（电气工程专业论文）变频恒压供水系统的研究与应用.pdf

重庆大学工程硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e b p m e n to ft h es o c i o - c c o n o m yo fo u rc o u m r y , t h eh o u s i n g s y s t e mi sg o i n gd e e pi n t or e f o r m s ，a n dp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r di sb e i n gi m p r o v e d a t t h es a m et i m e ，i nt h ec i me a c hk i n do fs u b d i s n i c tc o m t r u c t i o ni sd e v e b p i n gv e r y q u i c k 耽w h i c hp u t sf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n tf o rt h ei n f r a s t r u c t u r ec o n s t r u c t i o no f s u b - d i s l r i c t a n dt h ec o n s t r u c t i o no f s u b - d i s t r i ：tw a t e rs 印p l ys y s t e mi sa ni m p o r t a r t a s p e c ti nw h i c kt h er e l i a b i l i t y , s t a b i l i t ya n de c o n o m yo f w a t e rs u p p l yd i r e c t l ya f f e c t s s u b - d i s l r i c th o u s e h o k l sn o r m a lw o r ka n dl i f e a n da l s oe m b o d b st h ed i f f e r e n c ei nt h e l e v e lo f s u b d i s t r i c tp r o p e r t ym a m g e m e n t t h et r a d i t i o n a lm e a n so f w a t e rs u p p l ys u c h 勰t h ep u n pp r e s s u r i z a t i o nw a t e rs u p p l ya tc o n s t a n ts p e e d ，w a t e rt o w e ro fu p p e r c g t e r r l ，t h ej a re t e a r eh a r dt os a t i s f yt h en e e d so f c u r r e n te c o n o m i el i f e , b e c a a s el o w e f f i c i e m y , r e t i a b i t i t ya n da u t o m a t i o nl e v e la t ea l lc o m m o n l ye x i s t i n gi nt h e s el l l e a l e s oi ti si n e v i t a b l et e l i 弛f c yt od e s i g nw a t e rs u p p l ys y s t e mw h i c hh a sh i g hf u n c t i o n a n ds a v e so ne n e r g yw e l l , w i t hh d po f a d v a n c e dt e c h n i q mo f a u t o m a t i o n , c o n t r o la n d c o m m u n i c a t i o na tt h es a m et i m et h i ss y s t e mc a na d a p td i f f e r e n tw a t e rs u p p l yf i e l d s t h i sp a p e re x p l a i n sw a t e rs u p p l ys y s t e n l t se n e r g y - s a v i n gp r i n c i p l eo fp u m po f s p e e dc o m r o ta c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i cc l r v eo f r u n n i n gp i p e l i n e sa n dw a t e rp u m p , a n a l y z e st h es l r u e t u r eo fv fs p e e dr e g u l a t i n gc o n s t a n tp r e s s t a ew a t e rs u p p l ya n d g i v e ss e v e r a lc o m r o lm e t h o d sw h o s ef e a t m e sa r er e s e a r c h e da n dc o m p a r e di nt h i s p a p e r o nt h eb a s i so f a b o v e ，i tc a n b ec o n e l u d e dt h a tf k q l m yc o n v e r t e rt i m i n gi sa t i m i n gm o d ew h i c h t a k e sp r e c c d e l 】c eo f a n yo t h e rf o r m e r l yt i m i n gm o d e i ti sa t m o s t b e n e f 记b e s tc a p a b i l i t y , b r o a da p p l i c a t i o na n db e s tp r o m i s i n gm o t o rt i m i n gt e c i m o l o g y i ta d o p t sc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y , e l e c t r i ct e c h n o l o g ya n dm o t o ti r a m m l s s i o n t e c h n o b g yt or e a l i z es t e p l e s st i m i n go fi n d u s 台 ya cm o t o ra n dh a sh i g he f f i c e n e y , b r o a dr a n g ea n dh i g lp r e c i s i o nc h a r a c t e r i s t i c s s op l ca n di n v e a e f sm e t h o df i t s w a t e rs u p p l ys y s t e ma n dd a t at r a n s m i s s i o nv e r yw e l t t h i sp a p e rs l a t e st h em o d i f i c a t i o nw o r k su s i n gc o n w r t e ra n dp l co nt h em o t o ro f w a t e rp u m pd b o m1 6 0 k wa n d7 5 k w , r e f e r e n c et ot h ee r l o ra n di n n a t e n e s sd r a w b a c k o ft h em e a r eo fv a l v et o n a l f i s t , s t a r t i n gf r o mt h ef e a s i b i l i t ya m l y s i so f w a 柞s 印p l ys y s t e mw i t hv a r i a b l ef i c q u e n c ya n dc o n s t a n tp r e s s u r e ，a m l y s i s t h e t h e o r y , t e c h n i q u ea n de c o n o l i l i c 白a s b i l i t yo fa l t e r a t i o n s e c o n d 。t h ep a m m o t e r si n t h ec o n v e r t e ra r ed e t e r m i n e d t h en n i nc i r c u i t , o p e r a t i o nm o d e l , c o n l r o lm o d ea n d 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 c o n 由 o ln o wo ff i e q n c yc o n v e r s m na r ed e s 蛔c d t h es t e p st h a ts e k t c dt y p e ， i n s t a 蜥gc o 删n i 瞄i o n i n ga l l do p e r a t b no ft h em o t o ra d d r e s s e d 证d e t a uo nt k b 豁j co ft h ea m l y t k a lm s u 甄a l l da m l y s i st h ep r o b k ma n da m d u n c o m e i t 缸 i n s t a l h t b na n do p e r a t b gf i m 吼t b cp r a c t i c a ll 皿n 时每c o m l u d e db yn l n n i n g a m l y s e s 强n yp r o b k m s 蛔a p p l i c a t i d na n dc l l a i a c 协f i s t i c o fs y s t e 玛p o 缸乜o l 哇 a c h i e 、l e 如e n t i i l f r e q m m y c o n v e r t e r 妣h m l o g y 8 i i l f l a w s i l la p p l i c a t i d n k e yw o r d s ：c o i 妇n t 雎嚣骶w a t e r s i 卯坶， v 皴h b k 、j e b c 毋v 甜h b k 丘e q 吲y ， p l c m 独创性声明 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。据我所知，除了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，也不包含为获得重庞太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：朱健干签字日翟：姗7 年，月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重鏖太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重迭太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：辛谴干 签字日期：知哆年岁月哆日 导师签名：食芝巍 签字日期：岬年歹月畛日 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1 引言 水是生命之源，人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中， 基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵，产生压力使管网中的自来水流动， 把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时，也消耗大量的能量， 如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时，降低能耗， 将具有重要经济意义。 我国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多，在工程规模上也有一定水平， 但在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比，还有一 定的差距。 随着社会经济的迅速发展，人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提 高。衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定，因为水压恒定于某些工 业或特殊用户是非常重要的，如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不 能迅速灭火，会造成更大的经济损失或人员伤亡。但是用户用水量是经常变动的， 因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生，并且集中反映在供水的压力上： 用水多而供水少，则供水压力低；用水少而供水多。则供水压力大。保持管网的 水压恒定供水，可使供水和用水之间保持平衡，不但提高了供水的产量和质量， 也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性。 对于大多数采用供水企业来说，传统供水机泵存在日常运行费用太高，供水 成本居高不下，单位供水的能耗偏大的问题，寻求供水与能耗之间的最佳性价比， 是困扰企业的一个长期问题。目前各供水厂的供水机泵设计按最大扬程与最大流 量这一最不利条件设计，水泵大多数时间在设计效率以下运行。导致电动机与水 泵之间常常出现大马拉小车问题( 如图1 1 ) 。因此，如何解决供水与能耗之间的 不平衡，寻求提高供水效率的整体解决方案。是各供水解水企业关心的焦点问题 之一。 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。利用变频技术与自动控制技 术相结合，在中小型供水企业实现恒压供水，不仅能达到比较明显的节能效果， 提高供水企业的效率，更能有效保证从水系统的安全可靠运行。 变频恒水压供水系统集变频技术、电气传动技术、现代控制技术于一体。采 用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 集中管理与监控；同时可达到良好的节能性，提高供水效率。所以研究设计基于 变频调速的恒定水压供水系统( 简称变频恒压供水，如图1 2 ) ，对于提高企业效率 以及人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义【2 d 1 。 窿 图1 1 传统供水机泵示意图 f j 9 1 1d i a g r a mo f t r a d i t i o n a l m a c h i n ep u m p 图1 2 变频供水机泵示意图 f i 9 1 2d i a 罂 a mo f f r e q u e n c y c o n v e r s i o np u m p 1 2 变频恒压供水产生的背景和意义 我国长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一 直比较落后，工业自动化程度低。主要表现在用水高峰期，水的供给量常常低于 需求量，出现水压降低供不应求的现象；而在用水低峰期，水的供给量常常高于 需求量，出现水压升高供过于求的情况，此时会造成能量的浪费，同时还有可能 造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式，多采用频繁启停电 机控制和水塔二次供水调节的方式，前者产生大量能耗的，而且对电网中其他负 荷造成影响，设备不断启停会影响设备寿命；后者则需要大量的占地与投资。且 由于是二次供水，不能保证供水质的安全与可靠性。而变频调速式的运行十分稳 定可靠，没有频繁的启动现象，启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了 电气、机械冲击，也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见，变频调 速恒压供水系统具有供水安全、节约能源、节省钢材、节省占地、节省投资、调 节能力大、运行稳定可靠的优势，具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会 效益。 1 3 变频恒压供水的现况 1 3 1 国内外变频供水系统现状 变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。目前国外的恒 压供水系统变频器成熟可靠，恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主 要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠，变压方式 更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多，因而投资成本高。 国外生产的变频器，特别是供水厂用变频器，相对于国产变频器而言，价格 2 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 明显偏高，维护成本也高于国内产品。 目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广，国产变频器主要 采用进口元件组装或直接进口国外变频器，结合p l c 或p i d 调节器实现恒压供水， 在小容量、控制要求的变频供水领域，国产变频器发展较快，并以其成本低廉的 优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上，国 产变频器有待于进一步改进和完善i “ 6 1 。 1 3 2 变频供水系统应用范围 变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类： ( i ) 小区供水( 加压泵站) 变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压 站，特点是变频控制的电机功率小，一般在1 3 5 k w 以下，控制系统简单。由于这 一范围的用户群十分庞大，所以是且前国内研究和推广最多的方式。如希望集团 ( 森兰变频器) 推出的恒压供水专用变频器( 5 5 k w 一2 2 k w ) 。 ( 2 ) 国内中小型供水厂变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂这类变频 器电机功率在1 3 5 k w - 3 2 0 k w 之间，电网电压通常为2 0 0 v 或3 8 0 v 。受中小水厂 规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。 ( 3 ) 大型供水厂的变频恒压供水系统 这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大( 一般都大于 3 2 0 k w ) 、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较 高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。如利德福华的一些高压供水变频器 在本文中，研究和设计的变频器是以第二种应用范围为基础。 目前国内，除了高压变频供水系统，多数恒压供水变频系统均声称只要改变 容量就可以通用于各种供水范围，但在实际运用中，不同供水环境对变频器的要 求和控制方式是不一致的，大多数变频器并不能真正实现通用。以中小水厂供水 环境来说，由于其包括了自来水生产系统，其温湿度及腐蚀程度都大于常见小区 和加压泵站，在水泵组搭配上、需要处理的信号( 如水质信号停机管理) 也多于小 区供水系统，所以在部分条件复杂的中小水厂，采用通用的恒压供水变频系统并 不能完全满足实践要求。现部分中小水厂已认识到这一情况，并针对实际情况对 变频恒压供水系统加以改进和完善。 1 3 3 变频供水系统的发展趋势 ( 1 ) 变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展 在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高。很多专用供水变频器集 成了p l c 或p i d ，甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简 重庆大学工程硕士学位论文i 绪论 单，部分新品的变频供水只需简单设定压力值就可以正常运行，控制软件和其它 参数在出厂时就已设定或利用传感器自动获取完毕。 ( 2 ) 高压变频系统在供水行业中的应用 在过去变频供水涉及较少的商压变频系统，也是发展的重要方向，高一低- 高 型的高压变频系统、串联多电平高压变频供水系统目前己在实际应用中不断完善 高压高频中的谐波等问题也逐步得到解决。 ( 3 ) 变频送水系统正在融入更全面的供水管理系统 面对日益复杂的供水系统，如何在满足供水需求的前提下，最大限度地提高 供水系统的效益，是所有供水部门共同面临的重要课题。目前，在美国、日本、 法国等地的有些城市已基本上实现了供水系统的计算机优化，把变频供水与计算 机直接调度管理结合起来，我国也正在进行着这方面的研究与小范围应用( 如图 1 3 1i 可一聊。 图1 3 供水的综合调度和控制示意图 r i g ) 3 t h e e o n b o la a d c o m b i n e dd i s p a t c h i n g m a po f w a t e rs u p p l y 1 4 课题的来源和主要研究内容 1 4 1 课题的来源 本课题来源于供水生产的实际应用，并通过对乐山第一水厂供水进行变频电 机改造的设计，对变频电机在供水中的设计应用、效能进行分析与研究。 乐山市第一水厂是乐山市市中区老城的个供水厂，建于5 0 年代末，是典 型的老式国内中小型供水厂。供水电机上，采用4 台电机供水，其中备用机组2 台。电机为y 3 1 5 l i 4 1 6 0 k w 三台。y 2 8 0 s 4 7 5 k w 两台，所带泵分别为3 0 0 s 5 8 和2 5 0 s 3 9 ，控制由控制人员集中控制。电源采用3 8 0 k v 专线一根，公网备用线 路一根，电网频率5 0 h z 。 第一水厂供水量全日时变化系数较大，从2 5 0 立方糟小时到超过1 0 0 0 立方 米4 , 时不等。通常供水时，在供水量为较小时，采用一台y 2 8 0 s 4 7 5 k w 电机带 动2 5 0 s 3 9 水泵供水，在供水量较高时采用一台y 3 1 5l 1 4 1 6 0 k w 电机带动3 0 0 s 5 8 4 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 水泵供水，在供水量超过1 0 0 0 立方米时，采用两台y 3 1 5 l 1 4 1 6 0 k w 电机带动 3 0 0 s 5 8 水泵供水。由于电机不采用变频操作，为达到合理的供水量和压力，通常 在采用y 2 8 0 电机带动2 5 0 s 3 9 水泵和两台y 3 1 5 电机带动3 0 0 s 5 8 水泵供水工作 时，均要进行阀门控制，通过掩阀来对水泵出口供水压力和流量进行控制。据统 计，第一水厂工作人员平均每日进行机泵切换6 - 8 次，掩阀3 - 4 次，造成劳动强 度过大；同时由于频繁的启停机和掩阀限制流量，也导致供水电耗偏高，每千 吨自来水的供水电耗为1 4 0 度。 因此，在第一水厂探讨采用变频技术实现供水电机的变频运行，减少工作人 员劳动强度，实现节能降耗，已成为一种现实技术选择。 1 4 2 主要研究内容 通过扬程特性曲线和管阻特性曲线分析供水系统的工作点，根据管网和水泵 的运行曲线，说明采用变频供水系统的节能原理 分析变频恒压供水系统的组成及特点，探讨水厂变频恒压供水系统的控制策 略，并归纳实用性的控制方案。 在对第一水厂供水电机现况和电耗进行具体分析的基础上，对水厂变频恒压 供水系统进行设计、安装与试运行；并在此基础上，分析变频恒压供水系统的实 际性能与使用效果。此外，通过对变频系统设备的分析，探讨变频供水系统安装 维护与注意事项。 重庆大学工程硕士学位论文 2 变频恒压供水的理论分析 2 变频恒压供水的理论分析 2 1 水泵的工作原理 供水所用水泵主要是离心泵，普通离心泵如图2 1 所示：叶轮安装在泵壳2 内，并紧固在泵轴3 上，泵轴由电机直接带动，泵壳中央有一液体吸入口4 与吸 入管5 连接，液体经底阀6 和吸入管进入泵内，泵壳上的液体排出口8 与排出管 9 连接。 在泵启动前，泵壳内灌满被输送的液体：启动后，叶轮由轴带动高速转动， 叶片问的液体也必须随着转动。在离心力的作用下，液体从叶轮中心被抛向外缘 并获得能量，以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中，液体由于流道的逐 渐扩大而减速，又将部分动能转变为静压能。最后以较高的压力流入排出管道， 送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时，在叶轮中心形成了一定的真空，由 于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力，液体便被连续压入叶轮中。可见， 只要叶轮不断地转动，液体便会不断地被吸入和排出。 轴 图2 i 离心泵结构示意图 f j g2 1t h es l r u c t u r e s c h e m eo f c e n e i f u g a lp u m p 2 2 供水电机的搭配 供水电机驱动离心泵运行，和离心泵共同组成了供水系统的整体，电机的配 置主要以水泵供水负载来决定。 电动机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负 6 重庆大学工程硕士学位论文2 变频恒压供水的理论分析 载下运行。选择时应注意以下两点： ( 1 ) 如果电动机功率选得过小，就会出现“小马拉大车”现象，造成电动机长 期过载，使其绝缘因发热而损坏，甚至电动机被烧毁。 ( 2 ) 如果电动机功率选得过大，就会出现呔马拉小车”现象，其输出机械功 率不能得到充分利用，功率因数和效率都不高，不但对用户和电网不利，而且还 会造成电能浪费。 要正确选择电动机的功率，必须经过以下计算或比较： 对于恒定负载连续工作方式，如果知道负载的功率( 即生产机械轴上的功 率) p 1 0 【w ) ，可按式2 1 计算所需电动机的功率p ( k w ) ： p = = p l ( q l t l 2 ) ( 2 1 ) 式中，t 1 1 为生产机械的效率；t 1 2 为电动机的效率，即传动效率。 按上式求出的功率，不一定与产品功率相同。因此，所选电动机的额定功率 应等于或稍大于计算所得的功率。 2 3 水泵的调节方式 水泵的调速运行，是指水泵在运行中根据运行环境的需要，人为的改变运行 工作状况点( 简称工况点) 的位置，使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工 作状况的需要。水泵的工况点是由水泵的性能曲线和管网的特性曲线的交点确定 的。因此，只要这两条曲线之一的形状或位置有了改变，工况点的位置也就随之 改变。所以，水泵的调节从原理上讲是通过改变水泵的性能曲线或管网特性曲线 或二者同时改变来实现的。 水泵的调节方式与节能的关系非常密切，过去普遍采用改变阀门或挡板开度 的节流调节方式，即改变装置管网的特性曲线进行调节。这种调节方式虽然简便 易行，但往往造成很大的能量损失。大量的统计调查表明，一些在运行中需要进 行调节的水泵，其能量浪费的主要原因，往往是由于采用不合适的调节方式。因 此，研究并改进它们的调节方式，是节能最有效的途径和关键所在i i o 2 1 。 水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节。详细划分如下： 重庆大学工程硕士学位论文2 变频恒压供水的理论分析 水泵的调节方式 变速调节 r节流调节 恒速调节 混流式、轴流式泵的动叶调节 l改变泵的运行台数调节 f 液力耦合器的变速调节 改变传动装置 油膜转差离合器的变速调节 l 电磁转差离合器的变速调节 r调压调速 i 绕线式异步电动机转子串电阻调速 改变原动机的转速异步电动机的变极调速 i绕线式异步电动机的串极调速 l变频调速 目前常见的调节方法有节流调节、动叶调节、改变泵的运行台数调节、液力 耦合器调节、绕线式异步电动机的串极调速、变极调速、变频调速等【1 3 】羽5 j 。 2 3 1 恒速调节 水泵的恒速调节主要有节流调节、动叶调节、改变泵的运行台数调节三种。 ( 1 ) 节流调节 节流调节是在水泵的出口或进口管路上装设阀门或挡板，通过改变阀门或挡 板的开度。使装置需要扬程曲线发生变化，从而导致水泵工作点位置的变化。 节流调节优点是调节简单、可靠、方便，且调节装置的初投资很少，故以前 各种离心泵多采用这种调节方式。缺点是能量损失很大，目前正逐渐被其它调节 方式所取代。 ( 2 ) 动叶调节 采用动叶调节的水泵，在泵的轮毅内部安装动叶调节机构，从而使动叶调节 得以实现。对于大型的泵，可以采用液压传动调节。 动叶调节的优点是：在调节过程中其效率变化很小，能在较大范围保持高效 率。缺点是：动叶调节机构复杂，控制自动化程度低；成本高，通常适用大容量 水泵，对中小供水厂的水泵通常不适用。 ( 3 ) 改变机泵运行台数调节 改变机泵运行台数调节是根据不同的流量要求，采用不同数量和型号的机泵 进行并联运行，来满足供水量要求。优点是：它不改变电机和水泵的电气及机械 结构，在水泵台数众多、搭配合理的情况下，可以达到较好的调节效果。缺点是： 不能实现连续调节、需要大量的机泵进行合理搭配、随着供水量的变化要不断启 停电机；电能损失较大。因此，目前此种方法虽大量使用，但正逐步被新的流量 调节方式取代。 从恒速调节的分析可以看出，由于恒速调节要不结构复杂，要不能量损失很 g 重庆大学工程硕士学位论文2 变额恒压供水的理论分析 大，因此，正逐步被变速调节所取代。 2 3 2 变速调节 这里所指的速度是水泵的转速。水泵的变速调节可分为变速传动装置调节和 变电动机转速调节。 ( 1 ) 变速传动装置 定速电动机驱动的水泵可以通过传动装置来实现变速调节。变速传动装置按 其工作特性可分为两类。一类是有级变速装置，如齿轮变速等；另一类是无级变 速装置，主要有液力耦合器、油膜转差离合器、电磁转差离合器等。液力耦合器、 油膜转差离合器及电磁转差离合器在传动变速时具有一个共同的特点：传动装置 产生的传动损失在其所传递功率中所占的比例与水泵的转速变化的大小成正比， 转速变化越大，传动损失所占的比例也越大，因此，这类变速调节方式也被称为 低效变速调节方式。 1 ) 液力耦合器 水泵通过液力耦合器实现变速调节，从液力耦合器的特性来看，其调节效率 等于转速比，故当调节量越大，其转速比越低，传动效率也越低。 调速型液力耦合器用于叶片式水泵的变速调节时，主要具有以下优点：可以 输出连续的、无级的、变化的转速；可以平稳的启动、加速；电动机能空载或轻 载启动，降低启动电流，节约电能；液力耦合器是无级调速，故便于实现自动控 制，适用于各伺服系统控制；与阀门节流调节相比较，节能效果显著。 液力耦合器的缺点：在电动机额定转速较低的场合，要求同样的转矩而采用 较小的转速时，液力耦合器的工作腔直径将加大，这不但增加了造价，而且还会 使耦合器调速的延迟时间增加；大功率的液力耦合器设备复杂；在运转中随着负 载的变化，转速比也相应变化，因此不可能有精确的转速比；液力耦合器一旦产 生故障，水泵也不能继续工作。 2 ) 电磁转差离合器 电磁转差离合器又称电磁离合器、涡流联轴器等。电磁调速电动机的主要优 点是：可靠性高，只要把绝缘处理好，就能长期无检修运行；控制装置的容量小； 结构简单、加工容易，价格便宜。 电磁调速电动机的缺点是：存在转差损失，尤其是对j n 较低的电磁调速电动 机，运行经济性较低；调速时响应时间较长：噪声较大。 ( 2 ) 变电动机转速 由电机学得知，交流电动机的同步转速n 】与电源频率f l 、极对数p 之间的关 系式为： 重庆大学工程硕士学位论文2 变频恒压供水的理论分析 “1 2 啦p ( 2 2 ) 又知异步电动机的转差率s 的定义式为： s = ! 上二生= 1 一一n ( 2 3 ) 1 1 1d 1 由式2 2 及式2 3 可得异步电动机的转速n 为： n = n i ( 1 一s ) ；兰! l ( 1 一s ) ( 2 4 ) 由式2 4 可以看出，要实现交流电动机的调速，可以通过改变磁极对数p 和 改变电源频率l 实现，下面就两种变速调节方式进行比较1 6 1 。剐。 1 ) 异步电动机的变极调速 变极调速原理：异步电动机在正常运行时，通常其转差率s 很小，则由式2 4 知，在电源频率f 1 不变的情况下，改变电动机绕组的极对数，就可改变同步转速n 】， 从而改变异步电动机的转速n 。 变极调速的主要优点是：调速效率高，仅是因在设计变极电动机时要兼顾不 同转速时的性能指标，与普通的全速电动机相比较，其效率和功率因数要稍低一 些；调速控制设备简单，仅用转换开关或接触器；初投资低，特别是中小型变极 电动机价钱和定速电动机相差不是很大：维护方便，除轴承外，不需要特别的维 修。可靠性较高，在相当恶劣的环境下可使用。 变极调速的主要缺点是：有级调速，不能进行连续调速。此外，交极电动机 在变速时电力必须瞬间中断，不能进行熟态变换，因此在变速时电动机有电流冲 击现象发生。高压电动机若需进行频繁地切换变速时，则其切换装置的安全可靠 性尚需进一步完善提高。因此，变极调速目前应用较少。 2 ) 异步电动机的变频调速 由式2 4 可知，极对数p 一定的异步电动机，在转差率变化不大时，转速n 基本上与电源频率成正比。因此，只要能设法改变f 1 。即可改变n 。基于这个原理， 变频调速就是用晶闸管等变流元件组成的变频器作为变频电源，通过改变电源频 率的办法，实现转速调节。图2 2 为变频调速系统的示意图。 设定电阻器 ( 额宰设定) i 电压 堡定) 图2 2 变频调速系统结构示意图 f i g2 2s k e t c hm a p so f s t r t u r ef r e q u e n c y c o n t r o l l m gs y s t e m 1 0 重庆大学工程硕士学位论文2 变频恒压供水的理论分析 实际上，若仅改变电源的频率则不能获得异步电动杌满意的调速性能。因此， 必须在调节f 1 的同时，对定子相电压u 】也进行调节，使f 1 与u 】之间存在一定的比 例关系。故变频电源实际上是变频交压电源。而变频调速准确地称呼应是交频变 压调速，其英文术语为v a r i a b l e v o l t a g e v a r i a b l e f r e q u e m y ，又简称为、，f 调速。 根据f 1 与u 1 的关系，交频调速原则上主要有以下两种： a 恒转矩变频调速( 恒磁通变频调速) 由异步电动机的电势方程知：电动机定子相电压u 1 近似与电源频率f 1 、磁通 m 的乘积成正比。故若u 1 一定时，则中必将随着f | 的变化而变化。若f 1 从额定值( 我 国通常为5 0 8 z ) 往下调节时。西就增大。而电动机在设计时，为了充分利用铁心 材料，一般都把m 值选在接近磁饱和的数值附近。因此，o 的增大，就会导致磁 路过饱和，励磁电流大大增加，这将使电动机带负载的能力降低，功率因数值变 小，铁损增加，电动机过热，这是不允许的。反之，若从额定值往上调节时，西 就减小，这在一定的负载下又有过电流的危险。因此通常要求磁通恒定，即与u l 成正比关系，即： 兰= = 互：宦值 f 1f 2 式中u 2 、f 2 电动机在非额定工况时的定子电压和电源频率。 又由异步电动机的转矩方程式知，当有功电流i ，额定，m 一定时，电动机的 转矩m 也一定，故恒磁通调速即恒转矩调速。 b 恒功率变频调速 当电动机在额定转速以上运转时。定子频率将大于额定频率。这时若仍采用 恒磁通变频调速，则要求电动机的定子电压随着升高。可是电动机绕组本身不允 许耐受过高的电压，电压必须限制在允许值范围内，这就不能再应用恒磁通变频 调速。在这种情况下，可以采用恒功率变频调速。根据推导可知，恒功率交频调 速必须满足以下条件： 压u _ l 。亮啪压压 由于恒功率变频调速时西必将发生变化，放电动机效率和功率因数将有可能 下降。 从上面对恒磁通和恒功率的变频调速特性分析可以得知，交频调速从额定频 率往频率下降的方向调速时，即次同步调速时，应采用恒转矩( 恒磁通) 变频调速； 变频调速从额定频率往频率增加的方向调速时，即超同步调速时，有时需要采用 恒功率变频调速。 ( 3 ) 变速传动装置和变电动机调节方式的比较 重庆大学工程硕士学位论文 2 变频恒压供水的理论分析 在对变速传动装置和变电动机调节方式进行比较时，我们以两者的代表，也 是目前运用最广的两种变速方式：液力耦合器调速和变频器调速进行对比，如表 2 1 ，从中可以看出，采用变频器进行转速调节，具有较大的优势。 表2 1 液力耦合器调速和变频器调速方式对比表 t a b l e 2 ic o r r e l a t i o n t a b l eo f h y d r a u l i cc o u p l e ra n d c o n v e r t e r 内容 液力耦合器调速变频器调速 调速方式液力耦合器调速 变频调速 主要原理控制耦合泵液体流量改变供电电源频率 机械特性差好 功率因数较好 优 可靠性偏低，高速存在丢转 可靠 节电效果一般非常显著 调速范围平滑较窄，3 0 9 0 宽广平滑 投资 一般高 故障率高 低 维修费用 高低 维修工作量 很大简单 装置结构占地大 较复杂 效率 低高 损耗大 小 起动电流 大小 调速精度低 极高 控制响应速度较慢 极快 2 4 供水压力和变频器输出频率的关系 在交频恒压供水系统中，供水压力是通过对变频器输出频率的控制来实现的。 确定供水压力和输出频率的关系是设计控制环节控制策略的基础，是确定控制算 法的依据。 送水泵站所采用的水泵是离心泵，它是通过装有叶片的叶轮高速旋转来完成 对水流的输送，也就是通过叶轮高速旋转带动水流高速旋转，靠水流产生的离心 力将水流甩出去。离心泵也因此而得名。在绘水排水工程中，从使用水泵的角度 重庆大学工程硕士学位论文2 变频恒压供水的理论分析 来看，水泵的工作必然要和管路系统以及许多外界条件联系在一起。在给水排水 工程中。把水泵配上管路以及一切附件后的系统称为“装置”，在控制系统的设 计中，真正对系统的分析和设计有价值的也是这种成为系统的装置，而不是单单 的孤立水泵。 在水泵结构和理论中，有一些评价水泵性能的参数，供水系统的主要参数如 下： 流量( q ) ：单位时间内流过管道内某一截面的水流量，在管道截面不变的倩况 下，其大小决定于水流的速度。常用单位是口r a i n 。 扬程( i 王) ：供水系统把水从一个位置上扬到另一位置时水位的变化量，数值上 等于对应的水位差。其常用单位是m 。 轴功率( p p ) ：水泵轴上的输入功率( 电动机的输出功率) ，或者说是水泵取用的 功率。 供水功率( p c ) ：供水系统向用户供水时所消耗的功率p d k w ) ，供水功率与流 量和扬程的乘积成正比： p g = c p h t q ( 2 5 ) 式中c 广比例常数。 工作效率n p ) ：水泵的供水功率p g 和轴功率p p 之比，如式2 6 所示这里所说 的水泵工作效率，实际上包含了水泵本身的效率和供承系统的效率。其中p g 根据 实际供水的扬程和流量算德的功率，是供水系统的输出功率。 t l p2 卫p p ( 2 6 ) 其中有效功率是指单位时间内通过水泵的液体从水泵那里得到的能量叫做 有效功率。 转速( n ) ：水泵叶轮的转动速度。 根据水泵理论，如图2 3 所示。 t ：- l 图2 3 离心泵设置 f i g2 , 3c e n t r i f u g a lp u m ps e t t h l g s 1 3 9坦 。，g 鬯 重庆大学工程硕士学位论文 2 变频恒压供水的理论分析 h ；此+ 业+ 掣( 2 7 ) rg 其中，脚真空表读数( k g ，c m ) ； p d 压力表读数( k g c l n ) ； r 水的容重； z 一水泵出水口测量点与进水口测量点位置差造成的附加扬程； 翌l 一水泵出水口与进水口的动能增量转化的扬程。 5 由于水泵在送水过程中，清水池水位一般高于水泵的测量点，所以不存在进 水口抽真空，所以在进水口的真空值为o 。水泵进水口与出水口都沿水平方向放 置，位置差为0 。水泵在正常工作时，动能的变化相对较小。考虑这些具体情况， 上式可以改写为： h 兰垒( 2 8 ) y 水泵的轴功率为： r ：! 坐( 2 9 ) q 把扬程的表达式代入上式，得： p 口兰啦( 2 1 0 ) n 由于水泵是由一台交流感应电动机带动运行的，电机的转速与水泵的转速相 同。电机的输出有效功率与水泵的轴功率相等。在电机理论中，感应电机的机械 功率p 哪为： p ：竺! 堕兰 “( a 1 - f e s - 1 ) 2 - 4 - ( x l j + 坛) 2 在变频调速时，由于磁通巾。不变，从电机公式( 2 1 2 ) 可以看出 通巾。保持不变，则u 1 f 1 必须保持不变。 訾* 导= 4 4 4 n k 。 6 m 哪 因此在变频调速过程中。电压应该与频率成正比例变化，设 u 1 = l 【i f l 代入式( 2 1 1 ) 得： m k z 立f 2 驴i 酉专4 - 努 ( r 1 + )( x 1 + x ，) 根据能量守恒定律，有 ( 2 儿) 要使主磁 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) n - - - - , 。p m ( 2 1 5 ) 其中n 。为电机的效率。所以，水泵装置在变频调速的工作状态下运行时，有： 警刮面为 泣 1 4 重庆大学工程硕士学位论文2 变频恒压供水的理论分析 从上式可以看出，当变频器的输出频率一定的情况下，当用户用水量增大， 从而q 增大时，压力表的读数将会变小，即管网供水压力将会降低。为了保持供 水压力，就必须增大变频器的输出频率以提高水泵机组的转速；当用户的用水量 减小时，q 减小，在变频器输出频率不变的情况下，管网的供水压力将会增大， 为了减小供水的压力，就必须降低变频器的输出频率。由于用户的用水量是始终 在变化的，虽然在时段上具有一定的统计规律，但对精度要求很高的恒压控制来 讲，在每个时刻它都是一个随机变化的值。这就要求变频器的输出频率也要在一 个动态的变化之中，依靠对频率的调节来动态地控制管网的供水压力，从而使管 网中的压力恒定。 2 5 恒压供水系统的能耗分析 2 5 1 调节流量的方法和比较 在供水系统中，最根本的控制对象是流量。因此，要讨论节能问题，必须从 考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。供水系 统中对水压流量的控制，传统上采用阀门调节实现。由于水泵的轴功率与转速的 立方成正比，因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制，同时 可获得大量节能。闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及 阀门调节。 ( 1 ) 阀门控制法：即通过关小或开