【文章內(nèi)容簡介】 （22）0210212()==FDQHP?????所以，當(dāng)用閥門控制流量時，有 功率被浪費掉，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，運行工況點也隨之上移，于是 E增大，而被浪費的功率要隨之增加。根據(jù)水泵變速運行的相似定律，變速前后流量 Q、揚程 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、揚程、功率， 、H P 2 為變速后的流量、揚程、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)，在控制上實現(xiàn)出口總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。設(shè)定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。所以，在某個特定時段內(nèi),恒壓控制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實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)運行過程中，如果實際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個差值經(jīng)過計算和轉(zhuǎn)換，計算出變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個增量和變頻器當(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，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復(fù)，直到實際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止 [4]。如果運行過程中實際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速減小，實際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實際供水壓力和設(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)在極短時間內(nèi)，因水流量的急劇變化，引起在管道的壓強(qiáng)過高或過低的沖擊，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)過高，將引起管子的破裂。 壓強(qiáng)過低又會導(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，是水泵在起動和制動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩太大，短時間內(nèi)流量的巨大變化而引起的。水泵的動態(tài)轉(zhuǎn)矩大小決定了水泵加速過程的快慢，決定了加速過程流量變化的快慢，也就決定了水錘效應(yīng)的強(qiáng)弱。通過水泵電動機(jī)的軟起動，可減少動態(tài)轉(zhuǎn)矩，因此，選擇好的起動方式和速度調(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)運行的安全性。83 供水系統(tǒng)恒壓控制與硬件設(shè)計 異步電動機(jī)調(diào)速方法及選型轉(zhuǎn)速控制法實現(xiàn)恒壓供水，供水質(zhì)量好、能耗低、效率高，并可延長設(shè)備的使用壽命，提高系統(tǒng)的安全性。通過轉(zhuǎn)速控制法實現(xiàn)恒壓供水，需要調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速。水泵通過聯(lián)軸器由三相異步電動機(jī)來拖動，因此水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，實質(zhì)就是需要調(diào)節(jié)異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。由三相異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式 [5]： （31）160()(1)fnssp=式中， —異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，r/min；1nn —異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；p —異步電動機(jī)磁極對數(shù)；f —異步電動機(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，改變電動機(jī)的磁極對數(shù)，實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。磁極對數(shù)的改變通過改變電機(jī)定子繞組的接線方式來實現(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)。通過改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。9三相異步電動機(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。電動機(jī)工作在額定狀態(tài)時，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，此時的轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)差功率增大，電機(jī)運行效率降低。雖然變轉(zhuǎn)差調(diào)速中的串級調(diào)速法能將增加部份的轉(zhuǎn)差功率通過整流、逆變裝置回饋給電網(wǎng)，但其功率因數(shù)較低，低速時過載能力低，還需一臺與電動機(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，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 圖 31 電動機(jī)機(jī)械特性變頻調(diào)速過程的特點：靜差率小，調(diào)速范圍大，調(diào)速平滑性好，而且，很關(guān)鍵的一點是調(diào)速過程中，其轉(zhuǎn)差率不變。電機(jī)的運行效率高，適合于恒壓供水方式中的轉(zhuǎn)速控制法。變頻調(diào)速對供水系統(tǒng)安全性的作用 (1)消除水錘效應(yīng)，減少對水泵及管道系統(tǒng)的沖擊，大大延長水泵及管道系統(tǒng)的壽命。拖動系統(tǒng)中，動態(tài)轉(zhuǎn)矩 =JMLT ：是電動機(jī)的拖動轉(zhuǎn)矩 ：是供水系統(tǒng)的制動轉(zhuǎn)矩MT圖 31 中 b）反映了全壓起動和變頻起動過程中動態(tài)轉(zhuǎn)矩情況。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。(2)降低水泵平均轉(zhuǎn)速，減小工作過程中的平均轉(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。(3)避免了電機(jī)和水泵的硬起動，可大大延長聯(lián)軸器壽命。(4)減少了起動電流，也就減少了系統(tǒng)對電網(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)用戶的用水時段特點，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，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，流量變化類型也會改變。連續(xù)型是指一天內(nèi)很少有流量為零的時候，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)有多段用水低谷時間，流量很小或為零。 總體設(shè)計方案確定調(diào)速方式如今的變頻器調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運行效率高、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，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)良的運行特性和明顯的節(jié)能效果，是實現(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、二臺特大泵單獨供水不會增加投資，而其好處是多方面的。首先是節(jié)能，每臺泵都可以較高效率運行，長期運行費用少；其二，供水可靠性好，一臺泵故障時，一般并不影響系統(tǒng)供水，小泵的維修更換也方便；其三，小泵起動電流小，不要求增加電源容量；其四，只須按單臺泵來配置變頻器容量，減少投資。處于供水低谷小流量或夜間小流量時，為進(jìn)一步減少功耗，采用一臺小流量泵來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 2—水位下限檢測 3—閘閥 4—止回閥 5—壓力檢測控制方式多泵變頻循環(huán)工作方式的可靠切換，是實現(xiàn)多泵分級調(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 通過編程來實現(xiàn)。供水系統(tǒng)的恒壓是通過壓力變送器、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)速來實現(xiàn)恒壓。 恒壓供水電控系統(tǒng)組成（1） 主電路：通過接觸器、斷路器等電氣設(shè)備為主水泵及輔泵拖動電動機(jī)提供工頻及變頻電源。（2） 電氣控制電路：成對主電路的繼電控制，實現(xiàn)手動或自動控制的切換。（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信號，由變頻器輸出變頻電源；提供最高頻率、上下限頻率及啟動頻率等信號；并能實現(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，完成對恒壓供水系統(tǒng)壓力設(shè)定、順序控制、信號指示報警等。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)計與選型 主電路設(shè)計三臺大容量的主水泵根據(jù)供水狀態(tài)的不同，具有變頻、工頻、停泵三種運行方式，因此每臺主水泵均要求通過兩個接觸器分別與工頻電源和變頻電源輸出相聯(lián)；輔助泵只運行在工頻狀態(tài)，通過一個接觸器接入工頻。連線時一定要注意，保證水泵旋向正確，接觸器的選擇依據(jù)電動機(jī)制容量來確定。QFQFQF3 、QFQFQF6 分別為主電路、變頻器和各水泵的工頻運行空氣開關(guān)，F(xiàn)RFR FR3 、FR4 為工頻運行時的電機(jī)過載保護(hù)用熱繼電器，變頻運行時由變頻器來實現(xiàn)電機(jī)過載保護(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機(jī)上，當(dāng)旋轉(zhuǎn)方向與工頻時電機(jī)轉(zhuǎn)向不一致時，需要調(diào)換輸出端子（U 、V 、W）的相序，否則無法工作。變頻器和電動機(jī)之間的配線長度應(yīng)控制在 100m 以內(nèi)。在變頻器起動、運行和停止操作中，必須用觸摸面板的運行和停止鍵或者是外控端子 FWD（REV）來操作，不得以主電路空氣開關(guān) QF2 的通斷來進(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。在電動機(jī)三相電源輸入端前接入電流互感器和電流表，用來觀察電機(jī)工作電流大小，設(shè)計三相電源信號指示。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)或者閥門的動作。在控制電路中多處對各主泵電機(jī)的工頻/變頻運行接觸器作了互鎖設(shè)計；變頻器是按單臺電機(jī)容量配置，不允許同時帶多臺電機(jī)運行，為此對各電機(jī)的變頻運行也作了互鎖設(shè)計。為提高互鎖的可靠性，在 PLC 控制程序設(shè)計時，進(jìn)一步通過 PLC 內(nèi)部的軟繼電器來作互鎖。控制電路中還考慮了電機(jī)和閥門的當(dāng)前工作狀態(tài)指示的設(shè)計，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)常開觸點的斷開和閉合來控制相應(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)計了手動/自動轉(zhuǎn)換控制電路。通過轉(zhuǎn)換開關(guān)及相應(yīng)的電路來實現(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/ 自動轉(zhuǎn)換開關(guān)， KA 為手動/自動轉(zhuǎn)換用中間繼電器，打在①位置為手動狀態(tài)，打在②位置 KA 吸合，為自動狀態(tài)。在手動狀態(tài)，通過按鈕 SB1SB14 控制各臺泵的起停。在自動狀態(tài)時，系統(tǒng)執(zhí)行 PLC 的控制程序，自動控制泵的起停。中間繼電器 KA 的常閉觸點接在四臺泵的手動控制電路上，控制四臺泵的手動運行。中間繼電器 KA 的常開觸點接 PLC 的 X0，控制自動變頻運行程序的執(zhí)行。在自動狀態(tài)時，四臺泵在 PLC 的控制下能夠有序而平穩(wěn)地切換、運行。電動機(jī)電源的通斷，由中間繼電器 KA1KA7 控