【文章內(nèi)容簡介】 1電機(jī)變頻啟動，頻率達(dá)到 50Hz， 1電機(jī)工頻運(yùn)行， 2電機(jī)變頻運(yùn)行。系統(tǒng)開始工作時，管網(wǎng)水壓低于設(shè)定壓力下限 P。按下相應(yīng)的按鈕，選擇機(jī)組Ⅰ運(yùn)行，在 PLC 可編程控制器控制下， KM2 得電， 1電機(jī)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(jī)采用軟啟動， 1電機(jī)啟動，運(yùn)行一段時間后，隨著運(yùn)行頻率的增加，當(dāng)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(jī)自 變頻器輸出端斷開， KM1 得電， 1電機(jī)切換至工頻運(yùn)行， 1電機(jī)自變頻器輸出端斷開， KM1 得電 1電機(jī)切換至工頻運(yùn)行。 1電機(jī)工頻運(yùn)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(jī)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(jī)開始軟啟動，運(yùn)行一段時間后， 8 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 開啟 2泵閥門， 2水泵電機(jī)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(wǎng)運(yùn)行， 2水泵接入變頻器并啟動運(yùn)行，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)下變頻器輸出頻率不斷增加，直到管網(wǎng)水壓達(dá)到設(shè)定值（ Pi＜ P＜ Pm）為止。 2. 切換過程Ⅱ 由 1電機(jī)工頻運(yùn)行， 2電機(jī)變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)?2電機(jī)單獨(dú)變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)晚上用水量大量減少時，水壓增加， 2水泵電機(jī)在變頻器作用下，變頻器輸出頻率下降，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，水泵輸出流量減少，當(dāng)變頻器輸出頻率下降到指定值 fmin，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到指定值，水管水壓高于設(shè)定水壓上限 Pk 時（ 2電機(jī)， f=fmin， P＜ Pk），在 PLC 可編程控制器控制下， 1水泵電機(jī)在工頻斷開， 2水泵繼續(xù)在變頻器拖動下變 頻運(yùn)行。 3 切換過程Ⅲ 由 2電機(jī)變頻運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)?2電機(jī)變頻停止， 1電機(jī)變頻運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)早晨用水量再次增加時， 2電動機(jī)工作在調(diào)速運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)變頻器輸出頻率增至工頻fi（即 50Hz），水管水壓低于設(shè)定水壓上限 Pi 時（ 2電機(jī) f=fi， P≦ Pi），接通變頻器 BX 端，變頻器 FWD 斷開， KM3 斷開， 2電機(jī)自變頻器輸出端斷開； KM2得電， 1電機(jī)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(jī)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(jī)組工作過程流程圖 第二章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)的工作原理 9 變頻調(diào)速的基本調(diào)速調(diào)速原理 水泵機(jī)組應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)。即通過改變電動機(jī)定子電源效率來改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速可以相應(yīng)的改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)最不利點壓力恒定，達(dá)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(wǎng)末端的服務(wù)壓力，H1 為泵出口壓力。當(dāng)用水量達(dá)到最大 Qmax時，水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，出口閥門全開，達(dá)到了滿負(fù)荷運(yùn)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(wù)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(yùn)轉(zhuǎn)，靠關(guān)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(yáng)程將由 b 點滑到 d點，這樣 c 點和 d 點揚(yáng)程的差值即為全速水泵的能量浪費(fèi)。 (2)水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠泵的出口壓力恒定來控制；此時，當(dāng)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(dá) Q1 時，相應(yīng)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(dǎo)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(fèi)。 (3)水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)取不利點壓力恒定來控制；此時，當(dāng)用水量由 Qmax 10 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 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(wù)壓力 H0 恒定不變，其揚(yáng)程與系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，沒有能量的浪費(fèi)。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(shè)定的控制壓力相匹配，使調(diào)速技術(shù)和自控技術(shù)相結(jié)合，達(dá)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(fù)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(hù)功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。 目前水泵電機(jī)絕大部分是三相交流異步電動機(jī)，根據(jù)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性，電機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 為： n=120(1s)/p （ ） 式中 s 為電機(jī)的滑差（ s=）， p 為電機(jī)極對數(shù)， f 為定子供電頻率。當(dāng)水泵電機(jī)選定后， p 和 s 為定值，也就是說電機(jī)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(xué)知：管網(wǎng)壓力 P、流量 Q 和 功率 N 的關(guān)系為 N=PQ 由功率與水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速成三次方正比關(guān)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)速恒壓供水工況分析與能耗機(jī)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(diào)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(shù)； j局部損失系數(shù)； 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(shù)。當(dāng)水泵管路系統(tǒng)去掉后，相應(yīng)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(dāng)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(yáng)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(diào)速節(jié)能分析 水泵運(yùn)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(guān)小閥門，管路性能曲線有 R1變?yōu)? A 點移到 D 點，揚(yáng)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， 12 電子科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 運(yùn)行工況點沿著水泵性能曲線從 A 點移到 C 點，揚(yáng)程從 H0 下降到 H1，流量從Q0 減少到 25 中水泵運(yùn)行在 B 點時消耗的軸功率與 H1BQ1O 的面積成正 比，運(yùn)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(diào)速控制比恒速泵控制節(jié)能效果明顯。 圖 26變頻調(diào)速恒壓供水單臺水泵工況調(diào)節(jié)圖 求出運(yùn)行在 B 點的泵的軸功率 運(yùn)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(fèi)了，而且損耗閥門的關(guān)小而增加。 相反，采用變頻調(diào)速控制水泵電機(jī)時，當(dāng)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。 調(diào)速范圍的確定 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(yùn)行。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶所需揚(yáng)程規(guī)定，當(dāng)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(yáng)程確定具體降低調(diào)速范圍，在實際配泵時揚(yáng)程設(shè)定第二章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)的工作原理 13 在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進(jìn)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(jī)的負(fù)載率在 50%~100%范圍內(nèi)變化，電動機(jī)的效率基本上都在高效區(qū)。 本章小結(jié) 本章從水泵理論和管網(wǎng)特性曲線分析入 手討論水泵工作點的確定方法。接著介紹了水泵工況調(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)是通過改變水泵性能曲線得以實現(xiàn)的。本章重點對變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機(jī)理進(jìn)行深入研究，得到以下幾個結(jié)論： 點。水泵工作點是水泵運(yùn)行的理想工作點。實際運(yùn)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(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 第三章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)單元設(shè)計主要包括 CPU 基本控制單元、電路定時復(fù)位電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、 D/A 轉(zhuǎn)換電路、顯示電路和相應(yīng)的開關(guān)電路。 圖 31 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 硬件總體說明 單片機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框架圖如圖 31 所示。 本系統(tǒng)以 8951 單片機(jī)為核心，它有 4KEPROM,所以不用外擴(kuò) 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(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的顯示采用4 片 74LS164 驅(qū)動 LED，使用 8951 的串行通訊口 TXD,DXD。 93C46 為串行EEPROM，用于保存開機(jī)設(shè)定的原始參數(shù)。采用 NE555 組成硬件定時復(fù)位電路， 可以有效防止程序死機(jī)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(qū)動芯片，同時在 74LS273 的 CLEAR 管腳第三章 變頻恒壓調(diào)速供水系統(tǒng)硬件設(shè)計 15 外接 RC 電路，用于開機(jī)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(hù)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(shù)轉(zhuǎn)換器， D/A 輸出采用了光耦離式 D/A 輸出，并采用 LM358 雙運(yùn)放組成 D/A 輸出及驅(qū)動電路。 定時輸出占空比與頻率相對應(yīng)的 PWM 調(diào)制信號，通過二極運(yùn)算放大電路后，在LM358 的第 7 引腳輸出與頻率相對應(yīng)的電壓信號。在輸出端調(diào)節(jié)電位器可以調(diào)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(fù)位電路 用 NE555 組成的硬件定時復(fù)位系統(tǒng)，可以有效地防止程序死機(jī)現(xiàn)象。 NE555 封裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dá)到定時復(fù)位的效果。電路使用電阻電容產(chǎn)生 RC 定時電路，用于設(shè)定脈沖的周 期和脈沖的寬度。調(diào)節(jié) RW 或者電容 C，可以得到不同的時間常數(shù)。 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(xué)學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文 圖 33 NE555內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 34 NE555定時