（流体机械及工程专业论文）基于变频调速在泵站控制系统中应用的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 本文依据变频技术的原理，论证了泵变频调速运行节能的基本机理，并对影 响其调速范围、节能效果的一些主要因素进行了较详细地分析与讨论。从而阐明 了泵站运行采用转速控制法比阀门控制法在节能与操作控制上的明显优越性。同 时通过对泵站现行的控制系统与采用变频控制系统的分析、比较，推导并给出了 工程上简单实用的变频调速供水系统的数学模型。 根据泵变频调速控制节能的基本原理，给出了采用a t 8 9 c 5 1 单片机进行变频 调速控制而设计的变频调速恒压供水系统及其控制原理图，以及构成该控制系统 的硬件结构图与实现该系统控制的软件流程图。 通过本课题的研究，提出并设计出了以单片机为核心的变频调速恒压供水系 统。该系统可根据管网用水量的变化，实现泵组的自动切换或变频调速。用该系 统实行恒压供水取代传统的供水方式，不仅控制方便、灵活，还可省去高位水塔 或直接加压的泵系统等；更主要的是具有明显的节能效果和稳定的控制性能。因 而本课题所设计的系统具有广泛的推广价值和广阔的市场前景。 关键词：变频调速；恒压供水；单片机；。节能 基于变频调速在泵站控制系统中应用的研究 a bs t r a c t a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ff i e q u e n c yc o n v e r s l o nt e c h n o l o g y ，d e m o n s t r a t et h e b a s i cp r i n c i p i eo fp u m p so ff e q u e n c yc o n v e r s i o na d j u s t i n gt h es p e e di no p e r a t i n g e n e r g y c o n s e r v a t i o n a n da si n n u e n c i n gs o m em a j o rf a c t o r so f “ss c o p eo fs p e e d a c u u s t m e n ta n dt h ee f f e c to fe n e r g ys a v i n gt og oo nd e t a i l e da n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n e x p o u n dp u m ps t a t i o no p e r a t i o na d o p t i n gt h er o t a t i o n a ls p e e dc o n t r o it h e1 a wm o r e a d v a n t a g et h a nt h ev a l v ec o n t r 0 1t h el a wi ne n e r g y c o n s e r v a t i o n t h r o u g ha n a l y s i n g a n dc o m p a r i n gt h ec u r r e n tc o n t r o ls y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e mo ff e q u e n c y c o n v e r s i o ni np u m ps t a t i o n ，d e r i v ea n dp r o v i d et h es i m p l ea n dp r a c t i c a lm a t h e m a t i c s m o d e la b o u tf r e q u e n c yc o n v e r s i o na d j u s t i n gp r e s s u r eo fw a t e r s u p p l ys y s t e mi n p r o j e c t - a c c o r d i n g t ot h eb a s i c p r i n c i p l e b ft h e f r e q u e n c y c o n v e r s i o nc o n n o l e n e r g y c o n s e r v i n g o f p u m p s ，a d o p ta t 8 9 c 51 ，o n e - c h i pc o m p u t e r ，f b rf t e q u e n c y c o n v e r s i o na d j u s t i n gt h es p e e dc o n t r o lt od e s i g nf e q u e n c yc o n v e r s i o na d j u s t i n gt h e s p e e do ft h ec o n t r 0 1 l e dp r i n c i p l ep i c t u r e ，a n dc o m p o s et h i sc o n t r o l l e ds y s t e mo f s 仃u c t u r ec h a r to ft h eh a r d w a r ea n dr e a l i z et h i ss y s t e mc o n t r o lo fs o f t w a r ef l o wc h a r t i nc o n s t a n tv 0 1 t a g eo fw a t e r s u p p l ys y s t e m p a s s i n gt h er e s e a r c ho ft h i st o p i c ，p u tf b r w a r da n dd e s i g no n e - c h i pc o m p u t e ra s t h ec o r eo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o na d j u s t i n gt h es p e e dc o n s t a n tv 0 1 t a g ew a t e r s u p p l y s y s t e m a c c o r d i n gt oc h a n g eo fp i p en e t w o r ko fw a t e rc o n s u m p t i o n ，t h i ss y s t e mc a n r e a l i z ep u m pg r o u ps w i t c ho v e ra u t o m a t i c a l l yo rf r e q u e n c yc o n v e r s i o na d j u s t i n gt h e s p e e d t h es y s t e mc a nr e p l a c et h et r a d i t i o n a lw a t e rs u p p l ym o d e ，n o to n l yc o n v e n i e n t a n dn e x i b l ei nc o n t r o l ，b u ta l s oah i g hw a t 七rt o w e ro ra d dt op r e s sd i r e c t l yo ft h e p u m ps y s t e me t c ；a n dm o r ei m p o r t a n tt h ea p p i i c a t i o nh a sp r o v e dt ob ev e r ye f f 色c t i v e f o rs a v i n go ne n e r g ya n dc o n t r o lp e r f o r m a n c ei ss t a b l e a sar e s u l t ，t h es y s t e mt h a t t h i st o p i cd e s i g nh a sw o n ha n dv a s tm a r k e tf b r e g r o u n do fe x t e n s i v ee x p a n s i o n k e yw o r d s ：f r e q u e n c yc o n v e r s i o na d j u s t st h es p e e d ； c o n s t a n tv o l t a g es u p p l i e s w a t e r ； o n e c h i pc o n l p u t e r ；e n e r g y c o n s e r v a t i o n i i 硕士学位论文 插图索引 图2 1 水泵供水的基本模型一8 图2 2 扬程特性1 0 图2 3 管阻特性1 0 图2 4 供水系统的工作点1 1 图2 5 转速调节泵工作特性基本原理示意图1 3 图2 6 两种方法供水功率的比较13 图2 7 水泵的流量一效率曲线1 4 图2 8 水泵的轴功率曲线1 4 图2 9 变频调速供水控制系统框图15 图2 1 0 水泵调速运行范围1 8 图2 1 1 管路特性曲线对调速节能影响示意图1 9 图2 1 2 恒压供水与变压供水工况点示意图2 0 图2 1 3 用不同方法调节流量下泵的工作点2 2 图2 1 4 变频恒压供水泵工作点的移动2 3 图2 1 5 变频恒压供水与变频变压供水工作点比较2 3 图3 1a t 8 9 c 5 1 单片机引脚图2 9 图3 ，2a d c 0 8 0 9 原理图3 3 图3 3a d c 0 8 0 9 时序图3 4 图3 4d a c 0 8 3 2 原理框图3 6 图3 5 供水控制系统组成框图3 8 图3 6 供水系统控制原理框图3 9 图3 7 单片机和逻辑切换电路的联系“ “4 0 图3 8 主回路及控制回路4 0 图3 9 单片机泵调速控制的结构框图4 2 图4 1 主程序框图4 0 图4 2 位置型p i d 算法子程序框图4 2 图4 3a ，d 转换中断服务子程序框图4 3 图4 4d a 转换子程序框图4 4 图4 5 数字滤波子程序框图4 6 图4 6 标度变换子程序框图4 8 图4 7 继电器控制子程序框图4 9 i i i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：毒锨日期：加硝年5 月7 目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密四。3 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：h “年月7 曰 日期：2o o f 年月7 日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的与意义 泵站担负着工农业和生活供水的重要任务，运行中消耗大量能量。目前，在 我国大量的电能消耗在泵、风机负载上，城乡居民用水设备所消耗的电量在这类 负载中也占了相当的比例。据统计，我国现有风机、泵约4 0 0 0 万台左右( 其中风 机约1 0 0 0 万台) ，年耗电量达6 0 0 0 亿千瓦小时，约占工业耗电量的8 0 。这 一方面是由于我国居民多，用水量大，造成用电量大：另一方面是因为我国供水 设备工作效率低，控制方式不够科学、不合理，造成了不必要的能量浪费。因此， 研究供水系统的数学模型，找出能够节能的控制策略与方法来提高泵站效率、降 低能耗，这在能源目趋紧张，节能作为我国主要能源政策之一的形势下，是一项 具有重要现实意义的工作。本文拟运用自动控制技术、电力电子技术等力求探索 出一条有效的途径。 水泵机组的调速运行是泵站经济运行的重要手段。传统的定速水泵供水系统 是指水泵在额定转速下为系统提供一定水量的供水系统“7 。这种传统而简单的给 水方式，无反馈信号和压力控制。用水量小时，系统压力增高，泵效率降低，管 路泄漏增加，阀门损坏加剧。用水量增大时，系统压力降低，易造成系统高位供 水点断水。实际上，定速水泵给水系统不但存在供水质量差，压力波动大的缺陷， 而且不易实现有效的经济运行。对于用水量变化大的给水系统，特别是当用水量 小于二分之一额定流量时，水泵工况点偏离高效区之外运行，能量损失严重。 变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、 空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。特别是在城乡工业用水的各 级加压系统，居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出。 变频调速给水系统是由作为核心部件的变频调速器以及压力传感器、控制器、泵 和管路组成的给水系统。1 。它根据用户用水量的实际需求，设定压力控制值，控 制器按传感器送来的用户用水量信息，控制变频器的频率，自动改变水泵电机的 转速，最终达到调速及调节水量的目的“。63 。这种调速供水系统既能保持管网压 力恒定，又能随时调整供水量，尽管水泵时常偏离额定流量工况点工作，但泵效 率仍然维持在高效区。 水泵电机调速技术应用有其多方面优越性能：一是节电显著：二是在开、停机 时能减小电流对电网及供水水压对管网系统的冲击：三是能减小水泵、电机自身 的机械冲击损耗”。在众多供水行业书的许多实例表明：对水泵电机采用调速 基于变频调速在泵站控制系统中应用的研究 控制技术可降低能耗，提高管网和设备的使用寿命，这对企业来说，具有着重大 的经济意义；也是保障管网系统安全供水的有效方法之一。因此实行变频调速节 能是未来发展的必然趋势并势在必行。 1 2 国内外变频调速技术的发展与现状 1 2 ，1 国外变频调速技术的发展与现状 1 9 6 4 年德国人首先提出把通信技术中的脉宽调制p w m 技术应用到交流传动 中。”1 。从此，自2 0 世纪7 0 年代初，对p w m 调速技术的研究引起了人们的高 度重视。到2 0 世纪8 0 年代初，日本学者提出了基于磁通轨迹的磁通轨迹控制 方法。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电动机气息的理想圆形 旋转磁场轨迹为目的，次生成两相调制波形，使变压变频v v v f ( v a r i a b l ev o l t a g e v a r i a b l ef r e q u e n c y ) 成为变频调速技术的核心“。从2 0 世纪8 0 年代后半期开 始，美、日、德、英等发达国家的基于v v v f 技术的通用变频器已商品化并广泛 应用1 。 1 9 8 0 年，德国人在应用微处理器的矢量控制研究中取得了进展，促进了矢 量控制的实用化“。此后，日本厂商竞相研究矢量控制技术，并在产品性能和 价格两个方面取得进展；理论界则应用现代控制理论把矢量控制的理论进一步深 化，取得了解耦控制、速度观测、参数自适应、无速度传感器矢量控制等方面的 理论成果。自1 9 9 2 年开始，德国西门子公司相继开发了6 s e 7 0 系列通用变频器， 通过f c 、v c 、s c 板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制等；至1 9 9 4 年 该系列通用变频器的容量就扩展到3 1 5 k w 以上“。 1 9 8 5 年，德国人提出了基于六边珏 乃至圆形磁链轨迹的直接转矩控制理论 ( d s c ) “。这种方法不需要复杂的坐标变换，而是直接在电动机定子坐标上计 算磁链的模和转矩的大小，并通过磁链和转矩的直接跟踪，实现脉宽调制和系统 的高动态性能。最初，这种控制方法主要在高压、大功率且开关频率较低的逆变 器控制中应用；目前被应用于通用变频器的控制方法是一种改进的、适合于高开 关频率逆变器的方法。1 9 9 5 年，a b b 公司首先推出的直接转矩控制通用变频器， 目前已成为其各系列通用变频器的核心技术“。 国外在交流变频调速技术的发展方面有以下特点“7 ”1 ： ( 1 ) 市场需求量大 随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应 用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业，并取得显著的经济效益。 尤其在泵、风机方面的应用，取得了显著的节能效果。 ( 2 ) 向高电压、大功率方向发展 硕士学位论文 随着高电压、大电流功率器件s c r 、j g t o 、i g b t 、h v i g b t 的生产及其并联、 串联技术的迅速发展，促进了高电压、大功率变频器的生产及应用。 ( 3 ) 控制理论和微电子技术的发展应用 矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频 器的研制提供了理论基础。1 6 位、3 2 位高速微处理器以及信号处理器( d s p ) 和专 用集成电路( a s i c ) 技术的快速发展，为实现变频器高精度、多功能化提供了硬件 手段1 。 ( 4 ) 配套部件生产社会化、专业化 基础工业和各种制造业的高速发达，为变频器相关配套部件生产的社会化、 专业化提供了可靠保证。 1 2 2 国内变频调速技术的发展矧现状 在我国，6 0 的发电量是通过电动机消耗掉的。因此，如何利用电机调速技 术进行电机运行方式的改造以节约电能，一直受到国家和业界人士的重视。现在， 我国已有很多公司、企业和研究单位从事变频调速技术的研究与开发工作。但自 行开发生产的变频调速产品和国际市场上的同类产品相比，还有比较大的技术差 距。随着改革开放和经济的高速发展，变频调速技术己形成了一个巨大的市场。 为适应社会经济和经济建设的高速发展，我国采取要么直接从发达国家进口现成 的变频调速设备：要么内外结合，即在自行设计制造的成套装置中采用外国进口 或合资企业的先进变频调速设各，然后自己开发应用软件的办法，很好地为国内 重大工程项目提供了电气传动控制系统的解决办法，适应了社会的需要”1 。总之， 虽然国内变频调速技术取得了较好的成绩，但是总体上来说国内自行开发、生产 相关设备的能力还比较弱，对国外公司的依赖性还很严重。 当前国内变频调速行业的主要特点有“3 ： ( 1 ) 变频器的整机技术落后： 国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力研究变频技术、开发新产品，但 由于分散，并没有形成一定的技术和生产规模。 ( 2 ) 变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白； ( 3 ) 相关配套产业及行业落后； ( 4 ) 产品可靠性及工艺水平低。 1 3 变频调速技术的发展趋势 交流变频调速技术是一项强、弱电结合、机电一体化的综合性技术。它既要 处理巨大电能的转换( 整流、逆变) ；又要处理信息的采集、变换和传输。因此， 它的共性技术必定是分成功率和控制两大部分。前者既要解决与高压大电流有关 基于变频调速在泵站控制系统中应用的研究 的技术问题，又要解决新型电力电子器件应用的技术问题。后者要解决( 基于现 代控制理论的控制策略和基于智能控制的控制策略问题) 硬、软件开发问题( 在 目前状况下主要是全数字控制技术) 。其未来发展的主导趋势是“。： ( 1 ) 实现高水平的控制 基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接转矩控制 和机械扭振补偿等；基于现代控制理论的控制策略有：有滑模变结构技术、模型 参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器、在某种指标意 义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等；基于智能控制思想的控制策 略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化自诊断技术等。 ( 2 ) 开发清洁电能的变频器 所谓清洁电能变频器是指变频器的功率因数为1 ，网侧和负载侧的谐波分量 尽可能低，对电网的公害和电动机的转矩脉动减小到很低的变频器”1 。新型通用 变频器除了采用高频载波方式的正弦波s p w m 调制实现静音化外，还在通用变频器 输入侧加交流电抗器或有源功率因数校正电路a p f c ，雨在逆变电路中采取 s o f t p w m 控制技术等，以改善输入电流波形，降低电网谐波；而在抗干扰和抑制 高次谐波方面符合e 5 f 【c 国际标准，实现所谓的清洁电能的变换”3 。如三菱公司的 柔性p w m 控制技术，实现了更低噪音运行。对中小容量变流器，提高开关频率的 p w j l 4 控制是有效的。对大容量变流器，在常规的开关频率下，可改变电路结构和 控制方式，实现清洁电能的变换。 ( 3 ) 缩小装置的尺寸 紧凑型变频器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率 模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小 体积变压器、电抗器和电容器等。功率器件冷却方式的改变( 如水冷、蒸发冷却 和热管) 对缩小装置的尺寸也很有效。现在主回路中占发热量5 0 “7 0 的绝缘栅双 极型晶体管i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 的损耗已大幅度减少，集电极 一发射极的饱和电压大为降低，现已开发出了第四代i g b t ， ( 4 ) 系统化 变频技术的发展与其相关技术的发展是分不开的。变频技术的发展是将电 网、整流器、逆变器、电动机、工作机和控制系统等作为一个整体，从系统上进 行考虑。通用交频器除了发展单机的数字化、智能化、多功能化外，还向集成化、 系统化方向发展。如西门子公司提出的集通讯、设计和数据管理三者于一体的“全 集成自动化”( t i a ) 平台概念，可以使变频器、伺服装置、控制器及通讯装置等 集成配置，甚至连自动化和驱动系统、通讯和数据管理系统等都可以像驱动装置 那样嵌入“全集成自动化”系统那样运行，目的是为用户提供最佳的系统功能。 ( 5 ) 网络化 4 硕士学位论文 新型通用变频器可提供多种兼容的通信接口，支持多种不同的通信协议。其 内设有r s 一4 8 5 接口，可由个人计算机向通用变频器输入运行命令和设定功能码数 据等，通过选件可与现场总线：p r o f i b u s d p ，i n t e r b u s s 、d e v i c en e t 、m o d b u s p l u s 、c c l i n k 、l o n w o r k s 、e t h e r n e t 、c a n 即e n 、t l i n k 等通讯。立西门子、 v a c o n 、富士、日立、三菱、普传、台安、东洋等品牌的通用变频器，均可通过 各自可提供的选件，支持上述几种或全部类型的现场总线”1 。 ( 6 ) 模拟与计算机辅助设计( c a d ) 技术 电机模拟器、负载模拟器以及各种c a d 软件的引入，为变频器的设计和测试 提供了强有力的支持。 1 4 供水方式简介 在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式。 ( 1 ) 单台恒速泵的直接供水系统 在这种供水方式中，水泵从蓄水池中抽水加压后直接送往用户；有的甚至连 蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用水网压力的稳定。 这种供水方式，水泵整日不停运转，有的可能在夜间用水低谷时段停止运行。这 种系统形式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，水压不稳，供水质量极差。 ( 2 ) 恒速泵加水塔的供水方式 这种方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度是使 水塔最低水位略高于系统所需压力。水塔注满后水泵停开，水塔水位低于某一位 置时再启动水泵。水泵处于断续工作状态中。这种供水方式水泵工作在额定流量 额定扬程的条件下，水泵效率处于高效区。这种方式显然比前一种节电，其节电 率与水塔容量，水泵额定流量，用水不均匀系数，水泵的开停时间比，开停频率 等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最 大，水压不可调，不能兼顾近期与远期的需要。而且系统水压不能随系统所需流 量和系统所需要压力下降而下降，故还存在一些能量损失和二次污染问题。而且 在使用过程中，如果该系统水塔的水位监控装置损坏的话，泵不能进行自动地开、 停，这样泵的开、停，将完全由人操作，这样将会出现能量的严重浪费和供水质 量的严重下降。 ( 3 ) 恒速泵加高位水箱的供水方式 这种供水方式的原理与恒速泵加水塔的供水方式原理是相同的，差别只是水 箱设在建筑物的顶层；占地面积与设备投资都有所减少。对于高层建筑，还可分 层设水箱。但这种供水方式对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物 的限制，容积不能过大，所以供水范围较小。水箱的水位监控装置也容易损坏， 这样系统的开停将全靠人来操作，使系统的供水质量下降和能耗急剧增加。 基于变频调速在泵站控制系统中应用的研究 ( 4 ) 恒速泵加气压罐供水方式 这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制 泵的开停。罐的占地面积与水塔水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设 备的成本比水塔要低得多。由于气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进 入而被污染的可能性。因此很受欢迎，应用十分广泛。但气压罐供水方式也存在 着许多缺点，这在介绍完变频调速供水方式后，再将二者作一比较。 ( 5 ) 变频调速供水方式 这种系统的原理是通过设在系统中 的压力传感器将系统压力信号与设定值 作比较，再通过控制器调节变频器的输出，无级调节水泵转速。使系统水压无论 流量如何变化始终稳定在一定的范围内。变频调速供水的水泵调速控制方式有三 种：水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点的恒压控制。 水泵出口恒压控制是将压力传感器设在水泵出口处，使系统在运行过程中水 泵出口水压恒定。这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例较小， 最不利点的流出水头高于设计值，故水泵出口恒压控制方式不能得到最佳的节能 效果。 水泵出口变压控制也是将压力传感器设在水泵出口处，但其压力设定值不只 是一个。是将每日2 4 小时按用水曲线分成若干时段，计算出各时段所需的水泵 出口压力，进行全日按时段变压，各时段恒压控制。这种控制方式其实是水泵出 口恒压控制的特殊形式。他比水泵出口恒压控制方式更能节能，但这取决于将全 天2 4 小时分成的时段数及所需水泵出口压力计算的精确程度。所需水泵出口压 力计算得越符合实际情况越节能，将全天分得越细越节能，当然控制的实现也越 复杂。 最不利点恒压控制是将压力传感器设在系统最不利点处，使系统在运行过程 中最不利点的压力恒定。这种方式的节能效果是最佳的，但是由于最不利点一般 距离泵房较远，信号传递工程在实际应用中受到诸多限制，因此工程中很少采用。 变频调速供水方式基建、设备投资和占地面积比水塔式和气压罐式供水系统 都要少，输出水压设定值可任意调节，方便灵活，适应力强；可以说是目前最理 想节能效果最好的供水方式。现将变频调速供水方式和气压罐供水方式作一比 较。 变频调速式在节能效果上明显优于气压罐式。气压罐式依靠压力罐中的压缩 空气送水，气压罐配套水泵在运行时，是在额定转速、额定流量的条件下。当系 统所需水量下降时，供水压力超出系统所需压力而造成能量的浪费。同时水泵是 满频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。而变频调速式当系统用水量下 降时，可无级调节水泵转速，使供水压力与系统所需水压大致相等，这样就节省 了许多电能。而且其变频调速式水泵采用软启动，启动时冲击电流很小，又降低 硕士学位论文 了启动能耗，进一步节能。气压罐是用钢材制造，一般情况下建筑面积4 o 万 m 2 需安装中1 5 m ，l 2 5 m 的气压罐2 个。气压罐式的供水方式耗钢量较大。因而， 如果在全国推广气压罐式供水系统，这对我国来说将是一项较大的投入。而变频 调速供水系统的变频器是一台由微机控制的电气设备，不存在消耗大量钢材的问 题。另外由于气压罐体积大，一般数量多为2 3 个，这样需占地面积一般为几十 平米；而变频调速中的调速装置占地面积仅为零点几平米。由此可见，变频调速 比气压罐式供水系统节省了占地面积，由此将带来土建投资的节省。在运行效果 上，气压罐式与调速式相比也存在着一定差距。气压罐式的运行不稳定，突出表 现在它启动频繁。而且由于气压罐的调节容积仅占其总容积的1 3 “1 6 ，因而每 个罐的调节能力很小，只得依靠频繁的启动来保证供水，这样不仅增加了启动能 耗，还将产生较大的噪声和电信号的干扰，严重影响居民生活。此外，由于压力 不稳，启动过于频繁，加之又是硬启动，所以电气和机械冲击较大，设备损坏很 快，管网和卫生设备也因水压冲击有加大泄漏的可能。调速式的供水系统，没有 频繁的启动现象，加之启动方式为软启动，设备运行十分稳定、可靠，不仅可避 免电气、机械冲击，又由于压力稳定，可使小区管网和卫生设备的泄漏量明显降 低，噪音、振动下降，周围居民的生活也不受影响或甚微。更主要的是由于调速 式是经水泵加压后直接送往用户的，防止了气压罐中由于气水接触、隔膜与水接 触而可能造成的水质二次污染，保证了饮用水水质的安全可靠。 由此可见，变频调速式供水系统具有节能、节省资源消耗、节省投资，调节 能力大、运行稳定可靠等诸多优势，具有明显的经济效益和社会效益。 1 5 本文的研究内容 本文的研究内容主要为： ( 1 ) 根据变频控制基本原理结合泵的运行性能曲线，确定供水系统中泵的变 频控制供水方案； ( 2 ) 推导出变频调速恒压供水控制系统的数学模型： ( 3 ) 对影响泵调速范围、节能效果的一些主要因素进行详细的分析和研究； ( 4 ) 采用a t 8 9 c 5 1 单片机设计变频调速恒压供水系统的控制原理图及构成该 控制系统的硬件结构图； ( 5 ) 采用a t 8 9 c 5 1 单片机的汇编语言设计实现该系统控制的软件流程图，并 编制出能够实现该系统控制的软件程序。 基于变频调速在泵站控制系统申应用的研究 第二章泵变频调速节能的理论分析 2 1 泵变频调速供水系统方案的选择 综合比较与考虑各种供水方式的优缺点，本文采用了变频调速恒压供水方 式。 2 2 水泵供水的基本模型与主要参数 ( 一) 基本模型 如图2 1 ( b ) 所示，是一个供水系统的基本模型。水泵将水池中的水抽出，并 上扬至所需高度，以便向用户供水。 圈2 i水泵供水的慕本模捌 ( a ) 全扬稷鹞虢态：( b ) 慕率模塑 ( 二) 供水系统的主要参数 1 流量 是单位时间内流过流道内某一截面的水量，以q 表示，常用单位是棚3 s 、 脚3 m i n 、聊3 矗等。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 是单位质量的水被水泵上扬时所获得的能量，称为扬程。以h 表示，常用单 位是m 。扬程主要包括三部分： 硕士学位论文 ( 1 ) 提高水位所需的能量； ( 2 ) 克服水在管路中的流动阻力( 管阻) 所需的能量。 ( 3 ) 使水流具有一定的流速所需的能量。 由于在同一个管路中，上述的( 2 ) 和( 3 ) 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，常简略地把水从一个位置“上扬”到另一位置时，水位的变化量( 即 对应的水位差) ，用来代表扬程。 3 全扬程 所谓全扬程，也叫总扬程，或水泵的扬程。它是表征水泵扬水能力的物理量， 并以臻表示。在数值上它等于克服管路阻力，流速水头，水泵能够上扬水的最 大高度，如图2 1 ( a ) 所示。 4 实际扬程 即通过水泵实际提高的水位所需的能量，以日。表示。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，如图2 1 ( b ) 所示。 5 损失扬程 全扬程与实际扬程之差，即为损失扬程，以日，表示。 巩、珥和皿之间的关系是 珥= 峨+ 吼 ( 2 1 ) 6 ，管阻 表示管道系统( 包括水管、阀门等) 对水流阻力的物理量，以r 表示。因为 r 不是常数，难以用公式来简单、定量地计算，通常用扬程与流量间的关系曲线 来描述，它的单位也用m 来表示。 7 压力 ， 是表明供水系统中某个位置( 某一点) 水压的物理量，以p 来表示。其大小 在静态时主要取决于管路的结构和所处的位置，而在动态情况下，还与供水流量 和用水流量之间的平衡情况有关。 2 3 供水系统的特性与工作点 ( 一) 供水系统的特性 1 扬程特性 在管路中阀门完全打开的情况下，表明实际扬程h 。随流量q ，变化的曲线 吼= ，( q f ，) ，称为扬程特性曲线“，如图2 2 所示。图中，a 1 点是流量较小( 等 于q 1 ) 时的情形，这时，实际扬程较大，为矾；a 2 点是流量较大( 等于q 2 ) 时的情形，这时，实际扬程较小，为h 基于变频调速在泵站控制系统中应用的研究 h h i h a 2 o q jq 2q 图2 2 扬程特性 h t i h o qqq 图23 管阻特性 在供水系统中：水泵是供水的“源”，因此，扬程特性可以看成是“水源特 性”，或者说，是“水源”( 即水泵) 的外特性”。意思是说，用户用水越多( 流 量越大) ，管道中的摩擦损失以及保证流速所需的能量也越大，故供水系统的实 际扬程就越小。 、 在这里，流量的大小取决于用户，因此，扬程特性反映了用户的用水需求对 实际扬程的影响。这里所说的流量，可以称为“用水流量”，用岛表示。 2 管阻特性 也叫管路特性，是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 水所需要的扬程。因此，这里的流量，可以理解为“供水流量”，用臻表示。所 以，管阻特性的函数关系是珥= ，( q g ) ，如图2 3 所示。 显然，当全扬程不大于实际扬程( 珥日。) 时，是不可能供水( q g = o ) 的。 因此，实际扬程也就是能够供水的“基本扬程”。 在实际的供水管道中，流量具有连续性，并不存在“供水流量”与“用水流 量”的差别。这里的蜴和q ，是为了便于说明供水能力和用水需求之间的关系而 假设的量。 图2 3 表明，在供水流量较小( q g = q 1 ) 时，所需扬程也较小( 珥= 珥) ， 如b 1 点；反之，在供水流量较大( q g = q 2 ) 时，所需扬程也较大( 珥= 珥：) ， 如b 2 点。 ( 二) 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，称为供水系统的工作点”，如图2 4 中的a 点所示。在这一点：供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性。 供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。 硕士学位论文 h h o h t h o q q 图24 供永系统的工作点 如阀门开度为l o o 、转速也为1 0 0 ( 与额定转速之比) ，则系统处于额定状 态，这时的工作点称为额定工作点，或自然工作点。 2 供水功率l 供水系统向用户供水时所需的功率1 最( k w ) 称为供水功率”“，供水功率与 流量q 和扬程珥的乘积成正比，即 尼= q 珥q ( 2 2 ) 式中 c 。一一比例常数。 由图2 4 可以看出：供水系统的额定功率与o d a g 的面积成正比。 2 4 泵变频调速节能的基本原理 供水泵站的基本任务是满足管网中对流量、扬程的要求。传统调节流量的方 法采用阀门控制法，即通过关小或开大阀门来调节流量，而转速则保持不变”“。 这样运行的结果是水泵的工作效率低，浪费了大量的动力能。而转速控制法的原 理如下： 由比例定律他： q l ，q 2 = 啊伤 ( 2 3 ) q 马= ( q 也) 2 ( 2 4 ) 式中隅、一水泵的转速，单位为r m i n ； q 】、q 一分别为转速强，毪对所对应的泵流量，单位为s ； 日，、凰一分别为转速强，坞时所对应的泵扬程，单位为m 。 由式( 2 3 ) ，( 2 4 ) 可见，通过调节泵转速能很方便地实现改变通过泵的流 量、扬程，从而达到满足供水的要求。 所谓水泵变频调速，即指通过改变异步电动机定子端输入电源的频率，以改 变电动机的转速，从而达到改变水泵转速：的目的。异步电动机的转速公式为。“： 基于变频调速在泵站控制系统中应用的研究 胛= 6 0 ( 1 一j ) p ( 2 ，5 ) 式中n 一电动机转速，单位为r m i n ； 厂一电源频率，单位为见； s 一转差率； 口一电动机磁极对数。 从式( 2 5 ) 可看出，要改变转速，采取的措施可以有：改变转差率s ； 改变电动的极对数p ：改变定子供电频率f 。然而，一旦泵配套电动机选定 后，其p 和s 都是已经为定值的了。那么电动机的转速将与供电的频率成正比， 即电源频率越高，转速则就越高；反之，转速越低。所谓泵的变频调速就是通过 改变供电频率来改变电动机的转速，从而改变泵的转速，以实现泵流量、扬程满 足供水要求的。 变频恒压供水的基本原理可由图2 5 表明。图中画出的一组曲线是泵在不同 转速( n = n o ，n 。，n ”) 下的q h 曲线。对哥不调速运行的泵，其工作点只能在n = 对应的一条曲线上移动。当用户所需流量从q 0 减小为q 2 时，阀门控制法只能通 过关小阀门来实现。由于阀门摩擦阻力变大，管阻特性曲线从曲线l 变到曲线2 ， 而扬程特性仍为n = 时的曲线，故供水系统的工作点由a 点移到4 点。这时， 流量减少了，但扬程却增大了置4 段的高程。 而转速控制法通过自动调节泵的转速，可使管网的某一参数点的水压始终保 持恒定。譬如，当计算点取在泵出口，且流量分别为q o 、q 1 、q 2 时，将泵转速 分别调在、强、珥时，则泵的出口压力就仍保持恒定在( 工作点分别为a 、骂、 鼠) 原a 点的压力值。这种供水方式即所谓“恒压供水”。如果计算点远离泵出 水口，当流量分别为q o 、q l 、q 2 时，泵转速应分别调在、挖：、确( 工作点分 别为a 、c l 、c 2 ) ，这样考虑管网损失后，计算点上的水压也基本是恒定的。可 见，当计算点远离泵出水口时，为了保谴计算点的水压是恒定的，泵的出口水压 是变动的，这种供水方式又称为“变压供水”。 从图2 5 不难看出，当流量分别为q l 和q 2 时，恒压供水方式e e 不调速泵供 水方式分别节省墨4 和b 爿：段扬程：而变压供水比恒压供水又分别节省了c 1 蜀和 c 及段的扬程。 硕士学位论文 圈2 5 转速调节泵工作特性基本原理示意图 图26 两种方桂供水功率的比较 下面，我们再从供水功率来看变频调速的节能。如图2 6 所示，当用户所需 流量从q 1 减小为q 时，若采用阀门控制法来实现，则管阻特性将改变为曲线， 而扬程特性则仍为曲线，故供水系统的工作点由a 点移至b 点。这时：流量减 小了，但扬程却从皿增大为碍；由式( 2 2 ) 可知，供水功率炜与面积o e b f 成 正比。当采用转速控制法时当转速下降时，扬程特性下降为曲线，管阻特性则 仍为曲线，故工作点移至c 点。可见：在流量由q l 减小为q ，的同时，扬程也 从凰减小为e ：供水功率最与面积0 e c h 成正比。 比较上述两种调节流量的方法，可以看出：在所需流量小于额定流量的情况 下，转速控制时的扬程比阀门控制时的小得多，所以转速控制方式所需的供水功 率也比阀门控制方式的小得多。两者之差凹便是转速控制方式节约的供水功率， 它与面积h c b f ( 图中的阴影部分) 成正比。 我们再从泵的运行效率看节能。首先，由图2 7 效率曲线中的曲线1 可以 看出，当流量q = q 2 时，其效率将降至b 点。可见，随着流量的减小，水泵运行 效率的降低是十分显著的。而在转速控制方式下，其效率曲线因转速而变化，在 屿时的效率曲线如图中的曲线2 所示。当流量q = q 时，效率由c 点决定，它和 q = 9 1 时的效率( a 点) 基本是相等的。就是说，采用转速控制可使水泵的效率 总处于最佳状态。 h 啦 巩 岛 基于变频调速在泵站控制系统中应用的研究 也u q 图2 7 水泵的流量效率曲线 l 从所耗电动机的功率看节能。水泵厂在生产水泵时，由于：( 1 ) 对用户的 管路情况无法预测；( 2 ) 管阻特性难以准确计算：( 3 ) 必须对用户的需求留有足 够的余地。因此，在决定额定扬程和额定流量时，通常裕量较大，所选电动机的 裕量也较大”。所以，在实际的运行过程中，既使在用水流量的高峰期，电动 机也常常达不到满载状态，因而其效率和功率因数都较低。采用了转速控制方式 后，可将阀门完全打开而适当降低电动机的转速。由于电动机在低转速运行时， 变频器的输出电压也将下降，从而降低了所需电动机的功率。 综合起来，水泵的轴功率与流量间的关系如图2 8 所示。图中，曲线是调 节阀门开度时的功率曲线，当流量q = 6 0 对，所消耗韵功率由b 点决定；曲线 是调节转速时的功率曲线，当p = 6 0 时，所消