【正文】 60 (1 ) /n f s p?? （ 21） 其中 ， n 為電機(jī)轉(zhuǎn)速； f 為電源頻率； s 為轉(zhuǎn)差率； p 為電機(jī)的級(jí)對(duì)數(shù)。變頻調(diào)速就是根據(jù)這一原理 ， 通過改變電源的內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 15 頻率值來實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的無級(jí)調(diào)速。因此 ， 變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)一種比較合理和理想的調(diào)速方法 ， 它被廣泛地應(yīng)用于對(duì)水泵電機(jī)的調(diào)速。電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩由負(fù)載的需要來決 定 ，在不同的轉(zhuǎn)速下 ， 不同的負(fù)載需要的轉(zhuǎn)矩也是不同的 ， 調(diào)速方法和控制特性應(yīng)適應(yīng)負(fù)載的要求。水泵負(fù)載轉(zhuǎn)矩 LT 基本上與轉(zhuǎn)速的平方成正比 ， 即 2LT kn? (22) 式中 ， k 為比例常數(shù) 。變頻調(diào)速時(shí) ， 為了使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能好 ， 勵(lì)磁電流和功率因數(shù)應(yīng)基本 保持不變 ， 即希望氣隙磁通 ? 保持不變 ， 若 N??? (N? 為額定運(yùn) 行時(shí)的磁通 )， 將引起電機(jī)磁路過分飽和而使勵(lì)磁電流增加 ， 功率因數(shù)降低 ； 若 N??? ， 必將使電機(jī)的容許輸出轉(zhuǎn)矩下降 ， 電機(jī)的功率 將 得不到充分利用 ,因此，變頻調(diào)速一般應(yīng)使氣隙磁通保持不變 。由式 可 知 ，在 1f 變化時(shí) ， 電機(jī)的端電壓 1U 必須與頻率 1f 成正比變化 ， 才能保持 ? 必不變 ， 即 11/Uf?常 數(shù) （ 24） 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 16 ? ?,221 2,221 1 1 132RsT p URf R x xs ???? ????? ? ????????? （ 25） 式中， p 為電動(dòng)機(jī)的 磁極對(duì)數(shù)； 1R ， 1x? 為定子每項(xiàng)繞組的電阻和額定頻率 Nf 下的漏抗；s 為轉(zhuǎn)差率，即 00nns n?? （ 26） 式中 ， 0n 為某一頻率下的同步轉(zhuǎn)速 ， 即 10 60fn p? （ 27） 令 /0dT ds? ， 求得電動(dòng)機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩 mT 為 21m a x , 2 21 1 1 2 134 [ ( ) ]pUT f R x x R???? ? ? ? (28) 在變頻調(diào)速過程中 ， 保持 11/Uf?常 數(shù) ， 也就是 保持氣隙磁通近似為常數(shù) ， 若令1f=Nf? ，則 1 nUU?? ，此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩 ? ?2, 22, 2 2 ,1 2 1 232 [ ( ) ]NNp U RTf s R R x x?????? ? ? ? （ 29） 相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩為 ? ?2m a x 2 , 21 1 1 2 134NpUTf R x x R?????? ??? ? ????? (210) 式中 ， 1 2 0 0//Nf f n n? ??； 0N 為額定頻率下 Nf 的同步轉(zhuǎn)速。在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下 ，變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí) ， 轉(zhuǎn)速之差將不變 ， 轉(zhuǎn)矩特性 （ 穩(wěn)定運(yùn)行段 ）在 11/Uf?常 數(shù) 運(yùn)行方式下 ， 當(dāng) ? 不同時(shí) ， 它為一族平行的曲線。 ③ 恒壓變頻供水系統(tǒng)中負(fù)載轉(zhuǎn)矩 LT 與電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩 2T 的配合。 可見 ， 在基頻 Nf 以下實(shí)現(xiàn)調(diào)速 ， 調(diào)速范圍比較大 ， 即使考慮低頻下的影響 ， 仍可使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行 ， 非常適宜供水系統(tǒng)晝夜用水變化較大的場(chǎng) 合。 ⑶ 水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理。其輸出特性取決于水泵的種類和供水管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力特性。 每臺(tái)水泵只有在原設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí) ， 泵的使用效率才為最高點(diǎn) ， 偏離這個(gè)工況點(diǎn)效率就會(huì)降低。 水 在管道輸送時(shí) ， 受到管網(wǎng)阻力的作用。從管網(wǎng)特性上求得管網(wǎng)實(shí)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)。 根據(jù)水泵運(yùn)行的相似定律 ， 變速前后流量 Q 、揚(yáng)程 H 、軸功率 P 與 轉(zhuǎn)速 N 之間的關(guān)系為 : 2211QN? ； 22211()HN? ； 32211()PN? (219) 式中 ， 1Q 、 1H 、 1P 為變速前的流量、揚(yáng) 程、功率 ； 2Q 、 2H 、 2P 為變速后的流量、揚(yáng)程、功率。 例如 :一 臺(tái)水泵電機(jī)功率為 55kw ， 當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的 4/5 時(shí) ， 其耗電量為內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 19 ， 省電 %， 當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的 1/2 時(shí) ， 其耗電量為 ， 省電 %。普通水泵電機(jī)的功率因數(shù)在 ~ 之間 ， 使用變頻調(diào)速裝置后 ， 由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用 ， 功率因數(shù)接近 1， 從而減少了無功損耗 ， 增加了電網(wǎng)的有功功率。而使用變頻節(jié)能裝置后 ， 利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使 啟動(dòng) 電流從零開始 ， 最大值也不超過額定電流 ，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求 ， 延長(zhǎng)了設(shè)備和閥門的使用壽命 ， 節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。由多泵并聯(lián)恒壓變頻供水理論可知 ， 在該系統(tǒng)中 只 需要 其中一臺(tái)泵是變頻泵 ， 其余全是工頻泵 ，便 可實(shí)現(xiàn)恒壓變量供水。 變頻恒壓供水中， 在設(shè)計(jì)上可做到在恒壓條件下各工頻泵的效率不變（因工況不變） ， 使之處于高效率區(qū)工作 ， 變頻泵的流量是變化的 ， 其工作效率隨流量而改變。 當(dāng)多泵并聯(lián)恒壓供 水系統(tǒng)采用具有自動(dòng)睡眠功能的變頻器 ， 當(dāng)用水流量接近于零 ，內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 20 變頻泵能自動(dòng)睡眠停泵 ， 從而可以做到不用水時(shí)自動(dòng)停泵而沒有能量損耗 ， 具有最佳的節(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(diǎn)是給水管路系統(tǒng)，沒有通用性。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。 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。當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，則泵的高效率區(qū)擴(kuò)大，因此采用變頻調(diào)速可以節(jié)能。如果采用臺(tái)泵，當(dāng)小流量用水時(shí)必然出現(xiàn)“大馬拉小車“的工況，此時(shí)水 泵的效率低，功率浪費(fèi)大。理論分析及實(shí)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。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(tái)是變頻調(diào)速泵，就可以達(dá)到恒壓給水的目的。從節(jié)能考慮， 并聯(lián)水泵的臺(tái)數(shù)愈多愈好，但是如數(shù)太多，設(shè)備的機(jī)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(jì)、合理性下降。變頻循環(huán)軟啟動(dòng)工作方式指用一臺(tái)變頻器可以輪流去啟動(dòng)和控制每臺(tái)水泵變頻運(yùn)行 ， 但是按照變頻器工作原理 ， 在運(yùn)行中的變頻器一般不允許在其輸出端進(jìn)行切換 ， 否則在切換過程中會(huì)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。在變頻器停止運(yùn)行的條件下 ， 在其輸出端進(jìn)行切換 ， 在切換好后再重新啟動(dòng)變頻器而恢復(fù)正常運(yùn)行。 變頻泵固定方式通常是這樣的：當(dāng)用水量小于一臺(tái)泵在工頻恒壓條件下的流量 ， 由一臺(tái)變頻泵恒壓供水；當(dāng)用水量增大 ， 變頻泵的轉(zhuǎn)速自動(dòng)上升 ； 當(dāng)變頻泵的轉(zhuǎn)速上升到工頻轉(zhuǎn)速 ， 用水流量進(jìn)一步增大 ， 由變頻供水控制器控制 ， 自動(dòng)啟動(dòng)一臺(tái)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(shí)候 ， 變頻供水控制器發(fā)出一個(gè)指令 ， 自動(dòng)關(guān)閉一臺(tái)工頻泵使之退出并聯(lián)供水。 變頻循環(huán)方式切換 下面就上述工作方式進(jìn)行舉例討論。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí) ， 用戶用水管網(wǎng)上的壓力傳感器對(duì)用戶的用水水壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣 ， 傳輸至 變頻器 ， 與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較 ， 將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號(hào)和 工頻 泵 啟停 信號(hào) ，此信號(hào)送至 可編程控制器 ， 變頻器調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的電源頻率 ， 進(jìn)而調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速 ， PLC 控制 工頻 泵的 啟停 。 具體系統(tǒng)采用 3 臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行方式 ， 當(dāng)用水量較小時(shí) ， 一臺(tái)泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行 ， 當(dāng)用水量大到水泵全速運(yùn)行也不能保證管網(wǎng)的壓力 要求 時(shí) ， 變頻器的控制信號(hào)被 PLC 檢測(cè) ， 通過 PLC 控制泵組的切換。所有水泵電機(jī)從停止到啟動(dòng)及從啟動(dòng)到停止都由變頻器來控制 ， 實(shí)現(xiàn)帶載軟啟動(dòng) ， 避免了啟動(dòng)大電流給水泵電機(jī)帶來沖擊 ， 相對(duì)延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。壓力傳感器檢測(cè)水管的流水壓力 ， 將水壓變換為電信號(hào) ，控制 變頻器的 工作。當(dāng) 1內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 23 水泵不能滿足用水需求時(shí)（也就是管網(wǎng)壓力小于與設(shè)定值時(shí)） ， PLC 將啟動(dòng) 2工頻泵（ 1變頻泵仍舊變頻運(yùn)行） ； 如用水量繼續(xù)增大時(shí) ， 將順序啟動(dòng) 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。特別是通用變頻器和異動(dòng)電機(jī)結(jié)合起來 ， 實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速傳動(dòng)控制 ， 其具有固定的優(yōu)勢(shì) ， 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。 變頻泵與固定泵容量配比問題 由于 調(diào)速裝置造價(jià)高、維護(hù)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(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 24 主要 存在以下缺點(diǎn) :第一 ， 造成供水系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定 :第二 ， 調(diào)速泵運(yùn)行效率很低 。 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(shí) ， 水泵的運(yùn)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(yùn)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(yùn)行后 ，供水量固定為 100%， 此時(shí)調(diào)速泵的供水量設(shè)為 ΔQ， 這個(gè) ΔQ在某些情況下約為 (5%～10%)。另外 ， 在這種情況下 ， 定速泵投入運(yùn)行后 ， 很顯然運(yùn)行效率很低 ， 起不到節(jié)能效果。如果綜合水泵運(yùn)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(shí) ， 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%。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(duì)固定泵進(jìn)行投切控制 ， 不僅可以促使水泵最大可能地運(yùn)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(jìn)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 。采用變頻器帶動(dòng)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 25 電機(jī)從零速開始 啟動(dòng) ， 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(shí)變頻器同時(shí)承擔(dān)了軟啟動(dòng)的任務(wù)。 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(fèi)用 ， 常采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行的方案。這樣就不可避免地要進(jìn)行電網(wǎng)和變頻器之間的相互切換操作。這兩種看法都不免有失偏頗 ， 但未 找到詳細(xì)資料。當(dāng)電機(jī)功率較大時(shí) ， 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。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(shí) ， 電機(jī)的反電勢(shì)將與電網(wǎng)電壓疊加 ， 造成很大的電壓沖擊和過電流。國(guó)內(nèi)目前在變頻與工頻切換控制方面 ， 大多采用延時(shí)、降壓?jiǎn)?dòng)的控制方式 ， 但是這種控制方式易導(dǎo)致水壓波動(dòng)過大。即采用鑒頻鑒相技術(shù)對(duì)變頻器的輸出電壓進(jìn)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(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 26 相位均保持與電網(wǎng)電壓一致時(shí) ， 實(shí)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。 變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn) 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(chǎng)合的供水 ，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： 供水系統(tǒng)的控制 變量 是用戶管網(wǎng)的水壓 ， 它是一個(gè)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(duì)控制作用的響應(yīng)具有滯后性。 用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏?、水錘等因素的影響 ， 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)是 一個(gè)非線性系統(tǒng)。 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(yùn)行）是時(shí)時(shí)發(fā)生的 ， 同時(shí)定量泵的運(yùn)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(jì) 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(duì)象是時(shí)變