過程中平均轉(zhuǎn)矩減小的原因，使 : (1) 葉片承受的應(yīng)力大為減小。 (2) 軸承的磨損也大為減小。 所以，采用了變頻調(diào)速以后，水泵的 工作壽命將大大延長。 16 第三章 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的構(gòu)成方案 從變頻恒壓供水的原理分析可知，該系統(tǒng)主要有壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。系統(tǒng)主要的設(shè)計任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機(jī)的軟啟動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場所，本次設(shè)計才用通用變頻器 +PCL(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 )+人機(jī)界面 +壓力 傳感器的構(gòu)成方案。系統(tǒng)的構(gòu)成框圖如圖 。 P L C變 頻 器壓 力 傳 感 器工 頻變 頻用 戶蓄 水 池1 泵2 泵備 用 泵 圖 系統(tǒng)構(gòu)成框圖 這種控制方式靈活方便。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；通用性強(qiáng)，由于 PLC產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計上，只需確定 PLC的硬件配置和變頻器的外部接線，當(dāng)控制要求發(fā)生改變時，可以方便地通過 PC機(jī)來改變存貯器中的控制程序，所以現(xiàn)場調(diào)試方便。同時由于 PLC的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。因此該系統(tǒng) 能適用于各類不同要求的恒壓供水場合，并且與供水機(jī)組的容量大小無關(guān) [10]。 17 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案 變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案有多種，有 1臺變頻器控制一臺水泵的簡單控制方案，也有一臺變頻器控制幾臺水泵的方案，下面重點介紹一臺變頻器控制幾臺水泵的特點。 利用單臺變頻器控制多臺水泵的控制方案適用于大多數(shù)供水系統(tǒng)，是目前應(yīng)用中比較先進(jìn)的一種方案。下面以單臺變頻器控制 2臺水泵的方案來說明。該控制方案的控制原理如圖 。 13241 號 泵 變 頻 運(yùn) 行2 號 泵 停 止1 號 泵 工 頻 運(yùn) 行2 號 泵 變 頻 運(yùn) 行1 號 泵 停 止2 號 泵 變 頻 運(yùn) 行1 號 泵 變 頻 運(yùn) 行2 號 泵 工 頻 運(yùn) 行 圖 控制原理 框圖 控制系統(tǒng)的工作原理如下 :根據(jù)系統(tǒng)用水量的變化，控制系統(tǒng)控制 2臺水泵按1— 2— 3— 4— 1的順序運(yùn)行，以保證正常供水。開始工作時，系統(tǒng)用水量不多，只有 1號泵在變頻器控制下運(yùn)行， 2號泵處于停止?fàn)顟B(tài)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 1。當(dāng)用水量增加，變頻器輸出頻率增加，則 1號泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有 1臺水泵工作己不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時，通過控制系統(tǒng)， 1號泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動 2號泵電機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 2。 當(dāng)系統(tǒng)用水高峰過后，用水量減少時，變頻器輸出頻 率減少，若減至設(shè)定頻率時，表示只有 1臺水泵工作已能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時，通過控制系統(tǒng)，可將 1號泵電機(jī)停運(yùn)， 2號泵電機(jī)仍由變頻器電源供電，這時控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 3。 當(dāng)用水量再次增加，變頻器輸出頻率增加，則 2號泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速也增加，當(dāng)變頻器增加到最高輸出頻率時，表示只有 1臺水泵工作已不能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時，通過控制系統(tǒng)的控制， 2號泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器電源啟動 1號泵電機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 4。 當(dāng)控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 4時，用水量減少，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定頻率時，表示只有 1臺水泵 工作已能滿足系統(tǒng)供水的要求，此時，通過控制系統(tǒng) 18 的控制， 2號泵從變頻器電源轉(zhuǎn)換到普通的交流電源，而變頻器啟動 1號泵電機(jī)，控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 4。 當(dāng)控制系統(tǒng)處于狀態(tài) 4時，用水量又減少，變頻器輸出頻率減少，若減至設(shè)定頻率時，表示只有 1臺水泵工作已能滿足系統(tǒng)用水的要求，此時，通過控制系統(tǒng)的控制，可將 2號泵電機(jī)停運(yùn)， 1號泵電機(jī)仍由變頻器供電，這時，控制系統(tǒng)又回到了狀態(tài) 1。如此循環(huán)往復(fù)的工作，以滿足系統(tǒng)用水的需要 [11]。 供水設(shè)備的選擇原則 在做供水系統(tǒng)時，應(yīng)先選擇水泵和電機(jī)，選擇依據(jù)是供水規(guī)模（供水流量）。而 供水規(guī)模和住宅類型以及用戶數(shù)有關(guān)。有關(guān)選擇依據(jù)原則使用表格如下。 1. 不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)。 不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《城市居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)》 GB/T 503312022，節(jié)錄如表 。 表 不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn) 住宅類型 給水衛(wèi)生器具完善程度 用水標(biāo)準(zhǔn)（3m /人日） 小時變化系數(shù) 1 僅有給水龍頭 ～ ～ 2 有給水衛(wèi)生器具，但無淋浴設(shè)備 ～ ～ 3 有給水衛(wèi)生器具，并有淋浴設(shè)備 ～ ～ 4 有給水衛(wèi)生器具，但無淋浴設(shè)備和集中熱水供應(yīng) ～ ～ 2. 供水規(guī)模換算表。 不同住宅類型的用水標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《城市居民生活用水標(biāo)準(zhǔn)》 GB/T 503312022，節(jié) 錄如表 。上面一行為用水標(biāo)準(zhǔn) ( 3m /人日 )，中間數(shù)據(jù)為用水規(guī)模 ( 3m /h)。 表 供水規(guī)模換算表 戶數(shù) 用水標(biāo)準(zhǔn)（3m /人日） 19 450 500 600 700 800 1000 3. 根據(jù)供水量和高度確定水泵型號和臺數(shù) ,并對電動機(jī)進(jìn)行選型 ,見表 。 表 水泵，電機(jī)和變頻器選型表 50xN 40 80LG5020x2 11 11 60 80LG5020x3 15 15 80 80LG5020x4 100 80LG5020x5 22 22 120 80LG5020x6 30 30 100xN 40 100DL2 60 100DL3 30 30 80 100DL4 37 37 100 100DL5 45 45 120 100DL6 55 55 注： N為水泵臺數(shù) 4. 設(shè)定供水壓力經(jīng)驗數(shù)據(jù)：平方供水壓力 P=；樓房供水壓力 [12] P=（ +樓層數(shù)） MPa () （ 5）系統(tǒng)設(shè)計還應(yīng)遵循以下的原則： 20 ① 蓄水池容量應(yīng)大于每小時最大供水量； ② 水泵揚(yáng)程應(yīng)大于實際供水高度； ③ 水泵流量總和應(yīng)大于實際最大供水量。 參數(shù)的計算與供水設(shè)備選型 水泵的參數(shù)計算與型號的選擇 (1) 根據(jù)表 3m /人日。 (2) 根據(jù)表 3m /h。 (3) 根據(jù) 10層樓高度 35m，按照式 ()計算得 P =（ +樓層數(shù)） MPa= 可確定設(shè)置供水壓力值為 。 根據(jù)表 100DL3，工 3臺 (其中一臺做備用 )，水泵自帶電動機(jī)功率為 30kW。 變頻器的選擇 本系統(tǒng)中 ，采用 MciorMaster430系列變頻器，型號為 HVAC(風(fēng)機(jī)和水泵節(jié)能型 )EC01— 4500/3，額定電壓為 380V— 500V，額定功率 35kW。 MicroMaster430系列變頻器是全新一代標(biāo)準(zhǔn)變頻器中的風(fēng)機(jī)和泵類變轉(zhuǎn)矩負(fù)載專家，功率范圍 250Kw。它按照專用要求設(shè)計，并使用內(nèi)部功能互聯(lián) (BiCo)技術(shù)，具有高度可靠性和靈活性，牢固的 EMC(電磁兼容性 )設(shè)計；控制軟件可以實現(xiàn)專用功能：多泵切換、手動 /自動切換、旁路功能、斷帶及缺水檢測、節(jié)能運(yùn)行方式等 [14]。 1. MM430變頻器介紹 MciorMaster430變頻器的端子接口分布如圖 。 21 R L 1 AR L 1 BR L 1 CR L 2 BR L 2 CR L 3 AR L 3 BR L 3 C1 81 22 52 42 32 22 12 01 93212 62 72 82 93 01 61 51 41 31 11 09876541 7A O U T 1 +A O U T 1 P T C BP T C A0 V+ 1 0 V N P +P E 0 VA O U T 2 A O U T 2 +D I N 6D I N 5D I N 2D I N 3D I N 4+ 2 4 VA I N 2 +A I N