【文章內容簡介】 H 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 12 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 最合適。 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(shù)情況下，下限頻率應定為 30Hz～ 35Hz。 ： 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(jù)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(wǎng)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 13 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 14 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(jù)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(chǎn)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(jù)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(chǎn)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 主電路設計圖（包括生活泵和消防泵）（附圖四） 操作控制電路設計圖（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 15 變頻器外部接線圖（附圖六） 可編程控制器 PLC 的外部接線圖（附圖七） 系統(tǒng)配電柜內外布置設計圖（附圖八） 可 編程控制器 PLC 程序梯形圖（附圖九） 變頻調速恒壓供水系統(tǒng)圖（附圖十） 系統(tǒng)工作過程說明 根據(jù)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(jù)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(wǎng)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態(tài)， HL12 信號燈點亮 Ⅱ 當管網(wǎng)壓力仍不滿足設定要求而變頻器輸出已到達工頻 50Hz 以后，變頻器將 1＃泵投入工頻運行，將 2＃泵投入變頻運行：首先，管網(wǎng)反饋壓力送給變頻器后壓力仍不滿足要求而變頻器已輸出上限頻率，變頻器 1K2 輸出高電平信號 1K1 輸出低電平，交流接觸器 1KM2 斷開， 1KM3 處于吸合狀態(tài)， 1＃泵在工頻運行狀態(tài)，然后變頻器 2K1 輸出高電平， 2KM2 處于吸合狀態(tài)， 2＃泵投入變頻運行狀態(tài)，此時， 1＃泵處于工頻運行狀態(tài)， 2＃泵處于變頻運行狀態(tài)。 Ⅲ 當管網(wǎng)壓力仍不滿足設定要求而變頻器輸出已到達工頻 50Hz 以后，變頻器將 2＃ 泵投入工頻運行，將 3＃ 泵投入變頻運行：首先，管網(wǎng)反饋壓力送給變頻器后壓力仍不滿足要求而變頻器已輸出上限頻率，變頻器 2K2 輸出高電平信號 2K1 輸出低電平，交流接觸器 2KM2 斷開， 2KM3 處于吸合狀態(tài)， 2＃ 泵在工頻運行狀態(tài)，然后變頻器 3K1 輸出高電平， 3KM2 處于吸合狀態(tài)， 3＃泵投入變頻運行狀態(tài)，此時， 1＃ ， 2＃ 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 泵處于工頻運行狀態(tài)， 3＃ 泵處于變頻運行狀態(tài)。 Ⅳ 當管網(wǎng)壓力仍不滿足設定要求而變頻器輸 出已到達工頻 50Hz以后，變頻器將 3＃ 泵投入工頻運行，將 4＃ 泵投入變頻運行：首先，管網(wǎng)反饋壓力送給變頻器后壓力仍不滿足要求而變頻器已輸出上限頻率，變頻器 3K2 輸出高電平信號 3K1 輸出低電平，交流接觸器 3KM2 斷開， 3KM3 處于吸合狀態(tài)， 3＃ 泵在工頻運行狀態(tài)，然后變頻器 4K1 輸出高電平， 4KM2 處于吸合狀態(tài)， 4＃泵投入變頻運行狀態(tài)，此時， 1＃ ， 2，3泵處于工頻運行狀態(tài)， 4＃ 泵處于變頻運行狀態(tài)。 當四臺電機全運行時，如果壓力高于設定壓力，變頻器降頻運行。當變頻器運行到切換頻率下限時，如果壓力高于設定 壓力，降運行時間最長的工頻電機停止（ 1K2 斷開），變頻器變頻運行一段時間后，檢測壓力后，如果壓力高于設定壓力，變頻器降頻運行，直至全都工頻電機停止， 4＃ 電機變頻運行。 變頻器如果發(fā)生故障，變頻器 30A 與 30B 之間接通，中間繼電器 KA 吸合，接觸器 KM1 線圈處于吸合狀態(tài)下，常閉觸點 KM1 斷開，從而切除變頻器的電源而停機，而且， HL2 信號燈點亮，電鈴 HAB 發(fā)聲。 當電機發(fā)熱超標時，熱繼電器動作，從而切除電機的電源。 當液位過低時，交流接觸器 KM16 的常閉觸點斷開，整個供水系統(tǒng)不能工作。 如果變頻器發(fā)生故障而小區(qū)供 水系統(tǒng)必須有所保證，這時必須用手動運行，將水泵切人工頻運行。按下 SB11， 1KM4 閉合， 1KM5 閉合， 1＃ 電機星型啟動， 10 秒后， 1KM5斷開， 1KM6 吸合， 1＃電機處于角型連接， 1＃泵啟動完畢，在工頻下運行，在值班人員的監(jiān)視下，如果壓力不滿足要求，再按下 SB13， SB15， SB17 按鈕，把 2＃ ， 3＃ ，4＃ 水泵分別投入運行，相應的指示燈點亮。 本章小結 本章 闡述了本設計系統(tǒng)的總體設計方案，簡單分析了系統(tǒng)的流程與工作過程。通過本系統(tǒng)控制原理和組成的闡述做了本系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計部分，其中包括：生活泵 與消防泵主電路，操作控制電路，變頻器的外部引腳預置與接線圖，可編程控制器 PLC 外部接線圖，配電柜柜面設備布置設計圖，配電柜內部元件布置圖以及可編程控制器 PLC 程序梯形圖。 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 17 第四章器 件選擇 水泵的選擇： 用戶供水量的確定： 設計流量應按生活用水的設計秒流量計算。新建筑或生活小區(qū)已經(jīng)由專業(yè)設計人員算出，不用單獨計算，對于改造類型需重新計算。 本設計小區(qū)人數(shù)： m＝ 150000/12＝ 12500 人 小區(qū)戶數(shù)： f＝ 12500/＝ 3571 戶 （每戶平均 人 ） 最高日生活用水量 QD＝ mqd/1000=rfqd/1000 其中： qd— 用水定額（Ⅲ類住宅， qd＝ 190L/人） M— 設計小區(qū)內的人數(shù) r— 平均居住人數(shù)（通常 r= 人 /戶） f— 居民區(qū)的戶數(shù) QD＝ 3571 190/1000=2375m3/d 則最大小時流量 QH＝ KH QD/T =*2375/24 = m3/h = 其中： T＝ 24h 為每日用水時間 KH— 時間常數(shù)（Ⅲ類住宅， KH＝ ） 秒流量計算公式： Ⅲ類： Qq＝ Nq ＋ 其中 Nq 為用水當量 Nq＝ n f＝ 4 3571＝ 14284 （ nⅢ類＝ 4，每戶平均用水量） Qq＝ Nq ＋ ＝ 14284 ＋ 14284 ＝ ＋ ＝ 由于 f＝ 3571 戶》 3000 戶，所以取 QH與 Qq 中較大者作為供水標準，流量取 Qq。 考慮選泵時留有裕度 10％～ 15％，所以 Qq 按 Qq（ 1＋ 10％）＝ Qq 110％＝。 消防 用水量根據(jù)規(guī)范，人類小于 萬人時，一次滅火用水量為 15L/S，本小區(qū)人 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 數(shù)為 12500 人，消防用水量選為 15L/S,選泵時留有裕度 10％，所以 Qq 消防 ＝ Qq110％＝ 15 110％＝ 。 供水的揚程計算： 在供水系統(tǒng)中，一般把最遠最高層作為