【正文】 2 變頻調(diào)速恒壓供水理論分析 2. 1 序言 變頻調(diào)速恒壓供水是 90 年代發(fā)展的新技術(shù)，由于采用了微機控制和大功率晶體管(GTR)技術(shù)，生產(chǎn)出了交流電機無級調(diào)速的先進產(chǎn)品 — 交流電機變頻調(diào)速器。利用變頻調(diào)速裝置和壓力傳感器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)來控制水泵的轉(zhuǎn)速，保持水壓恒定。 2. 2 工藝調(diào)節(jié)過程簡介 系統(tǒng)由三臺變速泵及可編程控制器、遠程壓力表、控制 柜等單元設(shè)備和器件組成。 當系統(tǒng)投入運行時，遠程壓力表檢測管網(wǎng)壓力并將信號傳送到變頻器和 PLC 在變頻控制軟件和 PLC 的作用下，系統(tǒng)根據(jù)不斷收取到的管網(wǎng)壓力信號，發(fā)出變頻調(diào)速泵運轉(zhuǎn)速度和各泵投運和輪休的指令，從而實現(xiàn)無論用水量怎樣變化，管網(wǎng)壓力始終保持在設(shè)定壓力范圍，變化誤差符合國家標準的要求，即 系統(tǒng)內(nèi)有常規(guī)供水壓力和消防用水壓力兩種壓力預置。當有火災信號輸入，或手動強制開啟消防供水開關(guān)，裝置都會自動報警并自動轉(zhuǎn)入消防用水壓力供水，同時切斷生活、消防管網(wǎng)保證生活 (生產(chǎn) )供水。 2. 3 變頻調(diào)速調(diào)節(jié)系統(tǒng) 2. 3. 1 調(diào)速原理 ①基本原理 在三、四十年代，電機調(diào)速理論和技術(shù)已在一些工業(yè)發(fā)達國家開始研究和應用，如通過改變電機的極對數(shù)，利用變頻，改變交流電源的頻率值，在轉(zhuǎn)子電路中加入調(diào)速變阻器或磁性放大器等方法對交流電機進行調(diào)速。 目前，水泵電機絕大部分是三相交流異步電動機，根據(jù)交流電機的轉(zhuǎn)速特性，電機電氣專業(yè) 高級工畢業(yè)課題設(shè)計說明書 9 的轉(zhuǎn)速 n為 psfn /)1(60 ?? （ ） 式中 n 電機轉(zhuǎn)速 . f 電 源頻率 s 轉(zhuǎn)差率 p 當水泵電機選定后， P 為定值，也就是說電機轉(zhuǎn)速的大小與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉(zhuǎn)速越高 。變頻調(diào)速就是根據(jù)這一原理，通過改變電源的頻率值來實現(xiàn)水泵電機的無級調(diào)速。 1)水泵負載轉(zhuǎn)矩特性 水泵負載轉(zhuǎn)矩 TL基本上與轉(zhuǎn)速 n 的平方成正比，即 2knTL? （ ） 式中， k 為比例常數(shù)，兩者的關(guān)系曲線如圖 點劃線所示。 根據(jù)電動機的等效電路，如圖 所示，在忽略定子漏阻抗壓降 電氣專業(yè) 高級工畢業(yè)課題設(shè)計說明書 10 的條件下，定子的相電壓 U1 與氣隙磁通中和頻率 f1 之間的關(guān)系為 （ ） 式中 ， 11 NKN 為定子繞組每相的有效匝數(shù)，當電機確定后，為一常數(shù)。不變，即 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 T為： （ ） 式中， P 為電動機的磁極對數(shù)， R1 , 為定子每相繞組的電阻和額定頻率 fN下的漏抗； 為轉(zhuǎn)子每相繞組折算到定子側(cè)的電阻和額定頻率 fN的漏抗 。為某一頻率下的同步轉(zhuǎn)速 在額定電壓 NU 和額定頻率 Nf 時， T= f(n)曲線如圖 中實線 na 時所示。在一定的負載轉(zhuǎn)矩下，變頻調(diào)速運行時，轉(zhuǎn)速之差 (n。運行方式下，當 a不同時，它為一組平行的曲線，如圖 實線所示。 3)恒壓變頻供水系統(tǒng)中負載轉(zhuǎn)矩 TL與電機實際輸出轉(zhuǎn)矩 T2 的配合 根據(jù)電力拖動系統(tǒng)的動方程式，在忽略空載轉(zhuǎn)矩條 件下，電磁轉(zhuǎn)矩 T=T2，這樣，運動方程式為 : () 式中， 為系統(tǒng)的飛輪矩。可見，在基頻 Nf 以下實現(xiàn)調(diào)速，調(diào)速范圍比較大，即使考慮低頻下 R1 的影響，仍可使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，非常適宜供水系統(tǒng)晝夜用水量變化較大的場合。 如圖 為變頻調(diào)速恒壓給水的水泵曲線圖，當流量由 變化至 時，恒速泵揚程必定會升至 39。隨著水泵轉(zhuǎn)速的降低，工況點將從 A 沿恒壓 線逐漸變化至 B, C 流量隨之減少，當 n 下降至 n4, QH 曲線的最大揚程為 aH ，在 n4 以下時，因為 QH曲線最大揚程小于 Ha，水泵揚程將不滿足要求。實際上以上的原理是在水泵曲線為 : ，的情況下，即 中， k=0 水泵的最大揚程為零流量時揚程的情況下成立。 ，水泵轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降將不出水， Q39。 (2)水泵曲線 (見圖 )，當流量逐漸減少到某一流量 Q39。 轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降時水泵將不出水，轉(zhuǎn)速 3n 所對應的頻率為變頻調(diào)速給水設(shè)備水泵的最低調(diào)節(jié)頻率。 ,此值隨水泵的不同其值也不同，設(shè)有 n 臺水泵組成的變頻供水設(shè)備，當用戶的用水量為 : 39。 的水量，而出現(xiàn)反復的啟、?，F(xiàn)象，此區(qū)為設(shè)備的“流量失調(diào)區(qū)”。當選定某型號的水泵時可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，再根據(jù)用戶的揚程確定具體最低調(diào)頻范圍 。 水泵 的基本參數(shù)和特性 離心式水泵廣泛應用于工業(yè)和生活供水系統(tǒng)中。離心泵的 HQ 曲線如圖 所示。 H 一一一工況點的揚程 (m)。 — 工況點的效率。根據(jù)以上分析，按照供水系統(tǒng)的實際流量 0Q 和揚程 H?？梢运愠鏊媒?jīng)濟的軸功率 0P 。 水泵在管道輸送時，受到管網(wǎng)阻力的作用，圖 繪出了供水管網(wǎng)的 HQ 阻力曲線。從管網(wǎng)特性上求得管網(wǎng)實際所需的性能以及泵與管網(wǎng)性能的匹配情況以此作為水泵節(jié)能依據(jù)。水泵運行在泵特性曲線 N 與管網(wǎng)阻力曲 線 R 的交點 D。運行工況點從 D 點移到 A 點。 根據(jù)公式 ()求出運行時在 A 點的泵軸功率為 :軸功率為 : ， C點泵的軸功率為： ，兩者之差 ： （ ） 也就是說，用閥門控制流量時有△ P 的功率被白白浪費了，而且損耗隨著閥門的關(guān)小增加 。采用變頻器改變電動機的轉(zhuǎn)速從而達到調(diào)節(jié)流量的方法，其揚程特性曲線 (HQ)及功率 特性曲線（ PQ)對于轉(zhuǎn)速的變化如圖 所示。當流量從 Q1 :降低到Q2 時，由管路要求此時揚程為 HB 所以出現(xiàn)了 Q2 時的工作點 B，其相的功率是 BP 。 2. 5 本章小結(jié) 本章從系統(tǒng)的構(gòu)置框圖傳遞函數(shù)，電機轉(zhuǎn)矩及等效電路和水泵調(diào)速高效區(qū)分析，等進行了理論分析，使恒壓系統(tǒng)的構(gòu)筑有了堅實持理論支撐，并為下步的設(shè)計選型提供了依據(jù)。在“流量失調(diào)區(qū)”內(nèi)水泵將反復啟停，耗能嚴重，而且在較大的流量范圍內(nèi)低效運行，在不帶氣壓罐的情況下水 泵將在夜間不停運行。就是說轉(zhuǎn)速的下降在 20%以內(nèi)， 40Hz 往下時因揚程下降較大，同時效率下降也較大，不能按相似工況拋物線變化，比例律誤差增大，因此變頻調(diào)速給水設(shè)備的調(diào)速是有范圍的。 ④該裝置具有占地小、設(shè)備簡單、便于集中管理、節(jié)能等優(yōu)點，適用于建筑用水不均勻的現(xiàn)象，使之運行經(jīng)濟合理，更適用于高 層建筑。 ⑥由此可以看出，由變速恒壓的供水系統(tǒng)，特別是生活供水大小差異很大的供水系統(tǒng)，節(jié)能是相當明顯的。 電氣專業(yè) 高級工畢業(yè)課題設(shè)計說明書 17 3 總體方案設(shè)計 系統(tǒng)總述 此系統(tǒng)是針對某生活小區(qū)的實際情況，結(jié)合用戶生活 /消防雙恒壓供水的控制要求，設(shè)計的一個三泵、恒壓無塔供水系統(tǒng)。又如當發(fā)生火警時，若供水壓力不足或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大損失和人員傷亡。 用戶的現(xiàn)場情況 如圖 1 所示，市網(wǎng)自來水用高低水位控制器 EQ 來控制注水閥 YV1 ，自動把水注滿儲水水池，只要水位低于高水位，則自動向水箱注水。為了保持供水的連續(xù)性，水位上、下限傳感器高低 距離較少。當有火災發(fā)生時，電磁閥 YV2 得電， 打開消防 用水管網(wǎng)， 三 臺泵供 生活 /消防用水使用，并維持消防用水的高恒壓值。 圖 供水現(xiàn)場圖 恒壓供水控制系統(tǒng)的基本控制策略 采用 電動機調(diào)速裝置與可編程控制器 (PLC)構(gòu)成控制系統(tǒng) ，進行優(yōu)化控制泵組的調(diào)速運行，并自動調(diào)整泵組 的運行臺數(shù)，完成供水壓力的閉環(huán)控制，在管網(wǎng)流量變化時達到穩(wěn)定供水壓力和節(jié)約電能的目的。恒壓供水就是利用 PLC 的 PID計算 功能實現(xiàn)的工業(yè)過程的閉環(huán)控制。供水系統(tǒng)選用原則水泵揚程應大于實際供水高度，水泵流量總和應大于實際最大供水量。配單臺電機及水泵時，它們的功率必須足夠大，在用水量少時來開一臺電機肯定是浪費的，電機選小了用水量大時供水量則相應的會不足。而恒壓供水的主要目標是保持管網(wǎng)水壓的恒定，水泵電機的轉(zhuǎn)速要跟隨用水量的變化而變化的，那么這就是要用變頻器為 水泵電機供電。另一種方案則是數(shù)臺電機配一臺變頻器，變頻器與電機間可以切換的，供水運行時，一臺水泵變頻運行，其余的水泵工頻運行，以滿足不同的水量需求。圖中壓力傳感器用于檢測管網(wǎng)中的水壓，常裝設(shè)在泵站的出水口。用水量小時，水壓升高。 電氣專業(yè) 高級工畢業(yè)課題設(shè)計說明書 19 圖 恒壓供 系統(tǒng) 的構(gòu)成 調(diào)節(jié)器是一種電子裝置，它具有設(shè)定水管水壓的給定值、接受傳感器送來得管網(wǎng)水壓的實測值、根據(jù)給定值與實測值的綜合依一定的調(diào)接規(guī)律發(fā)出的系統(tǒng)調(diào)接信號等功能。信號的量值與前邊的提到的差值成正比例，用于驅(qū)動執(zhí)行器設(shè)備工作。 用 PLC 代替調(diào)節(jié)器，其控制性能和精度大大提高了，因此， PLC 作為恒壓供水系統(tǒng)的主要控制器，其主要任務就是代替調(diào)節(jié)器實現(xiàn)水壓給 定值與反饋值的綜合與調(diào)節(jié)工作，實現(xiàn)數(shù)字 PID 調(diào)節(jié) 。如規(guī)定和變頻器相連接的泵為主泵 (主泵也是輪流擔任的 )，主泵在運行時達到最高頻時，須增加一臺工頻泵投入運行。 PLC 同時還是變頻器的驅(qū)動控制。另外，泵站的其他控制邏輯也由 PLC 承擔，如 :手動、自動操作轉(zhuǎn)換，泵站的工作狀態(tài)指示，泵站的工作異常的報警，系統(tǒng)的自檢等等。由管壓傳送壓力信號給 PLC 的 PID 單元，處理運算控制變頻器，實現(xiàn)電機的變頻工作拖動水泵供水，由 PIC 運算控制電機間的切換，實現(xiàn)水泵供水的切換，達到多臺水泵供水。它是通過 PID 調(diào)節(jié)器來調(diào)節(jié)輸出，保證偏差值 e 為零，使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài) 。 圖 PID 變 頻 器 調(diào)節(jié) 水泵切換流程 在整體控制系統(tǒng)中，水 泵由變頻工作轉(zhuǎn)為工頻工作由 PLC 采集變頻器的工作頻率實現(xiàn)，當水泵工作在上限頻率一定時間后，使該泵切換到工頻工作，同時復位變頻器，切換下一臺泵加入變頻工作。下圖為水泵切換圖： 圖 三泵狀態(tài)轉(zhuǎn)換 PLC 實現(xiàn)泵切換流程，在系統(tǒng)初始化過程中，給變頻器設(shè)定下限頻率和上限頻率。當頻率達到上限一定時間后，發(fā)泵切換信號，變頻器復位信號，將當前泵切換到工頻工作，下一臺泵接變頻器，開始 PID 運算直到壓力達到所需值。 本章小結(jié) 本論文設(shè)計變頻器調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)具有以下幾方面特點 : ①具有自動 /手動雙運行功能。手動狀態(tài)下可作不定期的檢查和緊急狀態(tài)下的緊急操作。 ③具有自動定期巡檢功能，系統(tǒng)可靠性高。 ⑤消防供水或生活 (生產(chǎn) )供水中，任何一臺水泵出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會自動啟動其他泵滿足供水。 ⑦多臺電機均能可靠地實現(xiàn)軟啟動，避免了啟動電流過大對電網(wǎng)的 影響，且大大延長了設(shè)備的使用壽命。 同時，與其它供水系統(tǒng)相比，具有以下幾方面的優(yōu)點 : ①不設(shè)高位水箱、減輕建筑物負荷、節(jié)省基建投資、縮小施工工期。 ③以變頻調(diào)速控制水壓、實現(xiàn)全天恒壓供水。 ⑤自動化程度高，可實現(xiàn)無人值守智能化運行。 電氣專業(yè) 高級工畢業(yè)課題設(shè)計說明書 22 4 硬件系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)備的選擇 水泵的選擇 水泵的型號參 數(shù)如下表 泵型號意義： 如 40LG12－ 15 40－進出口直徑（ mm） LG－高層建筑給水泵（高速） 12－流量（ m3/h） 15單級揚程（ M） 200QJ20108/8 200表示機座號 200 QJ潛水電泵 20— 流量 20m3/h 108揚程 108M 8級數(shù) 8 級 水泵的基本構(gòu)成：電機、聯(lián)軸器、泵頭（體）及機座（臥式）。揚程，用 H 表示，單位是 M。 對潛水泵，額定電流參數(shù)（ A）非常重要，特別是用于變頻供水設(shè)備時。 聯(lián)軸器 泵頭（體 _) 臥式機座 小區(qū)用水量估算 在此系統(tǒng)中，小區(qū)為普通居住小區(qū)，住戶大約為 500 戶，人口約為 2020 人，人均每天用水量約 327 升 /日。小區(qū)公共設(shè)施用水約占人均用水的 1/3，用水平均在白天工作的 8 小時。夜間 6 個小時的用水量幾乎為 0。 系統(tǒng)由三臺水泵供水，需要單臺水泵的供水量為 52 m3/h。在此設(shè) 計中選擇成都西南水泵廠的 IS8050200 型水泵三臺，此水泵排量 50m3/h，揚程 50m，額定轉(zhuǎn)速 2980r/min,軸功率 ,配帶電機15kw ,Y160M22 型效率 69%， 必需汽 蝕余量 。選擇變頻器時必須要充分了解變頻器所驅(qū)動的負載特性。 恒轉(zhuǎn)矩負載： 負載轉(zhuǎn)矩ＴＬ與轉(zhuǎn)速ｎ無關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下ＴＬ總保持恒定或基本恒定。 變頻器拖動恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)的負載時，低速下的轉(zhuǎn)矩要足夠大，并且有足夠的過載能力。 恒功率負載： 機床主軸和軋機、造紙機、塑料薄膜生產(chǎn)線中的卷取機、開卷機等要求的轉(zhuǎn)矩，大體與轉(zhuǎn)速成反比，這就是所謂的恒功率負載。當速度很低時，受機械強度的限制，ＴＬ不可能無限增大，在低速下轉(zhuǎn)變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩性質(zhì)。電動機在恒磁通調(diào)速時，最大容許輸出轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；而在弱磁調(diào)