【文章內(nèi)容簡介】 業(yè)及各種調(diào)速領域。 變頻供水系統(tǒng)應用范圍 變頻恒壓供水系統(tǒng)在供水行業(yè)中的應用，按所使用的范圍大致分為三類： (1)小區(qū)供水 (加壓泵站 )變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)主要用于包括工廠、小 區(qū)供水、高層建筑供水、鄉(xiāng)村加壓站，特點是變頻控制的電機功率小，一般在 135kw 以下，控制系統(tǒng)簡單。由于這一范圍的用戶群十分龐大，所以是目前國內(nèi)研究和推廣最多的方式。 (2)國內(nèi)中小型供水廠變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)主要用于中小供水廠或大中城市的輔助供水廠。這類變頻器電機功率在 135kw~320kw 之間，電網(wǎng)電壓通常為 220V 或 380V。受中小水廠規(guī)模和經(jīng)濟條件限制，目前主要采用國產(chǎn)通用的變頻恒壓供水變頻器。 (3)大型供水廠的變頻恒壓供水系統(tǒng) 這類變頻供水系統(tǒng)用于大中城市的主力供水廠，特點是功率 大、機組多、多數(shù)采用高壓變頻系統(tǒng)。這類系統(tǒng)一般變頻器和控制器要求較高，多數(shù)采用了國外進口變頻器和控制系統(tǒng)。如利德福華的一些高壓供水變頻器。 恒壓供水的實現(xiàn) 系統(tǒng)結構的設計：系統(tǒng)為壓力反饋的單閉環(huán)控制。利用壓力傳感器測量水管壓力，其輸出為數(shù)字量。單片機獲得測量值后通過算法計算出頻率值。通過變頻器輸出調(diào)節(jié)泵的轉(zhuǎn)速，來調(diào)節(jié)水壓，從而達到恒壓控制的目的。 控制算法的設計：由于供水系統(tǒng)難于確定系統(tǒng)的數(shù)學模型且具有非線性、高階次、大滯后、參數(shù)易變等特點。而在本科所學的方法中都要求控制對象明確才能計算控制器參數(shù)。 用湊試法確定 PID參數(shù)不需要知道系統(tǒng)模型。因此擬用單片機來完成人工參數(shù)試湊的過程來整定參數(shù)。 目前交流電機變頻調(diào)速技術是一項業(yè)已廣泛應用的技能技術，由于電子技術的飛速發(fā)展，變頻器的性能有了極大的提高，它可以實現(xiàn)控制設備軟啟停，不僅可以降低設備故障率，還可以大幅縮減電耗，確保系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、長周期運行。 長期以來區(qū)域的供水系統(tǒng)都是由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和水塔或天而水池來滿足用戶對供水壓力的要求。在供水系統(tǒng)中加壓泵通常是用最不利水電的水壓要求來確定相應的揚程設計，然后泵組根據(jù)流量變化情況來選配，并確定水泵的運行 方式。由于用水有著季節(jié)和時段的明顯變化，日常供水運行控制就常采用水泵的運行方式調(diào)整加上出口閥開度調(diào)節(jié)供水的水量水壓，大量能量因消耗在出口徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 5 閥而浪費，而且存在著水池“二次污染”的問題。變頻調(diào)速技術在給水泵站上的應用，成功的解決了能耗和污染兩大難題。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 6 2 變調(diào)速系統(tǒng)能耗分析 供水系統(tǒng)的工藝要求 本系統(tǒng)對小區(qū)面積為 3000 平米，樓層最高位 11 層，樓高為 38 米的 1000戶的小區(qū)進行供水。根據(jù)表 21 和表 22 分別確定用水量標準為 ，最大用水量為 175m3/h,根 據(jù)供水壓力公式 P=（ +*樓層數(shù)） MPa 得 11層樓的供水壓力應該為 ，取 。 表 21 合金鋼的化學成分與力學性能 表 22 不同住宅類型的供水規(guī)模 戶數(shù) 用水標準（ m179。/人日） 450 500 600 700 800 1000 本系統(tǒng)的技術指標以下所示： ，在保證最高樓層（ 38 米）供水條件下，使供水壓力維持在 左右，最大供水壓力為 MPa，最小供水壓力為，壓力允許波動范圍為177。 1%。 。 ，如管道漏水等。 。 、斷相和短路等保護和報警功能。 。 ，該系統(tǒng)能保證正常運行。 11KW，電動機 3 臺。 住宅 類型 給水衛(wèi)生器具完善程度 用水標準（ m3/人日） 系數(shù) 1 僅有給水龍頭 ～ ～ 2 有給水衛(wèi)生器具，但無淋浴設備 ～ ～ 3 有給水衛(wèi)生器具，并有無淋浴設備 ～ ～ 4 有給水衛(wèi)生器具，但無淋浴設備和集中 熱水供應 ～ ～ 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 7 供 水系統(tǒng)分析 水泵機組利用變頻調(diào)速技術，通過改變電動機定子電源頻率來改變電動機轉(zhuǎn)速來相應的改變水泵的轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚程可以適應管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)壓力恒定，從而達到節(jié)能的效果。 由水泵的工作原理可知：水泵的揚程與水泵電機的轉(zhuǎn)速的平方成正比，水泵的流量與水泵電機的轉(zhuǎn)速成正比，水泵的軸功率等于水泵流量與揚程的乘積，所以水泵的軸功率與水泵（電機）的轉(zhuǎn)速的三次方成正比（即水泵的軸功率與供電頻率的三次方成正比）。 如圖 21 所示， n 為水泵特性曲線， A 管路特性曲線， H0 為管網(wǎng)末端的服務壓力， H1 為泵出口壓力 。當用水量達到最大 Qmax 時，水泵全速運轉(zhuǎn)，出口閥門全開，達到了滿負荷運行，水泵的特性 n0 和用水管特性曲線 A0匯交于 b點，此時，水泵輸出口壓力為 H，末端服務壓力剛好為 H0。當用水量從 Qmax 減少到 Q1的過程中，采用不同的控制方案，其水泵的能耗也不同。 圖 21 節(jié)能分析曲線圖 (1)水泵全速運轉(zhuǎn)，靠關小泵出口閥門來控制；此時，管路阻力特性曲線變陡（ A2），水泵的工況點由 b 點上滑到 c 點，而管路所需的揚程將由 b 點滑到 d點，這樣 c點和 d 點揚程的差值即為全速水泵的能量浪費。 (2)水泵變速運轉(zhuǎn)，靠泵的出口壓力恒定 來控制；此時，當用水量由 Qmax下降時，控制系統(tǒng)降低水泵轉(zhuǎn)速來改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。所以其工況點是在 H 上平移。在水量到達 Q1 時，相應的水泵特性趨向為nx。而管路的特性曲線將向上平移到 A1，兩線交點 e即為此時的工況點，這樣，在水量減少到 Q1 時，將導致管網(wǎng)不利點水壓升高到 H0﹥ H1，則 H1 即為水泵的能量浪費。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 8 (3)水泵變速運轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)取不利點壓力恒定來控制；此時，當用水量由 Qmax下降到 Q1 時，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵的特性曲線 n1，其工況點為 d點，正好落在管網(wǎng)特性曲線 A0上，這樣可以使水泵 的工作點式中沿著 A0 滑動，管網(wǎng)的服務壓力 H0 恒定不變，其揚程與系統(tǒng)阻力相適應，沒有能量的浪費。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗下降了 h1。 根據(jù)水泵相似原理 ： Q1/Q2=n1/n2 H1/H2=(n1/n2)*2 P1/P2=(n1/n2)*3 式 （ ） 式中， Q、 H、 P、 n 分別為泵流量、壓力、軸功率和轉(zhuǎn)速。即通過控制轉(zhuǎn)速可以減少軸功率。根據(jù)以上分析表明，選擇供水管網(wǎng)最不利 點允許的最低壓力為控制參數(shù)，通過壓力傳感器以獲得壓力信號，組成閉環(huán)壓力自控調(diào)速系統(tǒng)，以使水泵的轉(zhuǎn)速保持與調(diào)速裝置所設定的控制壓力相匹配，使調(diào)速技術和自控技術相結合，達到最佳節(jié)能效果。此外，最不利點的控制壓力還保證了用戶水壓的穩(wěn)定，無論管路特性等因素發(fā)生變化，最不利點的水壓是恒定的，保證了供水壓力的可靠。 采用變頻恒壓供水系統(tǒng)除可節(jié)能外，還可以使水泵組啟動，降低了起動電流，避免了對供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊負荷，提高了供水供電的安全可靠性。另外，變頻器本身具有過電流、過電壓、失壓等多種保護功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。 目前水泵電機絕大部分是三相交流異步電動機，根據(jù)交流電機的轉(zhuǎn)速特性，電機的轉(zhuǎn)速 n 為： n=120(1s)/p 式（ ） 式中 s為電機的轉(zhuǎn)差率（ s=）， p 為電機極對數(shù)， f為定子供電頻率。當水泵電機選定后， p和 s為定值，也就是說電機轉(zhuǎn)速與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉(zhuǎn)速越高，反之，轉(zhuǎn)速越低，變頻調(diào)速時是根據(jù)這一公式來實現(xiàn)無級調(diào)速的。 由流體力學知：管網(wǎng)壓力 P、流量 Q 和功率 N的關系為： N=PQ 由功率與水泵 電機轉(zhuǎn)速成三次方正比關系，基于轉(zhuǎn)速控制比，基于流量控制可以大幅度降低軸頻率。 變頻調(diào)速恒壓供水工況與能耗機理分析 管路水力損失分為揚程損失和局部損失兩種 jys hh ??h 式（ ） 沿程損失： 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 9 2h LQy ? 式（ ） 式中 y管路沿程摩擦損失系數(shù)； j局部損失系數(shù)； L管路長度（ m）； A過水截面的面積。 222 1h SgALQs ??? ? 錯誤 !未找到引用源。 式（ ） 式中 S 被稱為管路阻力系數(shù)。當水泵管路系統(tǒng)去掉后，相應的 y， j， L， A等參數(shù)都能去頂， S 也就確定了。由式（ ）可知管路水力損失與 流量的平方成正比。當上下水位確定后，管路所需要的水損失就等于上下水位差（即實際揚程 H）加上管路損失： ssj H?? HHX 式（ ） 由式（ ）可以得到如圖所示的 HsQ管路性能曲線 圖 22 水泵工作點的確定 水泵運行工況點 A 是水泵性能曲線 n1 和管道性能曲線 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，管路性 能曲線有 R1變?yōu)? 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(diào)速控制時，管路性能曲線 R1 保持不變，水泵的特性取決于轉(zhuǎn)速，如果水泵轉(zhuǎn)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 H1，流量從 Q0減少到 25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 23上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調(diào)速控制比恒速泵控制節(jié) 能效果明顯。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 10 圖 23 變頻調(diào)速恒壓供水單臺水泵工況調(diào)節(jié)圖 求出運行在 B 點的泵的軸功率： BB HP BkQ? 式（ ） 運行在 C 點泵的軸功率： 錯誤 !未找到引用源。 CCC HQP k? 式（ ） 兩者之差： 22j 2 QgAjP ?? 式（ ） 也就是說，采用閥門控制流量時有Δ V的功率被白白浪費了，而且損耗閥門的關小而增加。 相反，采用變頻調(diào)速控制水泵電機時，當轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)降低時，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)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)能效果顯著 。 考察水泵的效率曲線，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器效率降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調(diào)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(diào)速范圍，在根據(jù)用戶的揚程確定具體降低調(diào)速范圍，在實際配泵時揚程設定在高效區(qū)，水泵的調(diào)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(zhuǎn)速下降在 20%以內(nèi)。在此范圍內(nèi)，電動機的負載率在 50%~100%范圍內(nèi)變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 11 3 方案論證與選擇 高樓供水系統(tǒng)的設計主 要包括單片機控制部分、電動機變頻調(diào)速部分和算法部分。目前高樓供水控制系統(tǒng)最常見的有 PLC 控制和單片機控制，電動機調(diào)速方式最常見的有調(diào)壓調(diào)速和變頻調(diào)速。本系統(tǒng)根據(jù)高樓供水系統(tǒng)的問題和發(fā)展趨勢，確定一個最佳方案。 控制方式的選擇 單片機也被稱為微控制器，它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、 內(nèi)存 、內(nèi)部和外部 總線 系統(tǒng)。它是一種在線式實時控制計算機，有較強的抗干擾能力、較低的成本。單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點。目前，單片機已廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域。 PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置 。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。 PLC及其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。 PLC的應用領域比較廣泛。 單片機為專用控制器，使用范圍較 PLC 狹窄，但是單片機功能很強。在一些能使用單片機且干擾性不強的場合，首先考慮使用單片機。因為單片機的軟硬件結構比 PLC 簡單，自然處理速度快，運行效率高。另外，使用單