毕业设计-小区无塔上水变频调速恒压供水及消防用水电气设计.doc

张北泰生花园小区无塔上水变频调速恒压供水及消防用水电气设计目 录第一章 变频调速恒压供水系统的现状和发展11.1 变频调速恒压供水的目的和意义11.2变频调速及PLC在供水行业中的应用61.3 毕业设计任务及要求11第二章变频调速的节能、调速原理132.1供水系统概述142.2变频调速恒压供水系统分析162.3变频调速的节能、调速原理192.4 变频调速恒压供水工况分析与能耗机理分析202.5调速范围的确定212.6本章小结24第三章变频调速恒压供水系统的设计263.1系统的方案设计273.2工作流程与工作过程293.3系统的控制原理及组成303.4系统硬件设计33.5系统工作过程说明543.6本章小结32第四章器件选择264.1水泵的选择274.2电动机的选择294.3变频器的选择304.4可编程控制器PLC的选择314.5其它电气元件的选择32全文总结57参考文献59致 谢60 摘 要本论文在分析了供水自动控制系统的发展现状和特点的基础上，结合我国中小城市供水厂的现状，设计了一套以变频调速技术为基础的恒压供水计算机监控系统。该系统综合运用计算机技术、变频调速技术以及自动控制技术，实现了恒压供水的参数整定自动控制，保证了随时供水系统维持在最佳运行状况。论文对变频调速恒压供水系统的节能原理做了较详细的分析和研究，运用最新的变频器技术设计了本系统的生活泵主电路部分，在此基础上设计了整个系统的控制电路，实现了变频器通过自带的PLC程序和PID控制器对建筑小区进行恒压供水的目的。为了防止自动系统发生故障，本设计做了手动控制器。关键词：供水系统 变频器 节约电能 可编程控制器PLCAbstractOn the basis of analyzing the development and characteristic of automatic system of water supply, combined with status in quo of the waterworks in our country, this paper designs a suit of computer controlling system based on variable frequency speed-regulating technology. Through using computer technology, variable frequency speed-regulating technology and automation technology, the system can make the water pressure of water supply system constantly by the way of parameters self-tuning. It assuredly makes the water supply system work on all cylinders.This article has in detail analyzed and researched the principle of economical electrical energy of the main circuit of this systerm with the newest frequency invertor,Operated on this main circuit ,this article has designed the control-circuit,then have realized that frequency invertor can supply water for people in constant pressure with the PLC programme and PID controller in th frequency invertor.In order to pump water for the people under the uncommon condition of the frequency invertor ,this systerm has designed manual-controller.Key Word： Water supply system frequency invertor economical electrical energy PLC 第一章 变频调速恒压供水系统的现状和发展1.1 变频调速恒压供水的目的和意义近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量（包括城市公共设施等非生产用水）有175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高1。在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。由于每天不同时段用水对供水压力的要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。这种情况造成用水高峰期时供水压力不足，用水低峰期时供水压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患（例如压力过高容易造成爆管事故）。供水厂希望通过对原有系统的技术改造，提高生产过程的自动化水平。并在此基础之上配备相应的系统管理软件，改变传统的落后管理方式，使管理工作规范化，提高水厂的业务管理水平。由于水厂原有的供水控制系统是一个完全依靠值班人员手动控制的系统，所以对该系统技术改造的要求是在原有系统的基础进行，设计一套取水和供水的自动控制系统，克服由于采用单纯手动控制系统进行控制带来的控制不方便、控制系统对供水管网中压力和水位变化反应迟钝的问题，降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。在相当比较大规模的工业生产供水系统，变频调速恒压供水有它自身的特点：1.供水量在短时间内（一天时间内）变化大，这种变化在几个小时内甚至是几倍或上十倍。2.对供水压力的要求比较严格，供水的压力随供水的流量的变化而变化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道压力。3.一般情况下，供水系统的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通过供水水泵的输出来提供的。从上即可结论：以变频器为主体构成的恒压供水系统不仅能够最大程度满足需要，也提高整个系统的效率，延长系统寿命、节约能源、而且能够构成复杂的功能强大的供水系统。1.2变频调速及PLC在供水行业中的应用1.2.1变频调速技术的特点及应用 作为高性能的调速传动，直流发电机电动机调速控制方法长期以来一直应用广泛。但是直流电动机由于换向器和电刷维护保养很麻烦，价格也相当昂贵。使异步电机实现性能好的调速一直是人们的理想。异步电机的调速方法很多，例如变极调速、有极调速、定子调压调速、串级调速、变频调速等。但是因为各种各样的缺点没有得到广泛的应用。70年代以后，由于微电子技术、电力电子技术和微处理机技术的发展，促使晶体管变频器的诞生。晶体管变频器不但克服了以往交流调速的许多缺点，而且调速性能可以和直流电动机的调速性能相媲美。三相异步电动机具有维修方便、价格便宜、功率和转速适应面宽等优点，其变频调速技术在小型化、低成本和高可靠性方面占有明显的优势。到80年代末，交流电机的变频调速技术迅速发展成为一项成熟的技术，它将供给交流电机的工频交流电源经过二极管整流变成直流，再由IGBT或GTR模块等器件逆变成频率可调的交流电源，以此电源拖动电机在变速状态下运行，并自动适应变负荷的条件。它改变了传统工业中电机启动后只能以额定功率、定转速的单一运行方式，从而达到节能目的。现代变频调速技术应用于电力水泵供水系统中，较为传统的运行方式是可节电4060，节水15302。由于变频调速具有调速的机械特性好，效率高，调速范围宽，精度高，调整特性曲线平滑3，可以实现连续的、平稳的调速，体积小、维护简单方便、自动化水平高等一系列突出的优点而倍受人们的青睐。尤其当它应用于风机、水泵等大容量负载时，可以获得其它调速方式无法比拟的节能效果。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。自从通用变频器问世以来，变频调速技术在各个领域得到了广泛的应用。变频调速恒压供水设备以其节能、安全、高品质的供水质量等优点，使我国供水行业的技术装备水平从90年代初开始经历了一次飞跃。恒压供水调速系统实现水泵电机无级调速，依据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今最先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中得到了很大的发展。随着电力电子技术的飞速发展，变频器的功能也越来越强。充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频调速恒压供水设备，降低成本，保证产品质量等方面有着非常重要的意义。新型供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论是设备的投资，运行的经济性，还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有无法比拟的优势，而且具有显著的节能效果。恒压供水调速系统的这些优越性，引起国内几乎所有供水设备厂家的高度重视，并不断投入开发、生产这一高新技术产品。目前该产品正向着高可靠性、全数字化微机控制，多品种系列化的方向发展。追求高度智能化，系列标准化是未来供水设备适应城镇建设成片开发、智能楼宇、网络供水调度和整体规划要求的必然趋势。在短短的几年内，变频调速恒压供水系统经历了一个逐步完善的发展过程，早期的单泵调速恒压系统逐渐被多泵调速系统所代替。虽然单泵调速系统设计简易可靠，但由于单泵电机深度调速造成水泵、电机运行效率低，而多泵调速系统投资更为节省，运行效率高，被实际证明是最优的系统设计，很快发展成为主导产品。1.2.2可编程序控制器的特点及应用早期的可编程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着计算机技术、通信技术和自动控制技术的迅速发展，可编程序控制器将传统的继电器控制技术与新兴的计算机技术和通信技术融为一体，具有可靠性高、功能强、应用灵活、编程简单、使用方便等一系列优点，以及良好的工业环境工作性能和自动控制目标实现性能，在工业生产中得到了广泛的应用。1969年，美国数字设备公司(DEC)研制出世界上第一台可编程控制器。早期的可编程控制器由分离元件和中小规模集成电路组成，主要功能是执行原先由继电器完成的顺序控制、定时等。70年代初期，体积小、功能强和价格便宜的微处理器被用于PLC，使得PLC的功能大大增强。在硬件方面，除了保持其原有的开关模块以外，还增加了模拟量模块、远程I/O模块和各种特殊功能模块。在软件方面，PLC采用极易为电气人员掌握的梯形图编程语言，除了保持原有的逻辑运算等功能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。进入80年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器的市场价格大幅度下跌，使得PLC所采用的微处理器的档次普遍提高。而且，为了进一步提高PLC的处理速度，各制造厂商还研制开发了专用逻辑处理芯片，大大提高了PLC软、硬件功能。在发达工业国家，PLC已经广泛的应用在所有的工业部门。据“美国市场信息”的世界PLC以及软件市场报告称，1995年全球PLC及其软件的市场经济规模约50亿美元5。随着电子技术和计算机技术的发展，PLC的功能得到大大的增强，具有以下特点5,6,7：1可靠性高。PLC的高可靠性得益于软、硬件上一系列的抗干扰措施和它特殊的周期循环扫描工作方式。2具有丰富的I/O接口模块。PLC针对不同的工业现场信号，有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备直接连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人机对话的接口模块；为了组成工业局部网络，它还有多种通讯联网的接口模块。3采用模块化结构。为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。PLC的各个部件，包括CPU、电源、I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。4编程简单易学。PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。5安装简单，维修方便。PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。由于采用模块化结构，因此一旦某模块发生故障，用户可以通过更换模块的方法，使系统迅速恢复运行。由于PLC强大功能和优点，使得PLC在我国的水工业自动化中得到广泛的应用。PLC在水工业自动化中的应用主要有水厂监控系统、自动控制系统、自动加氯、自动加矾、水泵变频调速、SCADA系统和供水管网信息管理系统等8,9,10,11。其主要功能是进行工艺参数的采集、生产过程控制、信息处理、设备运行状态监测以监测等。1.3毕业设计任务及要求毕业设计课题是变频调速恒压供水系统设计，大体为以下四项内容：1.变频调速恒压供水系统现状和发展 主要介绍其系统的目的和意义，简述了目前我们常用的供水系统，根据社会发展的需要必须要进行技术改造，变频器的广泛应用，随着技术的发展，其优越性越来越多，主要是节能、恒压、综合技术的集成等，以后将朝大容量、小体积、高性能、易操作、寿命高、可靠性强、无公害化发展，从而可以看出变频调速恒压供水的广泛前景；同时介绍了该供水系统起关键作用的变频调速技术和PLC的应用以及其特点。2.变频调速恒压供水系统的理论原理 主要介绍变频调速恒压供水系统的工作原理，变频器的节能、调速原理；变频器的工况点的确定和能耗机理分析，以及系统调速范围的确定。3.各种附图的绘制：工程设计离不开图纸，绘制各种图是设计工程的基本要求。本设计应需十几张图，包括：生活泵主电路，消防泵主电路，控制电路，控制柜设计，变频器的外部接线图，可编程控制器PLC的外部接线图，系统组成图以及程序梯形图等。4.元器件的选择：根据元器件的选取原则，根据设计经验，根据经验公式选取合适的器件。总之，通过完成毕业设计的主要内容，必须掌握变频恒压供水系统设计的一系列技术，也必须达到如下要求：完成毕业论文说明书；完成恒压供水系统软件主，设计出能正常运行的系统软件；完成PLC与变频器的外部接线设计，以及配电规设计。 第二章变频调速的节能、调速原理2.1供水系统概述传统的供水方式（包括水箱/水塔供水和气压供水）水箱/水塔供水：供水系统采用水箱/水塔，称为重力供水。供水压力比例恒定，且有贮水。但它是由位置高度形成的压力来进行供水的，为此，需要建造水塔或将水箱置于建筑物的顶上。即使如此，还常常不能满足最不利供水点的供水要求，难以满足不断增加的用水需求。同时由于在屋顶上形成很大的负重，增加了结构面积，也妨碍了美观。此外，屋顶水箱必须高出水面几米，建筑方面较难处理，而且投资周期长。气压供水：气压给水系统不在屋顶上设置水箱，也不用单独建筑水塔，仅在地下室或某些空旷之处加压送到管网中去。其优点是灵活性大，建设快，少受污染，不妨碍美观，有利于扩展与消除管道中的水锤与噪声，且可以通过改变压力罐的压力来满足不断增加的供水需求。缺点是需要压力罐，其体积和投资大，压力变化大，运行效率低，还需要使用张力膜或设置空气压缩机冲气。因此，电能消耗大，运行费用高。给水方式的选择应以经济合理，技术先进，供水安全可靠为原则。随着交流电机变频调速技术的日益成熟，为实现恒压供水提供了可靠的技术条件。利用变频器、PID调节器、单片机、PLC等器件的有机结合，构成控制系统调节水泵的输出流量，取代了水塔、水箱、气压罐等实现了恒压供水。其配置日趋合理，成为供水网系的替代产品。变频调速恒压供水：变频调速恒压供水器由电动机、泵组和变频调速系统、压力仪表、管路系统等组成。电动机泵组多由同型号的水泵24台并联而成（以四台为例）。由变频器和工频电网供电，根据供水系统的运行状况自动调节和切换。主要优点：对电网冲击小，保护功能完善。消除了水泵电机直接启动时对电网的冲击和干扰，并且设备控制系统具有短路、过流、过压、过载、欠压、过热等多种保护功能，大大提高了工作效率，延长了水泵的使用寿命。当变频器发生故障时，能够自动转换至工频运行，确保供水不间断。突然停电后再来电，设备能够自动启动运行。因为实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。由于变量泵工作在变频工作状态，在其运行过程中，其转速是由外供水量决定的，故系统在运行过程中可节约可观的电能，其经济效益是十分明显的。由于其节电效果明显，所以系统具有收回投资快、长期受益的特点，其产生的社会效益也是非常巨大的。水泵电动机采用软启动方式，避免了电动机启动时的电流冲击，也避免了电动机突然加速造成泵组系统的喘振。无塔供水系统不需要水塔、高位水箱和气罐，设备简单，控制实时性好，且能满足不断增加的供水需求。建筑高度增加时，无塔供水器只需要改变水压设定值和修正流量参数就能满足要求，而无需改变供水需求。2.2变频调速恒压供水系统分析在变频调速供水系统中，是通过变频器来改变水泵的转速，从而改变水泵工作点来达到调节供水流量的目的。反映水泵运行工况的水泵工作点也称为水泵工况点，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。在调节水泵转速的过程中，水泵工况点的调节是一个十分关键的问题。如果水泵工况点偏离设计工作点较远，不仅会引起水泵运行效率降低、功率升高或者发生严重的气穴现象，还可能导致管网压力不稳定而影响正常的供水。水泵在实际运行时的工作点取决于水泵性能、管路水力损失以及所需实际扬程，这三种因素任一项发生变化，水泵的运行工况都会发生变化。因此水泵工况点的确定和工况调节与这三者密切相关。2.3变频调速的节能、调速原理水泵机组应用变频调速技术，即通过改变电动机定子电源频率来改变电动机转速，可以相应地改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化，保持管网最不利点压力恒定，达到节能效果。如图21所示，n为水泵特性曲线,A为管路特性曲线,H0为管网末端的服务压力, 为泵出口压力。当用水量达到最大Qmax时,水泵全速运转,出口阀门全开,达到了满负荷运行,水泵的特性曲线n0和用水管路特性曲线A0汇交于b点,此时,水泵报出口压力为，末端服务压力刚好为H0。当用水量从Qmax减少到Q1的过程中,采用不同的控制方案,其水泵的能耗也不同。 图21节能分析曲线图（1）水泵全速运转，靠关小泵出口阀门来控制：此时，管路阻力特性曲线变陡（A2），水泵的工况点由b点上滑到c点，而管路所需的扬程将由b点滑到d点，这样，c点和d点扬程的差值即为全速水泵的能量浪费。（2）水泵变速运转，靠泵的出口压力恒定来控制：此时，当用水量由Qmax下降时，控制系统降低水泵转速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒量方式工作。所以其工况点始终在上平移。在水量到达Q1时，相应的水泵特性曲线为nx，面管路的特性曲线将向上平移到A1，两线交点e即为此时的工况点。这样，在水量减少到Q1时，将导致管网不利点水压升高到H1H0，则h1即为水泵的能量浪费。（3）水泵变速运转，靠管网取不利点压力恒定来控制：此时，当用水量由Qmax下降到Q1时，水泵降低转速，水泵的特性曲线变为n1，其工况点为d点，正好落在管网特性曲线A0上，这样可以使水泵的工作点始终沿A0滑动。管网的服务压力H0恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量的浪费。此方案与泵出口恒压松散水相比，其能耗下降了h1。根据水泵的相似原理：Q1/Q2=n1/n2 （21） H1/H2=(n1/n2)*2 （22） P1/P2 =(n1/n2)*3 （23）式中，Q、H、P、n分别为泵流量、压力、轴的功率和转速。即通过控制转速可以减少轴功率。 根据以上分析表明，选择供水管网最不利点允许的最低压力为控制参数，通过压力传感器以获得压力信号，组成闭环压力自控调速系统，以使水泵的转速保持与调速装置所设定的控制压力相匹配，使调速技术和自控技术落后相结合，达到最佳节能效果。此外，最不利点的控制压力还保证了用户水压的稳定，无论管路特性等因素发生变化，最不利点的水压是恒定的。保证了居民用水压力的可靠。采用变频恒压供水系统除可节能外，还可以使水泵机组启动，降低了启动电流，避免了对供电系统产生冲击负荷，提高了供水供电的安全可靠性，另外，变频器本身具有过电流、过电压、失压等多种保护功能，提高了系统的安全可靠性。目前水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的转速n为: n =60 f(1-s)/p （24）式25中s为电机的转差率(s=0.02)，p为电机极对数，f为定子供电频率。当水泵电机选定后，p和s为定值，也就是说电机转速的大小与电源的频率高低成正比，频率越高，转速越高，反之，转速越低。变频调速是根据这一公式来实现无级调速的。由流体力学知：管网压力P、流量Q和功率N的关系为： N = PQ （25）又功率与水泵电机转速成三次方正比关系，基于转速控制比基于流量控制可以大幅度降低轴功率。2.4 变频调速恒压供水工况分析与能耗机理分析2.4.1管路水力损失及性能曲线管路水力损失分为沿程损失和局部损失两种，即 (26)沿程损失： (27)局部损失： (28)式中管路沿程摩擦损失系数；局部损失系数；L管路长度(m)；各局部损失的计算流速(m/s)；过水截面的面积()。将式(27)和(28)代人(26)可得 (29)式中S被称为管路阻力系数。当水泵管路系统确定后，相应的、L、A等参数都能确定，S也就确定了。由式(29)可知管路水力损失与流量的平方成正比。当上下水位确定后，管路所需要的水头损失就等于上下水位差（即实际扬程）加上管路损失11。 (210)由式(210)可以得到如图2-2所示的管路性能曲线。2.4.2水泵工作点的确定和调节1水泵工作点的确定如果把某一水泵的性能曲线（即HQ曲线）和管路性能曲线画在同一坐标系中，如图2-2所示，则这两条曲线的交点A就是水泵的工作点。若把水泵的效率曲线-Q也画在同一坐标系中，可以找出A点的扬程、流量以及效率。 图2-2水泵工作点的确定从图中可以看出，水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的水头损失相等，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。2水泵工作点的调节交流电动机的转速n与电源频率f具有如下关系： (211) 式中：p极对数；s转差率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。变频器调速的工作原理就是通过选择电压频率比（V/F）曲线，设定加减速时间以及转矩补偿曲线，使电动机启动时转速从零开始逐渐升高，实现软启动，减少了启动电流。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n从而改变水泵的转速。由于水泵的流量、扬程和消耗的功率都可以随其转速的变化而变化，变频调速技术可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况，大大扩展了水泵的高效运行范围。当管网负载减小时，通过VVVF降低交流电的频率，电动机的转速从n1降低到n2。另外根据叶片泵工作原理和相似理论11，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。 (212) (213) (214)将式(213)和(214)代入(218)可得：图2-3变频调速恒压供水单台水泵工况调节图 (215)式(212)中：g水的比重；k功率常数。从上述比例律公式中消去n1/n2就得到下式(216) 即 或 (217) 式(217)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改变电源的频率来改变电机转速n，从而改变水泵性能曲线得以实现的。由图2-3可见，设定管网压力值（扬程）为H0，管网初始用水量为QA，初始工况点为A，水泵电机的转速为n1。当管网负载减小时，管网压力升高，压力传感器将检测到升高压力转换成420mA电流信号送往PID调节器，经比较处理后，输出一个信号令变频器频率降低，从而降低电机转速至n2。水泵转速的下降是沿着水泵的相似工况抛物线下降的，也就是从点A移至B点，在此过程中水泵输出的流量和压力都会相应减小.。恒压供水系统中压力值恒定在H0,因此水泵工作点又沿着转速n2所对应的水泵性能曲线从点B移至C点，在此阶段水泵输出压力升高，流量减少，水泵运行在新的工作点C点，在图2-3中可以找出C点的扬程HC、流量QC以及水泵运行效率。考察水泵的效率曲线h-Q，当变频调速使水泵偏离甚至位于高效区之外时，水泵的运行效率会大大下降。因此，水泵转速调节要尽量使水泵在高效区之内运行，避免使变频器频率下降得过低，而造成水泵在低效率段运行。2.4.3水泵变频调速节能分析水泵运行工况点A是水泵性能曲线n1和管路性能曲线R1的交点。在常规供水系统中，采用阀门控制流量。需要减少流量时关小阀门，使管路性能曲线由R1变为R2。运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到D点，扬程从H0上升到H1，流量从Q0减少到Q1。采用变频调速控制时，管路性能曲线R1保持不变，水泵的特性取决于转速。如果水泵转速从n0降到n1，水泵性能曲线从n0平移到n1，运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到C点，扬程从H0下降到H2，流量从Q0减少到Q1。在图2-4中，水泵运行在B点时消耗的轴功率与H1BQ1O的面积成正比，运行在C点时消耗的轴功率与H2CQ1O的面积成正比。从图上可以看出，在流量相同的情况下，采用变频调速控制比恒速泵控制节能效果十分明显。图2-4水泵节能分析图由(212)求出运行在B点的泵的轴功率，运行在C点时泵的轴功率，两者之差： (218)也就是说，采用阀门控制流量时有的功率被白白浪费了，而且损耗随着阀门的关小而增加。相反，采用变频调速控制水泵电机时，由式(215)可知，当转速在允许范围内降低时，功率以转速的三次方下降，在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀门增加阻力的流量控制方式相比，节能效果十分显著。2.5调速范围的确定考察水泵的效率曲线h-Q,，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19。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40Hz以上，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%100%范围内变化，电动机的效率基本上都在高效区。启动频率一般来说，水泵在低速运行的意义并不大，有的水泵并不能从0Hz开始启动，所以，应该预置运转开始频率一下，变频器处于待机状态，一利于更好的节能。所以，在变频启动无过流的前提下，运转开始频率可预置的高一些，一般设定范围为020Hz（也可以通过预置下限频率来达到目的）。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。例如，当转速超过额定转速10（nx1.1nN）时，转矩将比额定转矩超过21（Tx1.21TN），导致电动机严重过载。因此，变频器的工作频率是不允许超过额定转矩的，其最高频率只能与额定频率相等，fmaxfN50Hz。一般来说，上限频率也以等于额定频率为宜，但有时也可以预置的略低一些，原因有二：（1） 变频器由于内部往往具有转差补偿功能，所以，在同是50Hz额情况下，水泵在变频运行时，实际转速要高于工频运行时的转速，从而增大了水泵和电机的负载；（2） 变频调速系统在50Hz下运行时，不如直接在工频下运行为好，可以减少变频器本身的损失因此，将上限频率预置为49Hz或49.5Hz最合适。下限频率：在供水系统中，转速过低时会出现水泵的全扬程小于基本扬程（实际扬程）形成水泵“空转”的现象。所以，在多数情况下，下限频率应定为30Hz35Hz。2.6本章小结：本章介绍了传统的供水方法与现代变频调速恒压供水，阐述了各种供水方法的优点，对各种方法进行了比较，凸显了变频调速恒压供水的优势。变频调速恒压供水系统有两种调节方法，一是调节泵的阀门来调节泵水的压力与流量，另一是调节水泵的转速来达到调节供水的压力和流量。本章将两种调节流量的方法进行比较，采用转速控制方式后，可将排水阀完全打开而适应降低转速，由于电动机在低频运行时，变频器具有能够根据负载轻重调整输入电压的功能，从而提高了电动机的工作效率，从而达到节能的目的。变频调速恒压供水系统在调节电机转速时，其频率并非不受限制的，频率太低水泵会“空转”而达到泵水的目的，频率太高，水泵过载能力差。所以本章对启动频率和频率上下限做了简单的阐述，从而为预置变频器做了准备。本章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。接着介绍了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。本章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，得出了以下结论：1、水泵的工作点就是在同一坐标系中水泵的性能曲线和管路性能曲线的交点。水泵工作点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不变的。2、水泵工况的调节就是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。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。3、考察水泵的效率曲线h-Q,，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。实际配泵时扬程应设定在水泵的高效区，水泵的调速范围将进一步变小，其频率变化范围在40Hz以上，转速下降在20%以内。第三章变频调速恒压供水系统的设计3.1系统的方案设计 根据泵水系统的要求和电气控制目标，可以看出变频调速恒压供水系统属于典型开关量输入输出控制系统，控制要求和连锁要求较多，在调试中需要不断对其改进和扩充。如采用继电器控制，则只能接成固定线路，灵活性太差，液不能很好的满足泵水要求，故采用本身自带PLC程序控制为核心的电气控制方案。具体方案如下：（1）生活泵电机四台，为变频调速电机，故采用变频器控制调速运行；（2）消防泵电机因不会长时间使用，只是定期维护，且限于电子产品的寿命，所以消防泵电机采用继电器星角启动控制；（3）在手动过程中，生活泵电机功率很大，所以采用星角启动继电器控制。3.2工作流程与工作过程3.2.1系统流程图(附图一)3.2.2系统框图（附图二）3.2.3系统工作过程：首先开机，液位继电器自动输出信号，如果液位比较低，不能满足崩谁要求，则整个泵水系统不能工作。当液位满足要求时，开始选择操作方式，一般先选用自动操作，当自动操作方式无故障时，变频器开始工作，生活泵开始泵水，在泵水压力不能满足要求时，根据压力调节电机转速或投切水泵。当自动操作有故障不能运行时，采用手动操作泵水 。3.3系统的控制原理及组成3.3.1系统的控制方式图（附图三）3.3.2系统控制原理通过比较强将反馈压力信号与给定压力进行比较，产生一个压差值，把压差值传给压力调节器，由压力调节器调节变频器输出频率，当压力不能满足要求时，通过控制切换装置将原来运行在变频状态下的水泵切换到工频运行，把另一台水泵投入到变频运行，之后，重复上述操作，在变频器发生故障时传信号给可编程控制器PLC报警，切除变频器，由PLC控制手动泵水。本系统附带消防设计，消防设计由星角手动启动。3.4系统硬件设计3.4.1主电路设计图（包括生活泵和消防泵）（附图四）3.4.2操作控制电路设计图（附图五）3.4.3变频器外部接线图（附图六）3.4.4可编程控制器PLC的外部接线图（附图七）3.4.5系统配电柜内外布置设计图（附图八）3.4.6可编程控制器PLC程序梯形图（附图九）3.4.7变频调速恒压供水系统图（附图十）3.5系统工作过程说明根据现场实际情况，一天之中用水量会有若干个高峰，变频器会根据出水口的压力调节水泵的转速与投切。分析自动控制系统的机组（1，2#，3，4水泵电机）工作过程,可分为以下四个工作状态：1) 1#电机变频启动；2)1#电机工频运行，2#电机变频运行；3) 1#电机，2电机工频运行，3电机变频运行；4）1电机，2电机，3电机工频运行，4电机变频运行。一般情况下，水泵电机都处于这四种工作状态之中，当管网压力突变时，四种工作状态就要发生相应转换，因此这四种工作状态对应着四个切换过程。1.切换过程当液位满足要求时交流接触器KM16的常闭触点不动作，主电源被接入系统，这时按下SB3系统处于自动状态，交流继电器KM11的常开触点吸合，电源接入变频器，只要变频器处于正常运行状态交流继电器KM1处于闭合状态，变频器就正常工作。按下SB7，这时，交流继电器14KM8处于吸合状态，四台电机处于角接状态下。按下SB9，交流接触器KM9处于吸合状态，变频器启动1泵，一拖多扩展板单元1K1输出高电平，交流接触器1KM3处于吸合状态，1泵处于变频器运行状态，HL12信号灯点亮2.切换过程当管网压力仍不满足设定要求而变频器输出已到达工频50Hz以后，变频器将1泵投入工频运行，将2泵投入变频运行：首先，管网反馈压力送给变频器后压力仍不满足要求而变频器已输出上限频率，变频器1K2输出高电平信号1K1输出低电平，交流接触器1KM2断开，1KM3处于吸合状态，1泵在工频运行状态，然后变频器2K1输出高电平，2KM2处于吸合状态，2泵投入变频运行状态，此时，1泵处于工频运行状态，2泵处于变频运行状态。3.切换过程当管网压力仍不满足设定要求而变频器输出已到达工频50Hz以后，变频器将 2泵投入工频运行，将3泵投入变频运行：首先，管网反馈压力送给变频器后压力仍不满足要求而变频器已输出上限频率，变频器2K2输出高电平信号2K1输出低电平，交流接触器2KM2断开，2KM3处于吸合状态，2泵在工频运行状态，然后变频器3K1输出高电平，3KM2处于吸合状态，3泵投入变频运行状态，此时，1，2泵处于工频运行状态，3泵处于变频运行状态。4.切换过程当管网压力仍不满足设定要求而变频器输出已到达工频50Hz以后，变频器将3泵投入工频运行，将4泵投入变频运行：首先，管网反馈压力送给变频器后压力仍不满足要求而变频器已输出上限频率，变频器3K2输出高电平信号3K1输出低电平，交流接触器3KM2断开，3KM3处于吸合状态，3泵在工频运行状态，然后变频器4K1输出高电平，4KM2处于吸合状态，4泵投入变频运行状态，此时，1，2#，3#泵处于工频运行状态，4泵处于变频运行状态。 当四台电机全运行时，如果压力高于设定压力，变频器降频运行。当变频器运行到切换频率下限时，如果压力高于设定压力，降运行时间最长的工频电机停止（1K2断开），变频器变频运行一段时间后，检测压力后，如果压力高于设定压力，变频器降频运行，直至全都工频电机停止，4电机变频运行。变频器如果发生故障，变频器30A与30B之间接通，中间继电器KA吸合，接触器KM1线圈处于吸合状态下，常闭触点KM1断开，从而切除变频器的电源而停机，而且，HL2信号灯点亮，电铃HAB发声。当电机发热超标时，热继电器动作，从而切除电机的电源。当液位过低时，交流接触器KM16的常闭触点断开，整个供水系统不能工作。如果变频器发生故障而小区供水系统必须有所保证，这时必须用手动运行，将水泵切人工频运行。按下SB11，1KM4闭合，1KM5闭合，1电机星型启动，10秒后，1KM5断开，1KM6吸合，1电机处于角型连接，1泵启动完毕，在工频下运行，在值班人员的监视下，如果压力不满足要求，再按下SB13，SB15，SB17按钮，把2，3，4水泵分别投入运行，相应的指示灯点亮。3.6本章小结本章阐述了本设计系统的总体设计方案，简单分析了系统的流程与工作过程。通过本系统控制原理和组成的阐述做了本系统的硬件设计和软件设计部分，其中包括：生活泵与消防泵主电路，操作控制电路，变频器的外部引脚预置与接线图，可编程控制器PLC外部接线图，配电柜柜面设备布置设计图，配电柜内部元件布置图以及可编程控制器PLC程序梯形图。第四章器件选择 4.1水泵的选择：4.1.1用户供水量的确定：设计流量应按生活用水的设计秒流量计算。新建筑或生活小区已经由专业设计人员算出，不用单独计算，对于改造类型需重新计算。本设计小区人数：m150000/1212500人 小区户数：f12500/3.53571户 （每户平均3.5人）最高日生活用水量QDmqd/1000=rfqd/1000 其中：qd用水定额（类住宅，qd190L/人） M设计小区内的人数 r平均居住人数（通常r=3.5人/户） f居民区的户数 QD3.53571190/1000=2375m3/d则最大小时流量QHKHQD/T =2.3*2375/24 =227.6 m3/h =63.2L/S 其中：T24h为每日用水时间 KH时间常数（类住宅，KH2.3）秒流量计算公式：类：Qq1.020.20.0045Nq 其中Nq为用水当量 Nqnf4357114284 （n类4，每户平均用水量） Qq1.020.20.0045Nq 1.020.20.004514284 24.37871.42 95.8L/S由于f3571户3000户，所以取QH与Qq中较大者作为供水标准，流量取Qq。考虑选泵时留有裕度1015，所以Qq按Qq（110）Qq110105.4L/S选泵。消防用水量根据规范，人类小于2.5万人时，一次灭火用水量为15L/S，本小区人数为12500人，消防用水量选为15L/S,选泵时留有裕度10，所以Qq消防Qq1101511016.5L/S。4.1.2供水的扬程计算： 在供水系统中，一般把最远最高层作为计算依据。如果小区最远点的建筑不是最高的建筑，则必须选择两个最不利点分别计算供水扬程，并以供水扬程较大的建筑最远