【正文】 異步電動機的變頻調(diào)速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的。從上式可知，當(dāng)極對數(shù)p不變時，電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與定子電源頻率f成正比，因此連續(xù)調(diào)節(jié)異步電機供電電源的頻率，就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機的同步轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機中一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用于對水泵電機的調(diào)速。閥門控制法是通過調(diào)節(jié)閥門開度來調(diào)節(jié)流量，水泵電機轉(zhuǎn)速保持不變。由于實際用水中，需水量是變化的，若閥門開度在一段時間內(nèi)保持不變，必然要造成超壓或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。因此，揚程特性將水泵轉(zhuǎn)速的改變而改變，但管阻特性不變。其工作原理是根據(jù)用戶用水量的變化自動地調(diào)整水泵電機的轉(zhuǎn)速，使管網(wǎng)壓力始終保持恒定，當(dāng)用水量增大時電機加速，用水量減小時電機減速。而揚程則從H0上升到H1，運行工況點從E點移到F點，此時水泵輸出功率用圖形表示為(0,Q2,F,H1)圍成矩形部分，其值為： Pf=γH1Q2102η （24） 當(dāng)用調(diào)速控制時，若采用恒壓(H0)，變速泵(n2)供水，管阻特性曲線為β2，揚程特性變?yōu)榍€n2，工作點從E點移到D點。根據(jù)水泵變速運行的相似定律，變速前后流量Q、揚程H、功率P與轉(zhuǎn)速N之間關(guān)系為： Q2 Q1=N2N1。；P2P1 =（N2N1）179。由公式(2．7)可以看出，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著，所以本文供水系統(tǒng)采用變頻調(diào)速恒壓供水方式。設(shè)定的供水壓力可以是一個常數(shù)，也可以是一個時間分段函數(shù)，在每一個時段內(nèi)是一個常數(shù)。該頻率使水泵機組轉(zhuǎn)速增大，從而使實際供水壓力提高，在運行過程中該過程將被重復(fù)，直到實際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實際供水壓力和設(shè)定壓力相等。水泵由初始狀態(tài)向管網(wǎng)進(jìn)行恒壓供水，供水管網(wǎng)從初始壓力開始啟動水泵運行，至管網(wǎng)壓力達(dá)到穩(wěn)定要求時經(jīng)歷兩個過程：首先是水泵將水送到管網(wǎng)中，這個階段管網(wǎng)壓力基本保持初始壓力，這是一個純滯后的過程；其次是水泵將水充滿整個管網(wǎng)，壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定，這是一個大時間常數(shù)的慣性過程；然而系統(tǒng)中其他控制和檢測環(huán)節(jié)，例如變頻環(huán)節(jié)、繼電控制轉(zhuǎn)換、壓力檢測等的時間常數(shù)和滯后時間與供水系統(tǒng)的時間常數(shù)和滯后時間相比，可忽略不計，均可等效為比例環(huán)節(jié)。系統(tǒng)主要的設(shè)計任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵，實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的恒定和水泵電機的軟起動以及變頻水泵與工頻水泵的切換，同時還要能對運行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。它雖然微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示方面比較麻煩，無法自動實現(xiàn)不同時段的不同恒壓要求，在調(diào)試時，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。 通用變頻器+單片機(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機界面+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，具有較高的性能價格比。該系統(tǒng)適用于某一特定領(lǐng)域的小容量的變頻恒壓供水中。具有良好的通信接口，可以方便地與其他的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換：通用性強，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)。同時由于PLC的抗干擾能力強、可靠性高，因此系統(tǒng)的可靠性大大提高。通過對以上這幾種方案的比較和分析，可以看出“變頻器主電路+PLC(包括變頻控制、調(diào)節(jié)器控制)+人機界面+壓力傳感器’’的控制方式更適合于本系統(tǒng)。確定供水系統(tǒng)總體設(shè)計方案的基本依據(jù)是設(shè)計供水能力能滿足系統(tǒng)最不利點的用水需求，同時還需要結(jié)合用戶用水量變化類型，考慮方案適用性、節(jié)能性及其它技術(shù)要求。 不同季節(jié)、不同月份，流量變化類型也連續(xù)型是指一天內(nèi)很少有流量為零的時候，或本身管網(wǎng)的正常泄漏就保持有一定的流量；間歇型指一天內(nèi)有多段用水低谷時間，流量很小或為零；各種類型的水流量變化關(guān)系曲線如圖2．4所示。這類型用水需求在較長時間段表現(xiàn)為低流量，相對于設(shè)計流量有較大的余量，采用變頻調(diào)速方式來實現(xiàn)低流量時的恒壓供水節(jié)能效果比較明顯，與通常的工頻氣壓給水設(shè)備相比平均節(jié)能可達(dá)30％。 由于用水呈低流量變化型的特點，采用多臺水泵并聯(lián)供水，根據(jù)用水量大小調(diào)節(jié)投入水泵臺數(shù)的方案。多泵并聯(lián)代替一、二臺大泵單獨供水不會增加投資，而其好處是多方面的。處于供水低谷小流量或夜間小流量時，為進(jìn)一步減少功耗，采用一臺小流量泵來維持正常的泄漏和水壓。供水系統(tǒng)的恒壓通過壓力變送器、PID調(diào)節(jié)器和變頻器組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制。為了減少對泵組、管道所產(chǎn)生的水錘，泵組配置電動蝶閥，開啟水泵后打開電動碟閥，當(dāng)水泵停止時先關(guān)電動碟閥后停機。 綜上所述，系統(tǒng)可分為：執(zhí)行機構(gòu)、信號檢測機構(gòu)、控制機構(gòu)三大部分，具體為： 1)執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是由一組水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)，其中由變頻泵和附屬小泵構(gòu)成，變頻泵是由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定；附屬小泵只運行于啟、停兩種工作狀態(tài)，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)行少量的補充。 2)信號檢測機構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括水壓信號、液位信號和報警信號。此信號是模擬信號，讀入PLC時，需進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。信號有效時，控制系統(tǒng)要對系統(tǒng)實施保護(hù)控制，以防止水泵空抽而損壞電機和水泵。 3)控制機構(gòu)：供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系統(tǒng))、變頻器和電控設(shè)備三個部分。供水控制器直接對系統(tǒng)中的壓力、液位、報警信號進(jìn)行采集，對來自人機接口和通訊接口的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實施控制算法，得出對執(zhí)行機構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機構(gòu)(即水泵)進(jìn)行控制；變頻器是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤供水控制器送來的控制信號改變調(diào)速泵的運行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。 作為一個控制系統(tǒng)，報警是必不可少的重要組成部分。 現(xiàn)將系統(tǒng)控制流程說明如下： 1)系統(tǒng)通電，按照接收到有效的自控系統(tǒng)啟動信號后，首先啟動變頻器拖動水泵M1，通過恒壓控制器，根據(jù)用戶管網(wǎng)實際壓力和設(shè)定壓力的誤差調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，控制M1的轉(zhuǎn)速，當(dāng)輸出壓力達(dá)到設(shè)定值，其供水量與用水量相平衡時，轉(zhuǎn)速才穩(wěn)定到某一定值，這期間M1工作在調(diào)速運行狀態(tài)。 3)當(dāng)用水量繼續(xù)增加，變頻器的輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時，若此時用戶管網(wǎng)的實際壓力還未達(dá)到設(shè)定壓力，并且滿足增加水泵的條件(在下文有詳細(xì)的闡述)時，在變頻循環(huán)式的控制方式下，系統(tǒng)將電機M1切換至工頻電網(wǎng)供電后，M1恒速運行，同時使第二臺水泵M2投入變頻器并變速運行，系統(tǒng)恢復(fù)對水壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)，直到水壓達(dá)到設(shè)定值為止。當(dāng)最后一臺水泵M3投入運行，變頻器輸出頻率達(dá)到上限頻率50Hz時，壓力仍未達(dá)到設(shè)定值時，控制系統(tǒng)就會發(fā)出水壓超限報警。當(dāng)用水量繼續(xù)下降，并且滿足減少水泵的條件時，將繼續(xù)發(fā)生如上轉(zhuǎn)換，直到剩下一臺變頻泵運行為止。系統(tǒng)進(jìn)入靠附屬小泵進(jìn)行少量補水的狀態(tài)。待實際壓力再次低于設(shè)定壓力后，重復(fù)上述過程。循環(huán)投切的工作過程：變頻器的輸出端不能連接電源，也不能運行中帶載脫閘，切換過程應(yīng)按以下的程序進(jìn)行。在50Hz頻率下運行60S管網(wǎng)水壓未達(dá)到給定值，此時，該臺水泵需切換到工頻運行。連接在電機工頻回路中的空氣開關(guān)容量為400A,經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試切換過程的電流沖擊較小，每一次切換都百分百成功。切換完成后，在打開電動閥；已停車的變頻器切換到另外的水泵上啟動并運行，在開電動閥。這樣無“水錘”現(xiàn)象。其控制流程圖如下所示： 開 始水壓低？輔 助 泵 運 行設(shè)定時間到？達(dá)到設(shè)定壓力值？變頻啟動主泵A停止輔助泵YNYNNY （1）主 泵 A變 頻 運 行主泵B變頻運行達(dá)到設(shè)定壓力值？達(dá)到設(shè)定時間？主泵A工頻運行運行在最低出水頻率以下？主泵A停止變頻啟動主泵BYNYNNY（2）主泵B變頻運行到達(dá)設(shè)定壓力值？運行在出水頻率以下？（3）主泵B變頻運行主泵A停止YN NY報 警 供水系統(tǒng)中水泵切換條件分析在上述的系統(tǒng)工作流程中，我們提到當(dāng)一臺調(diào)速水泵己運行在上限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍低于設(shè)定壓力，此時需要增加水泵來滿足供水要求，達(dá)到恒壓的目的；當(dāng)調(diào)速水泵和工頻運行水泵都在運行且調(diào)速水泵己運行在下限頻率，此時管網(wǎng)的實際壓力仍高于設(shè)定壓力，此時需要減少工頻運行水泵來減少供水流量，達(dá)到恒壓的目的。當(dāng)正在變頻狀態(tài)下運行的水泵電機要切換到工頻狀態(tài)下運行時，只能在50Hz時進(jìn)行。當(dāng)變頻器的輸出頻率已經(jīng)到達(dá)50HZ時，即使實際供水壓力仍然低于設(shè)定壓力，也不能夠再增加變頻器的輸出頻率了。另外，變頻器的輸出頻率不能夠為負(fù)值，最低只能是OHZ。因為當(dāng)水泵機組運行，電機帶動水泵向管網(wǎng)供水時，由于管網(wǎng)中的水壓會反推水泵，給帶動水泵運行的電機一個反向的力矩，同時這個水壓也在一定程度上阻止源水池中的水進(jìn)入管網(wǎng)，因此，當(dāng)電機運行頻率下降到一個值時，水泵就己經(jīng)抽不出水了，實際的供水壓力也不會隨著電機頻率的下降而下降。這個頻率遠(yuǎn)大于OHZ，具體數(shù)值與水泵特性及系統(tǒng)所使用的場所有關(guān)，一般在20HZ左右。從上面的分析可以看出，當(dāng)變頻器的輸出頻率已經(jīng)到達(dá)上限頻率，而實際的供水壓力仍然低于設(shè)定壓力時，存在的實際供水壓力差己經(jīng)不能夠使輸出頻率增大，實際供水壓力也不會提高。所以，選擇這兩個時刻作為水泵機組切換的時機是合理的，但要做以下考慮。在這種情況下，如果按照上面的判別條件，只要條件一滿足就進(jìn)行機組切換，很可能由于新增加了一臺機組運行，供水壓力一下就超過了設(shè)定壓力。在極端的情況下，運行機組增加后，實際供水壓力超過設(shè)定供水壓力，而新增加的機組在變頻器的下限頻率運行，此時又滿足機組切換的停機條件，需要將一個在工頻狀態(tài)下運行的機組停掉。可以預(yù)見，如果用水狀況不變，供水泵站中的所有能夠自動投切的機組將一直這樣投入專切出專再投入專再切出地循環(huán)下去，這增加了機組切換的次數(shù)，使系統(tǒng)一直處于不穩(wěn)定的狀態(tài)之中。這樣的工作狀態(tài)既無法提供穩(wěn)定可靠的供水壓力，也使得機組由于相互切換頻繁而增大磨損，減少運行壽命。所以，在實際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)在確實需要機組進(jìn)行切換的時候才進(jìn)行機組的切換。在恒壓供水中，機組的切換為機組增加與機組減少兩種情況，這兩種情況由于變頻器輸出頻率與供水壓力的不同邏輯關(guān)系相對應(yīng)。設(shè)定壓力實際壓力設(shè)定壓 力實際壓力增泵△Pd/2△Pd/2減泵 （上限頻率） （下限頻率） 用于壓力判斷的回滯環(huán) 如果變頻器的輸出為上限頻率，只有當(dāng)實際的供水壓力比設(shè)定壓力小△Pd／2的時候才允許進(jìn)行機組增加；如果變頻器的輸出為下限頻率，則只有當(dāng)實際的供水壓力比設(shè)定壓力大△P／2的時候才允許進(jìn)行機組的增加。但這個判別條件的滿足也不能夠完全證明當(dāng)前確實需要進(jìn)行機組切換，因為有兩種情況可能使判別條件的成立有問題： 實際供水壓力超調(diào)的影響以及現(xiàn)場的干擾使實際壓力的測量值有尖峰，這兩種情況都可能使機組切換的判別條件在一個比較短的時間內(nèi)滿足，造成判斷上的失誤，引起機組切的誤操作。根據(jù)這個特點，在判別條件中加入延時的判斷就顯得尤為必要了。經(jīng)過以上的分析，將實際的機組切換的條件優(yōu)化為： 增泵條件：f=fup pf＜ps△pd2 且延時判別成立 減泵條件：f=flow pf＞ps+△pd2 且延時判別成立 本章小結(jié) 本章首先分析了變頻恒壓供水系統(tǒng)節(jié)能的原理，給出了恒壓供水的理論模型及近似的數(shù)學(xué)模型；確定變頻恒壓供水系統(tǒng)的控制方案，給出了變頻恒壓供水的控制流程及工作原理；最后分析了在變頻恒壓供水中，水泵切換的條件。要使泵組常處于高效區(qū)運行，則所選用的泵型必須與系統(tǒng)用水量的變化幅度相匹配。根據(jù)以上系統(tǒng)要求的總流量范圍、揚程大小，確定供水系統(tǒng)設(shè)計秒流量和設(shè)計供水壓力(水泵揚程)，考慮到用水量類型為連續(xù)型低流量變化型，確定采用3臺中山市永通消防機電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的Y系列主水泵機組和1臺Y系列輔助泵機組。外殼防護(hù)等級為IP44，冷卻方式IC0141。 變頻器的選型 要對系統(tǒng)所用的變頻器進(jìn)行選型，首先得確定變頻器的容量，方法是依據(jù)所配電動機的額定功率和額定電流來確定變頻器容量。（KVA） （32） I≥kIm（A） （33） 式中：Pm—負(fù)載所要求的電動機的輸出功率； η一電動機的效率(通常在0．85以上)；cosφ一電動機的功率因數(shù)(通常在O．8以上)；Um一電動機電壓(V)； Im一電動機工頻電源時的電流(A)；K一電流波形的修正系數(shù)，對PWM方式，取1．O1．05； P一變頻器的額定容量(KVA)； I一變頻器的額定電流(A)。根據(jù)控制功能不同，通用變頻器可分為三種類型：普通功能型U／f控制變頻器、具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高功能型U／f控制變頻器以及矢量控制高功能型變頻器。 綜合以上因素，系統(tǒng)選用專為風(fēng)機、泵用負(fù)載設(shè)計的普通功能型U／f控制方式的富士變頻器FRN160P11S4Cx，此為富士變頻器低噪聲高性能多功能變頻器，為風(fēng)機、泵用的PllS系列，功率范圍為7．5500KW，該系列有自帶操作面板。可以使用延伸電纜選件，可簡單地實現(xiàn)遠(yuǎn)方操作。其特點為：采用富士電機獨自開發(fā)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩矢量控制方式，在0．5Hz時的起動轉(zhuǎn)矩可達(dá)到200％；具有包括自整定功能在內(nèi)的許多方便功能；小型、全封閉防護(hù)結(jié)構(gòu)(22KW)，容量范圍0．2400Kw，機種規(guī)格齊全。具