【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 其耗電量占全國(guó)總耗電量的 21%以上 [ 3]，具有很大的節(jié)能潛力。由于常規(guī)恒速供水系統(tǒng)是采用常規(guī)的閥門來(lái)控制供水量的，而軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，造成相當(dāng)部分電能消耗在閥門和額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行下的電機(jī)。因此，這種調(diào)控方式雖然簡(jiǎn)單，但從節(jié)約能耗的角度來(lái)看，很不經(jīng)濟(jì)。近 年來(lái)，電機(jī)調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，為水泵電機(jī)的節(jié)能開(kāi)辟了一個(gè)新途徑。它可以通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)適應(yīng)水量和水壓的變化，使水泵始終在高效區(qū)工作，將大大地降低水泵能耗，合理地進(jìn)行設(shè)備管理與維護(hù)，對(duì)節(jié)約能源和提高供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益具有極其重要的意義。 調(diào)速控制節(jié)能分析 水泵的設(shè)計(jì)負(fù)荷是按最不利條件下最大時(shí)流量及相應(yīng)揚(yáng)程設(shè)定的。但實(shí)際運(yùn)行中水泵每天只有很短的最大時(shí)流量，其流量隨外界用水情況在變化，揚(yáng)程也因流量和水位的變化而變化。因此水泵不能總保持在一個(gè)工況點(diǎn)，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行控制。通常采用的方法 有閥門控制和調(diào)速控制。閥門控制是通過(guò)增加管道的阻抗而達(dá)到控制流量的目的，因而浪費(fèi)了能量 。而電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制可以通過(guò)改變水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)變更水泵的工況點(diǎn)，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)管用水量的變化，維持壓力恒定，從而達(dá)到節(jié)能效果。 由流體力學(xué)可知，水泵給管網(wǎng)供水時(shí)，水泵的輸出功率 p 與管網(wǎng)的水壓 H 及出水流量 Q 的乘積成正比 。水泵的轉(zhuǎn)速 n 與出水流量 Q 成正比 :管網(wǎng)的水壓 H 與出水流量 Q 的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 平方成正比。由上述關(guān)系有，水泵的輸出功率 p 與轉(zhuǎn)速 n 的三次方成正比，即 : HQkP 1? （ 11） Qkn 2? (12) 23QkH? (13) 3nkP? (14) 式中 k 、 1k 、 2k 、 3k 為比例常數(shù) 。 圖 變頻調(diào)速節(jié)能原理圖 當(dāng)系統(tǒng)出水流量減小時(shí)，通過(guò)變頻調(diào)速裝置將供水轉(zhuǎn)速調(diào)小，則水泵的輸出功率將隨轉(zhuǎn)速的變化而減小。變頻調(diào)速節(jié)能原理圖如圖 所示。圖中曲線 1, 2, 3 為管網(wǎng)阻力特性曲線，曲線 4為水泵轉(zhuǎn)速為 1n 時(shí)的運(yùn)行特性曲線 5為水泵轉(zhuǎn)速為 n2時(shí)的運(yùn)行特性曲線。 水泵原來(lái)的工作點(diǎn)為曲線 3 和曲線 4 的交點(diǎn) A，此時(shí)出水流量為 1Q ，管網(wǎng)壓力為 H1，水泵轉(zhuǎn)速為 1n 。當(dāng)系 統(tǒng)的出水流量減小到 2Q 時(shí)，系統(tǒng)管網(wǎng)特性為曲線 1，曲線 1和曲線4 的交點(diǎn) B 為運(yùn)行工作點(diǎn)。此時(shí)管網(wǎng)壓力為 H2，水泵的輸出功率正比于 22 QH? 。由于12 HH ? .高出的壓力能量被浪費(fèi)了，同時(shí)過(guò)高的壓力對(duì)管網(wǎng)和設(shè)備還可能造成危害。如采用變頻調(diào)速裝置，將此時(shí)水泵的轉(zhuǎn)速調(diào)至 n2，曲線 5 和曲線 2 的交點(diǎn) C 為水泵的運(yùn)行工作點(diǎn)。調(diào)速后管網(wǎng)的壓力仍保持為 H1，出水流量為 2Q ，水泵 的輸出功率正比于 21 QH? 。從圖中可見(jiàn)，陰影部分正比于浪費(fèi)的功率輸出。例如，當(dāng) 2Q 為 1Q 的 80%時(shí)，通過(guò)調(diào)速將 2n 調(diào)為 1n 的 80%，則水泵的輸出功率 2P 為 1P 的 %。如不采用調(diào)速控制， %的能量將被浪費(fèi)?？梢?jiàn)變頻 調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。 常用的調(diào)速方式 水泵多配用交流異步電機(jī)拖動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，既可節(jié)約能量，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。由異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式 : n = 0n (1s )= pf60 (1s ) （ 15） 式中， 0n ：異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速， r/min。 n ：異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。 r/min 。 p ：電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì) 數(shù) 。 f ：電源頻率，電動(dòng)機(jī)定子電壓頻率 。 s ： 轉(zhuǎn)速差 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 s = %10000 ??n nn （ 16） 改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù) p 、改變轉(zhuǎn)速差 s 及改變電源頻率 f 都可以改變轉(zhuǎn)速。 極 對(duì)數(shù)調(diào)速 在電源頻率一定的情況下，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與極對(duì)數(shù)成反比，改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)，就可以改變轉(zhuǎn)速。通過(guò)改變定子繞阻的接線方法來(lái) 改變極對(duì)數(shù)。 以電動(dòng)機(jī)一相繞組為例，電流方向都是由 A指向 X，只要改變定子繞組的連接方法，就可以成倍地改變磁極對(duì)數(shù) p 。如果使 p =1, 2. 3 等，就可以得到 0n =3000. 1500, 1000 r / min 等不同的同步轉(zhuǎn)速，從而得到不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。這種調(diào)控方式控制簡(jiǎn)單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機(jī)，是有極調(diào)速，而且級(jí)差比較大，只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。 變頻調(diào)速是將電網(wǎng)交流電經(jīng)過(guò)變頻器變?yōu)殡妷汉皖l率均可調(diào)的交流電，然后供給電動(dòng)機(jī)，使其可在變速的情況下運(yùn)行。 改 變電動(dòng)機(jī)定子頻率 f 可以平滑地調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速 0n ，相應(yīng)地也就改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n，而轉(zhuǎn)差率 s 可保持不變或很小。但對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，定子頻率改變后，其運(yùn)行影響，如果電壓不變，頻率增加時(shí)，磁通減少，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電機(jī)堵轉(zhuǎn) :頻率增減少，磁通增加，會(huì)使磁 路飽和，勵(lì)磁電流上升，導(dǎo)致鐵芯損失急劇增加而發(fā)熱，是不允許的。因此，在實(shí)用上，要求調(diào)頻的同時(shí)，改變定子電壓，保持磁通基本不變，既不使鐵芯發(fā)熱，又保持轉(zhuǎn)矩不變。 實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓的電路有兩種 :交一直一交變頻器，交一交變頻器 [5,6]。 (1)交一直一交變頻器 它是由三個(gè)環(huán)節(jié)組成 :可控硅整流電路，其作用是將電壓、定頻率的交流電路變?yōu)殡妷嚎烧{(diào)的直流電 :可控硅逆變電路，其作用是將整流電路輸出的直流電變換為頻率可調(diào)的交流電 :濾波環(huán)節(jié)，它在整流電路和逆變電路之間，一般是利用無(wú)電源電容或電抗器對(duì)整流后的電壓或電流進(jìn) 行濾波。 在交一直一交變頻器中，根據(jù)濾波方式不同，又有電壓型變頻器和電流型變頻器。 近年來(lái)，由于電力電子器件和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制型 (簡(jiǎn)稱 PWM )變頻器技術(shù)獲得了飛速的發(fā)畏。 PWM 變頻器也有電壓型和電流型兩種，目前以電壓為主，由不可控整流電路、濾波電容及逆變電路組成。他不僅可改變逆變器輸出電壓，而且具有抑制諧波功能，是一種比較理想的方式。 (2)交一交變頻器 它是由兩組反并聯(lián)的整流電路組成，直接將電網(wǎng)的交流電通過(guò)變頻電路同時(shí)調(diào)節(jié)電壓和頻率，變成電壓和頻率可調(diào)的交流電輸出。交一交 變頻器由于直接交換，減少換流電路，減少損耗，效率高，波型好，但調(diào)速范圍小，控制線路復(fù)雜，功率因數(shù)低，目前較少采用。 變頻技術(shù)對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，以獲得優(yōu)良的運(yùn)行特性和明顯的節(jié)能效果，是目前常用的技術(shù)。 3 可控硅串級(jí)調(diào)速 它是把異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電勢(shì)經(jīng)過(guò)整流 逆變后回饋給電網(wǎng)，回收功率就是轉(zhuǎn)差功率。當(dāng)改變逆變角時(shí)，逆變電勢(shì)、轉(zhuǎn)差功率、轉(zhuǎn)差率都將隨之改變，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)經(jīng)氣隙傳送到轉(zhuǎn)子的電磁功率 PM，一部分成為機(jī)械功率 P2(即 PN (1S))，另一部分則成為轉(zhuǎn)差功率 SPM，電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子回路中以熱的形式損耗掉，因?yàn)榇藭r(shí)的轉(zhuǎn)差率 S很小，轉(zhuǎn)差功率也很小，但在調(diào)速時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 的降低，轉(zhuǎn)差率升高，轉(zhuǎn)差功率也直線上升，可控硅串級(jí)調(diào)速就是把這部分功率取出來(lái)，然后回送到電網(wǎng)，從而大大提高電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的效率。 串級(jí)凋速的最大優(yōu)點(diǎn)是由于它可以回收轉(zhuǎn)差功率，節(jié)能效果好，且調(diào)速性能也好，但由于線路過(guò)于復(fù)雜，還需一臺(tái)與電動(dòng)機(jī)相匹配的變壓器，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗，帶來(lái)了成本高，占水泵房面積大等缺點(diǎn)而影響它的推廣價(jià)值。 多泵 恒壓供水系統(tǒng)中的關(guān)鍵問(wèn)題和本文的主要研究?jī)?nèi)容 多泵恒壓供水系統(tǒng)中的關(guān)鍵問(wèn)題 交流異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)所產(chǎn)生的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊會(huì)給供電系統(tǒng)和拖動(dòng)系統(tǒng)帶來(lái)不利影響，故對(duì)于容量較大的異步電動(dòng)機(jī)一般都要采用軟起動(dòng)方案。采用變頻器帶動(dòng)電機(jī)從零速開(kāi)始起動(dòng)，逐漸升壓升速，直至達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速或所需的轉(zhuǎn)速，此時(shí)變頻器同時(shí)承擔(dān)了軟啟動(dòng)的任務(wù)。變頻軟起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是由于采用電壓 /頻率按比例控制方法，所以不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電流，并可提供等于額定轉(zhuǎn)矩的起動(dòng)力矩，故特別適合于需重載或滿載起動(dòng)的大功率水泵電機(jī)。 多泵恒壓供水系統(tǒng)為了提 高變頻器的使用效率，減少設(shè)備的投入費(fèi)用，常采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行的方案。當(dāng)變頻器帶動(dòng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，就要將電動(dòng)機(jī)切換到工頻電網(wǎng)直接供電運(yùn)行，變頻器可以再去起動(dòng)其他的電動(dòng)機(jī)。這樣就不可避免地要進(jìn)行電網(wǎng)和變頻器之間的相互切換操作。 變頻器的輸出切換問(wèn)題，目前尚未得到足夠的重視，因而在認(rèn)識(shí)上還存在著一些誤區(qū) :一種看法是將變頻器當(dāng)作一般的交流電源，或者 像 軟起動(dòng)器一樣，因而可以將電動(dòng)機(jī)在變頻器與供電電網(wǎng)之間任意切換 。另一種看法則認(rèn)為由于變頻器自身的設(shè)計(jì)原理，是不允許變頻器在運(yùn)行中進(jìn)行切換的。 本文的主要研究?jī)?nèi)容 經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的調(diào)研和分析，并結(jié)合樓宇供水情況，本次研究的主要內(nèi)容和目標(biāo)是基于PLC 的單臺(tái)變頻器（內(nèi)置 PID）拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行的恒 壓供水自適應(yīng)平衡控制系統(tǒng)的研制，該系統(tǒng)利用變頻器實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的軟起動(dòng)和調(diào)速，摒棄了原有的自藕降壓起動(dòng)裝置，同時(shí)把水泵電機(jī)控制都納入自動(dòng)控制系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的操作控制實(shí)現(xiàn)微機(jī)自動(dòng)化管理，設(shè)備管理達(dá)到最優(yōu)效果，運(yùn)行調(diào)節(jié)達(dá)到最佳節(jié)能。具體而言，論文包括以下內(nèi)容 : ，并對(duì)多泵恒壓供水系統(tǒng)中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了論述 。在 此基礎(chǔ)上，提出了本文的主要研究?jī)?nèi)容和研究方法。 ，討論水泵工作點(diǎn) (工況點(diǎn) )的確定方法和水泵工況調(diào)節(jié)的幾種常用方法。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調(diào)節(jié)是通過(guò)改變水泵性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。本文重點(diǎn)對(duì)變頻 調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機(jī)理進(jìn)行深入研究，得出一些有益的結(jié)論。 算法在變頻橫壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用及如何選擇變頻器。 4. 通過(guò)對(duì)可編程控制器 PLC的端口介紹及軟件分析為本論文的 PLC選擇提供依據(jù)，并保證系統(tǒng)能有效的進(jìn)行工作。 PLC 的 變頻調(diào)速恒壓自動(dòng)控制供水系統(tǒng)，該系統(tǒng)由一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)水泵電機(jī)變頻運(yùn)行。壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力信號(hào)經(jīng) PID 處理傳送給變頻器，變頻器根據(jù)壓力大小調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變水泵性能曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)水泵的流量調(diào)節(jié)，保證管網(wǎng)壓力恒定。重點(diǎn)對(duì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成和工作過(guò)程，控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和 PLC 程序設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 本章小結(jié) 本章首先本文介紹了課題的來(lái)源和研究意義，在查閱了大量相關(guān)文獻(xiàn)和進(jìn)行了許多調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，對(duì)水泵電機(jī)的各種調(diào)控技術(shù)及節(jié)能原理進(jìn)行分析和比較，指 出交流電機(jī)的變頻調(diào)速作為一種有效的電機(jī)調(diào)速技術(shù)，能夠提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度并大大節(jié)約能源。對(duì)于我國(guó)城市樓宇供水來(lái)說(shuō)，應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)能有效的提高生產(chǎn)管理水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 提出了本文的主要研究?jī)?nèi)容 :設(shè)計(jì)一套基于 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)中水泵的工況調(diào)節(jié)、能耗機(jī)理以及電機(jī)的變頻 工頻切換問(wèn)題進(jìn)行研究。對(duì)樓于居民的生活用水有了較好的保障。 第 2 章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的飛速發(fā)展，城市人口和城市居民的不斷增加，城市供水不足成為一種普遍現(xiàn) 象，傳統(tǒng)的供水方式已經(jīng)不能滿足城市發(fā)展和人民生活的需要。自八十年代以來(lái)，變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于我國(guó)許多城市的自來(lái)水公司。變頻調(diào)速恒壓供水技術(shù)不僅能夠保證城市供水的穩(wěn)定，而且可以節(jié)約能 源。據(jù)統(tǒng)計(jì)若采用變頻調(diào)速技術(shù)來(lái)改變流量，可節(jié)約 205O%其節(jié)能效果相當(dāng)可觀 [12,49]。采用變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)和傳統(tǒng)恒速泵供水系統(tǒng)、水塔高位水箱供水系統(tǒng)、 高壓罐供水系統(tǒng)相比，具有水壓穩(wěn)定、維護(hù)方便、占地面積小、節(jié)約能源和減少對(duì)水泵機(jī)組設(shè)備的沖擊等優(yōu)點(diǎn) [13]。在討論變頻調(diào)速恒壓供水的節(jié)能機(jī)理之前，有必要討論分析 水泵及水泵工況調(diào)節(jié)等相關(guān)理論。 水泵理論及水泵工況點(diǎn)確定的研究 水泵廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)中，但在供水行業(yè)中普遍采用的離心式葉片泵，也稱離心泵。離心泵屬于高揚(yáng)程葉片泵，是利用葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生離心力的原理工作的。離心泵在起動(dòng)前必須使泵和進(jìn)水管中充滿液體，當(dāng)葉輪在泵殼內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)在離心力作用下被甩向葉輪外緣，并匯集到泵殼內(nèi)，使液體獲得動(dòng)能和壓能，并沿著出水管輸送出去。 水泵的工作參數(shù) 水泵工作參數(shù)共有六個(gè)，即 :流量、揚(yáng)程、功率、效率、轉(zhuǎn)速及允許吸上真空高 度或氣穴余量。在六個(gè)參數(shù)中，流量、揚(yáng)程和轉(zhuǎn)速是基本參數(shù)，只要其中一個(gè)發(fā)生變化，其余參數(shù)都會(huì)按照一定的規(guī)律發(fā)生相應(yīng)的變化 [14]。 Q 水泵流量是指水泵在單位時(shí)間從水泵出水口排出的水量，可分為體積流量和質(zhì)量流量?jī)煞N。以 L/s(升 /秒 )、 m3/s(米 3/秒 )、 m3/h(米 3/小時(shí) )、 kg/s(千克 /秒 )、 t/s(噸 /秒 )