【正文】 用以在用水量很小的情況下 （ 例如夜間 ） 對管網(wǎng)用水量進(jìn)行少量的補(bǔ)充。 （ b） 恒速泵 ： 水泵只運(yùn)行在工頻狀態(tài)，速度恒定，它們用以在用水量增大而調(diào)速泵的最大供水能力不足時(shí)，對供水量進(jìn)行定量的補(bǔ)充。 （ 1） 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一組水泵組成，用于將水供入用戶管網(wǎng)。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成 由于本文的供水系統(tǒng)要適用生活水、 車站 用水等多種場合的供水， 下面以四臺水泵 （ 三臺主泵和一臺附屬小泵 ） 組成的供水系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，其原理框圖如圖 32。 通過對以上幾種方案的分析和比較，可以看出“變頻器主電路 +PLC（ 包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 ） +人機(jī)界面 +壓力傳感器”的控制方式更適合于實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)由于 PLC 的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。 （ 3） 通用變頻器 +PLC（ 包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 ） +人機(jī)界面 +壓力傳感器 這種控制方式靈活方便，具有良好的通信接口，可以方便地與其它的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 ： 通用性強(qiáng)，由于 PLC 產(chǎn)品的系列化和模塊化，用戶可靈活組成各種規(guī)模和要求不同控制系統(tǒng)。 （ 2） 通用變頻器 +單片機(jī) （ 包 括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制 ） +人機(jī)界面 +壓力傳感器 這種方式控制精度高、控制算法靈活、參數(shù)調(diào)整方便，具有較高的性能 /價(jià)格比，但開發(fā)周期長 ： 程序一旦固化，修改較為麻煩，現(xiàn)場調(diào)試的靈活性差 ：變頻器在運(yùn)行時(shí)，將產(chǎn)生干擾，變頻器的功率越大，產(chǎn)生的干擾越大，必須采取相應(yīng)的抗干擾措施來保證系統(tǒng)的可靠性。在調(diào)試時(shí)， PID 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難，調(diào)節(jié)范圍小，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能不易保證。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)要求，結(jié)合系統(tǒng)的使用場所，一共有以下幾種方案可供選擇 ： （ 1） 有供水基板的變頻器 +水泵機(jī)組 +壓力傳感器 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，它將 PID 調(diào)節(jié)器和 PLC 可編程控制器等硬件集成在變頻器供水基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn) PLC 和 PID 等電控系統(tǒng)的功能。 系統(tǒng)變頻恒壓控制的方案及選擇 變頻恒壓系統(tǒng)主要由壓力傳感器、壓力變送器、變頻器、恒壓控制單元、水泵機(jī)組以及低壓電器組成。上述調(diào)節(jié)過程被重復(fù)執(zhí)行，直到實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。 16 圖 31 變頻恒壓控制的原理圖 從恒壓控制的原理圖可以看出，在運(yùn)行過程中，如果實(shí)際供水壓力低于設(shè)定壓力，控制系統(tǒng)將得到正的壓力差，這個(gè)差值經(jīng)過計(jì)算和轉(zhuǎn)換，可以得到變頻器輸出頻率的增加值，將這個(gè)增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。因此 ，在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)，變頻恒壓控制的目標(biāo)就是使總管網(wǎng)出口的實(shí)際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上。 第三章 變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)研究 系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 恒壓控制原理 從第二章變頻恒壓供水的主要特點(diǎn)分析可以看出，變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是時(shí)變的、非線性的、滯后的和模型不穩(wěn)定的，對它的控制屬于工業(yè)過程控制的范疇，即以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo)，通過控制作用實(shí)現(xiàn)總管網(wǎng)的出口實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。從揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線可以看出，由于水泵的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，在供水系統(tǒng)中采用變頻調(diào) 制方式要比閥門控制方式獲得更加顯著的節(jié)能效果。當(dāng)變頻調(diào)速供水控制系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，變頻器輸出交流電的頻率逐漸降低直到停止輸出，水泵的轉(zhuǎn)速也逐漸降低直到停止運(yùn)行，有效防止了水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生。 （ c） 延長管道系統(tǒng)使用壽命 利用供水專用變頻器進(jìn)行變頻恒壓供水，可保持系統(tǒng)水壓恒定，不會出現(xiàn) 水壓過高的現(xiàn)象，使管道壓力一直維持在合理的范圍內(nèi)，可延長更換周期，減少維修投入。當(dāng)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度降低以后，其軸功率隨轉(zhuǎn)速的三次方下降，驅(qū)動電動機(jī)所需要的功率也相應(yīng)減少，從而取得明顯的節(jié)電效果。此外它還具有顯著的節(jié)能效果。 （ 5） 可擴(kuò)充性 水泵的電氣控制柜應(yīng)該具有遠(yuǎn)程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制中心相連，實(shí)時(shí)傳送供水的相關(guān)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行顯示、監(jiān)控以及報(bào)表打印等。 （ 4） 容錯(cuò)性 當(dāng)出現(xiàn)意外的情況，例如突 然斷電或水泵、變頻器、軟啟動器等出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能根據(jù)泵、變頻器或軟啟動器的狀態(tài)、電網(wǎng)狀況及水源水位以及管網(wǎng)壓力等工況自動進(jìn)行投切，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。 （ 2） 非線性 用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏琛⑺N等因素的影響，同時(shí)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) 14 是一個(gè)非線性系統(tǒng)。 變頻恒壓供水的特點(diǎn)分析 變頻恒壓供水系統(tǒng)能適應(yīng)生活用水、工業(yè)用水以及消防用水等多種場合，具有以下特點(diǎn) ： （ 1） 滯后性 供水系統(tǒng)的控制對象是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個(gè)過程控制量，同其 它一些過程控制量例如溫度、流量、濃度等一樣，對控制作用的響應(yīng)具有滯后性。// NNPPNNHHNN ??? (24) 式中， Q1， H1， P1 為變速前的流量、揚(yáng)程、功率， Q2， H2， P2 變速后的流量、揚(yáng)程、功率。 根據(jù)水泵變速運(yùn)行的相似定律，變速前后流量 Q、揚(yáng)程 H、功率 P 與轉(zhuǎn)速 N之間關(guān)系為 ： 31212212121212 )/(/。此時(shí)水泵輸出功率為 （ 0， Q2，D， H0） 圍成的矩形面積，其值為 ： ?? 102/20QHPF ? （ 23） 可見，改用調(diào)速控制，節(jié)能量為 （ Ho. D, F, Hi） 圍成的矩形面積，其值為 ： ?????? 1 0 2/)(1 0 2/1 0 2/ 2021120 QHHQHQHPPP DF ??????? 從公式可以看出，當(dāng)用閥門控制流量時(shí)，有值為 ?? 102/)( 201 QHH ? 的功率被浪費(fèi)掉。當(dāng)供水量從 Q1減小到 Q2時(shí)，必須關(guān)小閥門，這時(shí)閥門的摩擦阻力變大，阻力曲線從 3? 移到 1? 。 供水系統(tǒng)管網(wǎng)及水泵的運(yùn)行特性曲線如圖 24。因此，揚(yáng)程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，而閥門開度保持不變。因此，管阻將隨閥門開度的改變而改變，但揚(yáng)程特性不變。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變。但是由于調(diào)速線路過于復(fù)雜，且還需要增加一臺與電動機(jī)相匹配的變壓器，增加了中間環(huán)節(jié)的電能損耗，帶 來了成本高、占水泵房面積大等缺點(diǎn)因而影響它的推廣使用?？煽毓璐壵{(diào)速就是把這部分功率取出來，然后回送到電網(wǎng)，從而大大提高電動機(jī)低速運(yùn)行時(shí)的效率。電動機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率 S 很小，轉(zhuǎn)差功率也很小，轉(zhuǎn)差功率在轉(zhuǎn)子回路中以熱的形式損耗掉。當(dāng)改變逆變角時(shí)，逆變電勢、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。 利用變頻技術(shù)對水泵電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速，可以獲得優(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)。 （ b） 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。 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。 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。 實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓的電路有兩種 ： 交一直一交變頻器和交一交變頻器，如圖 22 。如果電壓不變，頻率增加時(shí)，磁通量將減少，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩會下降，嚴(yán)重時(shí)會使電機(jī)堵轉(zhuǎn) ： 而當(dāng)頻率降低時(shí)，磁通增加，會使磁路飽和，勵(lì)磁電流上升，導(dǎo)致鐵芯損失急劇增加而 10 發(fā)熱，是不允許出現(xiàn)的情況。改變電動機(jī)定子頻率 1f 可以平滑地調(diào)節(jié)同步轉(zhuǎn)速 0n ，相應(yīng)地也就改變了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 2n ，而轉(zhuǎn)差率 S 可保持不變或很小。這種調(diào)控方式控制簡單，投資省，節(jié)能效果顯著，效率高，但需要專門的變極電機(jī)，是有級調(diào)速，而且級差比較大，只適用于特定轉(zhuǎn)速的生產(chǎn)機(jī)器。 以電動機(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數(shù) P。 （ 1） 變級對數(shù)調(diào)速 在電源頻率一定的情況下，電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速與極對數(shù)成反比，改變電動機(jī)極對數(shù)，就可以改變轉(zhuǎn)速。交流異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為 ： )1()1)(/60( 01 snspfn ???? （ 21） 式中， 0n —— 同步轉(zhuǎn)速， pfn /60 1? ； 1f —— 異步電動機(jī)供電電 源頻率 ； p —— 異步電動機(jī)極對數(shù) ； 9 s —— 轉(zhuǎn)差率 ； n —— 電動機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為對 r/min。 通過上述比較可以看出，變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源、節(jié)省占地、節(jié)省投資 、調(diào)節(jié)能力大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢，因而具有廣闊的應(yīng)用前景和明顯 經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。變頻調(diào)速式的運(yùn)行則十分穩(wěn)定可靠，沒有頻繁的啟動現(xiàn)象，加之啟動方式為軟啟動，設(shè)備運(yùn)行十分平穩(wěn)，避免了電氣、機(jī)械沖擊。由于氣壓罐的調(diào)節(jié)容量僅占其總?cè)莘e的1/3~1/6， 因而每個(gè)罐的調(diào)節(jié)能力很小，只能依靠頻繁的啟動來保證供水穩(wěn)定性，這不僅將產(chǎn)生較大的噪聲，同時(shí)由于啟動過于頻繁，常常造成供水壓力不穩(wěn)。從運(yùn)行效果上看，氣壓 罐方式與調(diào)速式相比也存在著一定的差距。另外氣壓罐供水需要配備一定量的鋼罐，氣壓罐體積一般比較大，占地面積達(dá)幾十平方米。加上水泵是工頻啟動，且啟動頻繁，又會造成一定的電能損耗。當(dāng)氣壓罐配套水泵運(yùn)行時(shí)，水泵在額定轉(zhuǎn)速、額定 流量的條件下工作。 8 變頻調(diào)速方式在節(jié)能效果上明顯優(yōu)于氣壓罐方式。 （ c） 最不利點(diǎn)恒壓控制 最不利點(diǎn)恒壓控制是將壓力傳感器安裝在系統(tǒng)最不利點(diǎn)處，使系統(tǒng)在運(yùn)行過程中保持最不利點(diǎn)的壓力恒定。它比水泵出口恒壓控制方式更能節(jié)能，其節(jié)能效 果取決于將全天 24 小時(shí)分成的時(shí)段數(shù)以及所需水泵出口壓力值的精確程度。 （ b） 出口變壓控制 在這種供水方式中，也是將壓力傳感器安裝在水泵出口處，但其壓力設(shè)定值不只有一個(gè)而是多個(gè)，即按用水曲線將每 日 24 小時(shí)分成若干時(shí)段，計(jì)算出各個(gè)時(shí)段所需的水泵出口壓力，進(jìn)行全日 變壓，各時(shí)段恒壓控制。這種方式適用于管路的阻力損失在水 泵揚(yáng)程中所占比例較小的情況，即整個(gè)給水系統(tǒng)的壓力可以看作是恒定的。細(xì)分起來又有如下 3 種 ： 水泵出口恒壓控制、水泵出口變壓控制、給水系統(tǒng)最不利點(diǎn)恒壓控制。氣壓罐供水方式也存在著許多缺點(diǎn)，將在介紹了變頻調(diào)速供水方式后，再將二者進(jìn)行比較。罐的占地面積與水塔、水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設(shè)備的成本比水塔要低得多。水箱的水位監(jiān)控裝置也很容易損壞。占地面積與設(shè)備投資與水塔供水相比有所減少，但對建筑物的造價(jià)與設(shè)計(jì)都有影響，同時(shí)水箱受建筑物的限制，容積不能過大，導(dǎo)致供水范圍較小。 （ 3） 恒速泵 +高位水箱的供水方式 這種供水方式的工作原理與水塔基本相同，只是水箱設(shè)在 建筑物 的頂層。但這種供水方式基建設(shè)備投資最大，占地面積也最大 ； 水壓不能隨所需流量調(diào)整，也無法兼顧近期與遠(yuǎn)期的需要 ： 存在一些能量損失和二次污染問題。這種方式顯然比前一種節(jié)電，其節(jié)電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數(shù)、水泵的開停時(shí)間比、開停頻率等有關(guān)。水泵工作狀態(tài)是斷續(xù)的。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時(shí)再啟動水泵。其供水方式簡單、造價(jià)最低，但耗電、耗水嚴(yán)重，供水質(zhì)量很差，也會嚴(yán)重影響城市公用管網(wǎng)壓力穩(wěn)定性。 （ 1） 單臺 恒速泵直接供水方式 在這種供水方式中，水泵從蓄水池中抽水后直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水。在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低、水供不應(yīng)求的現(xiàn)象 ； 而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高、水供過于求的情況，不僅白白造成電能的浪費(fèi)，有時(shí)還造成水管破裂和用水設(shè)備損壞等情況。 d、設(shè) 計(jì)變頻恒壓供水系統(tǒng)的硬件和軟件。 b、分析變頻恒壓供水系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)，探討變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方式，并歸納實(shí)用性的控制方案。本文將 從供水系統(tǒng)性能分析入手，深入探討變頻恒壓供水技術(shù)關(guān)鍵，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果得到進(jìn)一步提高，操作更加簡捷，故障報(bào)警及時(shí)迅速，為變頻恒壓供水技術(shù)應(yīng)用于各類型的 車站供水 、供熱和空調(diào)循環(huán)用水系統(tǒng)、消防用水系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)。 本文主要研究內(nèi)容 通過前面對供水技術(shù)現(xiàn)狀和變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用前景分析可知，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在我國己成為供水行業(yè)發(fā)展的主流趨勢。原深圳華為 （ 現(xiàn)己更名為艾默生 ） 電氣公司和成都希望集團(tuán) （ 森蘭變頻器 ） 也推出了恒壓供水 專用變頻器 （ 5 . 5 kw~22kw） ，無需外接 PLC 和 PID 調(diào)節(jié)器，可完成多達(dá) 4 臺水泵的循環(huán)切換、定時(shí)啟停及定時(shí)循環(huán)控制工作。 國內(nèi)不少公司在做變頻恒壓供水工程時(shí)，大多采用國外的變頻器來 控制水泵的轉(zhuǎn)速 并實(shí)現(xiàn) 管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié) 及 多臺水泵的循環(huán)控制 ，有的還需要 采用可編程控制器輔以相應(yīng)的軟件 予以實(shí)現(xiàn)，有的則 采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件 予以實(shí)現(xiàn)。VP 系列變頻器具備適合 HVAC （ Heat Ventilation Air Conditioner） 行業(yè)所需的最佳功能，節(jié)省空間，操作簡便，機(jī)型豐富，全球通用。這類控制設(shè)備雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但因其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性也不高，且難以與別的監(jiān)控系統(tǒng)和組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，限制了帶負(fù)載的容量，其實(shí)際使用范圍受到不小的限制。在供水工程中，也是采用一臺變頻器只帶一