基于PLC控制的城市恒压供水系统

1、天津大学硕士学位论文基于PLC控制的城市恒压供水系统姓名：祁增慧申请学位级别：硕士专业：电力系统及自动化指导教师：张炳达20080501中文摘要随着改革开放的不断深入，我国中小城市的城市建设及其经济迅猛发展，人民的生活水平不断提高；同时，城市需水量日益加大，对城市供水系统提出了更高的要求。供水的可靠性、稳定性、经济节能性直接影响到城区的建设和经济的发展，也影响到城区居民的正常工作和生活。本文根据张家口市城区供水管网改造工程新水源西泵站二次加压系统，设计了一套由、变频器、远传压力表、多台水泵机组、计算机、通信模块等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监控系统，具有自动工频变频恒压运行、可实现

2、远程自动控制和现场手动控制等功能。论文分析了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机理。通过对变频器内置模块参数的预置，利用远传压力表的水压反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取调节方式，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，实现恒压供水且有效节能。论文论述了采用多泵并联供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，分析了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题。给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计方案和控制程序设计方案。通过对计算机和之间通信协议的研究，完成了上、下位机的通信设置，开发了计算机监控程序，通过通信

3、模块实现了对供水系统的远程监控和故障报警。系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题，增强了系统的可靠性。并与计算机实现了有机的结合，提升了系统的总体性能。关键词：；变频调速；恒压供水；远程监控，：，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和取得的研究成果，除了文中特另，以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘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己在论文中作了明确的说明并表示了谢意！学位论文作者签名：静蠕篓、签字日期：堋年石月，彩日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解

4、鑫鲞态堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤盗盘鲎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者魏皙喁缝、导师签名：多长婀也签字百期沁“年月日签字日期：西扩年月护天津大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论概述随着改革开放的不断深入，我国中小城市的城市建设及其经济迅猛发展，人民的生活水平不断提高；同时，城市需水量日益加大，对城市供水系统提出了更高的要求。供水的可靠性、稳定性、经济节能性直接影响到城区的建设和经济的发展，也影响到城

5、区居民的正常工作和生活。我国中小城市传统的供水方式主要采用恒速泵加压供水以及水塔高位供水等，恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，影响城市整体规划，维护不方便，水泵电机为硬起动、起动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，且能耗大。综上所述，传统的供水方式普遍

6、不同程度的存在效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，难以满足当前经济生活的需要。当前，随着可编程序控制器（）技术的发展，由于其高可靠性、高性价比、广泛的工业现场适应性和方便的工艺扩展性能，在工业自动控制过程中得到了越来越广泛的应用。同时，交流异步电动机变频调速技术的日益成熟，与以往任何调速方法相比具有节能效果明显、调速过程简单、起动性能优越、自动化程度高等许多优点。因此将及变频器应用于供水系统，可满足城市供水系统对可靠性、稳定性、经济节能性的要求问题的提出及主要技术问题张家口市地处河北省西北部山区，城市人口约万人，过去为军事重地，改革开放较晚，属经济欠发达地区。改革开放后，张家口加快了城市建

7、设步伐。但城市供水系统陈旧，城区管网多采取传统的水塔高位供水方式。水塔分布在市区天津大学硕士学位论文第一章绪论内，不仅影响城市整体规划，且存在能耗大，维护不方便，电机的启动电流对瑰网冲击大的缺点；各供水系统相距较远，不能及时有效地掌握各供水系统的运行状况，系统运行可靠性低，赦障排除慢，系统运行中豹一些参数也无法监控与记录。为满足城市需水量曰益加大的要求，供水公司决定兴建新水源在距市区南公里的洋河边打井取水，并经西泵站二次加压为城区供水。同时为降低单位供水能耗，实现全鲁动、可靠、稳定的供水，需要利用变频恒压供承技术对原供水系统进行自动化改造，采用控制并进行远程监控、管理及故障远程报警。在实现过程

8、中主要研究并解决以下问题。重、研究并完成剥翔、变频器、远传筮力表帮多台水泵机组等主要设备构建变频调速恒压供水系统的设备选型与方案设计，为提高变频器的使用效率，减少设备投资，采用一台变频器分别拖动多台水泵电机变频运行的方案。、深入分析交频恒题供承系统的工况变化过程，确定工况转换方式，完成控制程序的设计，实现水泵的变频起动，保证水泵从变频到工频的可靠、安全的切换。、设定调节参数，实现在全流量范匿内靠交频泵麴连续谓节和工频泵的分级调节相结合，维持供水压力恒定。、研究和计算机的通信模式，确定通信协议，开发通信与监控软件，实现供水系统豹远程监控、管理与报警。、加强系统的可靠性设计，提高系统的冗余度，设计

9、自动工频运行方式和手动运行方式作为系统全自动变频恒压运行的备用方案，在故障时作为应急处理，维持供水。通过该项因的研究和实施可以极大地改善城区供水的可靠性和稳定性，降低能耗及维护成本，方便管理。具有较好的应用前景和推广价值。相关技术概况技术概况可编程控制器（）是以微处理器为核心的工业控制装置。它将传统的继电器控制系统与计算机技术结合在一起，具有可靠性高、灵活通用、易于编程、使焉方便等特点，近年来在工业鸯动控制、枫电一体讫、改造传统产业等方面得到普通应用，越来越多的工厂设备采用、变频器、人机界面等自动化器件来控制，使设备自动化程度越来越高。天津大学硕士学位论文第一章绪论、技术特点可编程序控制器是专

10、为在工业环境下应用而设计的工业计算机，其出现后就受到普遍重视，发展也十分迅速，在工业自动控制系统中占有了极其重要的地位，最重要的原因是它与现有的各种控制方式相比较，具有如下独一无二的特点：（）可靠性高可编程控制器的平均无故障时间长达万小时，也就是说一台可编程控制器可连续运行多年不出故障，到目前为止尚无任何一种工业控制系统的可靠性能达到和超过。在硬件方面采用了屏蔽、滤波、电源调整与保护、隔离及模块结构等措施来增加的可靠性；在软件方面，设置了自诊断、警戒时钟、信息保护和恢复等措施；此外，采用周期扫描、集中采样、集中输出的工作方式也极有效地提高了自身的抗干扰能力。因此，它具有了极高的可靠性和很强的抗

11、干扰能力，被誉为“不会损坏的仪表”。（）控制程序可变，具有很好的柔性在生产工艺流程改变或设备更新，需要改变控制功能时，往往不必改变硬设备，只需改变一下应用程序就可以达到目的。具有很突出的柔性控制能力，此能力正是目前企业“小批量、多品种”产品所强烈要求的。正因为此，在柔性制造单元（）、柔性制造系统（）以至于工厂自动化（）中也被大量采用。（）编程方法简单易学目前，大多数编程采用的都是与继电器控制电路相似的梯形图，它形象直观，易学易懂，因此受到了普遍欢迎。还针对具体问题，开发了顺序功能图语言，简化了复杂控制系统的编程。与目前微机控制中常用的汇编语言相比，更容易被操作人员接受。（）功能强，性能价格比高

12、现代内部有成百上千的内部继电器、几十个特殊继电器、许多数据寄存器、定时器和计数器，还开发了几十到几百的功能指令，所以它不仅具有逻辑运算、定时、计数、顺控等功能，还具有较强的数值处理功能、模拟量输入输出处理功能、通信联网功能等。此外，还能扩展位置控制、运动控制等各种特殊功能的智能模块。与相同功能的继电器控制系统相比，它具有很高的性能价格比。（）体积小，重量轻，能耗低由于半导体集成电路的应用，的体积相对很小。一台收音机大小的具有相当于三个高的继电器柜的功能，节电能达以上。例如，内部有个继电器，个状态器，个定时器，个计数器，还有大量的数据寄存器，而其外形尺寸仅为，重仅为天津大学硕士学位论文第一章绪论

13、。由此可见，是机电一体化的理想装置。、的应用由于可编程控制器鳆上述特点，使其在国民经济的各个领域都褥到了广泛豹应用，应用范围不断扩大，主要有以下几个方面。（）开关量逻辑控制这是最早也是最基本的应用。舆有“与”、“或”、“毒”等逻辑指令，可以实现触点和电路的串、并联，代替继电器进行逻辑控制、顺序控制与定时控制。既可实现单机控制，也可用于多机控制及自动化生产流水线的控制，如组含机床、电梯、电镀流水线、冶金高炉的上下料以及港墨码头货物麴存放与提取控制等等。（）运动控制由于模拟量输入输出功能的实现以及对数据处理功麓的提高，制造商相应提供了拖动步进电动机或伺服电机的单轴或多轴运动控制模块。把描述目标位置

14、的数据送给模块，当每个轴移动时，运动控制模块能使之保持适当的速度和加速度，确保运动的平滑性。可编程控制器的运动控制功能可广泛焉于各种运动机械，如金属切削机床、机器人以及电梯等。（）过程控制它是指对溢度、压力、流量和速度等模拟萎的闭环控制。通过模拟量输入、输出模块，实现模拟量（）和数字量（）之间的转换（或转换），势利用（）子程序或专震的智熊模块对模拟量进行闭环控制。的模拟量控制已经广泛应用于水处理、锅炉、加热炉、热处理炉、冷冻设备、酿酒以及闭环速度控制等方面。（数据处理现代的不仅能进行数学运算、数据传送，而且能进行数据比较、数据转换和数据通信等。也能和机械加工中的数字控制（）及计算机数控（渊）相

15、结合，实现数值控制。为实现和设备之闻内部数据叁壶传递，通过窗口软件，用户可以独自编程，由送至设备使用。预计今后几年系统将变成以为主体的控制和管理系统。一般说来，数据处理常雳于较复杂的大型控制系统，如无入柔性制造系统等。（）通信联网的通信包括基本单元与远程之间的通信、之间的通信、和智能设备（如计算机、变频器、数控设备等）之闻的通信。为了适应近几年兴起的工厂自动化（）、柔性制造单元（）、柔性制造系统（）发展的需要，近几年开发的都加强了通信功能。天津大学硕士学位论文第一章绪论变频调速技术概况变频调速技术是近十几年来迅速发展起来的比以往任何调速方法更加优越的新技术，具有节毹效果明显、调遮曲线平滑、调速

16、过程简单、安全可靠、保护功能齐全、起动性能优越、自动化程度高等特点，被应用到工业生产控制过程中的任何场合，显著的节能效果也给众多的企业带来了巨大的经济效益，特别是近凡年来随着功率元件和徽处理系统在变频器中的应用，变频器本身已非常成熟，使得变频调速技术的优越性更加突出，传动效率越来越高，使用越来越方便，可靠性也得到了进一步的提高。交频器已形成了与电机相配合的不同功率、不同用途的系列化产品，具有多种速度切换、加减速时间的外部设定、曲线设定、转距升高调整、输出频率上、下限幅、频率跳跃等功能；吴有各种接口，能与计算机、可编程序控制器及自动化仪表联机，并具有远程控制的功能。目前产品已经广泛地应用于石油、

17、石化、钢铁、冶金、矿山、机械、纺织、建筑、造纸等行业。本章小结本章首先概述了论文的选题背景、意义及课题来源，在对现有供水系统存在问题调研的基础上，确定了以实现节能、自动、可靠、稳定供水的控制的变频恒压供水及其远程监控系统的设计目标。对及变频调速技术做了简要叙述，提出了设计需要解决的主要技术闫题和论文的主要研究内容。天津大学硕士学位论文第二章供水系统调控分析第二章供水系统调控分析在传统城市供水系统中，常采取恒速泵供水方式。由于用户用水具有不确定性，用水量处于动态变化过程之中，恒速泵供水方式虽然可通过水泵切换控制管网压力，但无法维持管压恒定，不断地起、停水泵电机不仅影响设备的寿命同时也使能耗增加，

18、供求质量不能保证。若采取阀门控制调节流量来维持管压，一方面频繁的调节使阀门的机械磨损加剧，设备维护工作量及设备投资增大；另一方面控制精度差且造成大量的电能浪费。此外，水泵电机直接工频起动与制动带来的水锤效应，黠管网、阕等也具有破坏性的影响。为满足用户对供水质量的要求，降低供水能耗，延长设备的使用寿命，提高系统的安全性，选择先进的自动控制方式实现恒压供水，儒讨论分析供水系统的一些基本概念鞠工况特性。供水系统的基本模型和主要参数张家口市区位于新水源西北方，地势较高。供水系统是将洋河边地下水抽入水厂蓄水泡，经恒速泵一次加压至西泵站清水池。谣泵站为二级泵站，是将清水池中的水经二次加压后为城区供水。本课

19、题为西泵站供水系统，其基本模型如图所示】。图供水系统的基本模型天津大学硕士学位论文第二章供水系统调控分析图中：水泵中心位置；玩吸水口水位；薤水平面水位；办管道最高处水位；。在管道高度不受限制的情况下，水泵能够泵水上扬的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真实豹管道系统中，这个位置并不存在。哭有在。大于管道的实际最高位置的情况下，才能正常供水。主要参数有鸭（）。漉量单位时阆内流过管道内菜一截面的水流量，常用单位是（）扬程也称水头，是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，数值上等于对应熬水位差。常用单位是。（）实际扬程日。供水系统中，实际的最高水位，与最低水位氟之间的水位差，即供水

20、系统实际提高的水位。即：纵一，（）全扬程墨水泵能够泵水上扬的最高水位氟与吸入叠静水位磊之闻的水位差。全扬程的大小说明了水泵的泵水能力。即日风一。（）损失扬程吃全扬程与实际扬程之差，郎为损失扬程。玩、毋、瓯之闻的关系是：琢日。露，。供水系统为了保证供水，其全扬程必须大子实际扬程，这多余的扬程一方面用于提离及控制水的流速，另一方面用于抵偿各部分管道内的摩擦损失。（）管阻露阀门和管道系统对水流的阻力。和阀门开度、流量大小、管道系统等多种因素有关，难以定量计算，常用扬程与流量间的关系曲线来描述。（）压力夕表明供水系统中某个位置水压大小麴物理量。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

21、况下，则还与流量与扬程之间的平衡情况有关。供水系统的特性曲线和工作点供水系统的参数表明了供水的性能。僵各参数之闻不是静止孤立的，相互闻存在一定的内在联系和变化规律。这种联系和变化规律可用供水系统的特性曲线直观地反映，主要有扬程特性曲线和篱阻特性曲线，如图。通过特性曲线可以掌握供水系统的性能，确定其工作点【蕊。天津大学硕士学位论文第二章供水系统调控分析图供水系统特性曲线图中：曲线一额定转速时的扬程特性曲线曲线一转速。时的扬程特性曲线曲线一阀门开度时的管阻特性曲线曲线一阀门开度不足时的管阻特性曲线、扬程特性以管路中的阀门开度不改变为前提，即截面积不变，水泵在某一转速下，全扬程与流量间的关系曲线日厂

22、（）称为扬程特性曲线。不同转速下，扬程特性曲线不同，图中的曲线、分别对应于转速、刀，且疗，。曲线表明转速一定时，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻损耗也就越大，供水系统的全扬程就越小，反映用户的用水需求状况对全扬程的影响的。在这里，流量的大小取决于用户，用水流量用，表示。用水量一定时，即，不变，转速越低，水泵的供水能力越低，供水系统的全扬程就越小。、管阻特性以水泵的转速不改变为前提，阀门在某一开度下，全扬程与流量间的关系曲线日厂（），称为管阻特性曲线。不同阀门开度，管阻特性曲线不同，图中的曲线对应阀门开度大于曲线对应的阀门开度。管阻特性表明由阀门开度来控制供水能力的特性曲线。此时转速一定，表

23、明水泵供水能力不变，流量的大小取决于阀门的开度，即管阻的大小，是由供水侧来决定的，故管阻特性的流量可以认为是供水流量，用表示。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。这里的和绋是为了便于说明供水能力和用水需求之间的平衡关系而假设的量。天津大学硕士学位论文第二章供水系统调控分析当供水流量接近于时，所需的扬程等于实际扬程（嚣嚣）。表明了如果全扬程小于实际扬程的话，将不能供水。因此，实际扬程也就是能够供水的基本扬程。、供水系统的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。在这一点，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性。供承系统处于平鬻状态，系统稳

24、定运行。图中的点表示水泵工作子额定转速，阀门开度为时的供水状态，为系统的额定工作点。、供水功率供水系统向用户供水时所消耗的功率（）称为供水功率，供水功率与流量和扬程的乘积成正比滋：岛（）式中：一比例常数供水系统中恒压控制对供水系统进行控制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，而扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，丽扬程与供水能力（由流量表示）和用水需求（由用水流量线表示）之间的平衡情况有关。若：供水麓力用水需求缆，则压力夕上升；若：供水能力用水需求甄，则压力下降；若：供水能力用水需求幺，则

25、压力不变。可见，流体匿力的变化反映了供水能力与用水需求，之霹的矛盾。从磊，选择压力控制来调节管道流量大小。这说明，通过恒压供水就能保证供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。将来用户需求发生变化时，需要对供水系统做出调节，以适应流量靛变化。这种调节就是以压力恒定为前提来实现的。常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种。重、阀门控制法转速保持不变，通过调节阀门的开度大小来调节流量。实质是水泵本身的供水能力不变，而透过改变水路中的阻力大小来强行改变天津大学硕士学位论文第二章供水系统调控分析流量大小，以适应用户对流量的需求。这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程

26、特性则不变。、转速控制法阀门开度保持不变，通过改变水泵的转速来调节流量。实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。供水系统能耗与效率不同控制方式下的能耗分析与比较、转速调节与恒速运行供水能耗分析根据水泵比例定理【】【】，改变转速，水泵流量、扬程日和轴功率都随之相应变化，其关系式为：鱼（韵鲁（生）争刀日协，。（）协）式中，、分别为调速后的水泵转速、流量、扬程和轴功率。从以上关系可知，当转速下降时，轴功率按转速变化的次方关系下降，可见转速对功率的影响是最大的。一般在设计中，水泵均考虑在最不利工况下供水，水泵在选型上也是按水泵额定工

27、作点选型和安装使用，即按额定工作点设计。但在实际运行中，管网用水量常常低于最不利工况，这时，如降低转速相对于恒速泵供水运行，能使水泵的轴功率大大减少。、转速控制法与阀门控制法供水能耗分析在图中，将阀门控制法和转速控制法的特性曲线画在了同一坐标系中。假设系统原工作于额定状态点，当所需流量减少，从额定流量鳊变为时，在恒压前提下，采用阀门控制法时供水系统工作点将移到点，对应的供水功率与面积胴成正比；采用转速控制法时供水系统工作点将移到点，对应的供水功率最与面积成正比。两种控制方式下的面积之差舻日所表明了采取转速控制方式相对于阀门控制方式可以实现节能。天津大学硕士学位论文第二章供水系统调控分析可见，在

28、供水系统中根据用水量的大小，通过调节水泵转速的方式来实现供水具有很好的节能效果。而且这种方式在用水量较少时节能效果更为明显。转速控制供水系统的工作效率、工作效率的定义供水系统的工作效率为水泵的供水功率岛与轴功率昂之比【】，即：音驴每，（）该效率是包含了水泵本身效率在内的整个供水系统的总效率。式（）中，是指水泵是在一定流量、扬程下运行时所需的外来功率，即电动机的输出功率；最是供水系统的输出功率也就是水获得的实际功率，由实际供水的扬程和流量计算。供水过程中的损耗主要来自于水泵本身的机械损耗、水力损失、容积损失，以及管路中的管阻损耗。、供水系统工作效率的近似计算公式水泵工作效率相对值，；的近似计算公

29、式如下【】，二：（嬖）一：（嬖）有以下关系：刁；旦、；：箬、刀；旦呓（）式（）中：刁；、甩一效率、流量和转速的相对值，均小于；、一常数，其关系为。、不同控制方式时的工作效率阀门控制法方式，因转速不变，刀。，比值兰随着流量的减小。减小，水泵工作的效率刁；降低十分明显。转速控制方式时，因阀门开度不变，由式（），流量和转速，是成正比的，比值不变。即水泵的工作效率是不变的，总是处于最佳状态。所以，转速控制方式与阀门控制方式相比，供水系统的工作效率要大得多，节能效果良好。供水系统中的水锤效应、水锤效应在极短时间内，因水流量的急剧变化，引起在管道的压强过高或过低的冲击，天津大学硕士学位论文第二章供水系统调

30、控分析并产生空化现象，使管道受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，称为水锤效应。水锤效应具有极大的破坏性。压强过高，将引起管子的破裂；压强过低又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。、产生水锤效应的原因及消除办法产生水锤效应的根本原因，是水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。水泵的动态转矩大小决定了水泵加速过程的快慢，决定了加速过程流量变化的快慢，也就决定了水锤效应的强弱。通过水泵电动机的软起动，可减少动态转矩，因此，选择好的起动方式和速度调节方法，可以减小或彻底消除水锤效应，提高供水系统运行的安全性。本章小结本章在分析供水系统模型及其特性参数的

31、基础上，探讨了影响供水系统能耗及其安全性的一些因素，得出了以下结论：、对供水系统进行的控制，归根结底是对供水能力的调节，以满足用户对流量的需求。这种调节又是以水压调节为目标。、供水系统扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点是系统的工作点，实际运行中的工作点会随用水需求的变化而改变。为保证水压恒定，采取转速调节方式较阀门控制方式节能效果明显。、采取流量控制实现恒压供水，可减少系统能耗，提高工作效率。、采取水泵电动机的软起动可以减小或消除水锤效应，可减少冲击，增加系统运行的安全性，延长系统运行寿命。一天津大学硕士学位论文第三章供水系统恒压控制与硬件设计第三章供水系统恒压控制与硬件设计异步电动机调速方法及

32、选择转速控制法实现恒压供水，供水质量好、能耗低、效率高，并可延长设备的使用寿命，提高系统的安全性。通过转速控制法实现恒压供水，需要调节水泵的转速。水泵通过联轴器由三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调节，实质就是需要调节异步电动机的转速。由三相异步电动机的转速公式【】以毡（刊：半（刊（）式中，异步电动机的同步转速，；，异步电动机转子转速，：异步电动机磁极对数；厂异步电动机定子电压频率，即电源频率；球速差，；一，可知调速方法有：变极调速、变转差调速和变频调整。变极调速在电源频率一定的情况下，改变电动机的磁极对数，实现电机转速的改变。磁极对数的改变通过改变电机定子绕组的接线方式来实现。这种调速方式

33、只适用于专门的变极电机，而且是有极调速，级差大，不适用于供水系统中转速的连续调节。变转差调速通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变。三相异步电动机的转子铜损耗为【】：吃巧厶（）该损耗和电机的转差率成正比，又称为转差功率，以电阻发热方式消耗。电动机工作在额定状态时，转差率很小，相应的转子铜损耗小，电机效率高。但在天津大学硕士学位论文第三章供水系统恒压控制与硬件设计供水系统中由转速控制法实现恒压供水时，为适应流量的变化，电机一般难以工作于额定状态，其转速值往往远低于额定转速，此时的转差率增大，转差功率增大，电机运行效率降低。虽然变转差调速中的串级调速法能将增加部份的转差功率通过整流、逆变装置回馈

34、给电网，但其功率因数较低，低速时过载能力低，还需一台与电动机相匹配的变压器，成本高，且增加了中间环节的电能损耗。因此变转差调速方法不适用于恒压供水系统中的转速控制法。变频调速、变频调速机械特性通过调节电动机的电源频率来实现电机转速的调节方式。这种调速方式需要专用的变频装置，即变频器。最常用的变频器采取的是变压变频方式的，简称为（）。在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通。基本不变，其关系为：常数厂式中：变频器输出电压、变频器输出频率变频调速方式时，三相异步电动机的机械特性表达式：（）式一一定子漏电抗：一转子漏电抗折算值频率厂从额定值厶往下调时，由文蒯机机械特性变化情况如图所示，图中

35、石以六以。），）图电动机机械特性）变频调速机械特性）全压起动）变频起动天津大学硕士学位论文第三章供水系统恒压控制与硬件设计、变频调速过程的特点：静差率小，调速范围大，调速平滑性好，而且，很关键的一点是调速过程中，其转差率不变。电机的运行效率高，适合于恒压供水方式中的转速控制法。、变频调速对供水系统安全性的作用采用变频调速，对系统的安全性有一系列的好处（）可消除水锤效应，减少对水泵及管道系统的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命。拖动系统中，动态转矩丁，死一正：是电动机的拖动转矩正：是供水系统的制动转矩图中）和）反映了全压起动和变频起动过程中动态转矩情况。图中，曲线是异步电动机的机械特性，曲线是

36、水泵的机械特性，）中的锯齿状线是变频起动过程中的动态转矩。由图可知，水泵在直接起动过程时，因动态转矩很大，造成了强烈的水锤效应，通过变频起动，可有效地降低动态转矩消除水锤效应。停机过程效果类似。（）降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命将大大延长。（）避免了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命。（）减少了起动电流，也就减少了系统对电网的冲击，提高了自身系统的可靠性。供水系统的方案确定对西泵站供水系统总体要求（）由多台水泵机组实现供水，最大流量，扬程米左右（）设置一台小泵作为辅助泵，用于小流量时的供水（）供水压力要求恒定，尤其在换

37、泵时波动要小、（）系统能自动可靠运行，为方便检修和应急，应具备手动功能（）各主泵均能可靠地实观软启动（）具有完善的保护和报警功能（）系统要求较高的经济运行性能天津大学硕士学位论文第三章供水系统恒压控制与硬件设计供水系统的流量类型确定供水系统总体设计方案的基本依据是设计供水能力能满足系统最不利的用水需求，同时还需要结合用户用水量变化类型，考虑方案适用性、节能性，及其它技术要求。根据用户的用水时段特点，可将用户用水量变化类型分为连续型、间歇型两大类，根据流量的变化特点，还可进一步细分为高流量变化型，低流量变化型，全流量变化型等。不同季节、不同月份，流量变化类型也会改变。连续型是指一天内很少有流量为

38、零的时候，或本身管网的正常泄漏就保持有一定的流量。间歇型指一天内有多段用水低谷时间，流量很小或为零。各种类型的水流量变化关系曲线如图。时）【时）图城区用水量变化类型）连续型（全流量变化型）连续型（低流量变化型）连续型（高流量变化型）间歇型总体设计方案确定、调速方式西泵站供水系统主要负责张家口市桥西区域用户的用水，属连续型高流量变化型。这类型用水需求虽然在较长时间段表现为高流量，但低流量时，采用变频调速方式来实现的恒压供水节能效果比较明显，与通常的工频给水设备相比平均节能可达。水泵变频软起动冲击电流小，也有利于电机泵的寿命，此外水泵在低速运行时，噪声小。特别是随着现代大功率电子技术的发展，变频器

39、的性能日新月异，有调速范天津大学硕士学位论文第三章供水系统恒压控制与硬件设计围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便并且便于同其他设备接口等一系列优点，因此恒压供水系统中采取变频调速方式可以获得优良的运行特性和明显的节能效果，是实现恒压供水转速控制最佳方案。、泵水方式由于用水呈高流量变化型的特点，采用多台水泵并联供水，根据用水量大小调节投入水泵台数的方案。在全流量范围内靠变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，使供水压力始终保持为设定值。多泵并联代替一、二台特大泵单独供水不会增加投资，而其好处是多方面的。首先是节能，每台泵都可以较高效率运行，长期运行费用少；其二，供水可

40、靠性好，一台泵故障时，一般并不影响系统供水，小泵的维修更换也方便；其三，小泵起动电流小，不要求增加电源容量；其四，只须按单台泵来配置变频器容量，减少投资。处于供水低谷小流量或夜间小流量时，为进一步减少功耗，采用一台小流量泵来维持正常的泄漏和水压。供水系统如图所示。占占拶叫主夏卜叫竹、一，清水网池图供水系统图一水位上限检测一水位下限检测一闸阀止回阀一压力检测、控制方式多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选用编程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的通过编程来实现。供水系统的恒压是通过压力变送器、调节器和变频器组成的闭环调节系统控制的。根据水压的变化，由变频

41、器调节电机转速来实现恒压。为实现远程监控的功能，系统中还配置了计算机和通信模块。恒压供水电控系统组成根据上述总体设计方案，西泵站恒压供水电气控制系统可由以下几部分组成：天津大学硕士学位论文第三章供水系统恒压控制与硬件设计（）主电路：通过接触器、断路器等电气设备为主水泵及辅泵拖动电动机提供工频及变频电源。（）电气控制电路：成对主电路的继电控制，实现手动或自动控制的切换。（）变频控制电路：根据压力设定及压力传感器的压力检测信号，由变频器输出变频电源：提供最高频率、上下限频率及启动频率等信号；并能实现调节。（）控制系统：包括硬件线路和软件控制程序，完成对恒压供水系统压力设定、顺序控制、信号指示报警及

42、与上位机的通讯联络。西泵站恒压供水系统构成及控制方案如图所示。一图恒压供水系统构成及控制方案图控制系统的硬件设计与选型主电路设计三台大容量的主水泵（群，群，拌）根据供水状态的不同，具有变频、工频、停泵三种运行方式，因此每台主水泵均要求通过两个接触器分别与工频电源和变天津大学硕士学位论文第三章供水系统恒压控制与硬件设计频电源输出相联；辅助泵只运行在工频状态，通过一个接触器接入工频。连线时一定要注意，保证水泵旋向正确，接触器的选择依据电动机制容量来确定。、分别为主电路、变频器和各水泵的工频运行空气开关，、为工频运行时的电机过载保护用热继电器，变频运行时由变频器来实现电机过载保护。变频器的主电路输出

43、端子（、）经接触器接至三相电动机上，当旋转方向与工频时电机转向不一致时，需要调换输出端子（、）的相序，否则无法工作。变频器和电动机之间的配线长度应控制在以内。在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子（）来操作，不得以主电路空气开关的通断来进行。为了改善变频器的功率因素，还应在变频器的（、）端子之间接入需相应的电抗器。变频器接地端子必须可靠接地，以保证安全，减少噪声。在电动机三相电源输入端前接入电流互感器和电流表，用来观察电机工作电流大小，设计三相电源信号指示。图给出了供水系统电气控制主回路的主要联线关系。图主电路图电气控制电路设计在控制电路的设计中，必须要考虑

44、弱电和强电之间的隔离的问题。为了保护设备，输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是在输出端口和天津大学硕士学位论文第三章供水系统恒压控制与硬件设计交流接触器之间引入中间继电器，通过中间继电器控制接触器线圈的得电失电，进而控制电机或者阀门的动作。通过隔离，可延长系统的使用寿命，增强系统工作的可靠性。控制电路之中还要考虑电路之间互锁的关系，这对于变频器安全运行十分重要。变频器的输出端严禁和工频电源相连，也就是说不允许一台电机同时接到工频电源和变频电源的情况出现。因此，在控制电路中多处对各主泵电机的工频变频运行接触器作了互锁设计；另外，变频器是按单台电机容量配置，不允许同时带多台电机运行，为此对各电

45、机的变频运行也作了互锁设计。为提高互锁的可靠性，在控制程序设计时，进一步通过内部的软继电器来作互锁。控制电路中还考虑了电机和阀门的当前工作状态指示的设计，为了节省的输出端口，在电路中可以采用输出端子的中间继电器的相应常开触点的断开和闭合来控制相应电机和阀门的指示灯的亮和熄灭，指示当前系统电机和阀门的工作状态。出于可靠性及检修方面的考虑，设计了手动自动转换控制电路。通过转换开关及相应的电路来实现阴。图给出了供水系统的部份电气控制线路图。图电气控制线路图天津大学硕士学位论文第三章供水系统恒压控制与硬件设计图中，为手动自动转换开关，为手动自动转换用中间继电器，打在位置为手动状态，打在位置吸合，为自动

46、状态。在手动状态，通过按钮控制各台泵的起停。在自动状态时，系统执行的控制程序，自动控制泵的起停。中间继电器的常闭触点接在四台泵的手动控制电路上，控制四台泵的手动运行。中间继电器的常开触点接的，控制自动变频运行程序的执行。在自动状态时，四台泵在的控制下能够有序而平稳地切换、运行。电动机电源的通断，由中间继电器控制接触器的线圈来实现。为自动运行指示灯。、为四台泵的热继电器的常闭触点，对电机进行过流保护。系统主要配置的选型、水泵机组的选型根据系统要求的总流量范围、扬程大小，确定供水系统设计秒流量和设计供水压力（水泵扬程），考虑到用水量类型为连续型高流量变化型，确定采用台主水泵机组和台辅助泵机组，设备选用型号及参数见表。表水泵机组及参数数型号量（）（）主要性能参数流量扬程效率（