（机械工程专业论文）变频调速在供水系统中的应用探讨.pdf

， j ，+ ，t j 上 j-l，ij，l s t u d yo nf r e p u e n c yc o n v e r s i o na n ds p e e d r e g u l a t i o n i nt h es y s t e mo f s u p p l yw a t e r b yl u ox i a o g a n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs o n gj i n c h u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 lrr 、 | !独创性声明 _ l 。 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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昵确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：剥 日期：唧年，乙月f 汐日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北大学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、交流。 ： ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) - 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月 日签字日期： rt。-、 ri 0 7 籼 l l 啦 茹 、j ， 、 。： 0j ：。 n 唔， 才0 毒。 t ， ! 一 盂- 。； ， _， 0 1 - i一ll-lt-iili； _盲， r争参r，。 jt-tltlill， ? _ 蚣 i 一 东北大学硕士学位论文摘要 变频调速在供水系统中的应用探讨 摘要 本课题主要针对中铝贵州分公司水电厂现有供水系统与确保供水系统安全平稳运 行之间存在的矛盾，提出了采用变频调速技术来保证中转水池处于高水位运行的同时， 减少一站( 提水站) 与二站( 中间加压站) 开停泵的操作，避免操作中产生的水击对管 道造成的威胁。 论文对供水现状进行了水力分析，对异步电动机的调速方法及变频调速供水原理进 行了论述，在此基础上，设计了一套采用高压变频调速技术与p l c 控制供水系统的方 案，设计了相应的主控制线路图及控制程序，并对相应的控制原理进行了论述，同时对 方案中的设备进行了选型。 通过对现有供水系统采用变频调速技术控制的方法的理论分析、设计，我们可以看 出变频调速控制技术能够较好地避免生产中频繁地操作和简化操作人员的操作，减小闭 闸水击对管道的威胁，同时又能使中转水池保持高水位运行，确保供水系统安全平稳运 行具有较大的实际意义。 关键词：供水系统；安全平稳；变频调速；p l c 控制 - i i _ 【 ， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo nf r e q u e n c yc o n v e r s i o na n ds p e e dr e g u l a t i o n i nt h e s y s t e mo fs u p p l yw a t e r a bs t r a c t t h i sp a p e rm a i n l ya i m sa tt h ee x i s t i n gs y s t e mo fs u p p l yw a t e ri nt h eg u i z h o uc o m p a n y w a t e rp o w e rf a c t o r yo ft h ec h i n e s ea l u m i n u mi n d u s t r yc o m p a n yw i t hi n s u r et os y s t e mo f s u p p l yw a t e r a 1 1e x i s t e n ta n t i n o m yo ft h es a f ea n ds t e a d ym o v e m e n t ，p u tf o r w a r dt h ea d o p t i o n t of r e q u e n c yc o n v e r s i o na n ds p e e dr e g u l a t i o nt e c h n i q u et og u a r a n t e ei nt h ep o n d t ob ep l a c e d i l lm el l i 曲w a t e rl e v e l ，a tt h es a m et i m e ，r e d u c et h eo p e r a t i o nt oo p e na n ds t o pt h ep u m pi n n o 1s t a t i o n ( t h es t a t i o no fl i f t i n gw a t e r ) w i t hn o 2s t a t i o n ( a d dp r e s si nt h em i d d l es t a t i o n ) ， a v o i dt h et h r e a to ft h ep r e s s u r eo fw a t e ri no p e r a t i o nt ot h ep i p e l i n e t h i sp a p e ra n a l y s e st h e p r e s e n tc o n d i t i o n t os u p p l i e dw a t e ro nt h ew a t e rp o w e r , d i s c u s s e dt h ea d j u s ts p e e dm e t h o do fi n d u c t i o nm o t o ra n dt h ep r i n c i p l eo ff r e q u e n c y c o n v e r s i o na n ds p e e dr e g u l a t i o nt os u p p l i e dw a t e r ，o nt h i sf o u n d a t i o n , d e s i g n e das e to f a d o p t i o nt h ec o n v e r t e ri nh i g hv o l t a g e t of r e q u e n c yc o n v e r s i o na n ds p e e dr e g u l a t i o n t e c h n i q u ea n dt h ep r o j e c tc o n t r o lt ot h es y s t e mo fs u p p l yw a t e ri np l c ，d e s i g n e dt h em a i n c i r c u i td i a g r a ma n dt h ep r o c e d u r eo ft h ec o n t r o l ，a n dd i s c u s st ot h em a i nc o n t r o lp r i n c i p l e ， c h o o s et h ee q u i p m e n t st y p ea tt h es a m et i m e p a s st o t h em e t h o do fe x i s t i n gt h es y s t e mo fs u p p l yw a t e rt oc o n t r o li na d o p t i o n f r e q u e n c yc o n v e r s i o na n ds p e e dr e g u l a t i o nt e c h n i q u ei nt h e o r i e sa n a l y s i sa n dd e s i g n ，w ec a l l s e ec o n t r o l l i n gt e c h n i q u eo ft h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o na n ds p e e dr e g u l a t i o nc a na v o i dt o o p e r a t ei np r o d u c t i o nm u l t i f a r i o u s l ya n ds i m p l i f y t h ep e r s o n n e l so p e r a t i o n , r e d u c 2t h e t h r e a to ft h ew a t e rp r e s s u r ei nc l o s e dg a t e w a yt ot h ep i p i n g ，a tt h es a m et i m e ，c a nm a k et h e p o n dt ok e e pt h el l i 曲w a t e rl e v e la g a i n , i n s u r et ot h es y s t e mo fs u p p l yw a t e ri ns a f e t ya n d s t e a d ym o v e m e n t t oh a v eb i g g e ra c t u a lm e a n i n g k e y w o r d ：t h es y s t e mo fs u p p l yw a t e r ；s a f e t ya n ds t e a d y ； f r e q u e n c yc o n v e r s i o na n ds p e e d r e g u l a t i o n ，p l cc o n t r 0 1 i h - ii 一 一 一r p v _ 簟 东北大学硕士学位论文 目 录 目录 独创性声明：i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论l 1 1 水电厂供水系统概况1 1 2 变频调整技术发展情况：1 1 3 课题来源及意义2 1 4 本文的主要工作：一：。2 第二章供水系统分析：3 2 1 一、二站供水系统介绍3 2 2 供水现状3 2 3 水力分析5 2 3 1 关阀水击的第一阶段：5 2 3 2 关阀水击的第二阶段5 2 3 3 关阀水击的第三阶段6 2 3 4 关阀水击的第四阶段6 2 3 5 关阀水击对下游的影响。6 2 3 6 水击压强的计算7 2 4 缓解水击的方法8 2 4 1 泄压法8 2 4 2 变频调速控制法9 第三章交流变频调速基本原理1o 3 1 异步电动机概述o 1o 3 1 1 异步电动机旋转原理1 0 3 1 2 旋转磁场的产生1 0 3 1 3 电动机转速1 0 东北大学硕士学位论文 目 录 3 2 异步电动机调速1 l 3 2 1 改变磁极对数p ( 变极调速) 1 l 3 2 2 改变转差率s ( 变转差率调速) 1 1 3 2 3 改变频率f ( 变频调速) 1 3 3 3 异步电动机变频调速1 3 3 3 1 变频器与逆变器、斩波器1 3 3 3 2 变压变频调速( v 州f ) 1 3 3 3 3 变频器分类：1 4 3 4 变压变频协调控制18 3 4 1 基频以下调速18 3 4 2 基频以上调速2 0 3 4 3 v f 控制与v f 曲线2 1 3 5 脉冲宽度调制( p w m ) 技术2 2 第四章变频调速供水的基本原理。2 3 4 1 调节供水流量的方式：2 3 4 2 变频调速的性能与特点。2 3 4 3 变频调速的基本原理2 3 4 4 变频调速供水的模式一2 4 4 4 1 变频调速供水模式一2 4 4 4 2 变频调速供水模式二：2 5 第五章控制方案2 6 5 1 控制系统简介2 6 5 2p i d 控制原理2 6 5 3 系统控制的工艺要求2 8 5 4 设备选型2 9 5 4 1 变频器的选型2 9 5 4 2p l c 的选型j 3 0 5 5 电气控制系统原理4 2 5 5 1 主电路图4 2 5 5 2p l c 的接线图一4 4 v ， 曩 i | p k 东北大学硕士学位论文 目 录 5 5 3 控制电路图4 4 5 5 4 系统程序设计4 6 第六章结论与展望5 3 l 结论：5 3 6 2 存在问题与展望5 3 参考文献5 4 致 谢5 7 v i 鼻 ， 1 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论帚一早珀。了匕 1 1 水电厂供水系统概况 中国铝业贵州分公司水电厂承担着中铝贵州企业和白云区部分单位生产、生活的供 水任务，是贵州分公司的命脉，一旦中断，将使贵州分公司的生产和生活全面陷于瘫痪 状态，其重要性则不言而喻。整个供水系统共含四个泵站，其中一站为提水泵站，二站 为中间加压站，三站为供生产水的泵站，四站为供生活水的泵站，而一、二站为串联运 行的两个泵站，这在供水系统中是比较少见的，对泵站的操作要求相对要复杂一些。一 站一二站一中转水池距离共约1 0 k m ，总高差为1 2 2 m ，为一根d n 8 0 0 和一根d n 6 0 0 管道 供水，这两根管道一根始用于1 9 6 6 年，一根始用于1 9 7 7 年，均为灰口铸铁管，公称压 力为1 0 m p a 经过近四十年的运行，由于地形变动、城市建设以及管道本身的老化等因 素，管道已经很难承受较高的压力，一旦压力升高，将造成管道薄弱点爆裂，供水中断， 生产、生活将受到影响。目前所使用的水泵为1 6 s a 一9 a 型离心清水泵，扬程为9 0 m h 2 0 ， 流量为1 6 2 0 m a h ，功率一站为5 0 0 k w ，二站为4 5 0 k w 。 1 2 变频调整技术发展情况 变频调速技术是一项集现代先进电力电子技术和计算机技术于一体的高效节能技 术，自8 0 年代世界各国将其投入工业应用以来，它显示出了强劲的竞争力，其应用领 域也在迅速扩展。近1 0 年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速 发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制 技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺 流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的 调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点 而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。 随着电力电子技术与电力变流器件技术的发展，高压大功率变频调速技术在国内外 均有长足的发展，尤其是近来随着智能芯片技术在容量与速度方面新的突破，智能自动 控制技术再上一个新台阶，其与高压大功率变频调速技术的结合使其如虎添翼，新的设 备产品不断涌现。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 课题来源及意义 在实际运行中，由于中转水池水位随用水量不断变化，只有通过一、二站开或停泵 来控制水位，这无形中造成了管道内压力的波动；若操作过程中操作不当或误操作，还 会引起较大的水击，甚至造成管道爆裂。这在近四十年的运行当中已发生过很多次，因 此也积累了不少经验，但仍难免有出现失误的时候。如2 0 0 6 年8 月，就曾发生过两根 供水主管同一天爆管的情况，致使分公司全面停水，这也是很罕见的。 鉴于以上情况，拟建立一套变频调速自动控制系统，根据用户用水量及中转水池水 位变化情况，通过变频调速自动控制系统来随时调整一、二站水泵运行，使中转水池保 持高水位运行。这样既保证了生产、生活用水，又能使一、二站达到安全平稳运行的目 的，减少管道内压力的波动，同时也减轻了员工的劳动强度。 因此，对贵州分公司供水系统进行研究和改进是极为必要的，对该系统进行改造具 有很重要的现实意义和经济意义。 1 4 本文的主要工作 本文的主要工作是通过对供水系统现状分析，结合当今变频控制技术的发展情况及 供水系统现状，利用可编程控制器、p i d 控制及变频技术对供水系统的改造从理论上进 行分析论述。 2 东北大学硕士学位论文第二章供水系统分析 第二章供水系统分析 2 1 一、二站供水系统介绍 一、二站供水系统高程示意图如图2 1 所示，平面示意图如图2 2 所示。 图2 1 一、二站供水系统高程示意图 f i 萨1t h es u p p l yw a t e rs y s t e mh i 西d i s t a n c ed r a w i n go f t h en o 1a n dn o 2s t a t i o n s 设备配置情况为：一、二站泵房内均为四台1 6 s a 9 a 型离心清水泵，电压等级为 6 0 0 0 v ，额定扬程为9 0 m h 2 0 ，额定流量为1 6 2 0 m 3 h ，泵出1 2 1 均为电动阀门。 从示意图我们可以看到： ( 1 ) 一站与二站的高程差为6 8 7 m ，二站与中转水池进口的高程差为5 3 3 m ，一站 与中转水池的总高程差为1 2 2 m 。 ( 2 ) 水泵的扬程较高，即工作压力大。 ( 3 ) 输水管线较长，且沿途地形变化大，管道随地形敷设，有起伏，且有的在稻 田里，有的直接敷设在岩石上，还有的在公路下横穿。 2 2 供水现状 ( 1 ) 一、二站供水系统设计的日供水能力为1 0 万m 3 ，在2 0 0 0 年以前，基本上处 于满负荷运行，一、二站均为三台泵并联运行，压力高，泵出1 2 1 压可达1 0 m p a 左右。 2 0 0 0 年以后，随着中铝贵州分公司节水工作开展，用水量开始逐年下降，特别是现在， 一、二站日供水量仅5 5 0 0 0 7 2 0 0 0 m 3 ，即流量为2 2 9 2 m 3 h 3 0 0 0 m 3 l l 。这样一来，一台泵 3 - 东北大学硕士学位论文 第二章供水系统分析 的流量要少一些，两台泵的流量又多了一些；为确保安全可靠供水，中转水池保持在3 - 4 m 这一范围内运行，所以每天开停泵比较频繁，而每开、停一次就会产生一次冲击。 至中转 水池及 生活水 处理系 统 图2 2 一、二站供水系统平面示意图 f i 9 2 2t h es u p p l yw a t e rs y s t e mf l a ts u r f a c ed r a w i n g o ft h en o 1a n dn o 2s t a t i o n s 4 东北大学硕士学位论文第二章供水系统分析 ( 2 ) 用户用水量并不是恒定不变的， 段也有所不同。 用水量随着生产情况、季节变化、不同时间 ( 3 ) 由于在一、二站各只有一台泵运行时容易发生过流现象，后采取车削叶轮的 方法来解决。 ( 4 ) 设备、管道都比较陈旧，有不同程度的老化，且随着城市建设的发展，管道 受到的威胁也越来越严重。 2 3 水力分析 由于一站二站中转水池为串联运行方式，所以在正常情况下关阀水击对一站二站 段的危害比较大。水击是指当有压管道上阀门骤然关闭或泵骤然停车时，因流速突然变 小，动量突然变化，作用在液体上的压强就会局部猛增，并以压力波的形式在管内迅速 传播和往返，不断锤击管壁，造成管道的振动和轰鸣的现象n 9 1 。在正常情况下，在双泵 并联运行时，停泵采取的是先缓慢关闭二站所停泵的出口电动阀门，然后再停电机；待 二站停完后，一站再按同样的程序停一台泵。但在操作全停供水管线时情况较复杂，因 为是串联泵站，当二站在停最后一台泵关闭泵出口电动阀门时，很容易产生关阀水击， 为控制关阀水击，一般采取在完全关闭阀门前将泵进口的排污阀门打开，在泵出口电动 阀门全闭时所产生的水击波通过此排污阀门泄掉，以达到保护上游管道的目的。关阀水 击的过程如下【1 9 】： 2 3 1 关阀水击的第一阶段 当二站关阀时( 在t = 0 时刻) ，管道内，上游紧靠阀板的一层水，水流速度迅速下 降为零，管内压强迅速升高，由原来的印升为p 0 + 卸( 卸为水击压强增值) ，且密度 增大，周围的管壁膨胀，接着紧靠该层的另一层水也因受阻被迫停止流动，出现了同样 的情况。由此类推，管内的水流相继逐层停止运动，而压强相继逐层升高，于是形成一 种升压波从阀门起向上游传播。若压力波的传播速度为c ，则经过时间i c ( z 即一站 二站管线长度) 后，此压力波到达一站，这时整个管道内水流处于静止，全管道压强相 应升高p ，此时压力最高的点是一站泵出口处的压力。从瞬时，= 0 到f = l c 之间为水 击波传播的第一阶段。 2 3 2 关阀水击的第二阶段 由于一站进水口在湖内，湖不会因为管中水击而引起变化，即管道进口处的压强仍 为p o ，而管道内的压强为p 0 0 ) + 卸( p o ( n ) 表示不同位置不同的压强，n = l ，2 ，3 ，) ，压 - 5 - 东北大学硕士学位论文第二章供水系统分析 强不平衡，在压强差p 的作用下使管道内水流从静止状态以某一速度v o 向进口方向倒 流，于是进1 2 1 处水流从被压缩状态及管壁从膨胀状态首先恢复原状，压强从p o ( 以) + a p 恢 复为p o ( n ) 。随后一层层水流和管壁也相继发生同样的情况，于是形成一个解压波，从 管道进口向二站出口阀门方向传播。解压波的传播速度也等于c 。在f = 2 l c 瞬时，这个 解压波传n - 站出1 2 1 阀门处，此时全管压力恢复到p o ( n ) ，且流速均为一v o ，从f = ，c 到 。 f = 2 l c 之间为水击波传播的第二阶段。 i 2 3 3 关阀水击的第三阶段 由于惯性作用，紧靠阀门的水流继续以速度v o 向一站方向倒流，因阀门关闭，水流 得不到补充，于是紧靠阀门的水流层有脱离阀门的趋势。结果在此处形成压强进一步下 降为p o 一卸，其液体的密度变小，管壁收缩，从而消耗掉水流倒流的能力，水流被迫 停止运动。并由此逐层停止其流动，压强逐层相继降低为p o ( n ) 一a p ，形成降压波，其 传播速度仍为c 。在t = 3 1 c 瞬时，全管水流又处于静止状态，管壁收缩，各处压强为 p o ( n ) 一p 。从f = 2 l c 到，= 3 l c 间的时间间隔内为水击波传播的第三阶段o ， 2 3 4 关阀水击的第四阶段 在r = 3 l c 瞬时，管道进口处的压强p o ，未变，而管道内的压强为p o ( n ) - a p ，压强 不平衡，在压强差p 的作用下，进口处的水流便又以速度v o 流向管内，并使管内水流 压强恢复为p o ( n ) ，收缩的管壁也随即恢复原状。接着逐层水流都相继发生同样变化， 即产生一个压力还原波自进口向二站出口阀门传去。在t = 4 l c 瞬时，此波已传遍全管 道，于是整个管道内均恢复到水击发生前的状态，其流速为v o ，压强为p o ，从f = 3 l c 到 r = 4 l c 之间为水击波传播的第四阶段。 当f = 4 l c 时与f = 0 时，整个管道内的水流状态和管壁的情况完全一样，于是完成 了一个循环。这样，每经过4 l c 秒，便重复一次水击的全过程。水流中的升压波和降压 波往返传播，与此相适应的管壁也在一胀一缩地振动，并发出噪音。所以水击过程是非。 恒定流。 t 如果在其整个过程中不发生能量损耗，则上述四个过程将周而复始地进行着。实际 上由于水流阻力，水流和管壁材料的变形( 非完全弹性) 作功，将会引起能量的消耗， 从而使水击压强的升降幅度逐渐衰减以致完全消失。 2 3 5 关阀水击对下游的影响 以上是一站二站段的水击情况分析。对于二站至中转水池的水击情况则是，在二 站出口阀门关闭时，下游管道内不会有空气进入。由于水流的惯性，紧靠阀门下游的水 6 东北大学硕士学位论文 第二章供水系统分析 流层便有离开阀门的趋势。结果是邻近阀门处的压强降低到初始压强之下，并阻止水流 的流动。其情况与上述水击波传播的第三阶段情况相同。相继的过程是压强恢复和以速 度v o 向阀门方向倒流，接着是流动停止和压强升高，而第四过程是压强恢复和以速度 v o 顺流向出口，也是每经过4 ，c 完成一个周期( ，为二站至中转水池的管道长度) 。如 此循环，愈来愈弱，最后消失。 2 3 6 水击压强的计算 因为水出波是非恒定流，所以在计算水击压强时，只能按理论力学中的动量定律进 行计算。如图2 3 所示【1 9 】- n m 专 j ) o 专 专 r l m p o + a p 图2 3 水击波不惹图 f i g 2 3t h ed r a w i n go f t h e w a t e rp r e s s u r ew a v e 设压力管道因在断面m - m 上骤然关闭阀门造成水击，水击波的传播速度为c ，经t 时间水击波传至断面1 1 - 1 1 ，m n 段水的流速由v o 变为v ，其密度由p 变至p + a p ，因管 壁膨胀过水断面由变至t o + a c o ，m - n 段的长度为c a t ，于是在t 时段内，在管轴方向 的动量变化为 m ( v - v o ) = ( p 一p ) ( + a o ) c a t ( v - v 0 ) ( 2 1 ) 在t 时间内，外力在管轴方向的冲量为 似+ ) 一( p 。+ 卸) ( + ) 】缸( 2 - 2 ) = a p ( o + a o ) a t 根据质点系的动量定律，质点系在t 时段内动量的变化，等于该系所受外力在同一 时段内的冲量，得 一a p ( o + a c o ) a t = ( p + p ) ( + a o ) e a t ( v v o ) ( 2 - 3 ) 7 东北大学硕士学位论文g _ - 章供水系统分析 卸= ( p + p ) c ( v v o ) 考虑到水的密度变化很小，a p p ，简化上式，得直接水击压强计算公式 卸= p c ( v v o ) 当阀门瞬时完全关闭( 即v - 0 ) ，得水击压强最大值计算公式 卸= p e v o 水击波传播速度 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) c 01 4 2 5 c = 产= 嚣言= f 需言( m s ) ( 2 7 ) l + 譬詈1 + 譬詈 怕 式中c 献中声波的传播速度c 0 = 1 4 2 5 “s ； e 赫的弹性模量 e 0 = 2 0 4 x 1 0 5 n e m 2 ； b 一管壁的弹性模量e = 8 7 3 x1 0 5 n c m z ； d 一管道直径； 江管壁厚度。 可得水击波传播速度约为9 5 6 2 m s 。 在实际运行中，全停供水系统，在关闭二站最后一台泵出口电动阀时，压力可瞬间 增高0 5 6 m p a ，这对公称压力为1 0 m p a 的供水系统来说是威胁是很大的。 在一站出口侧，在运行时出口压力为0 8 m p a ，在产生闭闸水击瞬间，压力会升高 超出设计的公称压力。从水击压强计算公式可知，在闭闸前水的流速只有0 5 8 6 r n s ，但 却能产生较高的水击波，可见闭闸水击的危害是比较大的。 2 4 缓解水击的方法 2 4 1 泄压法 经过几十年的实际运行，现已总结出一套比较有效的、缓解闭闸水击的运行操作方 法，在全停管线时，一、二站先互通信息，做好停泵准备： ( 1 ) 二站关闭泵出口电动阀f - i n 只有四分之一开度。 ( 2 ) 打开泵顶排气阀，全开所停管线的d n 2 0 0 m m 进口排污阀。 ( 3 ) 关闭泵出口电动阀门到只有十分之一开度，稳定2 分钟。 ( 4 ) 全关闭泵出口电动阀门。 ( 5 ) 停电机。 ( 6 ) 通知一站全停。 - 8 ， 东北大学硕士学位论文第二章供水系统分析 ( 7 ) 一站接通知后，关闭泵出口电动阀f - i n 四分之一开度，稳定1 分钟，再关闭 到十分之一开度，再稳定1 分钟，全部关闭出口电动阀。 ( 8 ) 停电机。 此泄压法主要根据闭闸水击的原理，通过进口排污阀在闭闸瞬间泄掉大部分水，从 而使泵出口水的流速变化不是太大，从而达到控制闭闸水击的目的。但该方法操作比较 麻烦，更多的是依靠操作人员的经验，如有不慎，极易产生误操作，也会引起水击。另 外，在一、二站出口管线上安装有自闭式水锤消除器。 2 4 2 变频调速控制法 根据闭闸水击波产生的原理，可以采用变频调速的方法，在闭闸前利用变频调速技 术，调整电机的运转频率，降低泵出口的水流速度，使在闭闸时水流速度的变化达到尽 可能的小，从而使升压波达到最小，以减小闭闸水击对管道的威胁。 这一方法操作简单，容易实现，是拟在一、二站采用变频调速的主要原因。方案如 下： 在一、二站各设一套变频调速控制系统，采集泵站出口管道上的压力作为控制信号， 压力变送器将采集到的压力信号转换为电信号，并以此作为反馈信号控制变频器将5 0 h z 交流电从0 - 5 0 h z 之间任意可调输出供给交流电动机，最终实现无极变频调速。 - 9 - 东北大学硕士学位论文第三章交流变频调速基本原理 第三章交流变频调速基本原理 3 1 异步电动机概述 3 1 1 异步电动机旋转原理【2 3 1 图3 1 异步电动机旋转原理图 f i g 3 1t h er e v o l v ep r i n c i p l ed r a w i n go fi n d u c t i o nm o t o r 异步电动机的电磁转矩是由定子主磁通和转子电流相互作用产生的。 ( 1 ) 磁场以n o 转速顺时针旋转，转子绕组切割磁力线，产生转子电流 ( 2 ) 通电的转子绕组相对磁场运动，产生电磁力 ( 3 ) 电磁力使转子绕组以转速n 旋转，方向与磁场旋转方向相同 3 1 2 旋转磁场的产生 旋转磁场实际上是三个交变磁场合成的结果。这三个交变磁场应满足： ( 1 ) 在空间位置上互差2 兀3r a d 电度角。这一点，由定子三相绕组的布置来保证。 ( 2 ) 在时间上互差2 桷r a d 相位角( 或1 3 周期) 。这一点，由通入的三相交变电流 来保证。 3 1 3 电动机转速 产生转子电流的必要条件是转子绕组切割定子磁场的磁力线。 必须低于定子磁场的转速no ，两者之差称为转差： a n = n o 一刀 转差与定子磁场转速( 常称为同步转速) 之比，称为转差率： s = a n | n o 同步转速1 1o 由下式决定： - 10 因此，转子的转速1 1 ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 东北大学硕士学位论文 第三章交流变频调速基本原理 n o = 6 0 f p 式中，f 为输入电流的频率，p 为旋转磁场的极对数。 由此可得转子的转速 刀= 6 0 f ( 1 - s ) p ( 3 - 4 ) ( 3 3 ) 3 2 异步电动机调速 由转速，z = 6 0 f ( 1 一s ) p 可知异步电动机调速有以下几种方法【删f 5 0 】： 3 2 - 1 改变磁极对数p ( 变极调速) 定子磁场的极对数取决于定子绕组的结构。所以，要改变p ，必须将定子绕组制为 可以换接成两种磁极对数的特殊形式。通常一套绕组只能换接成两种磁极对数。变极调 速的主要优点是设备简单、操作方便、机械特性较硬、效率高、既适用于恒转矩调速， 又适用于恒功率调速；其缺点是有极调速，且极数有限，因而只适用于不需平滑调速的 场合。 3 2 2 改变转差率s ( 变转差率调速) 以改变转差率为目的调速方法有：定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合 器调速、串极调速等。 ( 1 ) 定子调压调速 当负载转矩一定时，随着电机定子电压的降低，主磁通减少，转子感应电动势减少， 转子电流减少，转子受到的电磁力减少，转差率s 增大，转速减小，从而达到速度调节 的目；同理，定子电压升高，转速增加。 调压调速的优点是调速平滑，采用闭环系统时，机械特性较硬，调速范围较宽，缺 点是低速时，转差功率损耗较大，功率因素低，电流大，效率低。调压调速既非恒转矩 调速，也非恒功率调速。 ( 2 ) 转子变电阻调速 当定子电压一定时，电机主磁通不变，若减小定子电阻，则转子电流增大，转子受 到的电磁力增大，转差率减小，转速降低；同理增大定子电阻，转速增加。转子变电阻 调速的优点是设备和线路简单，投资不高，但其机械特性较软，调速范围受到一定限制， 且低速时转差功率损耗较大，效率低，经济效益差。目前，转子变电阻调速只在一些调 速要求不高的场合采用。 ( 3 ) 电磁转差离合器调速 1 1 东北大学硕士学位论文第三章交流变频调速基本原理 异步电动机电磁转差离合器调速系统以恒定转速运转的异步电动机为原动机，通过 改变电磁转差离合器的励磁电流进行速度调节。 电磁转差离合器由电枢和磁极两部分组成，二者之间没有机械的联系，均可自由旋 转。离合器的电枢与异步电动机转子轴相连并以恒速旋转，磁极与工作机械相连。 图3 2 电磁转差离合器工作原理图 f i g 3 2t h ew o r kp r i n c i p l ed r a w i n go fe l e c t r o m a g n e t i cs l i pc l u t c h 电磁转差离合器的工作原理是：如果磁极内励磁电流为零，电枢与磁极间没有任何 电磁联系，磁极与工作机械静止不动，相当于负载被“脱离”；如果磁极内通入直流励磁 电流，磁极即产生磁场，电枢由于被异步电动机拖动旋转，因而电枢与磁极间有相对运 动而在电枢绕组中产生电流，并产生力矩，磁极将沿着电枢的运转方向而旋转，此时负 载相当于被“合上”，调节磁极内通入的直流励磁电流，就可调节转速。 电磁转差离合器调速的优点是控制简单，运行可靠，能平滑调速，采用闭环控制后 可扩大调速范围，运用于通风类或恒转矩类负载；其缺点是低速时损耗大，效率低。 ( 4 ) 串极调速 前面介绍的定子调压调速、转子变电阻调速、电磁转差离合器调速均存在着转差功 率损耗较大、效率低的问题，是很大的浪费。如何能够将消耗于转子电阻上的功率利用 起来，同时又能提高调速性能? 串极调速就是在这样的指导思想下提出来的。 串极调速的基本思想是将转子中的转差功率通过变换装置加以利用，以提高设备的 效率。 串极调速的工作原理实际上是在转子回路中引入了一个与转子绕组感应电动势频 率相同的可控的附加电动势，通过控制这个附加电动势的大小，来改变转子电流的大小， 从而改变转速。 1 2 东北大学硕士学位论文第三章交流变频调速基本原理 串极调速具有机械特性比较硬、调速平滑、损耗小、效率高等优点，便于向大容量 发展，但它也存在着功率因素较低的缺点。 3 2 3 改变频率f ( 变频调速) 当极对数p 不变时，电动机转子转速与定子电源频率成正比，因此，连续的改变供 电电源的频率，就可以连续平滑的调节电动机的转速。 异步电动机变频调速具有调速范围广、调速平滑性能好、机械特性较硬的优点，可 以方便的实现恒转矩或恒功率调速，整个调速特性与直流电动机调压调速和弱磁调速十 分相似，并可与直流调速相比美。 3 3 异步电动机变频调速 3 3 1 变频器与逆变器、斩波器 变频调速是以变频器向交流电动机供电，并构成开环或闭环系统。变频器是把固定 电压、固定频率的交流电变换为可调电压、可调频率的交流电的变换器，是异步电动机 变频调速的控制装置。逆变器是将固定直流电压变换成固定的或可调的交流电压的装置 ( d c a c 变换) 。将固定直流电压变换成可调的直流电压的装置称为斩波器( d c - - d c 变换) 。 3 3 2 变压变频调速( v m ) 在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是，希望保持电机中每极磁通量为 额定值，并保持不变。 如果磁通太弱，即电机出现欠励磁，将会影响电机的输出转矩，由 t m = k r x d 2 c o s 9 2 ( 3 5 ) ( 式中砌：电磁转矩，锄：主磁通， 2 ：转子电流，c o s 叩2 ：转子回路功率 因素，肠：比例系数) ，可知，电机磁通的减小，势必造成电机电磁转矩的减小。 由于电机设计时，电机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电机 铁心出现饱和，从而导致电机中流过很大的励磁电流，增加电机的铜损耗和铁损耗，严 重时会因绕组过热而损坏电机。 因此，在改变电机频率时，应对电机的电压进行协调控制，以维持电机磁通的恒定。 为此，用于交流电气传动中的变频器实际上是变压( v a r i a b l ev o l t a g e ，简称w ) 变 频( v a r i a b l ef r e q u e n c y ，简称v f ) 器，即w v f 。所以，通常也把这种变频器叫作w v f 装置或w v f 。 - 1 3 东北大学硕士学位论文第三章交流变频调速基本原理 根据异步电动机的控制方式不同，变压变频调速可分为恒定压频比( v f ) 控制变 频调速、矢量控制( f o c ) 变频调速、直接转矩控制变频调速等。 3 3 3 变频器分类 ( 1 ) 从变频器主电路的结构形式上可分为交一直交变频器和交一交变频器。 交一直一交变频器首先通过整流电路将电网的交流电整流成直流电，再由逆变电路 将直流电逆变为频率和幅值均可变的交流电。交一直一交变频器主电路结构如下图。 图3 3 交直交变频器主电路结构图 f i g 3 3t h em a i nc i r c u i t 咖d u r ed r a w i n go f t h ea l t e r n a t i n g - d i r e c t - a l t e r n a t i n gc o n v e r t e r 交一交变频器把一种频率的交流电直接变换为另一种频率的交流电，中间不经过直 流环节，又称为周波变换器。它的基本结构如下图所示。 图3 4 交- 交变频器基本电路结构图 f i g 3 4t h