（交通信息工程及控制专业论文）恒压供水系统控制及组态监控系统设计.pdf

摘要 我国人口众多，每年所消耗的能量巨大。近年来，能源紧张不时影响 到工业生产及人民生活。因此，节能降耗是保证工业和生活稳定发展的一 项关键措施。然而，长期以来，我国用水行业的技术水平相对比较落后， 自动化程度低，由于用户用水的不稳定性，经常导致用水高峰期水压较低， 供水量低于需求量，特别是高层用户经常出现水压太低而无法用水的状 况。传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压， 依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。然而这些办法或自动化程度低，能量 损耗大，压力变化大，或因为维护工作量大，水质容易受n - 次污染而被 逐步淘汰。本论文根据湖南株洲田心地区多个小区地势较高及近年来建设 的小高层居民的日常用水问题，设计一套基于p l c 的变频调速恒压供水 系统，并利用组态软件开发良好的运行管理界面。 变频调速恒压供水系统由p l c 、变频器、机组、电气柜、压力变送器、 工控机等组成。本系统包含四台水泵电机，其中三台主泵电机组成变频循 环运行方式。采用通用变频器实现对三相水泵电机的软启动和变频调速， 运行切换采用“先开先停”的原则。另一台小泵电机采用恒速运行方式， 使系统在用水量很低时，可以停止所有的主泵，用小泵进行补水，减小系 统功耗及噪音。压力传感器检测当前水压信号，经由p l c 与设定值经p i d 比较运算，从而控制变频器的输出电压和频率，进而改变水泵电机的转速 来改变供水量，最终保持管网压力稳定在设定值附近。通过工控机与p l c 的连接，采用m c g s 组态软件完成系统监控，实现了运行状态动态显示 及数据、报警的查询。 在运行过程中存在变频直接转工频的切换过程，系统很可能因电流过 大使断路器跳闸，导致切换不成功。过大的切换电流及转矩也将损坏电机， 降低电机使用寿命。本文根据大功率电机在变频转工频时的理论分析，引 入锁相环技术，切换时锁定变频器输出电压的相位和频率，使变频器输出 电源与工频电网电源同频同相，再切断变频电源，将水泵转至工频电网， 这样可以有效地克服切换过程中的过电流现象。实现了大功率电机变频转 工频的平稳切换，减少了对电机设备的损坏和对电网的冲击。 关键词：变频调速，恒压供水，p l c ，组态软件，锁相环技术 a bs t r a c t f o rt h en u m e r o u sp o p u l a t i o ni no u rc o u n t r y , m u c he n e r g yi sc o n s u m e d e v e r yy e a r i nr e c e n ty e a r s ，l e s sa n dl e s sr e g e n e r a t a b l ee n e r g yh a v ea f f e c t e dt h e i n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dp e o p l e sl i f ef r o mt i m et ot i m e t h e r e f o r ei ti st o g u a r a n t e ei n d u s t r ya n dl i f et os t a b i l i z eac r u c i a lm e a s u r eo fd e v e l o p m e n tt h a t e n e r g ys a v i n gf a l l st oc o n s u m e h o w e v e r , s i n c el o n g t e r m ，o u rc o u n t r yf a l l s b e h i n dw i t ht h em o r et e c h n i c a lm o r eh o r i z o n t a lm o r er e l a t i v ec o m p a r i s o no f w a t e rp r o f e s s i o n ，a u t o m a t i o nl e v e li sl o w ，s i n c eu s e ro f t e na p p e a r sw i t ht h e i n s t a b i l i t yo fw a t e r , i su s i n gw a t e rp e a k h o u r ，h y d r a u l i cp r e s s u r ei sl o w e r ，t h e s u p p l yo fw a t e ri sm e a s u r e db e l o wd e m a n d ，h a st o ol o wh y d r a u l i cp r e s s u r e ， e s p e c i a l l yh i 曲一r i s eu s e rr e g u l a ra p p e a r a n c ea n dc a nn o tu s et h ec o n d i t i o no f w a t e r t h et r a d i t i o n a lm e t h o do fs o l v i n gi st oa d o p tu p p e rc i s t e r na n dw a t e r t o w e rw i t ht h ev a r i o u sja r so f a t m o s p h e r i cp r e s s u r er e t a i nw a t e rp r e s s u r i z a t i o n ， t h er e s i s t a n c et h a tr e l i e so nb a f f l ea n dv a l v er e g u l a t e sd i s c h a r g e h o w e v e r , t h e s em e t h o do ra u t o m a t i o nl e v e li sl o w ，e n e r g yi sl o s s e d ，p r e s s u r ec h a n g e b i g ，o rb e c a u s ed e f e n d i n gw o r k l o a db i g ，i ti sp o l l u t e dt h a tw a t e rq u a l i t yg e t s e a s i l ya n dh a v eb e e ns u p e r s e d e ds t e pb ys t e p t h i sp a p e rh a sh i g h e rp h y s i c a l f e a t u r e sa c c o r d i n gt ot h ef i e l dd i s t r i c tm a n ys u b d i s t r i c t so fm o r a ln a t u r ea n d t h ed a i l yu s eo fl i t t l eh i 曲一r i s er e s i d e n tt h a tb u i l ti nr e c e n ty e a r su s ew a t e r p r o b l e m ，i ta l s oh a v ed e s i g n e das e to fw a t e rs u p p l ys y s t e mo ff r e q u e n c y c o n t r o lo fc o n s t a n tv o l t a g eb a s e do np l c ，a n dh a v ed e v e l o p e dg o o do p e r a t i o n m a n a g e m e n ti n t e r f a c eu s i n gs u p e r v i s i o nc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n t h ew a t e rs u p p l y s y s t e mo ff r e q u e n c yc o n t r o lo fc o n s t a n tv o l t a g e c h a n g e sb yp l c ，f r e q u e n c yc o n v e r t e r , u n i t ，e l e c t r i c a lc u p b o a r da n dp r e s s u r et o s e n dw a r ea n dw o r k ，c o n t r o lm a c h i n ee t c c o m p o s i t i o n t h i ss y s t e mi sf o r m e d b y4p u m pg e n e r a t o r s ，3m a i np u m pg e n e r a t o r sf o r mt h ec i r c u l a t i n gr u nm o d e o f f r e q u e n c yc o n v e r s i o n w i t hg e n e r a lf r e q u e n c yc o n v e r t e rr e a l i z e f o r t h r e e p h a s ep u m pg e n e r a t o rs o f ts t a r tw i t hf r e q u e n c yc o n t r o l ，o p e r a t i o ns w i t c h a d o p t st h ep r i n c i p l eo f s t a r tf i r s ts t o pf i r s t ”a n o t h e rl i t t l ep u m pg e n e r a t o r a d o p t st h er u nm o d eo fc o n s t a n ts p e e d ，m a k es y s t e mi nw a t e rc o n s u m p t i o n l o wv e r ym u c h ，c a ns t o pa l lm a i np u m p s ，m e n dw a t e rw i t hl i t t l ep u m p ， r e d u c el i t t l es y s t e m a t i cp o w e r c o m s u m p t i o na n dn o i s e t h ed e t e c t i o ns i g n a lo f p r e s s u r es e n s o ro fh y d r a u l i cp r e s s u r e ，v i ap l cw i t hs e tv a l u eb yc a r r yo u tp i d c o m p a r i s o no p e r m i o n ，s o ，c o n t r o lf r e q u e n c ya n dt h e e x p o i r tv o l t a g eo f f r e q u e n c yc o n v e n e r ，a n dt h e nt h er o t a t i o n a ls p e e dt h a t c h a n g e sp u m p g e n e r a t o rc o m et oc h a n g ew a t e rs u p p l yq u a n t i t y , e v e n t u a l l y , i ti sn e a r b yt o m a i n t a i np i p en e tp r e s s u r et os t a b i l i z ew h e ns e tv a l u e t h r o u g hw o r kc o n t r o l m a c h i n et h ec o n n e c t i o nw i t h p l c ，w i t hm c g sg r o u pf o r ms o f t w a r e c o n s u m m a t e l ys y s t e m a t i cm o n i t o r i n g ，h a v e r e a l i z e d o p e r a t i o n s t a t e d e v e l o p m e n tt os h o wa n dd a t a ，r e p o r tt ot h ep o l i c ei n q u i r y i n o p e r a t i o nc o u r s e ，e x i s t e n tf r e q u e n c yc o n v e r s i o nd i r e c t l yt u r n st h e s w i t c hc o u r s eo fw o r kf r e q u e n c y , s y s t e mv e r yp o s s i b i l i t yb e c a u s eo fc u r r e n t e x c e p t io n a lm a k et h et r i p p i n go p e r a t i o no fc i r c u i tb r e a k e r , c a u s et os w i t c hd o n o t s u c c e e d e x c e p t i o n a l s w i t c hc u r r e n ta n d t o r q u e w i l la l s o d a m a g e g e n e r a t o r ，r e d u c eg e n e r a t o rs e r v i c el i r e t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sw h e nt h i s p a p e rt u r n sw o r kf r e q u e n c ya c c o r d i n gt ot h er a t eg e n e r a t o ro fg r e a tm e r i ti n f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，l e a di n t ol o c ka p p e a r a n c er i n gt e c h n o l o g y , w h e n s w i t c h i n g ，f r e q u e n c ya n dt h ep h a s eo ft h el o c k i ne x p o r tv o l t a g eo ff r e q u e n c y c o n v e n e rm a k e 行e q u e n c yc o n v e r t e re x p o r tp o w e rs o u r c ea n dt h ew o r ks a m e f r e q u e n t l ys a m e 印p e a r a n c eo fe l e c t r i c a ln e t w o r ko fp o w e rs o u r c e a n dt h e n c u to f ! ft h e p o w e rs o u r c eo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，t u r np u m pt ow o r k f r e q u e n c ye l e c t r i c a ln e t w o r k ，c a ns os u r m o u n tt h ec u r r e n tp h e n o m e n o ni n s w i t c hc o u r s e e f f i c i e n t l y h a v e r e a l i z e dt h er a t e g e n e r a t o rf r e q u e n c y c o n v e r s i o no fg r e a tm e r i tt ot u mt h es t e a d ys w i t c ho fw o r k f r e q u e n c y , d e c r e a s e f o rg e n e r a t o re q u i p m e n t d a m a g ew i t ht h ei m p a c to fe l e c t r ic a l 。 k e yw o r d s ：v a r i a b l e f r e q u e n c ys p e e d r e g u l a t i n g ，c o n s t a n t - p r e s s u r ew a t e r s u p p l y ，s u p e r v i s i o nc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，p h a s el o c k e dl o o p i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：磷 日期：皿年- = 翻丛日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技 术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通 过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：匹础 日期：竺堑年 月鱼日 工程硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 我国人口众多，每年所消耗的能量巨大，近年来，能源紧张不时影响到了 工业生产及人民生活。从二o o 三年开始，中国的能源消耗速度开始高于经济增 速，从“电荒”、“油荒”，到“水荒”，中国的能源问题日益突出。据报导，到2 0 3 0 年中国人口达到1 6 亿时，人均水资源量将降低到1 7 6 0 立方米，接近国际承认的 1 7 0 0 立方米“用水紧张”标准【l 引。如果不采取有效措施，中国有可能在未来出现 严重的水危机。而2 0 0 3 、2 0 0 4 年的限电给生产和生活带来的影响人们仍记忆犹 新，因此，节能降耗是保证工业和生活稳定发展的一项关键措施，是各行各业的 技术改革方向。节水节能已成为时代特征。 然而，长期以来，我国的用电、用水行业的技术水平相对比较落后，自动 化程度低，节能节水具有较大的发展空间。如供水系统，由于用户用水的不稳定 性，经常出现在用水高峰期，水压较低，水的供给量低于需求量，特别是高层用 户经常出现水压太低而无法用水的状况。传统的解决办法是采用高位水箱、水塔 和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。以下对各种供 水方式的优缺点进行讨论。 ( 1 ) 恒速泵供水 恒速泵供水即水泵电机的转速恒定，通过改变阀门的开度及投入运行的泵 的数量来适应用户用水量的改变需求。水泵机组全部或部份不间断运行，通过人 工调节运行机组数量和调节出口阀门开度，从而调节管网压力。这种方式过去较 多使用，但自动化程度低，压力变化大，水泵电机启动频繁，电力消耗大，能量 大量损失在阀门和调节阀上。且频繁起停将影响设备使用寿命及电网电压。因此 这种方法已逐渐被淘汰。 ( 2 ) 高位水箱供水 此种方法利用水泵工作时将水位提高到高于用户位置，储存水源，利用水 源自身重量形成重力供水，但需要修建水塔、水箱、水池等，这种方式占用空间 大、建址地势高、修建周期长、建筑投资大，后期维护、管理工作量较大。且高 位水箱供水还存在以下问题：供水压力由水位重力形成，当用户发生变化时， 管道阻力也会发生变化。如用水量增多时，管道阻力减小，用水量减小时，管道 阻力增加，因此这种方法不能保证恒压供水，用户在不同用水段得到的用水质量 不同，在用水高峰期将有可能得到的水流量较小。水箱容易受到二次污染。 工程硕士学位论文第一章绪论 由于高楼的承重有限，水箱容积受到限制，储水量受到限制。当出现火灾等意外 情况时，靠水箱储水灭火远远不够。 此种方法安全可靠，技术较简单，在过去的高楼供水种广泛采用，但由于 存在以上种种问题，已逐渐被其他方式所取代。 ( 3 ) 气压罐供水 气压罐供水是用水罐储存水源，用户用水时，通过压缩空气使水进入用户管 道，随着罐内水的减小，压力也会降低。 气压供水技术简单，不受高度限制，近年来已在高层建筑中广泛采用。但其 体积大，实际应用中受场地限制，且电机启动频繁，对设备要求较高。另外这种 方式制造成本高、投资大，电力消耗较大。因此一般常用于增压及稳压设施。 田心地区是湖南株洲市主要工业重地，依靠株洲电力机车有限公司等大型企 业的发展，人口已达8 万，生产用水和生活用水都非常大，而生活用水具有非常 明显的时段性。为了解决大量人口的住房问题，近年来不断新建小高层住宅，且 由于田心地区地势相差较大，部分地势较高的小区及小高层用户的用水问题同益 突出。田心地区现建有3 个水塔，本课题是针对生活用水问题，对地势较高的几 个东门小区供水泵站进行技术改造。改造方案为采用变频调速技术实现恒压供 水，并利用组态技术实现运行监控。该泵站原有水泵3 台，功率为7 5 k w 。改造 方案中主水泵及电机参数不变。 2 变频调速恒压供水的发展 变频调速被认为是一种理想的交流调速方法。2 0 世纪6 0 年代中期，随着普 通晶闸管、小功率管的实用化，出现了静止变频装置。这个时期的变频装置，多 为分立元件，体积大，造价高，大多为特定的控制对象而研制。调速后的电动机 静、动态性能较差，因此应用场合较少。 2 0 世纪7 0 年代以后，电力电子和微电子技术以惊人的速度向前发展，变频 调速技术也随之取得了日新月异的进步，石油危机以后以节能为目的的变频器开 始出现并得到了广泛应用。由于变频器具有的高效率性能和良好的控制特性，使 之在交流电动机的速度控制中较多采用。进入2 0 世纪9 0 年代，随着半导体开关 器件i g b t 、矢量控制技术的成熟，微机控制的变频调速成为主流，调速后异步 电动机的静、动态特性已经可以和直流调速媲美。现在的变频器功能很多，操作 方便，寿命和可靠性也比以前有了很大进步。作为交流调速的一个代表，近年来， 变频调速用于恒压供水已形成典型的供水模式，广泛用于城乡生活用水、消防等 行业，从节能运行到系统稳定可靠也得到了社会的认可u 引。 对生活用水使用变频调速恒压供水不仅能达到节能的效果，而且能有效保证 2 工程硕士学位论文第一章绪论 用户用水的稳定性，解决了水塔供水方式带来的水质二次污染问题，对水泵，恒 压供水具备的软起停功能和根据负载变化自动调节电机水泵转速或增加减少投 入运行的台数，避免了电机起动过程中对电网和机械设备造成的冲击以及人工操 作的繁杂性，还可以消除水泵启动和停止时的水锤效应，延长了设备的使用寿命。 1 3 变频恒压供水系统的国内外研究现状 变频恒压供水是在变频调速技术的基础上发展起来的。早期，由于变频器功 能较简单，在恒压供水系统中仅作为执行机构，为满足用户需求的变化，保证管 网压力恒定，需通过压力变送器和p i d 控制器对压力进行闭环控制。如图1 1 所 示。 外部控 信号及 出显示 用户 图卜1 压力变送器和p i d 控制器买现的恒压供水 随着变频技术的发展，恒压供水的稳定性、可靠性及自动化程度方面的优点 和显著的节能效果的体现，变频器的开发和应用进一步加快，许多生产厂商推出 了具有内置“1 控x 功能的新系列专用变频器。如森兰一拖二、一拖四专用变 频器等。使用此类变频器后，只要预置准确，在运行中可以自动完成切换过程， 切换控制变得很方便。此种专用变频器通过外接继电器扩展板控制接触器的转 换，从而控制电机运行状态的切换，不需外接p l c 和p i d 调节器( 也可以使用 p l c ) ，压力闭环调节和循环逻辑控制功能全部集成在变频器内部实现。控制方 式如图1 2 所示： 工程硕：卜学位论文第一章绪论 图1 2 专用变频器实现的恒压供水 这种控制方式变频器相对价格较高，整个操作过程需专业人员介入，通用性 不好。 因此，适合不同应用场合，结合现代控制技术、通讯技术、网络技术的大功 率变频恒压供水技术还处于发展之中。本文要研究的内容正是设计运行稳定、可 靠的恒压供水系统，并使系统运行状态具有可监控性，且易于通过简单的人机界 面进行控制和压力调节。 4 本文主要研究内容 1 4 1 多泵恒压供水系统的设计 本文主要完成p l c 、变频器实现的生活用水供水过程的恒压。由于供水系统 管道长、管径大，管网的充压比较慢，故系统是个大滞后系统，不宜直接采用 p i d 调节器进行控制，而应采用p l c 参与控制的方式来实现对控制系统的调节。 本系统采用通用变频器实现三相水泵电机的软启动和变频调速，压力传感器检测 当前水压信号，水压信号经变送器输出标准电信号( 4 - 2 0 m a ) 通过a d 转换 模块送入p l c ，经p l c 进行压力反馈值与设定值的p i d 运算，运算结果送入变 频器频率控制端控制变频器的输出频率，从而改变电机转速m 蚓。压力反馈值 同时经p l c 送入上位监控机，经组态软件进行显示。由p l c 接受控制信号，并 实现对电机的起停及切换控制。变频器的故障输出及报警信号以及系统显示信号 4 工程硕士学位论文第一章绪论 全部送入p l c ，以方便利用p l c 与上位机进行通讯并实现监控。系统的操作与 管理采用微机实现，运行参数有记录，使系统节能达到最佳效果。具体内容如下： ( 1 ) 对水泵电机的调速原理进行分析。根据供水特点，分析水泵电机的运 行特点、运行参数及工作点，分析供水系统对电气调速的要求，阐述一拖x 的 恒压供水模式的工作原理。设计一套基于p l c 的变频调速恒压供水控制系统； ( 2 ) 从水泵运行曲线及管网特性曲线入手，分析水泵工况调节的几种方法， 详细阐述变频调速恒压供水系统耗能原理及节能原理。 ( 3 ) 重点阐述变频调速恒压供水系统的构成及其工作原理，进行系统硬件 的选择及p l c 程序的设计、变频器功能预置等。系统由一台变频器拖动三台水 泵变频启动运行，由p l c 控制切换，由压力传感器检测管网压力，根据压力大 小进行p i d 控制，调整变频器的输出频率，从而改变水泵电机转速，改变流量 的大小，适应用户用水量改变的需求，保持管网压力恒定。 ( 4 ) 用m c g s 工控组态软件在上位机中开发恒压供水控制系统的主监控界 面、数据查询界面、报警界面、实时及历史曲线界面等； ( 5 ) 分析提出恒压供水变频调速控制系统存在的一些问题，并提出可能的 解决方法。 1 4 2 恒压供水系统的同步切换 恒压供水系统中，根据工作过程分析可知，当用水增加时，通过闭环调节， 变频器的输出频率增加，电动机转速增加，当输出频率增加到5 0 h z 时，若管网 压力仍然偏低，则此时必须进行电机的切换，如原来运行的是1 # 电机，则l # 电机切换至工频，而变频启动2 # 电机。因此，在加泵过程中，系统中存在变频 直接转工频的过程。这一特殊情况在工业生产中并不多见，如不采取一定措施， 很可能导致电流过大使断路器跳闸，过大的切换电流及转矩也将损坏电机，降低 电机使用寿命。一般采用的方式是在变频向工频切换时先切断变频电源，经过足 够的延时使水泵电机的反电动势降低到一定程度，再通过自耦变压器降压启动或 软启动器等方式接入工频电源。但这一方式易导致水压波动，影响系统性能。因 此变频调速恒压供水这种供水方式能否得到广泛应用关键是解决水泵电机的变 频至工频的切换问题啪1 。 1 5 本章小结 变频调速被认为是一种理想的交流调速方法，近年来，变频调速用于恒压供 水已形成典型的供水模式。对生活用水使用变频调速恒压供水不仅能达到节能的 工程硕士学位论文 第一章绪论 效果，而且能有效保证用户用水的稳定性。恒压供水具备的软起停功能和根据负 载变化自动调节电机水泵转速或增j m 减少投入运行的台数，避免了电机起动过 程中对电网和机械设备造成的冲击以及人工操作的繁杂性，还可以消除水泵启动 和停止时的水锤效应，延长了设备的使用寿命。 本章介绍了课题的来源和研究意义，在分析各种供水方式优缺点的基础上， 对恒压供水的研究现状进行了探讨，确定了变频调速恒压供水的系统方案，阐述 了论文的研究内容是设计基于p l c 的变频调速恒压供水系统，并利用m c g s 组 态软件对供水系统的主要环节进行监控，提出了多泵恒压供水系统中大功率电机 从变频转换成工频时存在的问题。 6 工程顾十学位论文第二章恒压供水基本原理 2 1 变频调速原理 2 1 1 电动机调速原理 第二章恒压供水基本原理 1 ) 异步电动机的调速方法 水泵电机多采用三相异步电动机，而其转速公式为： n = 6 0 f o _ s ) 式中f 电源频率，p 电动机极对数，墨一转差率。 从上式可知，三相异步电动机的调速方法有： ( 1 ) 改变电源频率 ( 2 ) 改变电机极对数 ( 3 ) 改变转差率 改变电机极对数调速的调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高， 但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，即变速时转速变化较大， 转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。改变转差率调速为了保证其 较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其最大优点是它可以回收转差功率， 节能效果好，且调速性能也好，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损 耗口制，且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源频率调速的方法 及特点。 根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n 基本上与电源频 率厂成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一 地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。因为当电源电压不变时，若频率减 小，主磁通将增加，这将导致磁路过分饱和，励磁电流增大，功率因数降低，铁 心损耗增加；而当频率增加时，磁通减小，电磁转矩及最大转矩下降，过载能力 降低，电动机的容量也得不到充分利用。因此，为了使电动机能保持较好的调速 性能，要求在调节频率的同时，改变定子电压，以维持主磁通不变，或者保持电 动机的过载能力不变口3 。电源电压随频率按什么样的规律变化最为合适呢? 一般 认为，在任何类型负载下变频调速时，若能保持电动机的过载能力不变，则电动 机的运行性能较为理想。 随着电力电子技术的发展，已出现了各种性能良好、工作可靠的变频调速电 源装置，将促进变频调速的广泛应用。额定频率时称为基频，则调频时可以从基 频向下调，也可从基频向上调。 7 工程硕上学位论文 第二章恒压供水基奉原理 变频装置简介乜， 要实现异步电动机的变频调速，必须有能够同时改变电压和频率的供电电 源。现有的交流供电电源都是恒压恒频的，所以必须通过变频装置才能获得变压 变频电源。变频装置可分为间接变频和直接变频两类。间接变频装置先将工频交 流电通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变成为可控频率的交流，通 常称为交一直一交变频装置。直接变频装置则将工频交流一次变换成可控频率的 交流，没有中间直流环节，也称为交一交变频装置。目前应用较多的还是间接变 频装置。 1 、间接变频装置( 交一直一交变频装置) 图2 1 绘出了间接变频装置的主要构成环节。按照不同的控制方式，它也可 分为图2 - 2 中的( a ) 、( b ) 、( c ) 三种。 d c 整流 逆变 中间 直流环节 图2 - 1 问接变频装置( 交_ 一直一交变频装置) 图2 2 ( a ) 是可控整流器变压，用逆变器变频的交一直一交变频装置。调压和 调频分别在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。这种装置结构简单、 控制方便，但是，由于输入环节采用可控整流器，当电压和频率调得较低时，电 网端的功率因数较低；输出环节多用晶闸管组成的三相六拍逆变器( 每周换流六 次) ，输出的谐波较大。这是此类变频装置的主要缺点。 图2 2 ( b ) 是用不控整流器整流、斩波器变压、逆变器变频的交一直一交变 频装置。整流器采用二级管不控整流器，增设斩波器进行脉宽调压。这样虽然多 了一个环节，但输入功率因数高，克服了图2 2 ( a ) 的第一个缺点。输出逆变环节 不变，仍有谐波较大的问题。 图2 2 ( c ) 是用不控整流器整流、脉宽调n ( p w m ) 逆变器同时变压变频的交一 直一交变频装置。用不控整流，则输入端功率因数高；用p w m 逆变，则谐波可 以减少。这样可以克服图2 2 ( a ) 装置的两个缺点。 8 工程硕士学位论文 第二章恒压供水基本原理 调压 调频 ( a ) 调压 调频 ( b ) 图2 - 2间接变频装置的各种结构型式 近年来，随着微机技术和电力电子技术的发展，p w m 变频技术得到了飞速 发展。由于它可以有效地进行谐波抑制而且动态响应好，在频率、效率诸方面有 明显的优势，因而在自关断器件出现并成熟后，p w m 控制技术就得到了很快的 发展，在实现d c a c 变换的逆变电路和d c d c 变换的斩波电路中都得到广泛 应用，其技术也日臻完善，是一种较理想的变频技术。 交一直一交变频装置通过中间直流环节采用滤波器的不同，分为电压型和电 流型。由此构成的变频器在性能上有很大差异，电压型变频器属于恒压源，电压 控制响应慢，适用于作为多台电机同步运行时的供电电源但不要求快速加减速的 场合。电流型变频器则相反，由于滤波电感的作用，系统对负载变化的反应迟缓， 不适用于多电机传动，更适合于一台变频器给一台电机供电的单电机传动，但可 以满足快速起、制动和可逆运行的要求。现在使用的大部分为电压型变频器。 2 、 直接变频装置( 交一交变频装置) 直接变频装置的结构如图2 3 所示，它只用一个变换环节就可以把恒压恒频 的交流电源变换成变压变频电源。这种变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸 管整流装置反并联的可逆线路( 图2 4 ) 。正、反两组按一定周期相互切换，在负 载上就获得交变的输出电压u o 。u o 的幅值决定于各组整流装置的控制角，u 0 的 频率决定于两组整流装置的切换频率。当整流器的控制角和这两组整流装置的切 换频率不断变化时，即可得到变压变频的交流电源。 5 0 h z 交一交变频 图2 - 3 直接( 交一交) 变频装置图2 - 4 交一交变频装置一相电路 由于交一交变频技术只用次变流，且使用电网换相，提高了变流效率，但 9 工程硕上学位论文 第二章恒压供水基本原理 接线复杂，使用的晶闸管较多，受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率 较低，且采用相控方式，功率因数较低。目前较少采用。主要用于大功率、低转 速的交流调速装置中。 2 1 2 供水系统对电气调速的基本要求 生活用水不比生产用水定时定量，而具有明显的时变性，具有明显的时间段， 因此生活给水设备应具有“多用水、多耗电；少用水、少耗电 的功能。近年来， 我国加快了城市居民区的扩建和改建，高层建筑越来越多，用水矛盾也越来越突 出，由于自来水管网压力不足，高层建筑的居民在用水高峰期的用水难以得到保 障。以往传统的供水方式电机的转速不变，靠调节阀门的开度实现对流量的调节， 电机耗能一直保持在最高状态，没有达到节能的目的，近年来已被气压供水所代 替。然而气压供水投资较大而可调节容积较小，导致水泵启动频繁而影响了电器 及水泵的的使用寿命。 对于大部分生活供水系统来说，日常供水随着各个时段和各个季节的变化而 有很大的起伏，一般在晚上黄金时段的用水需求量比较大，深夜由于用户需求量 大幅度减少，管网压力急剧升高。因此供水能力必须根据用水量的变化而变化， 以保证管网压力保持恒定。在用水高峰期，管网压力下降，此时应根据压力反馈 值的结果通过p i d 运算，使变频器输出频率增加，水泵电机转速增加或增加投 入运行的水泵台数，从而增加管网压力，保证供水能力。在用水较少时，管网压 力将增加，此时压力的变化通过反馈运算使变频器输出频率下降，电机转速下降 或减少运行的水泵数量，从而减小管网压力，直到管网压力等于设定值。这样， 用户用水量的波动，供水装置都必须及时做出反应。供水系统对电气调速的基本 要求有： 1 ) 水泵在相同工况下调速时，其输出扬程h 和水泵转速n 的平方成正比， 即： 胙k 。矿 式中h 水泵扬程，k 。转速系数，玎一水泵转速。 供水系统必须根据流量的变化调节水压，他们的关系式如下： h = h z + z - h = h 寸k l 谚 式中h 一水泵扬程，q 一水网用户要求的用水量， 乒，z 一一水网中最不利供水点要求流程，肌一一管道水头损失， 流量系数，由管网本身决定。 两式联立求得： q 2 - - h 。k l 幸n 2 h z k l j o 工程硕，e 学位论文第二章恒压供水基本原理 从上式可看出，流量的平方与转速的平方成线性关系。还可看出，当流量为 零时，水泵电机必须保持一定转速以保证管网维持一定的水压。速度的调节根据 水压进行闭环控制。 2 ) 系统启动和负载变化较大时，电流冲击较大，为保护电机及其他电气设 备，应采用软启动方法。通过变频器输出频率的逐步变化使电流有一个变化过程， 并通过p i d 调节和模糊控制相结合达到恒定水压的目的。为使电机不会频繁切 换和变换导致电机频繁起停，当水压达到使电机需进行切换值时，应确定一定的 延时，以确定用水量确实发生了变化，而不是短暂的影响导致的水压变化。 2 2 恒压供水变频调速节能原理 2 2 1 供水的基本模型与主要参数 1 ) 基本模型嘲 a ) 全扬程的概念 b ) 基本模型 图2 - 5 供水系统的基本原理 图2 5 所示为一生活小区供水系统的基本原理。水泵将水池中的水抽出，并 上扬至所需高度，以便向生活小区住户供水。 2 ) 主要参数 1 流量 单位时间内流过管道内某一截面的水量，符号用q 表示。供水系统的基本 任务就是要满足用户对流量的要求。 2 扬程 单位质量的水被水泵上扬时所获得的能量。符号为h 。扬程主要包括三方面： a ：提高水位所需的能量 工程硕士学位论文 第二章恒压供水基本原理 b ：克服水在管道中的流动阻力( 管阻) 所需的能量 c ：使水流具有一定的流速所需的能量 由于在同一管路中，上述b 和c 是基本不变的，在数值上也相对较小。可以 认为，提高水位所需的能量是扬程的主体部分。因此在同一管路内进行分析时， 常简单地把水从一个位置上扬至另一个位置时，水位的变化量用来表示扬程。 3 全扬程 也叫总扬程或水泵的扬程。是表明水泵的泵水能力的物理量。在数值上等于： 在管路没有阻力，也不计流速的情况下，水泵能够上扬水的最大高度。 4 实际扬程 通过水泵实际提高水位所需的能量。在不计损失和流速的情况下，其主体部 分正比于实际的最高水位与水池水面之间的水位差。 5 损失扬程 全扬程与实际扬程之差。 全扬程= 实际扬程+ 损失扬程 6 管阻 表示管道系统对水流阻力的物理量。管阻不是常数，不能以简单的公式定量 计算，通常用扬程与流量间的关系曲线来描述。 7 压力 表明供水系统中某个位置水压，其大小在静态时主要取决于管路的结构和所 处的位置，在动态情况下，还与供水流量和用水流量之间的平衡情况有关。 2 2 2 供水系统的特性与工作点n 1 1 ) 特性 1 扬程特性 图2 - 6 扬程特性 1 2 工程硕士学位论文 第二章恒压供水基本原理 在管路中阀门完全打开的情况下，表明全扬程h t 随流量q u 变化的曲线称 为扬程特性曲线，如图2 - 6 所示。图中，a l 点是流量较小时的情形，这时，全 扬程较大，为h t l ，a 2 点是流量较大时的情形，此时全扬程较小，为h r 2 。扬程 特性可说明，用户用水量越多( 流量越大) ，管道中的摩擦损失及保持一定的流 速所需的能量也越大，故供水系统的全扬程也越小。因此扬程特性反映了用户的 用水需求对全扬程的影响。用水流量用n j 表示。 2 管阻特性p 反映为了维持一定的流量而必须克服管阻所需的能量，它和阀门的开度有 关。实际上是表明当阀门开度一定时，为了提供一定流量的水所需的扬程。此处 的流量为“供水流量 ，用鳊表示。所以，管阻特性的函数关系为h - r = f ( 鳊) ， 如图2 7 所示。 图2 - 7 管阻特性 显然，当岛巩时，鳊= 0 ，不能供水。实际扬程也是能够供水的“基本 扬程”。 2 ) 供水系统的工作点 1 工作点 扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，即为供水系统的工作点，如图2 - 8 a 点。在这一点，供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。 2 供水功率 供水系统向用户供水时所消耗的功率p g ，供水功率与流量q 和扬程h t 的乘 积成正比，即： p g = c p h t q 由图2 8 可以看出，供水系统的额定功率与面积o d a g 成正比。 3 ) 供水系统的节能原理 工程硕士学位论文 第二章恒压供水基奉原理 在供水系统中，最根本的控制对象是流量，下面从阀门控制法和转速控制法 分析供水功率。 图2 - 8 供水系统的工作点 1 阀门控制法 阀门控制法的实质是：水泵本身的供水能力不变，通过改变水路中的阻力大 小来改变供水的能力( 反映为供水流量) ，以适应用户对流量的要求。此时，管 阻特性随阀门的开度而改变，但扬程特性不变。 如图2 9 所示，设用户所需流量从q a 减为q b ，当通过关小阀门来实现时， 管阻特性曲线将变为，扬程特性曲线仍为曲线，系统的工作点从a 点移至b 点，这时，流量减小了，但扬程却从h t a 增大为h r a