【文章內容簡介】 1電機變頻啟動，頻率達到 50Hz， 1電機工頻運行， 2電機變頻運行。系統(tǒng)開始工作時，管網水壓低于設定壓力下限 P。按下相應的按鈕，選擇機組Ⅰ運行，在 PLC 可編程控制器控制下， KM2 得電， 1電機先接至變頻器輸出端，接著接通變頻器 FWD 端。變頻器對拖動 1泵的電動機采用軟啟動， 1電機啟動，運行一段時間后，隨著運行頻率的增加，當變頻器輸出頻率增至工 頻 f0可編程控制器發(fā)出指令，接通變頻器 BX 端，變頻器 FWD 端斷開， KM2 失電， 1電機自 變頻器輸出端斷開， KM1 得電， 1電機切換至工頻運行， 1電機自變頻器輸出端斷開， KM1 得電 1電機切換至工頻運行。 1電機工頻運行后，開啟 1泵閥門， 1泵工作在工頻狀態(tài)。接著 KM3 得電， 2電機接至變頻器輸出端，接通變頻器 FWD 端，變頻器 BX 端斷開， 2電機開始軟啟動，運行一段時間后， 8 電子科技大學學士學位畢業(yè)論文 開啟 2泵閥門， 2水泵電機工作在變頻狀態(tài)。從而實現(xiàn) 1水泵由變頻切換至工頻電網運行， 2水泵接入變頻器并啟動運行，在系統(tǒng)調節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，直到管網水壓達到設定值（ Pi＜ P＜ Pm）為止。 2. 切換過程Ⅱ 由 1電機工頻運行， 2電機變頻運行轉變?yōu)?2電機單獨變頻運行狀態(tài)。當晚上用水量大量減少時，水壓增加， 2水泵電機在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機轉速下降，水泵輸出流量減少，當變頻器輸出頻率下降到指定值 fmin，電機轉速下降到指定值，水管水壓高于設定水壓上限 Pk 時（ 2電機， f=fmin， P＜ Pk），在 PLC 可編程控制器控制下， 1水泵電機在工頻斷開， 2水泵繼續(xù)在變頻器拖動下變 頻運行。 3 切換過程Ⅲ 由 2電機變頻運行轉變?yōu)?2電機變頻停止， 1電機變頻運行狀態(tài)。當早晨用水量再次增加時， 2電動機工作在調速運行狀態(tài)，當變頻器輸出頻率增至工頻fi（即 50Hz），水管水壓低于設定水壓上限 Pi 時（ 2電機 f=fi， P≦ Pi），接通變頻器 BX 端，變頻器 FWD 斷開， KM3 斷開， 2電機自變頻器輸出端斷開； KM2得電， 1電機接至變頻器輸出端；接通變頻器 FWD 端，于此同時變頻器 BX 端斷開。 1電機開始軟啟動。控制系統(tǒng)又回到初始工作狀態(tài)Ⅰ，開始新一輪循環(huán)。 圖 23 1和 2機組工作過程流程圖 第二章 變頻恒壓調速供水系統(tǒng)的工作原理 9 變頻調速的基本調速調速原理 水泵機組應用變頻調速技術。即通過改變電動機定子電源效率來改變電動機轉速可以相應的改變水泵轉速及工況，使其流量與揚程適應管網用水量的變化，保持管網最不利點壓力恒定，達到節(jié)能效果。 如圖 所示， n 為水泵特性曲線， A 管路特性曲線， H0為 管網末端的服務壓力，H1 為泵出口壓力。當用水量達到最大 Qmax時，水泵全速運轉，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 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 24節(jié)能分析曲線圖 (1)水泵全速運轉，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，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，將導致管網不利點水壓升高到 H0﹥ H1，則 H1 即為水泵的能量浪費。 (3)水泵變速運轉，靠管網取不利點壓力恒定來控制；此時，當用水量由 Qmax 10 電子科技大學學士學位畢業(yè)論文 下降到 Q1 時，水泵降低轉速，水泵的特性曲線 n1，其工況點為 d 點，正好落在管網特性曲線 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. 根據水泵相似原理： Q1/Q2=n1/n2 H1/H2=(n1/n2)*2 P1/P2=(n1/n2)*3 式中， Q、 H、 P、 n 分別為泵流量、壓力、軸功率和轉速。即通過控制轉速可以減少軸功率。根據以上分析表明，選擇供水管網最不利點允許的最低壓力為控制參數，通過壓力傳感器以獲得壓力信號，組成閉環(huán)壓力自控調速系統(tǒng)，以使水泵的轉速保持與調速裝置所設定的控制壓力相匹配，使調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，根據交流電機的轉速特性，電機的轉速 n 為： n=120(1s)/p （ ） 式中 s 為電機的滑差（ s=）， p 為電機極對數， f 為定子供電頻率。當水泵電機選定后， p 和 s 為定值，也就是說電機轉速與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉速越高，反之，轉速越低，變頻調速時是根據這一公式來實現(xiàn)無級調速的。 由流體力學知：管網壓力 P、流量 Q 和 功率 N 的關系為 N=PQ 由功率與水泵電機轉速成三次方正比關系，基于轉速控制比，基于流量控制可以大幅度降低軸頻率。 變頻調速恒壓供水工況分析與能耗機理分析 管路水力損失及性能曲線 管路水力損失分為沿程損失和局部損失兩種 （ ） 沿程損失 （ ） 第二章 變頻恒壓調速供水系統(tǒng)的工作原理 11 式中 y管路沿程摩擦損失系數； j局部損失系數； L管路長度（ m）； A過水 截面的面積。 將式中（ ）和（ ）代入（ ）可得 式中 S 被稱為管路阻力系數。當水泵管路系統(tǒng)去掉后，相應的 y， j， L， A等參數都能去頂， 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 Hx=Hsj+Hs () 由式（ ）可以得到如圖所示的 HsQ 管路性能曲線 圖 25本泵工作點的確定 水泵變頻調速節(jié)能分析 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。采用變頻調速控制時，管路性能曲線 R1 保持不變，水泵的特性取決于轉速，如果水泵轉速從 n0 降到 n1，水泵性能曲線從 n0 平移到 n1， 12 電子科技大學學士學位畢業(yè)論文 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 26 上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調速控制比恒速泵控制節(jié)能效果明顯。 圖 26變頻調速恒壓供水單臺水泵工況調節(jié)圖 求出運行在 B 點的泵的軸功率 運行在 C 點泵的軸功率 兩者之差： 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，采用變頻調速控制水泵電機時，當轉速在允許范圍內降低時，功率以轉速的三次方下降，在可調節(jié)范圍內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。 調速范圍的確定 考察水泵的效率曲線，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效率降得過低，避免水泵在低效率段運行。水泵的調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速范圍，在根據用戶的揚程確定具體降低調速范圍，在實際配泵時揚程設定第二章 變頻恒壓調速供水系統(tǒng)的工作原理 13 在高效區(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，也就是說轉速下降在 20%以內。在此范圍內，電動機的負載率在 50%~100%范圍內變化，電動機的效率基本上都在高效區(qū)。 本章小結 本章從水泵理論和管網特性曲線分析入 手討論水泵工作點的確定方法。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系統(tǒng)中水泵能耗機理進行深入研究，得到以下幾個結論： 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。 來移動工作點，使其符合要求。 14 電子科技大學學士學位畢業(yè)論文 第三章 變頻恒壓調速供水系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)單元設計主要包括 CPU 基本控制單元、電路定時復位電路、 A/D 轉換電路、 D/A 轉換電路、顯示電路和相應的開關電路。 圖 31 系統(tǒng)硬件結構框圖 硬件總體說明 單片機系統(tǒng)的硬件結構框架圖如圖 31 所示。 本系統(tǒng)以 8951 單片機為核心，它有 4KEPROM,所以不用外擴 EPROM,這樣可以利用 P0、 P2 口作為輸入、輸出 I/O 口，簡化了硬件結構。系統(tǒng)的顯示采用4 片 74LS164 驅動 LED，使用 8951 的串行通訊口 TXD,DXD。 93C46 為串行EEPROM，用于保存開機設定的原始參數。采用 NE555 組成硬件定時復位電路， 可以有效防止程序死機現(xiàn)象。 74LS273 用于對繼電器輸出狀態(tài)硬件鎖存，以防止輸出狀態(tài)被干擾。 ULN2021 為反向驅動芯片，同時在 74LS273 的 CLEAR 管腳第三章 變頻恒壓調速供水系統(tǒng)硬件設計 15 外接 RC 電路，用于開機時使 74S273 的輸出端清零，用于防止繼電器的誤動作，對變頻器起到了保護作用。在報警輸入端與 CPU 之 間采用光耦隔離，以消除外部干擾。系統(tǒng) A/D 輸入采用 8 位 TLC0831 逐次逼近模數轉換器， D/A 輸出采用了光耦離式 D/A 輸出，并采用 LM358 雙運放組成 D/A 輸出及驅動電路。 定時輸出占空比與頻率相對應的 PWM 調制信號，通過二極運算放大電路后，在LM358 的第 7 引腳輸出與頻率相對應的電壓信號。在輸出端調節(jié)電位器可以調節(jié)輸出電壓的大小，兩放大器之間的 RC 電路起到了濾波的作用。 555 定時器復位電路 用 NE555 組成的硬件定時復位系統(tǒng)，可以有效地防止程序死機現(xiàn)象。 NE555 封裝和內部結構圖 圖 32 NE555封裝圖 如圖 33和圖 34上可知， NE555定時電路 V0 口輸出連續(xù)的脈沖信號至 RST，達到定時復位的效果。電路使用電阻電容產生 RC 定時電路，用于設定脈沖的周 期和脈沖的寬度。調節(jié) RW 或者電容 C，可以得到不同的時間常數。 脈沖寬度計算公式 ： TW =(R1+RW+R2)C 振蕩周期計算公式： T=(R1+ RW+2*R2)C 從而通過控制振蕩周期和脈沖寬度就可以控制定時時間。 16 電子科技大學學士學位畢業(yè)論文 圖 33 NE555內部結構 圖 34 NE555定時