【正文】 力的要求變化較大，僅僅靠供水廠值班人員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工手動(dòng)調(diào)節(jié)很難及時(shí)有效的達(dá)到目的。 供水廠希望通過對(duì)原有系統(tǒng)的技術(shù)改造，提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化水平。由于水廠原有的供水控制系統(tǒng)是一個(gè)完全依靠 值班人員手動(dòng)控制的系統(tǒng)，所以對(duì)該系統(tǒng)技術(shù)改造的要求是在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)進(jìn)行，設(shè)計(jì)一套取水和供水的自動(dòng)控制系統(tǒng)，克服由于采用單純手動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制帶來的控制不方便、控制系統(tǒng)對(duì)供水管網(wǎng)中壓力和水位變化反應(yīng)遲鈍的問題，降低能源消耗和資源浪費(fèi)，提高設(shè)備的可維護(hù)性和運(yùn)行的可靠性，以達(dá)到降低自來水的生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)管理水平的目的。 ，供水的壓 力隨供水的流量的變化而變化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道壓力。 從上即可結(jié)論：以變頻器為主體構(gòu)成的恒壓供水系統(tǒng)不僅能夠最大程度滿足需要，也提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命、節(jié)約能源、而且能夠構(gòu)成復(fù)雜的功能強(qiáng)大的供水系統(tǒng)。但是直流電動(dòng)機(jī)由于換向器和電刷維護(hù)保養(yǎng)很麻煩，價(jià)格也相當(dāng)昂貴。異步電機(jī)的調(diào)速方法很多，例如變極調(diào)速、有極調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、變頻調(diào)速等。 張北泰生花園小區(qū)無塔上水變頻調(diào)速恒壓供水及消防用水電氣設(shè)計(jì) 5 70 年代以后，由于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促使晶體管變頻器的誕生。三相異步電動(dòng)機(jī)具有維修方便、價(jià)格便宜、功率和轉(zhuǎn)速適應(yīng)面寬等優(yōu)點(diǎn)，其變頻調(diào)速技術(shù)在小型化、 低成本和高可靠性方面占有明顯的優(yōu)勢(shì)。它改變了傳統(tǒng)工業(yè)中電機(jī)啟動(dòng)后只能以額定功率、定轉(zhuǎn)速的單一運(yùn)行方式，從而達(dá)到節(jié)能目的。 由于變頻調(diào)速具有調(diào)速的機(jī)械特性好，效率高，調(diào)速范 圍寬，精度高，調(diào)整特性曲線平滑 [3]，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的、平穩(wěn)的調(diào)速，體積小、維護(hù)簡(jiǎn)單方便、自動(dòng)化水平高等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)而倍受人們的青睞。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流－直流－交流變頻器和交流－交流變頻器兩大類，目前國(guó)內(nèi)大都使用交－直－交變頻器。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，使我國(guó)供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從 90 年代初開始經(jīng)歷了一次飛躍。在實(shí)際應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，引起國(guó)內(nèi)幾乎所有供水設(shè)備廠家的高度重視，并不斷投入開發(fā)、生產(chǎn)這一高新技術(shù)產(chǎn)品。追求高度智能化，系列標(biāo)準(zhǔn)化是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)成片開發(fā)、 智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。雖然單泵調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易可靠，但由于單泵電機(jī)深度調(diào)速造成水泵、電機(jī)運(yùn)行效率低，而多泵調(diào)速系統(tǒng)投資更張北泰生花園小區(qū)無塔上水變頻調(diào)速恒壓供水及消防用水電氣設(shè)計(jì) 6 為節(jié)省，運(yùn)行效率高，被實(shí)際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，很快發(fā)展成為主導(dǎo)產(chǎn)品。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，可編程序控制器將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)與新興的計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，具有可靠性高、功能強(qiáng)、應(yīng)用靈 活、編程簡(jiǎn)單、使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，以及良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動(dòng)控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)性能，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。早期的可編程控制器由分離元件和中小規(guī)模集成電路組成，主要功能是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時(shí)等。在硬件方面，除了保持其原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程 I/O 模塊 和 各種特殊功能模塊。 進(jìn)入 80 年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場(chǎng)價(jià)格大幅度下跌，使得 PLC 所采用的微處理器的 檔次 普遍提高。 在發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家， PLC已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)部門。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， PLC 的功能得到大大的增強(qiáng)，具有以下特點(diǎn) [5,6,7]： 1．可靠性高。 2．具有豐富的 I/O 接口模塊 。 另外為了提高操作性能，它還有多種人 機(jī)對(duì)話的接口模塊 ； 為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊。為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型 PLC 以外，絕大多數(shù) PLC 均采用模塊化結(jié)構(gòu)。 4． 編程簡(jiǎn)單易學(xué) 。 5． 安裝簡(jiǎn)單，維修方便 。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶了解運(yùn)行情況和查找故障。 由于 PLC 強(qiáng)大功能和優(yōu)點(diǎn)，使得 PLC在我國(guó)的水工業(yè)自動(dòng)化中得到廣泛的應(yīng)用。其主要功能是進(jìn)行工藝參數(shù)的采集、生產(chǎn)過程控制、信息處理、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)以監(jiān)測(cè)等。 主要介紹變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的工作原理，變頻器的節(jié)能、調(diào)速原理；變頻器的工況點(diǎn)的確定和能耗機(jī)理分析，以及系統(tǒng)調(diào)速范圍的確定。本設(shè)計(jì)應(yīng)需十幾張圖，包括：生活泵主電路，消防泵主電路，控制電路，控制柜設(shè)計(jì)，變頻器的外部接線圖，可編程控制器 PLC 的外部接線圖，系統(tǒng)組成圖以及程序梯形圖等。 總之，通過完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，必須掌握變頻恒壓供水 系統(tǒng) 設(shè) 計(jì)的一系列技術(shù)，也必須達(dá)到如下要求：完成畢業(yè)論文說明書 ；完成恒壓供水系統(tǒng)軟件主 ，設(shè)計(jì)出能正常運(yùn)行的系統(tǒng)軟件；完成 PLC 與變頻器的 外部 接線 設(shè)計(jì)， 以及配電規(guī)設(shè)計(jì) 。供水壓力比例恒定，且有貯水。即使如此，還常常不能滿足最不利供水點(diǎn)的供水要求，難以滿足不斷增加的用水需求。此外，屋頂水箱必須高出水面幾米，建筑方面較難處理，而且投資周期長(zhǎng)。其優(yōu)點(diǎn)是靈活性大，建設(shè)快，少受污染，不妨礙美觀，有利于擴(kuò)展與消除管道中的水錘與噪聲，且可以通過改變壓力罐的壓力來滿足不斷增加的供水需求。因此，電能消耗大，運(yùn)行費(fèi)用高。隨著交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，為實(shí)現(xiàn)恒壓供水提供了可靠的技術(shù)條件。其配置日趨合理，成為供水網(wǎng)系的替代產(chǎn)品。電動(dòng)機(jī)泵組多由同型號(hào)的水泵 2～ 4 臺(tái)并聯(lián)而成（以四臺(tái)為例）。 主要優(yōu)點(diǎn)： 對(duì)電網(wǎng)沖擊小，保護(hù)功能完善。 當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行，確保供水不間斷。 因?yàn)閷?shí)現(xiàn)恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力。由于其節(jié)電效果明顯，所以系統(tǒng)具有收回投資快、長(zhǎng)期受益的特點(diǎn)，其產(chǎn)生的社會(huì)效益也是非常巨大的。 無塔供水系統(tǒng)不需要水塔、高位水箱和氣罐，設(shè)備簡(jiǎn)單，控制實(shí)時(shí)性好，且能滿足不斷增加的供水需求。 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)分析 在變頻調(diào)速供水系統(tǒng)中，是通過變頻器來改變水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵工作點(diǎn)來達(dá)到調(diào)節(jié)供水流量的目的。在調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的過程中，水泵工況點(diǎn)的調(diào)節(jié) 是一個(gè)十分關(guān)鍵的問題。水泵在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)取決于水泵性能、管路水力損失以及所需實(shí)際揚(yáng)程，這三種因素任一項(xiàng)發(fā)生變化，水泵的運(yùn)行工況都會(huì)發(fā)生變化。 變頻調(diào)速的節(jié)能、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(dòng)機(jī)定子電源頻率來改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可以相應(yīng)地改變水泵轉(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(diǎn)壓力恒定，達(dá)到節(jié)能效果。當(dāng)用水量達(dá)到最大 Qmax 時(shí) ,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 ,水泵的特性曲線 n0 和用水管路特性曲線 A0 匯交于 b 點(diǎn) ,此時(shí) ,水泵報(bào)出口壓力為 H? ，末端服務(wù)壓力剛好為 H0。 張北泰生花園小區(qū)無塔上水變頻調(diào)速恒壓供水及消防用水電氣設(shè)計(jì) 10 泵全速時(shí)泵出口壓力恒定時(shí)管網(wǎng)末端恒定時(shí)泵出口恒定時(shí)揚(yáng)程流量關(guān)小閥門時(shí)泵速下調(diào)到 時(shí)泵速下調(diào)到 1時(shí)) 圖 2— 1 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(shí)，管路阻力特性曲線變陡（ A2），水泵的工況點(diǎn)由 b 點(diǎn)上滑到 c 點(diǎn)，而管路所需的揚(yáng)程將由 b 點(diǎn)滑到 d 點(diǎn)，這樣， c 點(diǎn)和 d 點(diǎn)揚(yáng)程的差值即為全速水泵的能量浪費(fèi)。但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。在水量到達(dá) Q1時(shí)，相應(yīng)的水泵特性曲線為 nx，面管路的特性曲線將向上平移到 A1，兩線交點(diǎn) e 即為此時(shí)的工況點(diǎn)。 （ 3） 水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)取不利點(diǎn)壓力恒定來控制：此時(shí)，當(dāng)用水量由 Qmax下降到 Q1 時(shí)，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵的特性曲線變?yōu)?n1，其工況點(diǎn)為 d 點(diǎn)，正好落在管網(wǎng)特性曲線 A0 上，這樣可以使水泵的工作點(diǎn)始終沿 A0滑動(dòng)。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗 下降了 h1。即通過控制轉(zhuǎn)速可以減少軸功率。此外，最不利點(diǎn)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(diǎn)的水壓是恒定的。 采用變頻恒壓供水系統(tǒng)除可節(jié)能外，還可以使水泵機(jī)組啟動(dòng)，降低了 啟動(dòng) 電流，避免了對(duì)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。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)速的大小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。 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 （ 2— 5） 又功率與水泵電機(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 軸功率。 將式 (2－ 7)和 (2－ 8)代人 (2－ 6)可得 222222 22 SgALQgALQh jyjys ????????? ???? ?? ???? (2－ 9) 式中 S 被稱為管路阻力系數(shù)。由式 (2－ 9)可知管路水力損失與流量的平方成正張北泰生花園小區(qū)無塔上水變頻調(diào)速恒壓供水及消防用水電氣設(shè)計(jì) 12 比。 ssjx HHH ?? (2－ 10) 由式 (2－ 10)可以得到如圖 22 所示的 QHx? 管路性能曲線。若把水泵的效率曲線η Q 也畫在同一坐標(biāo)系中，可以找出 A 點(diǎn)的揚(yáng)程 AH 、流量 AQ 以及效率 A? 。一旦當(dāng)水泵或管路性能中的一個(gè)或同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，平衡就被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。變頻器調(diào)速的工作原理就是通過選擇電壓頻率比（ V/F）曲線，設(shè)定加減速時(shí)間以及轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償曲線，使電動(dòng)機(jī) 啟動(dòng) 時(shí)轉(zhuǎn)速從零開始逐漸升高，實(shí) 現(xiàn)軟啟動(dòng)，減少了啟動(dòng)電流。由于水泵的流量、揚(yáng)程和消耗的功率都可以隨其轉(zhuǎn) 速的變化而變化，變頻調(diào)速技術(shù)可以使水泵性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況，大大擴(kuò)展了水泵的高效運(yùn)行范圍。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論 [11]，改變轉(zhuǎn)速 n，可使供水泵流量 Q、揚(yáng)程 H 和軸功率 N 以相應(yīng)規(guī)律改變。 從上述比例律公式中消去 n1/n2 就得到下式 22121 ????????? HH(2－ 16) 即 kQHQH ?? 222211 或 2kQH? (2－ 17) 式 (2－ 17)是頂點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點(diǎn)具有相似的工作狀況，所以稱為相似工況拋物線。由圖 23 可見，設(shè)定管網(wǎng)壓力值（揚(yáng)程）為 H0，管網(wǎng)初始用水量為 QA，初始工況點(diǎn)為 A，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 n1。水泵轉(zhuǎn)速的下降是沿著水泵的相似工況拋物線下降的，也就是從點(diǎn) A 移至 B 點(diǎn)，在此過程中水泵輸出的流量和壓力都會(huì)相應(yīng)減小 .。 考察水泵的效率曲線 ?Q，當(dāng)變頻調(diào)速使水泵偏離甚至位于高效區(qū)之外時(shí)，水η AηCQ AQ C Qη ～ Qn 1n 2H 0HH ～Q 相似工況拋物線Hx ～Q 管路性能曲線H ～Q 水泵性能曲線圖 23 變頻調(diào)速恒壓供水單臺(tái)水泵工況調(diào)節(jié)圖 張北泰生花園小區(qū)無塔上水變頻調(diào)速恒壓供水及消防用水電氣設(shè)計(jì) 14 泵的運(yùn)行效率會(huì)大大下降。 水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析 水泵運(yùn)行工況點(diǎn) A 是水泵性能曲線 n1 和管路性能曲線 R1 的交點(diǎn)。需要減少流量時(shí)關(guān)小閥門，使管路性能曲線由 R1 變?yōu)?R2。采用變頻調(diào)速控制時(shí)，管路性能曲線 R1保持不變，水泵的特性取決于轉(zhuǎn)速。在圖 24 中，水泵運(yùn)行在 B 點(diǎn)時(shí)消耗的軸功率與 H1BQ1O 的面積成正比，運(yùn)行在 C點(diǎn)時(shí)消耗的軸功率與 H2CQ1O 的面積成正比。 由 (2－ 12)求出運(yùn)行在 B 點(diǎn)的泵的軸功率 ?11HkQNB ? ，運(yùn)行在 C 點(diǎn)時(shí)泵的軸功率 ?21HkQNC ? ， 兩者之差： ?121 )( kQHHNNN CB ????? (2－ 18) 也就是說，采用閥門控制流量時(shí)有 N?的功率被白白浪費(fèi)了，而且損耗隨著閥門的關(guān)小而增加。 調(diào)速范圍的確定 考察水泵的 效率曲線 ?Q,，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頻率下降得過低，避免水泵在低效率段運(yùn)行 [19]。 啟動(dòng)頻率一般來說，水泵在低速運(yùn)行的意義并不 大，有的水泵并不能從 0Hz開始啟動(dòng)，所以，應(yīng)該預(yù)置運(yùn)轉(zhuǎn)開始頻率一下，變頻器處于待機(jī)狀態(tài)，一利于更好的節(jié)能。 最高頻率：水泵屬于平方律負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過其額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律增加。因此，變頻器的工作頻率是不允許超過額定轉(zhuǎn)矩的，其最高頻率只能與額定頻率相等， fmax＝ fN＝ 50Hz。 下限頻率： 在供水系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速過低時(shí)會(huì)出現(xiàn)水泵的全揚(yáng)程小于基本揚(yáng)程（實(shí)際揚(yáng)程）形成水泵“空轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象。 本章小結(jié) ： 本章介紹了傳統(tǒng)的供水方法與現(xiàn)代變頻調(diào)速恒壓供水，闡述了各種供水方法的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)各種方法進(jìn)行了比較，凸顯了變頻調(diào)速恒壓供水的優(yōu)勢(shì)。 本章將兩種調(diào)節(jié)流量的方法進(jìn)行比較，采用轉(zhuǎn)速控制方式后，可將排水閥完全打開而適應(yīng)降低轉(zhuǎn)速，由于電動(dòng)機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)，變頻器具有能夠 根據(jù)負(fù)載輕重調(diào)整輸入電壓的