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PLC在变频调速恒压供水系统中应用设计,毕业设计
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目 录 摘要 1 关键词 1 Abstract 2 Key words 2 1 绪论 3 1.1 变频恒压供水产生的背景和意义 3 1.2 变频调速技术的特点及应用 5 1.3 可编程序控制器的特点及应用 5 1.4 本文的主要研究内容 7 2 变频恒压供水系统简介 8 2.1 供水系统的基本特性 8 2.2 变频调速的节能、调速原理 8 2.3 变频调速恒压供水工况分析与能耗机理分析 10 2.3.1 管路水力损失及性能曲线 10 2.3.2 水 泵工作点的确定和调节 10 2.3.3 水泵变频调速节能分析 12 2.3.4 调速范围的确定 13 2.4 变频恒压供水系统的特点 13 3 变频调速恒压供水系统硬件的设计 15 3.1 恒压控制的理论分析 15 3.2 系统的方案设计及工作过程 15 3.3 控制系统硬件设计 17 3.3.1 主电路 设计 17 3.3.2 时控开关 ,压力传感器 ,变频器的选型 18 3.3.3 PLC配置 18 3.3.4 控制电路设计 22 4 控制系统的软件设计 24 4.1 控制系统主程序设计 24 4.2 控制系统子程序设计 25 4.3 监控软件结构设计 25 5 总结 27 参考文献 28 nts 1 PLC 在变频调速恒压供水系统中应用 摘要 ： 众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。在节水节能己成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，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，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，此时为了保证供水，机组通常处于超压状态运行，不但效率低、耗电量大将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备的损坏，引起供水中断。变频调速式供水系统其原理是通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，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，从而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。并且变频调速式供水系统具有节约能源、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。 本论文结合我国中小城市供水厂的现状，设计了一套基于 PLC的变频调速恒压自动控制供水系统。变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器、时控开关等构成 .系统采用三台变频器拖动三台电动机 (10KW)的起动、运行与调速，其中一台为备用，另两台在高峰期间同时运 行，低峰期间其中一台运行。 本文第一章主要讲述变频恒压供水系统产生的背景、意义、国内研究现状、 PLC的基本功能以及本文研究的主要内容，第二章主要简述变频恒压供水系统， 第三章主要是系统的硬件设计，第四章主要是系统软件的设计。 该系统能够对供水过程进行自动控制，能够有效的降低能耗，保证了供水系统运行在最佳状况，提高生产管理水平。但是该系统只能用于小型的供水系统中，因为该系统的电机功率只有 10KW,大功率电机的变频与工频之间的转换会存在电流的问题。 关键词 ： PLC；变频调速；恒压供水；变频转工频；控制系统 nts 2 PLC in the Frequency Control Water Supply System Application . Abstract: Along with the rapid socio-economic development of cities, the scale of construction continues to expand, the increase in population and peoples standard of living continues to improve, the citys water quantity and quality, Stability of the ever-increasing demands. Chinas medium and small cities in particular are old Waterworks water control system configuration is relatively backward , the main unit of control staffs rely on the manual. control process cumbersome, but unable to manually control the water pipes in the pressure and water level changes made in a timely manner appropriate response. To ensure water supply, Units are usually overpressure state operations, not only inefficient, power consumption, and distribution network in the long-running pressure, sun damage is also very serious. This paper combines the small and medium-sized cities in China the status of water supply plant, Design of a PLC-based variable voltage and variable frequency control supply system. Frequency Converter automatic control system consists of programmable controllers, converters, motor pump group, pressure sensors, at the control switch components. Inverter system uses three traction motors three (10KW) starting, running and speed, Taiwan, for which a reserve, and the other two at the same time during peak periods, low peak period of one run. In this paper, the first chapter focuses on the frequency constant pressure of the water supply system in the background, significance, researchers in the status quo, PLC as well as the basic functions of this paper, the main contents of the second chapter outlined the main frequency constant pressure water supply system, Chapter III is the hardware design, the fourth chapter is the main system software design. The system can supply process control, can effectively reduce energy consumption, guarantee the operation of the water supply system in the best possible situation, improve production management level. However, the system could only be used for small-scale water supply systems, the system because of the electrical power is only 10 KW. High-power motor and the inverter frequency conversion between the current existence of the problem. Key words： PLC;VVVF;Constant voltage supply;Frequency change jobs frequently;Control System nts 3 1 绪论 1.1 变频恒压供水产生的背景和意义 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） 由 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。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。在变频恒压供水技术出现以前出现过其他供水方式，一下逐一进行分析： (1) 一台恒速泵直接 供水系统 这种供水方式，水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用管网压力的稳定。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。水塔的合理高度是要求水塔最低水位略高于供水系统所需要压力。水塔注满后水泵停止，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；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，水泵不能进行自动的开、停，这样水泵的开、停，将完全由人操作，这时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 这种方式原理与水塔是相同的，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。占地面积与设备投资都有所减少，但这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。一些动物甚至人都可能进入水箱污染水质。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开、停，将完全由人操作，使系统的供水质量下降能耗增加。 (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。而且气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。但气压罐供nts 4 水方式也存在着许多缺点，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安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较 ， 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、给水系统最不利点恒压控制。 1 出口恒压控制 水泵出口恒压控制是将压力传感器安装在水泵出口处，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，整个给水系统的压力可以看作是恒定的，但这种控制方式若在供水面积较大的居住区中应用时，由于管路能耗较大，在低峰用水时，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。 2 出口变压控制 水泵出口变压控制也是将压力传感器安装在水泵出口处，但其压 力设定值不只是一个。是将每日 24 小时按用水曲线分成若干时段，计算出各个时段所需的水泵出口压力，进行全日变压，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。它比水泵出口恒压控制方式能更节能，但这取决于将全天 24 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。 3 最不利点恒压控制 最不利点恒压控制是将压力传感器安装在系统最不利点处，使系统在运行过程中保持最不利 点的压力恒定。这种方式的节能效果是最佳的，但由于最不利点一般距离水泵较远，压力信号的传输在实际应用中受到诸多限制，因此工程中很少采用。 变频调速的方式在节能效果上明显优于气压罐方式。气压罐方式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作。当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。同时水泵是工频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。而变频恒压供水在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，同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗比较小。另外气压罐要消耗一定的钢量，这也是它的一个较大的缺点。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，不存在消耗多少钢材的问题。同时由于气压罐体积大，占地面积一般为几十平米。而变频调速式中的调速装置占地面积仅为几平米。由此可见变频调速供水方式比气压罐供水方式将节省大量占地面积。在运行效果上，气压罐方式与调速式相比也存在着一定差距。气压罐方式的运行不稳定，突出表现在它的频繁启动。由于气压罐的调节容量仅占其总容积的 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，这样将产生较大的噪声，同时由于启动过于频繁，压力不稳，加之硬启动，电气和机械冲击较大，设备损坏很快。变频调速式的运行十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，加之启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。在小区供水中，而且由于调速式是经水泵加压后直接送往用户的，防止了的水质二次污染，保证了饮用水水质可靠。 由此可见 ：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、 调节能力大、运行稳定可靠的优 势 而且能够构成复杂的功能强大的供水系统 ， 具有广阔的应用前景和明显的经济效益与社会效益 nts 5 1.2 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 40 60，节水 15 30。 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，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。 1.3 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nts 6 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。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： (1)开关量的逻辑实际处理功能 开关量的逻辑实际处理功能，是 PLC的最基本功能之一，用来取代继电接触器控制系统，实现逻辑控制和顺序控制。 PLC根据外部现场 (开关 、 按钮或其他传感器 )的状态，按照指定的逻辑进行运算处理后，控制机械运行部件相应的操作。另外，在 PLC中一个逻辑 的状态可以无限制的使用 ,逻辑关系的修改和更改也十分方便。 (2)定时控制 PLC中有许多供用户的定时器 ,并设置了计时指令，定时器的设定值可以在编程时设定，也可以在运行过程中进行修改，使用方便灵活。同时 PLC还提供了高精度的时钟脉冲，用于准确的实时控制。 (3)计数控制 PLC为用户提供许多计数器，计数器计数到某一数值时产生一个状态信号 (计数值到 ) 。利用该状态信号实现对某个操作的计数控制。计数器的设定值可以在编程时设定 ,也在可以 在运行过程中根据需要进行修改。 (4)步进控制 PLC为用户提供了若干个移位寄 存器，可以实现由时间，计数和其他指定逻辑信号为转步条件的步进控制。即在一道工序完成以后，在转步条件控制下，自动进行下一道工序。有些 PLC还专门设置了用于步进控制的步进指令，编程和使用都很方便。 (5)数据处理 PLC的数据处理功能，可以实现算术运算，逻辑运算，数据比较，数据传送，数据移位，数制转换，译码编码等操作。中大型 PLC数据处理功能更加齐全，可以完成开方， PID运算，浮点运算的操作，还可以和 CRT，打印机相连，实现程序，数据的显示和打印。 (6)回路的控制 有些 PLC具有 A/D， D/A转换的功能，可以 方便对模拟量的控制和调节，一般情况下，模拟量为 4 20mA的电流，或 1 5V， 0 10V的电压；数字量为 8位或 12位的二进制数。 (7)通信联网 有些 PLC采用通信技术，实现远程 I/O控制，多台 PLC之间的同位连接， PLC与计算机之间的通信等。利用 PLC的同位连接，可以把十台 PLC采用同级或分级的方式连成网络，使各台 PLC的 I/O状态相互透明。采用 PLC与计算机之间的通信连接，可以用计算机作为上位机，下面连接数十台 PLC作为现场控制机，构成“集中管理，分散控制”的分布式控制系统，以完成较大规模的复杂控制。 (8)监控 PLC设置了较强的监控功能。利用编程器或监视器，操作人员可以对 PLC 有关部分的运行状态进行监视。 nts 7 (9)停电记忆 PLC内部的部分存储器所使用的 RAM设置了停电保持器件 (如备用电池等 ) ，以保证断电后这部分存储器中的信息能够长期的保存。利用某些记忆指令可以对工作状态进行记忆，以保持 PLC断电后的数据内容不变。 PLC电源恢复后，可以在原工作基础上继续工作。 (10)故障诊断 PLC可以对系统构成，某些更件状态，指令的合法性等进行诊断，发现异常情况，发生报警并显示错误类型，如属严重错误则自动中止运行 。 PLC故障自诊断功能。大大的提高了PLC控制系统的安全性和可维护性。 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。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。 1.4 本文的主要研究内容 经过系统的调研和分析，并结合供水厂的生产实际，本次研究的主要内容和目标是基于PLC的三台变频器拖动三台电机变频运行的恒 压供水自适应平衡控制系统的研制，该系统利用变频器实现水泵电机的软起动和调速 ，同时把阀门控制和水泵电机控制都纳入自动控制系统。具体而言，论文包括以下内容： 1变频调速恒压供水系统现状和发展 主要介绍其系统的背景和意义，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的发展以及其特点。 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特点及工作原理，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介绍了基于 PLC 的变频调速恒压自动控制供水系统，该系统由三台变频器拖动三台水泵电机变频运行。压力传感器采样管网压力信号经 PID处理传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速，改变水泵性能曲线来实现水泵的流量调节，保证管网压力恒定。重点对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程，控制系统的硬件 设计和 PLC 程序 构成 进行研究。 nts 8 2 变频恒压供水系统简介 2.1 供水系统的基本特性 供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度变为前提，表明水泵在某一转速下扬程 H与流量 Q之间的关系曲线 f (Q)，如图 2-1所示。由图 2.1可以看出，流量 Q越大，扬程 H越小。由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况，因此，扬程特性所反映的是扬程 H 与用水流量vQ之间的关系。而管阻特性是以水泵的转速不变为前提， 表明阀门在某一开度下，扬程 H与流量 Q之间的关系 H=f(vQ)。管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图可知，在同一阀门开度下，扬程 H越大，流量 Q也越大。由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量vQ之间的关系 H=f (cQ)。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 2-1中 A 点。在这一点，用户的用水流量vQ和供水系统的供水流量cQ处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。 图 2-1 供水系统的基本特性 2.2 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 2-2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 , H 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 H ，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。 管组特性 扬程特性 A HA H(m) QA )/( 3 smQ nts 9 泵全速时泵出口压力恒定时管网末端恒定时泵出口恒定时扬程流量关小阀门时泵速下调到 时泵速下调到 1时)图 2-2 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 H 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 （ 2 2） H1/H2=(n1/n2)*2 （ 2 3） P1/P2 =(n1/n2)*3 （ 2 4） 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，降低了起动电流，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nts 10 n为 ： n =120 f(1-s)/p （ 2 5） 式 2-5中 s为电机的滑差 (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 （ 2 6） 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。 2.3 变频调速恒压供水工况分析与能耗机理分析 2.3.1 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 jys hhh (2.3.1) 沿程损失： 2LQhyy (2.3.2) 局部损失： 22222 QgAgh jjj (2.3.3) 式中y管路沿程摩擦损失系数；j局部损失系数； L管路长度 (m)； 各局部损失的计算流速 (m/s)； A 过水截面的面积 ( 2m )。 将式 (2.3.2)和 (2.3.3)代人 (2.3.1)可得 222222 22 SQQgALQgALQh jyjys (2.3.4) 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y、j、 L、 A等参数都能确定， S 也就确定了。由式 (2.3.4)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sjH）加上管路损失 11。 ssjx HHH (2.3.5) 由式 (2.3.5)可以得到如图 2-3所示的 QHx 管路性能曲线。 2.3.2 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2-3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 AH 、流量 AQ 以及效率 A 。 nts 11 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： )1(60 sp fn (2.3.6) 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，使电动机起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，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。 HQkN (2.3.7) 1212 / nnQQ (2.3.8) 21212 nnHH (2.3.9) 将式 (2.3.8)和 (2.3.9)代入 (2.4.7)可得： 31212 nnNN (2.3.10) AQQ AH AAH x - QAH Qn 1 Q图 2-3 水泵工作点的确定 nts 12 A CQ AQ C Q Qn 1n 2H 0HH Q 相似工况抛物线Hx Q 管路性能曲线H Q 水泵性能曲线图 2-4 变频调速恒压供水单台水泵工况调节图 式 (2.3.7)中： 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 22121 QQHH(2.3.11) 即 kQHQH 22 221 1 或 2kQH (2.3.12) 式 (2.3.12)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 2-4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 420A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 2-4中可以找出 C点的扬程 HC、流量 QC 以及水泵运行效率c。 考察水泵的效率曲线 -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 2.3.3 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 2-5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 2-5上可以看出，nts 13 QQ 0Q 1n 0AH sjBR 2R 1H 0H 10n 1CH 2H图 2-5 水泵节能分析图 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。 由 (2.3.7)求出运行在 B 点的泵的轴功率 11 HkQN B ，运行在 C 点时泵的轴功率21 HkQN C ， 两者之差： 0 121 )( kQHHNNN CB (2.3.13) 也就是说，采用阀门控制流量时有N 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 (2.3.10)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。 2.3.4 调速范围的确定 考察水泵的效率曲线 -Q(图2-4 )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。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
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