PLC和变频器在矿区节能供水系统中的应用【毕业论文+开题报告+任务书+外文翻译】
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PLC和变频器在矿区节能供水系统中的应用
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本科毕业论文（设计） 论文题目 : 变频器在矿区节能供水 系统中的应用 学生姓名： 所在院系： 机电学院 所学专业： 机电技术教育 导师姓名： 完成时间： I 摘 要 随着社会经济的飞速发展，对矿区供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。我国矿区尤其是老矿区供水自动控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员的手工操作。控制过程繁琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时作出恰当的反应。为了保证供水，机组通常处于超压状态运行，不但 效率低、耗电量大，而且矿区管网长期处于超压运行状态，曝损也十分严重。 本论文结合我国供水的现状，设计了一套基于 变频调速恒压自动控制供水系统。变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器以及控制柜等构成。系统采用一台变频器拖动 4 台电动机的起动、运行与调速，采用循环使用的方式运行。 在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器改变电源的频率 f 来改变电机的转速 n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。分析水泵工况的能耗比较图，可以看出利用变频调速实现恒压供水，当转速降低 时，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，与传统供水方式中用阀门节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，节能效果明显。 关键词 : 变频调速，恒压供水 he LC to s of of of of of to of in of in is in in of is of is on of of is t of in of It t in of u in of of is is of is in On of in of in a of by is up of is a to To up of by in of of At it of a of of in is of of if of is of of of So of on is is to 录 1 绪论 . 泵电机的调控技术 .速节能 . . 1 用的调速方式 . 泵恒压供水系统中的关键问题和本文的主要研究内容 多泵恒压 供水的关键问题 . . 本文的主要研究内容 . . 变频调速恒压供水系统能耗机析 7 泵理论及水泵工况点确定的研究 . . . 7 泵的工作参数 . . 水泵理论工况点的确定 . . 9 泵工况的调节 . 10 频调速恒压供水系统能耗机理分析 . . 水泵工况的调节程 . 11 速范围的确定 . . 变频调速恒压供水系统的设计 .统的方案设计及具体要求 . . 统的方案设计及具体要求 . . 供水系统的总体方案设计 . . . 供水系统的具体要求 . . 总体设计方法 . .统硬件设计 . . 硬件电路设计 . . 系统控制电路设计 . . 系统软件设计及变频器主要功能的预置 . . 结束语 . 19 致谢 .考文献 . . .1 1 绪论 矿区传统供水系统由交流接触器接通外电运行，全部机组的控制都依赖人工进行手工操作，接触器控制过程繁琐，手动控制系统无法对供水管网的压力和水位变化及时作出恰当的反应，机组 通过自藕降压启动，电流对机组的冲击较大，而且为保证供水，机组通常处于超负荷运行状态，不但效率低、耗电量大，而且矿区管网长期处于超压运行状态，曝损也十分严重。另外矿区用水过程中存在不同时间段用水量不均现象。如果不对供水量进行调节，管网压力的波动也会很大，容易出现管网失压或爆管事故，同时也浪费了大量能源。 针对上述问题，本课题采用 变频调速技术 ， 研制 出 制变频调速自动恒位、恒压供水系统，对矿区供水 进行 技术改造，保留其原有的手动控制系统，分别增加一台 变频器及辅助控制单元，与现场液位传感器、压力传感器一起组成了各自的闭环控制系统。并通过与上位机的数据通信，将数据上传到上位机实现数据的处理、管理与状态监控，每天 24 小时不间断按预先设定的水位及水压恒定地向矿区供水，保证了矿区的不间断生产和消防。通过该 控制系统 的应用，不仅能够节约宝贵的水、电资源，降低了生产成本，减少设备维护，降低维修成本 ;而且提高了整个矿区的生产调度管理水平，减轻工人劳动强度，有效的提高了生产率。由于矿区节能供水的自动化技术改造在我国有着广泛的应用前景，本控制系统具有较大的发展潜力和较高的推广价值 1。 泵电机的调控技术 在供水企业中，水泵的电能消耗及设备的维护管理费用，在生产成本中占有很大的比例 ;水泵电机作为一种高耗能通用机械，其耗电量占全国总耗电量的21%以上，具有很大的节能潜力。由于常规恒速供水系统是采用常规的阀门来控制供水量的，而轴功率与转速的三次方成正比，造成相当部分电能消耗在阀门和额定转速运行下的电机。因此，这种调控方式虽然简单，但从节约能耗的角度来看，很不经济。近年来，电机调速技术的应用，为水泵电机的节能开辟了一个新途径。它可以通过调节电动机的转速来适应水量和水压的变化，使水泵始终在高效区工作，将大大地降低水泵 能耗，合理地进行设备管理与维护，对节约能源和提高供水企业的经济效益具有极其重要的意义。 速控制节能分析 水泵的设计负荷是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设定的。但实际运行中水泵每天只有很短的最大时流量，其流量随外界用水情况在变化，扬程也因流量和水位的变化而变化。因此水泵不能总保持在一个工况点，需要根据实际情况进行控制。通常采用的方法有阀门控制和调速控制。阀门控制是通过增加管道 2 的阻抗而达到控制流量的目的，因而浪费了能量 ;而电动机调速控制可以通过改变水泵电动机的转速来变更水泵的工况点，使 其流量与扬程适应管用水量的变化，维持压力恒定，从而达到节能效果。 由流体力学可知，水泵给管网供水时，水泵的输出功率 P 与管网的水压 H 及出水流量 Q 的乘积成正比 ;水泵的转速 n 与出水流量 Q 成正比 :管网的水压 H 与出水流量 Q 的平方成正比。由上述关系有，水泵的输出功率 P 与转速 n 的三次方成正比，即 : （ 1） （ 2） 23（ 3） 3 （ 4） 式中 k， 数。 图 1 变频调速节能原理图 当系统出水流量减小时，通过变频调速装置将供水水泵转速调小，则水泵的输出功率将随转速的变化而减小。变频调速节能原理图如图 1 所示。图中曲线1, 2, 3 为管网阻力特性曲线，曲线 4 为水泵转速为 的运行特性曲线，曲线 5为水泵转速为 的运行特性曲线。 水泵原来的工作点为曲线 3 和曲线 4 的交点 A，此时出水流量为 网压力为 水泵转速为 当系统的出水流量减小到 ，系统管网特性为曲线 1，曲线 1 和曲线 4 的交点 B 为 运行工作点。此时管网压力为 泵的输出功率正比于 于 1 高出的压力能量被浪费了，同时过高的压力对管网和设备还可能造成危害。如采用变频调速装置，将此时水泵的转速调至 线 5 和曲线 2 的交点 C 为水泵的运行工作点。调速后管网的压力仍保持为 水流量为 泵的输出功率正比于 H1 x 图中可见阴影部分正比于浪费的功率输出。例如，当 80%时，通过调速将 为 80%则水泵的输出功率 如不采用调速控制， 能 3 量将被浪费， 可见变频调速的 经济效益十分可观 2。 用的调速方式 水泵多配用交流异步电机拖动，当电机转速降低时，既可节约能量，经济效益十分显著。由异步电动机的转速公式 : )1(60)1(0 （ 5） 式中， n。 一 异步电动机的同步转速 ， r/ n 一 异步电动机转子的转速 r/P 一电动机的磁极对数 ; f 一电源频率，电动机定子电压频率 ; S 转速差， S=00n 100% 改变电动机极对数 P、改变转速差 S 及改变电源频率 f 都可以改变转速。 （ 1）变级对数调速 在电源频率不变的条件下，改变电动机的极对数，这种电动机称多速电动机。其转子均采用笼型转子，其转子感应的极对数能自动与定子相适应。这种电动机在制造时，从定子绕组中抽出一些线头，以便于使用时调换。如图 2 将两个半相绕组 生两对磁级。 图 2 极对数为 2 若将 U 相绕组的一半相绕组 图 3 将产生一对磁极。 以电动功机一相绕组为例 ,只要改变定子绕组的连接方法，就可以成倍地改变磁极对数 P。 就可以得到 000, 1500, 1000 r / 不同的同步转速，从而得到不同的转子转速。这种调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有极调速，而且级差比较大，只适用于特定转速的生产机器。 4 图 3 极对数为 1 （ 2）变频调速 变频调速是将电网交流电经过变频器变为电压和频率均可调的交流电，然后供给电动机，使其可在变速的情况下运行。改变电动机定子频率厂可以平滑地调节同步转速 应地也就改变 转子转速 n，而转差率 S 可保持不变或很小。但对电动机来说，定子频率改变后，其运行影响，如果电压不变，频率增加时，磁通减少，电动机转矩下降，严重时会使电机堵转 :频率增减少，磁通增加，会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁芯损失急剧增加而发热，是不允许的。因此，在实用上，要求调频的同时，改变定子电压，保持磁通基本不变，既不使铁芯发热，又保持转矩不变。 实现调频调压的电跳有两种 :交一直一交变频器，交一交变频器 3，见图 4, （ 1） 交一直一交变频器 它是山三个环节组成 :可控硅整流电路，其作用是将电压、定频率的交 流电路变为电压可调的直流电 ;可控硅逆变电路，其作用是将整流电路输出的直流电变换为频率可调的交流电 ;滤波环节，它在整流电路和逆变电路之间，一般是利用无电源电容或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。 在 交一直一交变频器中，根据滤波方式不同，又有电压型变频器和电流型变频器。 近年来，由于电力电子器件和微机控制技术的发展，脉冲宽度调制型 (简称变频器技术获得了飞速的发展。 频器也有电压型和电流型两种，目前以电压为主，由不可控整流电路、滤波电容及逆变电路组成。他不仅可改变逆变器输出电压，而且具有抑制谐 波功能，是一种比较理想的方式。 变频技术对水泵电动机进行调速，以获得优良的运行特性和明显的节能效果，是目前常用的技术。 （ 2） 交一交变频器 它是由两组反并联的整流电路组成，直接将电网的交流电通过变频电路同时 5 图 4 变频器种类 调节电压和频率，变成电压和频率可调的交流电输出。 交一交变频器由于直接交换，减少换流电路减少损耗，效率高，波型好，但调速范围小，控制线路复杂，功率因数低，目前较少采用。 （ 3）可控硅串级调速 它是把异步电动机转子电势经过整流一逆变后回馈给电网差功率。当改变逆变角时，逆变 电势、转差功率、，回收功率就是转转差率都将随之改变，从而达到调速的目的。 图 5 串级调速系统 由图 5 可知，电动机运行时经气隙传送到转子的电磁功率 部分成为机械功率 一 S)，另一部分则成为转差功率 动机正常运行时，转差功率在转子回路中以热的形式损耗掉，因为此时的转差率 S 很小，转差功率也很小，但在调速时，随着转速的降低，转差率升高，转差功率也直线上升，可控硅串级调速就是把这部分功率取出来，然后回送到电网，从而大大提高电动机低速运行时的效率。 串级调速的最大优点是由于它可以回 收转差功率，节能效果好，且调速性能也好，但出于线路过于复杂，还需一台与电动机相匹配的变压器，增加了中间环节的电能损耗，带来了成本高，占水泵房面积大等缺点而影响它的推广价值。 6 泵恒压供水系统中的关键问题和本文的主要研究内容 泵恒压供水系统中的关键问题 交流异步电动机直接起动所产生的电流冲击和转矩冲击会给供电系统和拖动系统带来不利影响，故对于容量较大的异步电动机一般都要采用软起动方案。采用变频器带动电机从零速开始起动，逐渐升压升速，直至达到其额定转速或所需的转速，此时变频器同时承担了 软启动的任务。变频软起动的优点是由于采用电压 /频率按比例控制方法，所以不会产生过电流，并可提供等于额定转矩的起动力矩，故特别适合于需重载或满载起动的大功率水泵电机。 多泵恒压供水系统为了提高变频器的使用效率，减少设备的投入费用，常采用一台变频器拖动多台电机变频运行的方案。当变频器带动电机达到额定转速后，就要将电动机切换到工频电网直接供电运行，变频器可以再去起动其他的电动机。这样就不可避免地要进行电网和变频器之间的相互切换操作 . 矿区用水，在不同时段的用水量具有明显的差异，样夜负荷变化较大，为保障正常 供水，必须解决压力不断减弱和不稳定问题。目前通常采用恒速泵组切换加压供水、组合泵二次加压供水和高位水塔供水等方式。在这些供水方式中，因供水拖动电机一直处于高速运行而造成较大的能量损耗。因而在设计思想上以查询方式为主，中断方式为辅，采用模糊控制法对系统 P I D 参数进行整定，这样大大提高了系统的适应性，使用户减少了调试的工作，同时系统的体积很小，抗干扰能力大大增强 。 文的主要研究内容 经过系统的调研和分析，并结合矿区的生产实际，本次研究的主要内容和目标是基于 单台变频器拖动多台电机变频运行 的恒压供水自适应平衡控制系统的研制，该系统利用变频器实现水泵电机的软起动和调速，摒弃了原有的自藕降压起动装置，同时把阀门控制和水泵电机控制都纳入自动控制系统。整个系统的操作控制实现微机自动化管理，设备管理达到最优效果，运行调节达到最佳节能，运行参数有记录。具体而言，论文包括以下内容 : (1) 对水泵电机的调控技术进行分析和比较，并对多泵恒压供水系统中的关键问题进行了论述 ;在此基础上，提出了本文的主要研究内容和研究方法。 (2) 从水泵理论和管网特性曲线分析入手，讨论水泵工作点 (工况点 )的确定方法和水泵工况调 节的几种常用方法。在变频调速恒压供水系统中，水泵工况的调节是通过改变水泵性能曲线得以实现的。本文重点对变频调速恒压供水系统中水泵能耗机理进行深入研究，得出一些有益的结论。 (3) 介绍了基于 变频调速恒压自动控制供水系统，该系统由一台变频 7 器拖动多台水泵电机变频运行。压力传感器采样管网压力信号经 理传送给变频器，变频器根据压力大小调整大功率电机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。重点对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程，控制系统的硬件设计和 序设计进行研究。 2 变频调速恒压供水系统能耗机理分析 随着我国城镇化建设的飞速发展，城市人口和城市居民的不断增加，城市供水不足成为一种普遍现象，传统的供水方式已经不能满足城市发展和人民生活的需要。自八十年代以来，变频调速恒压供水技术开始应用于我国许多城市的自来水公司。变频调速恒压供水技术不仅能够保证城市供水的稳定，而且可以节约能源。和城市供水相比，矿区用水也有相同的特点在不同时段的用水量具有明显的差异，昼夜负荷变化较大，为保障正常供水，必须解压力不断减弱和不稳定问题目前通常采用恒速泵组切换加压供水、组合泵二次加压供水和高位水 塔供水等方式。供水等方式。在这些供水方式中，因供水拖动电机一直处于高速运行而造成较大的能量损耗。为了解决矿区供水水压不稳及节能等问题，我们设计了基于采用变频调速节能恒压供水系统。 据统计若采用变频调速技术来改变流量，可节约 20其节能效果相当可观。采用变频调速恒压供水系统和传统恒速泵供水系统、水塔高位水箱供水系统、气压罐供水系统相比，具有水压稳定、维护方便、占地面积小、节约能源和减少讨水泵机组设备的冲击等优点 4。在讨论变频调速恒压供水的节能机理之前，有必要讨论分析水泵及水泵工况调节等相关 理论。 泵理论及水泵工况点确定的研究 水泵广泛应用于国民经济的各个行业中，但在供水行业中普遍采用的离心式叶片泵，也称离心泵。离心泵属于高扬程叶片泵，是利用叶轮旋转时产生离心力的原理工作的。离心泵在起动前必须使泵和进水管中充满液体，当叶轮在泵壳内高速旋转时，液体质点在离心力作用下被甩向叶轮外缘，并汇集到泵壳内，使液体获得动能和压能，并沿着出水管输送出去。 泵的工作参数 水泵工作参数共有六个，即 :流量、扬程、功率、效率、转速及允许吸上真空高度或气穴余量。在六个参数中，流量、扬程和转速是基 本参数，只要其中一个发生变化，其余参数都会按照一定的规律发生相应的变化。 （ 1）流量 Q 水泵流量是指水泵在单位时间从水泵出水口排出的水量，可分为体积流量和质量流量两种。以 L/s(升 /秒 )、 m3/s(米 3/秒 )、 m3/h(米 3/小时 )、 kg/s(千克 /秒 )、 8 t/s(吨 /秒 )等表示。 （ 2） 扬程 H 水泵扬程也称水头，是水泵由叶轮传给单位质量液体的总能量，可以由水泵进水口、出水口断面上的单位总能量 2 的差值表示，其单位以 m 计。水泵扬可用下式表示为 )(2122121212 （ 6） 式中， 分别为真空表测压点、压力表零位点至基准面的垂直距离 ,低于基准面时取负值 (m ); 分别为真空表、压力表读数 (m) ， 分别为水泵进水口、出水口断面的流速水头 (m)。 （ 3） 功率 水泵功率有以下两种，有效功率 轴功率 效功率 泵内液体实际所获得的净功率 (可以根据流量和扬程来计算。 1000（ 7） 式中并 液体的比重 (Q 液体的流量 (m3/s);H 水泵的扬程(m)。 轴功率 水泵在一定流量、扬程下运行时所需的外来功率，即由动力机 传给水泵轴上的功率 (轴功率不可能全部传给液体，而要消耗一部分功率后，才成为有效功功率。 1 0 01 0 0 0%1 0 0 r Q N（ 8） 式中， 水泵效率 (%) （ 4）效率 有效功率与轴功率的比值为效率 。 100% （ 9） 水泵效 率标志着水泵传递能量的有效程度，亦即反映了泵内功率损失的大小，是一项重要的技术经济指标。它由泵内水力效率、机械效率及容积效率等三个局部效率组成。 1)机械损失与机械效率 9 机械损失包括轴与轴承的磨擦损失、轴与填料函的磨擦损失以及叶轮在水中旋转时引起的损失即轮盘损失。水泵克服了机械损失之后，把剩下的功率传给所抽的水，这部分功率叫做水功率 （ 10） 式中 ， 流过叶轮的全部流量 ;q 漏损量 ; 水泵理论扬程。 机械损失的大小用机械效率表示 P100% （ 11） 2）容积损失与容积效率 在流过叶轮的全部流量 (Q+q)中，除了出水量 Q 外， 另有一部分流量 q， 经 过减漏环的间隙或轴流泵叶轮外缘与泵壳的间隙流回进水侧，以及经过填料函渗 出泵外，流量 q 带走的功率为 （ 12） 剩下的功率是 P 13） 容积损失 r ，表示 %100P（ 14） 将式 10,11,12,13 代入上式得 %1 0 0 H （ 1（ 5）转速 n n 是指叶轮每分钟的转数。水泵铭牌上所标明的额定转速是设计工况时的转速，当转速改变后，水泵工作性能也随着改变。 （ 6）上真空高度 者是表征水泵吸水性能曲线或气穴性能的参数，它们是确定水泵安装高度和评述水泵发生气穴与气蚀问题的主要参数。 泵理论工况点的确定 水泵工作点 (工况点 )是指水泵在确定的管路系统中，实际运行时所具有的扬程、流量以及相应的效率、功率等参数。 如果把某一水泵的性能曲线 (即 线 )和管路性能曲线画在同一坐标系中图 6 ，则这两条曲线的交点 A,就是水泵的工作点。工作点 A 是水泵运行的理想工作点，实际运行时水泵的工作点并非总是固定在 A 点。若把水泵的效率曲线 Q 也画在同一坐标系中，在图 2可 以找出 A 点的扬程场、流量 0 效率 A。 图 6 水泵工作点的确定 从图 6 中可以看出，水泵在工作点 A 点提供的扬程和管路所需的水头相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。一旦当水泵或管路性能中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。另外确定工作点一定要保证水泵装置在高效率范围内运行 5。 工作点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中一个重要问题。 泵工况的调节 在 选择和使用水泵的实践中，常常会出现确定的工作点偏离水泵设计工作点 较远，以至引起水泵装置效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，这就必 须采用改变管路性能曲线或改变水泵性能曲线的方法来移动工作点，使其符合要 求。这种方法叫做水泵工况的调节。现将常用的几种调节方法分述如下 5。 (1)车削调节 沿外径车小离心泵的叶轮，可以改变水泵的性能曲线，从而扩大水泵的使用范围，这种方法称为车削调节。离心泵叶轮车削不能超出某一范围，否则原来的构造被破坏，使叶片末端变粗，使叶轮和泵壳之间间隙过大，增加回流损失，以致水利效 率降低。因而使用单位一般不采用这种调节方法来改变水泵工作点。 (2)变角调节 通过改变叶片安装角，使水泵性能曲线改变的方法成为水泵工况的变角调节，它适用于叶片安放角可以改变的轴流泵及混流泵，并不适合离心泵，因此这里不作详述。 (3)节流调节 对于出水管路中装有闸阀的水泵装置来说，当把闸阀关小时，由于在管路中增加了一个局部阻力，则管路性能曲线变陡，于是，其工作点就沿着水泵的H Q 曲线朝着流量减小的方向移动。闸阀关得越小，附加阻力越大，流量就 11 变得越小。这种通过关小闸阀来改变水泵工作点位置的方法，称为节 流调节。 图 7 恒速泵工况节流调节图 从图 7 可以看出，恒速泵水泵的初始工作点在 A 点，水泵提供的扬程、流量恰好与管路所需的水头、流量相等。由 的轴功率。 当管网所需流量减少时，即从 至 须把水泵出水口闸阀关小来减少水泵出水流量，使之与管网所需流量相等，否则会造成管网过载而造成爆管的危险。当把闸阀关小时，由于在管路中增加了一个局部阻力，则管路性能曲线变陡，管网特性曲线由曲线 1 变为曲线 2，水泵的工作点则沿着水泵性能曲线由A 点移至 B 点，此时工 作点 B 的轴功率即为 B，四点所围的面积。 当把闸阀关小时，水泵所供应的能量有一部分消耗于克服闸阀的附加阻力，造成额外损失。节流调节虽不经济，也不准确，但由于简单、易行，在水泵性能试验中，仍被广泛使用。在实际生产中，可用来防止过载和气蚀。 （ 4）变速调节 变速调节是通过改变水泵的转速，可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况以扩戈水泵使用范围的目的。变速调节就是对水泵相似理论的应用。得到 2222112 （ 16） 式 (15)所表示的曲线称为相似工况曲线。 频调速恒压供水能耗机理分析 泵工况的调节过程 交流电动机的转速 n 与电源频率 f 具有的关系如下 : )1(60)1(0 （ 17） 12 式中， 因此不改变电动机的极对数，只改变电 源的频率，电动机的转速就按比例变动。在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率 f 来改变电机的转速 以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况目的。 当管网负载减小时，通过 低交流电的频率，电动机的转速从 低到 外根据叶片泵工作原理和相似理论，改变转速 n，可使供水泵流量Q,扬程 H 和轴功率 N 以相应规律改变。 1212 / （ 18） 21212 / （ 19） 从上述比例律公式中消去 2 1就得到式 (15) 2 式是顶点在坐标原点的二次抛物线族的方程，在这种抛物线上的各点具有相似的工作状况，所以称为相似工况抛物线。 在变频调速恒压供水系统中，单台水泵工况的调节是通过变频器来改变电源的频率 f 来改变电机的转速 n，从而改变水泵性 能曲线得以实现的。其工况调节过程可由图 8 来明。 图 8 变频调速恒压供水水泵工况调节图 如图 8 所示 :水泵运行上况点 D 是泵的特性曲线 管路曲线 交点。用阀门控制时山于要减小流量而关小阀门，使阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从R 移到 R 1，扬程则从 到 量从 小到 运行工况点从 D 点移到 A 点。 用调速控制时，阻力曲线 R，原样小变，泵的特性取决于转速，如果把速度从 1，特性曲线也从 到 果运行工况点从 D 点移到 C 点，扬程从 H 下降到 量从 小到 根据公式求出运行在 A 点、 C 点水泵的车由功率两者差为式 19: 1 0 2)( 311 （ 19） 13 也就是说用阀门控制流量时有 P 功率是被浪费掉的。而且随着阀门小断关小这个损耗还需要增加。用转速控制时流量 Q、扬程 H、功率 P 和转速 N 之间的关系可写为式 20: 1212 21212 31212 （ 20） 即可概括为 :流量 Q 与转速 N 成正比 ;扬程 H 与转速 N 的平方成正比 ;轴功率P 与转速 N 的立方成正比。由以上分析可知，利用变频调速实现恒压供水，当转速降低时，功率以转速的三次方下降，与恒速泵供水方式中用闸阀增加阻力的节流方式相比，在一定程度上可以减少能量损耗，能够明显节能 7。 速范围的确定 考察水泵的效率曲线 Q 曲线，水泵转速的工况调节必须限制在一定范围之内，也就是不要使变频器频率下 降得过低，避免水泵在低效率段运行。水泵的调速范围由水泵本身的特性和用户所需扬程规定，当选定某型号的水泵时即可确定此水泵的最大调速范围，在根据用户的扬程确定具体最低调速范围，在实际配泵时扬程设定在高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40上，也就是说转速下降在 20%以内，在此范围内，电动机的负载率在50%围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。 3 变频调速恒压供水系统设计 的方案设计及具体要求 水系统的总体方案设计 矿区用水，在不同时段的用水量具有明显 的差异， 昼 夜负荷变化较大，为保障正常供水，必须解决压力不断减弱和不稳定问题。目前通常采用恒速泵组切换加压供水、组合泵二次加压供水和高位水塔供水等方式。在这些供水方式中，因供水拖动电机一直处于高速运行而造成较大的能量损耗。为了解决矿区供水水压不稳及节能等问题，我们设计了基于 节能恒压供水系统。该系统采用模糊控制算法，将 交流变频调速技术相结合，可实现矿区供水系统的节能改造。 采用 4台变频调速装置构成一个完整的微机控制恒压供水系统，如图 9所示。系统通过调节供水量，保证管网压力恒定（误差 实现恒压变量控制供水方式，从而达到节能、节水的目的，满足矿区用水需要。 水系统的具体要求 14 (1)水泵能自动变频软起动 4 台水泵自动变频软起动，并根据用水量大小自动调节开泵台数。 图 9 恒压变量供水系统 阀 (2)电控自动状态时， 4 台水泵自动轮换变频运行，工作泵故障时备用泵自动投人，可转换自动或人工手动开、停机。 (3)设备具有缺相、欠压、过压、短路、过载等多种电气保护功能，具有相序保护防止水泵反转抽空，并具有缺水保护及水位恢复开机 功能。 (4)有设备工作、停机、报警指示。 体设计方法 采用一台变频器控制 4 台水泵的“一控四”切换方案。以西门子 6频器为控制核心，采用变频率控制的闭环控制系统，通过对用户管网压力进行实时采样，并与设定压力值比较，根据压力偏差来控制变频泵的速度及定量泵的起、停，实现恒压变量的供水方式，从而更好地达到节能、节水的效果。当用户管网压力低于设定压力时，控制器通过压力传感器检测，输出控制信号起动其中一台水泵作变频运行，通过控制变频泵使用户管网压力与设定 压力值相等。如用户用水量较大，变频器输出频率为 50 频泵转速达到最高，矿区管网压力低于设定压力，控制器将变频泵切换成工频运行，待变频器输出频率下降至最低值时再接通另一台水泵，由一台工频泵和一台变频泵同时供水。经过变频泵的调节，如管网压力仍低于设定值，控制器以同样的方式将运行频率为 50 变频泵切换成工频运行，而后继续起动另外一台水泵作变频运行，直至满足用户用水要求。 当矿区用水量较少，变频泵转速降到一定程度时，控制器自动停止最先运行的定量泵，并根据管网压力调整变频泵转速，使管网压力始终保持恒定。 这样每台水泵的起动均经变频器控制，全部机组实现循环软起动，即每台泵的起动频率都从设定的最低频率开始逐渐上升，并遵循“先开的泵先停，先停的泵先开”的 15 原则。当外来管网压力达到设定压力值时，则控制器完全停止各泵工作，由外界管网直接向用户供水 。 统硬件设计 件电路设计 （ 1）本系统的硬件电路如图 10 所示，它由 4 台离心水泵，一台智能型电控柜（包括西门子变频器、 流接触器、继电器等），一套压力传感器、缺水保护器、断相相序保护装置以及供电主回路等构成。该系统的核心是 66水泵专用变频器，扩展功能强 成了 14 点输入 /10 点输出，共有 24 点数字量 I/0，其模拟量扩展模块具有较大的适应性和灵活性，且安装方便，满足设计需要。 （ 2）供水系统主电路 如图 11 所示，该系统有 4 台电动机，分别拖动 4 台水泵。合上空气开关后，当交流接触器 1357触点闭合时，水泵为工频运行；当 268触点闭合时，水泵为变频运行。 4 个热继电器 14 台电动机进行保护，避免电动机在过载时可能产生的过热 损坏。 统控制电路设计 水系统控制电路 如图 12 所示， 出软继电器触点，其中 制变频运行电路； 制工频运行电路。 转换开关，实现手动、自动控制切换。当 在手动位时，通过 14 台水泵工频运行当 自动位时，由 制水泵进行变频或工频状态的起动、切换、停止运行。 1缺水保护电路的中间继电器触点，当水池缺水或水位不足时，配合缺 水保护装置断开控制电路，切断主电路，实现缺水保护作用。 变频器控制模块电路 变频器控制模块是本系统的核心，它包括时间控制电路、缺水保护电路、断相相序保护电路，如图 13 所示。 时控器的继电器，该时间控制电路可实现 6 个时段的定时开关机控制和定时换泵功能。 (1)缺水保护电路 当水池缺水或水位不足时，若不及时切断电源就会损坏水泵，甚至发生事故。本系统设置了缺水自动保护电路，如图 14 所示。利用液位继电器等装置时刻检 测水池里的水位，经电路转换及处理后对控制回路电源进行控制。水池 水位正常 16 时，控制回路电源接通，系统正常工作。水池缺水或水位不足时，液位继电器1K 释放，系统报警、指示灯亮并通过 1断系统控制电路及主电路，水泵停止。待排除故障，水位正常后，液位继电器 1K 吸合，重新起动系统。 图 10 供水系统硬件电路 图 11 供水系统主电路 (2) 断相相序保护电路 水泵工作在三相交流电，电源发生缺相时，电动机中某一相无电流，而另外两相电流会增大，容易烧坏电动机；另外，为了避免电源相序相反，电动机反转水泵抽空的现象，设置 了缺相相序保护电路，如图 15 所示。采用缺相相序保护继电器 路电源进线空气开关之后，三相正常时， 吸合，控制电路中 1点吸合，接通 制电路。反之，缺相或反相时， 点矿区 管网 断相相序保护 缺水 保护 作报警 指示 1#泵 2#泵 3#泵 4#泵 电控 设备 变 频 器 控制信号 压力传感器号 17 断开，会切断 制电路，系统停止工作，缺相相序保护指示灯亮。 统软件设计及变频器主要功能的预置 本系统稳定运行的关键是 序的合理性、可行性和变频器功能的预置问题。 序设计 (1) 输入、输出地址及功能表（ I/O 表），如表 1 所示。 (见 19 页 ) 图 12 供水 系统控制电路 (2) 程序设计思路 由于供水系统是一个惯性较大无法突变的系统，不需要过高的响应速度，因 而在设计思想上以查询方式为主，中断方式为辅，采用模糊控制法对系统 样大大提高了系统的适应性，使用户减少了调试的工作，同时系统的体积很小，抗干扰能力大大增强。本系统 制程序由主程序和 4 个子程序组成，如图 16 所示。 频器主要功能的预置 虽然水泵对系统调速的精度要求不高，但要使供水系统运行性能稳定，工作 18 可靠就必须正确设置变频器的各种性能。变频器功能的设定通过变频 器操作面板上的相关按键确认。 （ 1）频率功能的 预置 图 13 变频器控制模块电路 图 14 缺水保护电路 图 15 缺相相序保护电路 最高频率水泵属于平方律负载，当转速超过其额定转速时，转矩将按平方规律增加，导致电
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