【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 （22）0210212()==FDQHP?????所以，當(dāng)用閥門控制流量時(shí)，有 功率被浪費(fèi)掉，并且隨著閥門的不斷102gh（ ）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 E增大，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。根據(jù)水泵變速運(yùn)行的相似定律，變速前后流量 Q、揚(yáng)程 H、功率 P 與轉(zhuǎn)速 N 之間關(guān)系為： 。 。 （23）21=Q221()HN321=()P式中 Ql、HP1 為變速前的流量、揚(yáng)程、功率， 、H P 2 為變速后的流量、揚(yáng)程、Q功率。由公式(23)可以看出，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比 [2]，流量與轉(zhuǎn)速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著，所以本文供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速恒壓供水方式。6H210HFE 1n20 2Q1D 3?2?1圖 22 管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線 變頻恒壓控制的理論模型變頻恒壓控制系統(tǒng)以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，在控制上實(shí)現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個(gè)常數(shù)，也可以是一個(gè)時(shí)間分段函數(shù)，在每一個(gè)時(shí)段內(nèi)是一個(gè)常數(shù)。所以，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi),恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上 [3]。給定參數(shù) 變 頻 器 （PID） 水泵頻率 轉(zhuǎn)速管網(wǎng)實(shí)際壓力壓力傳感器反饋參數(shù)7圖 23 變頻恒壓控制原理圖從圖 23 中可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，如果實(shí)際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個(gè)差值經(jīng)過(guò)計(jì)算和轉(zhuǎn)換，計(jì)算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個(gè)增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。該頻率使水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速增大，從而使實(shí)際供水壓力提高，在運(yùn)行過(guò)程中該過(guò)程將被重復(fù)，直到實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止 [4]。如果運(yùn)行過(guò)程中實(shí)際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會(huì)降低，水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速減小，實(shí)際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等。 供水系統(tǒng)中的水錘效應(yīng)及消除方法水錘效應(yīng)在極短時(shí)間內(nèi)，因水流量的急劇變化，引起在管道的壓強(qiáng)過(guò)高或過(guò)低的沖擊，并產(chǎn)生空化現(xiàn)象，使管道受壓產(chǎn)生噪聲，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(guò)高，將引起管子的破裂。 壓強(qiáng)過(guò)低又會(huì)導(dǎo)致管子的癟塌。此外，水錘效應(yīng)還可能損壞閥門和固定件。產(chǎn)生水錘效應(yīng)的原因及消除辦法產(chǎn)生水錘效應(yīng)的根本原因，是水泵在起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩太大，短時(shí)間內(nèi)流量的巨大變化而引起的。水泵的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩大小決定了水泵加速過(guò)程的快慢，決定了加速過(guò)程流量變化的快慢，也就決定了水錘效應(yīng)的強(qiáng)弱。通過(guò)水泵電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)，可減少動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，因此，選擇好的起動(dòng)方式和速度調(diào)節(jié)方法，可以減小或徹底消除水錘效應(yīng)，提高供水系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。83 供水系統(tǒng)恒壓控制與硬件設(shè)計(jì) 異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法及選型轉(zhuǎn)速控制法實(shí)現(xiàn)恒壓供水，供水質(zhì)量好、能耗低、效率高，并可延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，提高系統(tǒng)的安全性。通過(guò)轉(zhuǎn)速控制法實(shí)現(xiàn)恒壓供水，需要調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。水泵通過(guò)聯(lián)軸器由三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)拖動(dòng)，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)就是需要調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。由三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式 [5]： （31）160()(1)fnssp=式中， —異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，r/min；1nn —異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；p —異步電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)；f —異步電動(dòng)機(jī)定子電壓頻率，即電源頻率；s —轉(zhuǎn)速差， 1=0%nS180?？芍{(diào)速方法有：變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差調(diào)速和變頻調(diào)整。 變極調(diào)速在電源頻率一定的情況下，改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。磁極對(duì)數(shù)的改變通過(guò)改變電機(jī)定子繞組的接線方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種調(diào)速方式只適用于專門的變極電機(jī)，而且是有極調(diào)速，級(jí)差大，不適用于供水系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)節(jié)。通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。9三相異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子銅損耗為: (32)39。239。2=3 semCUPIrP該損耗和電機(jī)的轉(zhuǎn)差率成正比，又稱為轉(zhuǎn)差功率，以電阻發(fā)熱方式消耗。電動(dòng)機(jī)工作在額定狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)差率很小，相應(yīng)的轉(zhuǎn)子銅損耗小，電機(jī)效率高。但適應(yīng)流量的變化，電機(jī)一般難以工作于額定狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速值往往遠(yuǎn)低于額定轉(zhuǎn)速，此時(shí)的轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)差功率增大，電機(jī)運(yùn)行效率降低。雖然變轉(zhuǎn)差調(diào)速中的串級(jí)調(diào)速法能將增加部份的轉(zhuǎn)差功率通過(guò)整流、逆變裝置回饋給電網(wǎng)，但其功率因數(shù)較低，低速時(shí)過(guò)載能力低，還需一臺(tái)與電動(dòng)機(jī)相匹配的變壓器，成本高，且增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗。因此變轉(zhuǎn)差調(diào)速方法不適用 于恒壓供水系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制法。 變頻調(diào)速變頻調(diào)速機(jī)械特性最常用的變頻器采取的是變壓變頻方式的。在改變輸出頻率的同時(shí)也改變輸出電壓，以保證電機(jī)磁通基本不變，其關(guān)系為： 1=Uf常 數(shù)式中： —變頻器輸出電壓、 —變頻器輸出頻率1 1f頻率 f 從額定值 往下調(diào)時(shí)，電機(jī)機(jī)械特性變化情況如圖 31 a）所示 [5]，圖中Nf4321fN??10 a)變頻調(diào)速機(jī)械特性 b)全壓起動(dòng) 圖 31 電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性變頻調(diào)速過(guò)程的特點(diǎn)：靜差率小，調(diào)速范圍大，調(diào)速平滑性好，而且，很關(guān)鍵的一點(diǎn)是調(diào)速過(guò)程中，其轉(zhuǎn)差率不變。電機(jī)的運(yùn)行效率高，適合于恒壓供水方式中的轉(zhuǎn)速控制法。變頻調(diào)速對(duì)供水系統(tǒng)安全性的作用 (1)消除水錘效應(yīng)，減少對(duì)水泵及管道系統(tǒng)的沖擊，大大延長(zhǎng)水泵及管道系統(tǒng)的壽命。拖動(dòng)系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 =JMLT ：是電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ：是供水系統(tǒng)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩MT圖 31 中 b）反映了全壓起動(dòng)和變頻起動(dòng)過(guò)程中動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩情況。圖中，曲線①是異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，曲線②是水泵的機(jī)械特性。(2)降低水泵平均轉(zhuǎn)速，減小工作過(guò)程中的平均轉(zhuǎn)矩，從而減小葉片承受的應(yīng)力，減小軸承的磨損，使水泵的工作壽命將大大延長(zhǎng)。(3)避免了電機(jī)和水泵的硬起動(dòng)，可大大延長(zhǎng)聯(lián)軸器壽命。(4)減少了起動(dòng)電流，也就減少了系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高了自身系統(tǒng)的可靠性。11 供水系統(tǒng)的方案確定 供水系統(tǒng)的流量類型根據(jù)用戶的用水時(shí)段特點(diǎn)，可將用戶用水量變化類型分為連續(xù)型、間歇型兩大類，根據(jù)流量的變化特點(diǎn)，還可進(jìn)一步細(xì)分為高流量變化型，低流量變化型，全流量變化型等。不同季節(jié)、不同月份，流量變化類型也會(huì)改變。連續(xù)型是指一天內(nèi)很少有流量為零的時(shí)候，或本身管網(wǎng)的正常泄漏就有一定的流量。間歇型指一天內(nèi)有多段用水低谷時(shí)間，流量很小或?yàn)榱恪?總體設(shè)計(jì)方案確定調(diào)速方式如今的變頻器調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行效率高、功率因數(shù)高、操作方便并且便于同其他設(shè)備接口等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此恒壓供水系統(tǒng)中采取變頻調(diào)速方式可以獲得優(yōu)良的運(yùn)行特性和明顯的節(jié)能效果，是實(shí)現(xiàn)恒壓供水轉(zhuǎn)速控制最佳方案。泵水方式多泵并聯(lián)代替一、二臺(tái)特大泵單獨(dú)供水不會(huì)增加投資，而其好處是多方面的。首先是節(jié)能，每臺(tái)泵都可以較高效率運(yùn)行，長(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用少；其二，供水可靠性好，一臺(tái)泵故障時(shí)，一般并不影響系統(tǒng)供水，小泵的維修更換也方便；其三，小泵起動(dòng)電流小，不要求增加電源容量；其四，只須按單臺(tái)泵來(lái)配置變頻器容量，減少投資。處于供水低谷小流量或夜間小流量時(shí)，為進(jìn)一步減少功耗，采用一臺(tái)小流量泵來(lái)維持正常的泄漏和水壓。供水系統(tǒng)如圖 32 所示。12圖 32 供水系統(tǒng)圖1—水位上限檢測(cè) 2—水位下限檢測(cè) 3—閘閥 4—止回閥 5—壓力檢測(cè)控制方式多泵變頻循環(huán)工作方式的可靠切換，是實(shí)現(xiàn)多泵分級(jí)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，可選用編程靈活、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小的 PLC 通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。供水系統(tǒng)的恒壓是通過(guò)壓力變送器、PID 調(diào)節(jié)器和變頻器組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制的。根據(jù)水壓的變化，由變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)恒壓。 恒壓供水電控系統(tǒng)組成（1） 主電路：通過(guò)接觸器、斷路器等電氣設(shè)備為主水泵及輔泵拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供工頻及變頻電源。（2） 電氣控制電路：成對(duì)主電路的繼電控制，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)控制的切換。（3） 變頻控制電路：根據(jù)壓力設(shè)定及壓力傳感器的壓力檢測(cè)信號(hào)，由變頻器輸出變頻電源；提供最高頻率、上下限頻率及啟動(dòng)頻率等信號(hào)；并能實(shí)現(xiàn) PID 調(diào)節(jié)。（4）PLC 控制系統(tǒng)：包括硬件線路和軟件控制程序，完成對(duì)恒壓供水系統(tǒng)壓力設(shè)定、順序控制、信號(hào)指示報(bào)警等。恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及控制方案如圖 33 所示。13圖 33 恒壓供水系統(tǒng)構(gòu)成及控制方案圖 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與選型 主電路設(shè)計(jì)三臺(tái)大容量的主水泵根據(jù)供水狀態(tài)的不同，具有變頻、工頻、停泵三種運(yùn)行方式，因此每臺(tái)主水泵均要求通過(guò)兩個(gè)接觸器分別與工頻電源和變頻電源輸出相聯(lián)；輔助泵只運(yùn)行在工頻狀態(tài)，通過(guò)一個(gè)接觸器接入工頻。連線時(shí)一定要注意，保證水泵旋向正確，接觸器的選擇依據(jù)電動(dòng)機(jī)制容量來(lái)確定。QFQFQF3 、QFQFQF6 分別為主電路、變頻器和各水泵的工頻運(yùn)行空氣開(kāi)關(guān)，F(xiàn)RFR FR3 、FR4 為工頻運(yùn)行時(shí)的電機(jī)過(guò)載保護(hù)用熱繼電器，變頻運(yùn)行時(shí)由變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)過(guò)載保護(hù)。14變頻器的主電路輸出端子（U、V、W ）經(jīng)接觸器接至三相電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向與工頻時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)向不一致時(shí)，需要調(diào)換輸出端子（U 、V 、W）的相序，否則無(wú)法工作。變頻器和電動(dòng)機(jī)之間的配線長(zhǎng)度應(yīng)控制在 100m 以內(nèi)。在變頻器起動(dòng)、運(yùn)行和停止操作中，必須用觸摸面板的運(yùn)行和停止鍵或者是外控端子 FWD（REV）來(lái)操作，不得以主電路空氣開(kāi)關(guān) QF2 的通斷來(lái)進(jìn)行。為了改善變頻器的功率因素，還應(yīng)在變頻器的（Pl、P+）端子之間接入需相應(yīng)的 DC 電抗器。變頻器接地端子必須可靠接地，以保證安全，減少噪聲。在電動(dòng)機(jī)三相電源輸入端前接入電流互感器和電流表，用來(lái)觀察電機(jī)工作電流大小，設(shè)計(jì)三相電源信號(hào)指示。圖 34 給出了供水系統(tǒng)電氣控制主回路的主要聯(lián)線關(guān)系。 圖34主電路 電氣控制電路設(shè)計(jì)為了保護(hù) PLC 設(shè)備，PLC 輸出端口并不是直接和交流接觸器連接，而是在 PLC 輸出15端口和交流接觸器之間引入中間繼電器，通過(guò)中間繼電器控制接觸器線圈的得電/失電，進(jìn)而控制電機(jī)或者閥門的動(dòng)作。在控制電路中多處對(duì)各主泵電機(jī)的工頻/變頻運(yùn)行接觸器作了互鎖設(shè)計(jì)；變頻器是按單臺(tái)電機(jī)容量配置，不允許同時(shí)帶多臺(tái)電機(jī)運(yùn)行，為此對(duì)各電機(jī)的變頻運(yùn)行也作了互鎖設(shè)計(jì)。為提高互鎖的可靠性，在 PLC 控制程序設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)一步通過(guò) PLC 內(nèi)部的軟繼電器來(lái)作互鎖?？刂齐娐分羞€考慮了電機(jī)和閥門的當(dāng)前工作狀態(tài)指示的設(shè)計(jì)，為了節(jié)省 PLC 的輸出端口，在電路中可以采用 PLC 輸出端子的中間繼電器的相應(yīng)常開(kāi)觸點(diǎn)的斷開(kāi)和閉合來(lái)控制相應(yīng)電機(jī)和閥門的指示燈的亮和熄滅，指示當(dāng)前系統(tǒng)電機(jī)和閥門的工作狀態(tài)。出于可靠性及檢修方面的考慮，設(shè)計(jì)了手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制電路。通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)及相應(yīng)的電路來(lái)實(shí)現(xiàn) [6]。圖 35 給出了供水系統(tǒng)的部分電氣控制線路圖 35 中，SA 為手動(dòng)/ 自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)， KA 為手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換用中間繼電器，打在①位置為手動(dòng)狀態(tài)，打在②位置 KA 吸合，為自動(dòng)狀態(tài)。在手動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)按鈕 SB1SB14 控制各臺(tái)泵的起停。在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行 PLC 的控制程序，自動(dòng)控制泵的起停。中間繼電器 KA 的常閉觸點(diǎn)接在四臺(tái)泵的手動(dòng)控制電路上，控制四臺(tái)泵的手動(dòng)運(yùn)行。中間繼電器 KA 的常開(kāi)觸點(diǎn)接 PLC 的 X0，控制自動(dòng)變頻運(yùn)行程序的執(zhí)行。在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，四臺(tái)泵在 PLC 的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)電源的通斷，由中間繼電器 KA1KA7 控