【導(dǎo)讀】隨著社會的發(fā)展，對生產(chǎn)和生活供水的質(zhì)量要求也越來越高。而供水質(zhì)量的重要指。標(biāo)之一就是供水壓力的相對穩(wěn)定。為此，本論文緊密結(jié)合當(dāng)前供水現(xiàn)狀，設(shè)計了一套基。于PLC和變頻器的恒壓供水系統(tǒng)。工控機、及控制柜等組成。中，三臺大電機和一臺小電機采用循環(huán)使用的方式運行。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵的啟停和工作方式的切換是由PLC來控制的。分析水泵的能耗比較圖，可以看出，在利用變。頻器實現(xiàn)調(diào)速恒壓供水時，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低，流量與轉(zhuǎn)速成正比，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，行狀態(tài)，并提高生產(chǎn)管理水平。

　　

【正文】 佳的節(jié)能效果。 在現(xiàn)代建筑生活給水系統(tǒng)中，采用一臺或多臺變頻調(diào)速泵給水的突出優(yōu)點是： ⑴ 采用變頻調(diào)速給水可以大幅度降低節(jié)流能量損耗，具有優(yōu)異的節(jié)能效果。采用變壓變量給水可以做到使節(jié)流損耗降低到零，具有最佳的節(jié)能效果，但是這種變壓變量給水系統(tǒng)只適用于特點是給水管路系統(tǒng)，沒有通用性。 國外有一種 準(zhǔn)變壓變量 供水系統(tǒng)，這種給水系統(tǒng)的給水壓力隨給水流量的增大而 階 躍上升，對于多泵聯(lián)的供水設(shè)備， 當(dāng)多投入一臺 工頻 泵，給水恒壓值上升一個臺階，臺階值可以按需設(shè)定。這種準(zhǔn)變壓變量給水系統(tǒng)設(shè)備可以適用于給水管路，具有一定的通用性。 ⑵ 變頻恒壓變量給水系統(tǒng)設(shè)備的給水壓力可調(diào)，在設(shè)計上允許降低給水壓力的計算精度，在使用上可以適應(yīng)不同的給水壓力要求。 要 達(dá)到 建筑給水節(jié)能，首先要求給水泵處于高效率區(qū)工作。眾所周知，離心泵的高效率區(qū)處決于泵的工況。當(dāng)采用變頻調(diào)速時，則泵的高效率區(qū)擴大，因此采用變頻調(diào)速可以節(jié)能。其次是防止給水泵出現(xiàn)“大馬拉小車”的工況。如果采用臺泵，當(dāng)小流量用水時必然出現(xiàn)“大馬拉小車“的工況，此時水 泵的效率低，功率浪費大。為了防止“大馬拉小車”，通常的做法是采用多臺水泵并聯(lián)給水的方式，多用水多開泵，少用水少開泵，可以顯著減輕“大馬拉小車”弊端的出現(xiàn)，改善節(jié)能的效果。理論分析及實際使用證明，多泵并聯(lián)變頻調(diào)速給水可以顯著提高節(jié)能效果。所以現(xiàn)代建筑生活給水系統(tǒng)大多采用多泵并聯(lián)恒壓變量給水方式。采用多泵并聯(lián)給水，按變頻調(diào)速恒壓給水原理，在多泵并聯(lián)的給水系統(tǒng)中，只要其中有一臺是變頻調(diào)速泵，就可以達(dá)到恒壓給水的目的。為了達(dá)到恒壓給水，變頻泵必須是并聯(lián)泵中的最大者，最經(jīng)濟的配泵方案是各并聯(lián)泵的大小相同。從節(jié)能考慮， 并聯(lián)水泵的臺數(shù)愈多愈好，但是如數(shù)太多，設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)及電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度也隨之上升，系統(tǒng)（設(shè)備）的整體經(jīng)濟、合理性下降。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 21 水泵運行方式的選擇 這里說的多泵并聯(lián)變頻恒壓供水的工作方式 是 指以下兩種 ， 一是變頻循環(huán)軟啟動工作方式 ， 二是變頻泵固定方式。變頻循環(huán)軟啟動工作方式指用一臺變頻器可以輪流去啟動和控制每臺水泵變頻運行 ， 但是按照變頻器工作原理 ， 在運行中的變頻器一般不允許在其輸出端進行切換 ， 否則在切換過程中會使變頻器中的某些電子器件受到大電流的沖擊而降低其壽命。 在變頻泵自動輪換過程中 ， 要在變頻器的輸出 端進行切換 ； 為了保護變頻器 ， 在進行自動切換之前應(yīng)使變頻器停止運行。在變頻器停止運行的條件下 ， 在其輸出端進行切換 ， 在切換好后再重新啟動變頻器而恢復(fù)正常運行。因此 ， 其控制電路比較復(fù)雜 ， 會增加變頻控制柜的造價 ，但各個泵的磨損程度大致相同，其應(yīng)用廣泛，推薦使用 [3]。 變頻泵固定方式通常是這樣的：當(dāng)用水量小于一臺泵在工頻恒壓條件下的流量 ， 由一臺變頻泵恒壓供水；當(dāng)用水量增大 ， 變頻泵的轉(zhuǎn)速自動上升 ； 當(dāng)變頻泵的轉(zhuǎn)速上升到工頻轉(zhuǎn)速 ， 用水流量進一步增大 ， 由變頻供水控制器控制 ， 自動啟動一臺工頻泵投入 ， 該工頻 泵提供的流量是恒定的 ( 工頻轉(zhuǎn)速恒壓下的流量 ) ， 其余各并聯(lián)工頻泵按相同的原理投入 ； 當(dāng)用水量下降 ， 變頻調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速下降 ( 變頻器 輸出 頻率下降 )；當(dāng)頻率下降到零流量的時候 ， 變頻供水控制器發(fā)出一個指令 ， 自動關(guān)閉一臺工頻泵使之退出并聯(lián)供水。這種方法雖然 控制回路簡單 ， 可靠性較高 ， 但 各泵磨損情況不一 ， 不 推薦使用。 變頻循環(huán)方式切換 下面就上述工作方式進行舉例討論。假設(shè)該恒壓供水系統(tǒng)由三個水泵構(gòu)成。系統(tǒng)正常運行時 ， 用戶用水管網(wǎng)上的壓力傳感器對用戶的用水水壓進行數(shù)據(jù)采樣 ， 傳輸至 變頻器 ， 與用戶設(shè)定的壓力值進行比較 ， 將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號和 工頻 泵 啟停 信號 ，此信號送至 可編程控制器 ， 變頻器調(diào)節(jié)水泵電機的電源頻率 ， 進而調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速 ， PLC 控制 工頻 泵的 啟停 。通過對水泵的啟動和停止臺數(shù)及其中變頻泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié) ， 將用戶管網(wǎng)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 22 中的水壓恒定于用戶預(yù)先設(shè)計的壓力值 ， 達(dá)到恒壓供水的目的。 具體系統(tǒng)采用 3 臺水泵并聯(lián)運行方式 ， 當(dāng)用水量較小時 ， 一臺泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運行 ， 當(dāng)用水量大到水泵全速運行也不能保證管網(wǎng)的壓力 要求 時 ， 變頻器的控制信號被 PLC 檢測 ， 通過 PLC 控制泵組的切換。 PLC 自動將原工作在變頻狀態(tài)下的泵投入到工頻運行 ， 以保持壓 力的連續(xù)性 ， 同時將下一臺備用泵用變頻器 啟動 后投入運行 ， 以加大管網(wǎng)的供水量 ， 保證壓力穩(wěn)定。所有水泵電機從停止到啟動及從啟動到停止都由變頻器來控制 ， 實現(xiàn)帶載軟啟動 ， 避免了啟動大電流給水泵電機帶來沖擊 ， 相對延長了電機的使用壽命。 PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)原理框圖如圖 所示。壓力傳感器檢測水管的流水壓力 ， 將水壓變換為電信號 ，控制 變頻器的 工作。 起 動 器 變 頻 器現(xiàn) 場開 關(guān) 信 息P L C報 警控 制 面 板變 送 器水 管 、 網(wǎng) 壓力 傳 感 器泵 M 3泵 M 2泵 M 1主 電 源3 8 0 V A C2 2 0 V A CS B4 5 613 2去 用 戶進 水 圖 變頻固定方式切換 當(dāng)采用變頻固定方式時 ， 僅將 1水泵與變頻器相連 ， 原理框圖如圖 所示。當(dāng) 1內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 23 水泵不能滿足用水需求時（也就是管網(wǎng)壓力小于與設(shè)定值時） ， PLC 將啟動 2工頻泵（ 1變頻泵仍舊變頻運行） ； 如用水量繼續(xù)增大時 ， 將順序啟動 3工頻泵（ 1變頻、 2工頻、3工頻）；如果用水量減小 ， 則將首先關(guān)閉 2泵 ， 即遵循先開先停的順序依次關(guān)閉工頻泵。 P L C1 泵 3 泵2 泵電 源壓 力 傳 感 器變 頻 器用 戶 圖 變頻固定方式切換原理框圖 多泵并聯(lián) 變頻恒壓供水系統(tǒng)相關(guān)問題 研究 變頻 調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和民用生活領(lǐng)域都得到 了廣泛的應(yīng)用。特別是通用變頻器和異動電機結(jié)合起來 ， 實現(xiàn)對生產(chǎn)機械的調(diào)速傳動控制 ， 其具有固定的優(yōu)勢 ， 應(yīng)用到不同的生產(chǎn)領(lǐng)域 ， 可以體現(xiàn)不同的功能 ， 收到相應(yīng)的效益。 目前 ， 變頻恒壓供水已得到廣泛應(yīng)用 ， 而采用多泵并聯(lián)的變頻恒壓供水技術(shù) ， 由于在滿足工藝要求的前提下大大節(jié)省了投資 ， 更是被大量地應(yīng)用到供水實踐中去 ， 但是在應(yīng)用過程中 ， 也存在著一些比較突出的問題 ， 經(jīng)過資料收集 ， 分析如下。 變頻泵與固定泵容量配比問題 由于 調(diào)速裝置造價高、維護復(fù)雜 ， 多數(shù)供水系統(tǒng)配備均為一調(diào) (調(diào)速水泵 )多定 (定速水泵 )， 而且調(diào)速泵與定速泵容量相 差不大 ， 很多恒壓供水裝置的配備都是 1:1， 這 樣 做內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 24 主要 存在以下缺點 :第一 ， 造成供水系統(tǒng)運行不穩(wěn)定 :第二 ， 調(diào)速泵運行效率很低 。 下面以調(diào) /定速水泵容量為 1: 1 為例進行分析。 通常 ， 采用調(diào)速水泵作為主泵 ， 當(dāng)它的供水量達(dá)到額定水量的 100%時 ， 水泵的運行速度已經(jīng)達(dá)到最大值 ， 不能再提高 ， 如果供水量 繼續(xù)增大 ， 供水壓力將下降 ， 到一定程度定速水泵投入運行 ， 如果調(diào)速泵與定速泵的容量配比為 1: 1， 則定速泵投入運行后 ，供水量固定為 100%， 此時調(diào)速泵的供水量設(shè)為 ΔQ， 這個 ΔQ在某些情況下約為 (5%～10%)。由此可見 ， 由于定 速泵容量設(shè)置過大 ， 調(diào)速泵水量下調(diào)幅度變得很小 ， 僅為 ΔQ， 若此時供水量稍有減少 ， 系統(tǒng)即執(zhí)行定速泵停機操作 ， 使定速泵出現(xiàn)頻繁操作現(xiàn)象。另外 ， 在這種情況下 ， 定速泵投入運行后 ， 很顯然運行效率很低 ， 起不到節(jié)能效果。水泵在工頻運行時 ， 流量 50%以下時處在低效段 ， 對于調(diào)速泵而言 ， 由于等效段的擴大 ，這個值最小為 40%。如果綜合水泵運行效率考慮 ， 調(diào)速泵流量具有向上、下限相等的調(diào)節(jié)范圍 (上限為 100%， 下限為 40%)， 顯然無論在定速泵退出或投入時 ， 調(diào)速泵的流量取中間值 70%最合適 ， 即定速泵流量為調(diào)速泵的 30%。運行情況 是 這樣的 :當(dāng)定速泵流量達(dá)到 100%并且繼續(xù)增加時 ， 投入流量為調(diào)速泵 30%的定速泵 ， 此時調(diào)速泵流量為70%， 距離高效區(qū)的上下限均為 30%； 當(dāng)定速泵與調(diào)速泵并聯(lián)運行 ， 調(diào)速泵流量降到為40%并且繼續(xù)降低時 ， 切除流量為調(diào)速泵 30%的定速泵 ， 此時調(diào)速泵流量亦為 70%，距高效區(qū)的上下限也均為 30%。綜上所述 ， 合理的調(diào)、定速容量配比為 1: ， 按照上述方法的對固定泵進行投切控制 ， 不僅可以促使水泵最大可能地運行在高效區(qū) ， 而且 ，使定速泵投入后調(diào)速水泵有充分的余地進行調(diào)節(jié) ， 上調(diào)及下調(diào)幅度均為其額定容量 的30%左右 ， 供水系統(tǒng)不易出現(xiàn)水泵操作頻繁現(xiàn)象 。 多泵 并聯(lián) 供水系統(tǒng)中 電機的供電源切換問題 研究 交流異步電動機直接 啟動 所產(chǎn)生的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊會給供電系統(tǒng)和拖動系統(tǒng)帶來不利影響 ， 故對于容量較大的異步電動機一般都要采用軟 啟動 方案。采用變頻器帶動內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 25 電機從零速開始 啟動 ， 逐漸升壓升速 ， 直至達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速或所需的轉(zhuǎn)速 ， 此時變頻器同時承擔(dān)了軟啟動的任務(wù)。變頻軟 啟動 的優(yōu)點是 ， 由于采用電壓 /頻率按比例控制方法 ，所以不會產(chǎn)生過電流 ， 并可提供等于額定轉(zhuǎn)矩的 啟動 力矩 ， 故特別適合于需重載或滿載啟動 的大功率水泵電機。 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)備的投入費用 ， 常采用一臺變頻器拖動多臺電機變頻運行的方案。當(dāng)變頻器帶動電機達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后 ， 就要將電動機切換到工頻電網(wǎng)直接供電運行 ， 變頻器可以再去 啟動 其他的電動機。這樣就不可避免地要進行電網(wǎng)和變頻器之間的相互切換操作。 變頻器的輸出切換問題 ， 大概有兩種看法 :一種是將變頻器當(dāng)作一般的交流電源 ，或者象軟 啟動 器一樣 ， 因而可以將電動機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)計原理 ， 是不允許變頻器在運行中進行切換的。這兩種看法都不免有失偏頗 ， 但未 找到詳細(xì)資料。 目前 ， 變頻器和工頻電源之間的切換 ， 的控制方式多為同步鎖相控制。當(dāng)電機功率較大時 ， 切換過程不僅要求變頻器輸出的電壓和頻率與電網(wǎng)一致 ， 而且兩者的相位也必須相同。如果相位差較大 ， 會造成對電網(wǎng)和變頻器雙方的電流沖擊 ， 還會影響電網(wǎng)上其他設(shè)備的正常工作 ， 并損壞變頻器。最嚴(yán)重的情況是出現(xiàn)在變頻器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相位差為 l80o時 ， 電機的反電勢將與電網(wǎng)電壓疊加 ， 造成很大的電壓沖擊和過電流。據(jù)文獻(xiàn)介紹 ， Ross Hill 公司的 VFD 變頻裝置通過對電動機的端電壓進行采樣 、 適當(dāng)?shù)目刂?， 在變頻器內(nèi)部對轉(zhuǎn)矩進行微調(diào) ， 可以實現(xiàn)在 電機電壓和主線電壓相位相同 的 瞬間 ，先接通工頻電源后斷開變頻器輸出 ， 保證了在電機不丟轉(zhuǎn)的情況下無任何過電流。國內(nèi)目前在變頻與工頻切換控制方面 ， 大多采用延時、降壓啟動的控制方式 ， 但是這種控制方式易導(dǎo)致水壓波動過大。采用鎖相同步切換方式 ， 可以有效減小切換時的沖擊電流。即采用鑒頻鑒相技術(shù)對變頻器的輸出電壓進行跟蹤 ， 當(dāng)變頻器輸出電壓的頻率、幅值和內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 26 相位均保持與電網(wǎng)電壓一致時 ， 實現(xiàn)變頻器與電網(wǎng)之間的同步平穩(wěn)切換 ， 是多泵恒壓供水系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題。 可見 ， 多泵并聯(lián)變頻恒壓供水系統(tǒng)有許多值得注意的地方 ， 如我們掌握好它的客觀規(guī) 律 ， 就能做到以更少的投入換來更大的效益。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點 本文研究的變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防等多種場合的供水 ，該系統(tǒng)具有以下特點： 供水系統(tǒng)的控制 變量 是用戶管網(wǎng)的水壓 ， 它是一個過程控制量 ， 同其他一些過程控制量（如溫度、流量、濃度等）一樣 ， 對控制作用的響應(yīng)具有滯后性。同時用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。 用戶管網(wǎng)中因為有管阻、水錘等因素的影響 ， 同時又由于水泵的一些固有特性 ， 使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比 ， 因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是 一個非線性系統(tǒng)。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性 ， 面向各種各樣的供水系統(tǒng) ， 而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚程等方面存在著較大的差異 ， 因此其控制對象的模型具有很強的多變性。 在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中 ， 由于有定量泵的加入控制 ， 而定量泵的控制（包括定量泵的停止和運行）是時時發(fā)生的 ， 同時定量泵的運行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 27 數(shù) ， 使其不確定性地發(fā)生變化 ， 因此可以認(rèn)為 ， 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時變的。 當(dāng)出現(xiàn)意外的情況（如突然斷電、泵、變頻器或軟啟動器故障等）時 ， 系統(tǒng)能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動器的狀態(tài) ， 電網(wǎng)狀況及水源水位 ， 管網(wǎng)壓力等工況