基于PLC和變頻器的恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)_畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書.doc

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1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）題 目：基于PLC和變頻器的恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：楊蓉學(xué) 號(hào)：200440503237專 業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器班 級(jí)：測(cè)控2004-2班指導(dǎo)教師：李忠虎 副教授74內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）基于PLC和變頻器的恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)生產(chǎn)和生活供水的質(zhì)量要求也越來越高。而供水質(zhì)量的重要指標(biāo)之一就是供水壓力的相對(duì)穩(wěn)定。為此，本論文緊密結(jié)合當(dāng)前供水現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套基于PLC和變頻器的恒壓供水系統(tǒng)。變頻調(diào)速恒壓自動(dòng)控制供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵機(jī)組、壓力傳感器、工控機(jī)、及控制柜等組成。系統(tǒng)采用一臺(tái)

2、變頻器拖動(dòng)四臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行、啟動(dòng)、調(diào)速。其中，三臺(tái)大電機(jī)和一臺(tái)小電機(jī)采用循環(huán)使用的方式運(yùn)行。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵的啟停和工作方式的切換是由PLC來控制的。單臺(tái)水泵工況的調(diào)節(jié)是通過變頻器實(shí)現(xiàn)的。分析水泵的能耗比較圖，可以看出，在利用變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速恒壓供水時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低，流量與轉(zhuǎn)速成正比，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，這與傳統(tǒng)供水方式閥門節(jié)流控制相比，在一定程度上可以減少能量損耗，節(jié)能效果明顯。該系統(tǒng)能夠?qū)┧到y(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，并有效的降低能耗，可使系統(tǒng)維持在最佳運(yùn)行狀態(tài)，并提高生產(chǎn)管理水平。關(guān)鍵詞：恒壓供水；變頻調(diào)速；可編程控制器；自動(dòng)控制；節(jié)能內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）Auto

3、matic control system of constant press water supply based on converter and PLCAbstractWith the developement of society,it demands higher and higher water supply quality,both in producing and living. However,one of the important guide lines of the water supply quality is offer the relatively steady w

4、ater supply hydraulic pressure.Therefor, the paper closely combines actuality of water supply and designs a suit of constant pressure water supply automatic control system based on variable frequency speed-regulating technology and PLC.The constant pressure water supply automatic control system is m

5、ade up of PLC,transducer,pump assembling unit,pressure sensor,industrial control computer and console.The system used a transducer to make four electromotors starting,running,and timing. The three high-power electromotors and one low-power electromotors are circulated running.In the system, water pu

6、mps start & stop and workings switch are controled by PLC.Single water pums working condition is adjusted by transducer.After analyzing the figure of energy wasting of pump ,we know when using transducer timing constant water supply, rotate speed lower,flux and rotate speed is direct proportion,the

7、power of electromotor drop three cube of rotate speed. So the energy wasting of constant pressure water supply based on variable frequency speed regulation technology is evident less than the traditional mode is used throttle to supply water.This water supply system can control automationally,reduce

8、 the energy consumption effectively,keep the system in optimum state and improve the standards of production management.Key words: constant presssure water supply; frequency control;PLC; Automatic control; energy saving內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）目 錄摘 要IAbstractII第一章 引 言41.1 變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景及研究意義41.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)

9、外研究現(xiàn)狀81.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展前景91.4 課題來源及本文的主要研究內(nèi)容101.4.1 課題來源101.4.2 主要研究內(nèi)容10第二章 變頻恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)簡介122.1 供水系統(tǒng)的基本特性122.2 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成與原理簡介132.3 變頻調(diào)速的節(jié)能原理142.3.1 變頻節(jié)能142.3.2 功率因素補(bǔ)償節(jié)能192.3.3 軟啟動(dòng)節(jié)能192.3.4 多泵并聯(lián)恒壓供水節(jié)能192.4 水泵運(yùn)行方式的選擇212.4.1 變頻循環(huán)方式切換212.4.2 變頻固定方式切換222.5 多泵并聯(lián)變頻恒壓供水系統(tǒng)相關(guān)問題研究232.5.1 變頻泵與固定泵容量配比問題232.5.2 多

10、泵并聯(lián)供水系統(tǒng)中電機(jī)的供電源切換問題研究242.6 變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)262.7 本章小結(jié)27第三章 變頻恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)283.1 變頻恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理簡述283.2 變頻恒壓供水常用實(shí)現(xiàn)方法介紹293.2.1 PID控制法293.2.2 模糊控制法293.2.3 自適應(yīng)控制法293.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)控制方式簡介303.3.1 全自動(dòng)變頻恒壓控制方式303.3.2 全自動(dòng)工頻運(yùn)行方式313.4 恒壓供水系統(tǒng)總體概況介紹323.5 本章小結(jié)34第四章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)354.1 功能設(shè)定354.2 總體結(jié)構(gòu)關(guān)系和工作流程的簡單介紹364.2.1

11、 總體結(jié)構(gòu)關(guān)系介紹364.2.2 工作流程簡介374.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)384.3.1 主電路設(shè)計(jì)384.3.2 控制電路設(shè)計(jì)394.3.3 信號(hào)檢測(cè)404.3.4 系統(tǒng)工作過程詳細(xì)分析414.4 主要設(shè)備選取424.4.1 PLC的選取424.4.2 變頻器的選取434.4.3 變送器的選取434.5 本章小節(jié)44第五章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)455.1 變頻恒壓供水系統(tǒng)中的PID調(diào)節(jié)455.1.1 PID控制算法及特點(diǎn)465.1.2 PID參數(shù)整定的相關(guān)原則495.1.3 變頻器參數(shù)設(shè)置及原理分析505.2 PLC配置585.2.1 S7-200型PLC的特點(diǎn)585.2.2 PLC的開

12、關(guān)量輸入輸出點(diǎn)585.2.3 PLC在該系統(tǒng)中的功用595.2.4 PLC程序設(shè)計(jì)605.3 本章小節(jié)61總結(jié)62參考文獻(xiàn)65附錄67致謝72第一章 引 言隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水對(duì)人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對(duì)供水的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對(duì)供水系統(tǒng)的新要求。變頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)于一體，采用該系統(tǒng)進(jìn)行供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控，同時(shí)系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對(duì)于提高企業(yè)效益以及人民

13、的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.1 變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景及研究意義眾所周知，水是生產(chǎn)生活中不可缺少的重要組成部分，在節(jié)水節(jié)能己成為時(shí)代特征的現(xiàn)實(shí)條件下，我們這個(gè)水資源和電能短缺的國家，長期以來在市政供水、高層建筑供水、工業(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面的技術(shù)一直比較落后，自動(dòng)化程度低。主要表現(xiàn)在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現(xiàn)水壓降低、供不應(yīng)求的現(xiàn)象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現(xiàn)水壓升高、供過于求的情況，此時(shí)將會(huì)造成能量的浪費(fèi)，同時(shí)有可能使水管爆破和用水設(shè)備損壞。在恒壓供水技術(shù)出現(xiàn)以前，出現(xiàn)過許多供水方式，以下將逐一分析1。1.單臺(tái)泵的直接供水系統(tǒng)在這種供水

14、方式中，水泵從蓄水池中抽水加壓后直接送往用戶，有的甚至連蓄水池也沒有，直接從城市公用水網(wǎng)中抽水，嚴(yán)重影響城市公用水網(wǎng)壓力的穩(wěn)定。這種供水方式，水泵整日不停運(yùn)轉(zhuǎn)，有的可能在夜間用水低谷時(shí)段停止運(yùn)行。這種系統(tǒng)形式簡單、造價(jià)最低，但耗電、耗水嚴(yán)重，水壓不穩(wěn)，供水質(zhì)量極差。2.恒速泵加水塔的供水方式這種方式是水泵先向水塔供水，再由水塔向用戶供水。水塔的合理高度是使水塔最低水位略高于系統(tǒng)所需壓力。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時(shí)再啟動(dòng)水泵。水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中。這種供水方式的水泵工作在額定流量、額定揚(yáng)程的條件下，水泵效率處于高效區(qū)。這種方式顯然比前一種節(jié)電，其節(jié)電率與水塔容量、水泵額定流量、

15、用水不均勻系數(shù)、水泵的開停時(shí)間比、開停頻率等有關(guān)，供水壓力比較穩(wěn)定。但這種供水方式基建設(shè)備投資最大，占地面積也最大，水壓不可調(diào)，不能兼顧近期與遠(yuǎn)期的需要。而且系統(tǒng)水壓不能隨系統(tǒng)所需流量和系統(tǒng)所需要壓力下降而下降，故還存在一些能量損失和二次污染問題。而且在使用過程中，如果該系統(tǒng)水塔的水位監(jiān)控裝置損壞，泵不能進(jìn)行自動(dòng)地開、停，這樣泵的開、停將完全由人工操作，這樣將會(huì)出現(xiàn)能量的嚴(yán)重浪費(fèi)和供水質(zhì)量的嚴(yán)重下降。3.恒速泵加高水位箱的供水方式這種供水方式的原理與恒速泵加水塔的供水方式原理是相同的，差別只是水箱設(shè)在建筑物的頂層，占地面積與設(shè)備投資都有所減少。對(duì)于高層建筑，還可分層設(shè)水箱。但這種供水方式對(duì)建筑

16、物的造價(jià)與設(shè)計(jì)都有影響，同時(shí)水箱受建筑物的限制，容積不能過大，所以供水范圍較小。水箱的水位監(jiān)控裝置也容易損壞，這樣系統(tǒng)的開停將全靠人來操作，使系統(tǒng)的供水質(zhì)量下降和能耗急劇增加。4.恒速泵加氣壓罐的供水方式這種方式是利用封閉的氣壓罐代替高位水箱蓄水，通過監(jiān)測(cè)罐內(nèi)壓力來控制泵的開停。罐的占地面積與水塔水箱供水方式相比較小，而且可以放在地上，設(shè)備的成本比水塔要低得多。由于氣壓罐是密封的，所以大大減少了水質(zhì)因異物進(jìn)入而被污染的可能性。因此很受歡迎，應(yīng)用十分廣泛。但氣壓罐供水方式也存在著許多缺點(diǎn)，這在介紹完變頻調(diào)速供水方式后，再將二者作一比較。5.變頻調(diào)速供水方式這種系統(tǒng)的原理是通過設(shè)在系統(tǒng)中的壓力傳感

17、器將系統(tǒng)壓力信號(hào)與設(shè)定值作比較，再通過控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出，無級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。使系統(tǒng)水壓無論流量如何變化始終穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。變頻調(diào)速供水的水泵調(diào)速控制方式有三種即水泵出口恒壓控制、水泵出口變壓控制、給水系統(tǒng)最不利點(diǎn)的恒壓控制。 水泵出口恒壓控制水泵出口恒壓控制是將壓力傳感器設(shè)在水泵出口處，使系統(tǒng)在運(yùn)行過程中水泵出口水壓恒定。這種方式適用于管路的阻力損失在水泵揚(yáng)程中所占比例較小，最不利點(diǎn)的流出水頭高于設(shè)計(jì)值，故水泵出口恒壓控制方式不能得到最佳的節(jié)能效果。 水泵出口變壓控制水泵出口變壓控制也是將壓力傳感器設(shè)在水泵出口處，但其壓力設(shè)定值不只是一個(gè)。是將每日24小時(shí)按用水曲線分成若干時(shí)段，計(jì)算出

18、各時(shí)段所需的水泵出口壓力，進(jìn)行全日按時(shí)段變壓，各時(shí)段恒壓控制。這種控制方式其實(shí)是水泵出口恒壓控制的特殊形式。它比水泵出口恒壓控制方式更能節(jié)能，但這取決于將全天24小時(shí)分成的時(shí)段數(shù)及所需水泵出口壓力計(jì)算的精確程度。所需水泵出口壓力計(jì)算得越符合實(shí)際情況越節(jié)能，將全天分得越細(xì)越節(jié)能，當(dāng)然控制的實(shí)現(xiàn)也越復(fù)雜。 最不利點(diǎn)恒壓控制最不利點(diǎn)恒壓控制是將壓力傳感器設(shè)在系統(tǒng)最不利點(diǎn)處，使系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，最不利點(diǎn)的壓力恒定。這種方式的節(jié)能效果是最佳的，但是由于最不利點(diǎn)一般距離泵房較遠(yuǎn)，信號(hào)傳遞過程在實(shí)際應(yīng)用中受到諸多限制，因此工程中很少采用。變頻調(diào)速供水方式的基建、設(shè)備投資和占地面積比水塔式和氣壓罐式供水系統(tǒng)都

19、要少，輸出水壓設(shè)定值可任意調(diào)節(jié)，方便靈活，適應(yīng)力強(qiáng)，可以說是目前最理想的節(jié)能效果，最好的供水方式。現(xiàn)將變頻調(diào)速供水方式和氣壓罐供水方式作一比較。變頻調(diào)速式在節(jié)能效果上明顯優(yōu)于氣壓罐式。氣壓罐式依靠壓力罐中的壓縮空氣送水，氣壓罐配套水泵在運(yùn)行時(shí)，是在額定轉(zhuǎn)速、額定流量的條件下。當(dāng)系統(tǒng)所需水量下降時(shí)，供水壓力超出系統(tǒng)所需壓力而造成能量的浪費(fèi)。同時(shí)水泵是滿頻率啟動(dòng)，且啟動(dòng)頻繁，又會(huì)造成一定的能耗。而對(duì)于變頻調(diào)速式，當(dāng)系統(tǒng)用水量下降時(shí)，可無級(jí)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，使供水壓力與系統(tǒng)所需水壓大致相等，這樣就節(jié)省了許多電能。而且其變頻調(diào)速式水泵采用軟啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很小，又降低了啟動(dòng)能耗，進(jìn)一步節(jié)能。氣壓罐是用

20、鋼材制造，一般情況下建筑面積4.0萬m2需安裝1.5m，L2.5m的氣壓罐2個(gè)。氣壓罐式的供水方式耗鋼量較大，因而，如果在全國推廣氣壓罐式供水系統(tǒng)，這對(duì)我國來說將是一項(xiàng)較大的投入。而變頻調(diào)速供水系統(tǒng)的變頻器是一臺(tái)由微機(jī)控制的電氣設(shè)備，不存在消耗大量鋼材的問題；另外，由于氣壓罐體積大，一般數(shù)量多為23個(gè)，這樣需占地面積一般為幾十平米；而變頻調(diào)速中的調(diào)速裝置占地面積僅為零點(diǎn)幾平米，由此可見，變頻調(diào)速比氣壓罐式供水系統(tǒng)節(jié)省了占地面積，由此將帶來土建投資的節(jié)省。在運(yùn)行效果上，氣壓罐式與調(diào)速式相比也存在著一定差距。氣壓罐式的運(yùn)行不穩(wěn)定，突出表現(xiàn)在它啟動(dòng)頻繁，而且由于氣壓罐的調(diào)節(jié)容積僅占其總?cè)莘e的1/31

21、/6，因而每個(gè)罐的調(diào)節(jié)能力很小，只得依靠頻繁的啟動(dòng)來保證供水，這樣不僅增加了啟動(dòng)能耗，還將產(chǎn)生較大的噪聲和電信號(hào)的干擾，嚴(yán)重影響居民生活。此外，由于氣壓罐式的壓力不穩(wěn)，啟動(dòng)過于頻繁，加之又是硬啟動(dòng)，所以電氣和機(jī)械沖擊較大，設(shè)備損壞很快，管網(wǎng)和衛(wèi)生設(shè)備也因水壓沖擊有加大泄漏的可能。調(diào)速式的供水系統(tǒng)沒有頻繁的啟動(dòng)現(xiàn)象，加之啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，設(shè)備運(yùn)行十分穩(wěn)定、可靠，不僅可避免電氣、機(jī)械沖擊，又由于壓力穩(wěn)定，可使小區(qū)管網(wǎng)和衛(wèi)生設(shè)備的泄漏量明顯降低，噪音、振動(dòng)下降，周圍居民的生活也不受影響或甚微。更主要的是由于調(diào)速式是經(jīng)水泵加壓后直接送往用戶的，防止了氣壓罐中由于氣水接觸、隔膜與水接觸而可能造成的水質(zhì)二

22、次污染，保證了用水水質(zhì)的安全可靠。由此可見，變頻調(diào)速式供水系統(tǒng)具有節(jié)能、節(jié)省資源消耗、節(jié)省投資、調(diào)節(jié)能力大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)勢(shì)，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1.2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀變頻恒壓供水是在變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的。在早期，由于國外生產(chǎn)的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉(zhuǎn)控制、起制動(dòng)控制、壓頻比控制及各種保護(hù)功能，應(yīng)用在變頻恒壓供水系統(tǒng)中，變頻器僅作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為了滿足供水量大小需求不同時(shí)保證管網(wǎng)壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力變送器，對(duì)壓力進(jìn)行閉環(huán)控制。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展和變頻恒壓供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度高等方

23、面的優(yōu)點(diǎn)以及顯著的節(jié)能效果被大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后，國外許多生產(chǎn)變頻器的廠家開始重視并推出具有恒壓供水功能的變頻器，像日本Samco公司就推出了恒壓供水基板，備有變頻泵固定方式、變頻泵循環(huán)方式兩種模式。它將PID調(diào)節(jié)器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設(shè)置指令代碼實(shí)現(xiàn)PLC和PID等電控系統(tǒng)的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個(gè)內(nèi)置的電磁接觸器工作，可構(gòu)成最多7臺(tái)電機(jī)(泵)的供水系統(tǒng)。這類設(shè)備雖微化了電路結(jié)構(gòu)，降低了設(shè)備成本，但其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性能不高，與別的監(jiān)控系統(tǒng)和組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并且限制了帶負(fù)載的容量，因此，在實(shí)際

24、使用時(shí)其范圍將會(huì)受到限制。目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程，大多采用國外的變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速。對(duì)于水管管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺(tái)水泵的循環(huán)控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)，有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)方面，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒能達(dá)到所有用戶的要求。原深圳華為(現(xiàn)己更名為艾默生)電氣公司和成都希望集團(tuán)(森蘭變頻器)也推出了恒壓供水專用變頻器(5.5kw-22kw)，無需外接PLC和PID調(diào)節(jié)器，可完成最多四臺(tái)水泵的循環(huán)切換、定時(shí)起、停和定時(shí)循環(huán)。該變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集成在變頻器內(nèi)

25、部實(shí)現(xiàn)，但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量，同時(shí)，操作不方便且不具有數(shù)據(jù)通信功能，因此只適用于小容量、控制要求不高的供水場(chǎng)所?？梢钥闯觯壳霸趪鴥?nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，對(duì)于能適應(yīng)不同的用水場(chǎng)合，結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)的大功率變頻恒壓供水系統(tǒng)的水壓閉環(huán)控制及監(jiān)控研究的不夠。因此，有待于進(jìn)一步研究改善變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能，使其能被更好地應(yīng)用于生活、生產(chǎn)實(shí)踐。1.3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展前景變頻恒壓供水是在交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展之后逐漸發(fā)展起來的，所以，談變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的發(fā)展就是要看交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)的是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。電力電子器件

26、最初是普通晶閘管，它主要是電流控制型開關(guān)器件，以小電流控制大功率的變換，其開關(guān)頻率低，且只能導(dǎo)通不能自關(guān)斷。20 世紀(jì) 70 年代，電力電子器件開發(fā)了電力晶體管(GTR)和門極關(guān)斷(GTO)晶閘管，它是一種電流型自關(guān)斷的電力電子器件，可以方便的實(shí)現(xiàn)變頻、逆變和斬波，為變頻調(diào)速技術(shù)的開發(fā)、發(fā)展和普及奠定了基礎(chǔ)。20 世紀(jì) 80 年代，又進(jìn)一步開發(fā)成功了絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)，它是一種電壓(場(chǎng)控)型自關(guān)斷的電力電子器件，具有在任意時(shí)刻用基極(柵極、門極)信號(hào)控制導(dǎo)通或關(guān)斷的功能，從而使變頻調(diào)速技術(shù)又向前邁進(jìn)了一步。電力電子器件發(fā)展逐步把控制、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等功能集成化起來，出現(xiàn)了智能化功率集成

27、電路(IGBT)模塊和智能功率模塊(IPM)，它們實(shí)現(xiàn)了開關(guān)頻率的高速化、低導(dǎo)通電壓的高性能及功率集成電路的大規(guī)?；?，包括了邏輯控制、功率、保護(hù)、傳感及測(cè)量的電路功能，為交流變頻調(diào)速技術(shù)開辟了新的天地。電力電子技術(shù)的發(fā)展與后來的正弦波脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）的結(jié)合推動(dòng)了變頻調(diào)速應(yīng)用于恒壓供水系統(tǒng)中。電力電子技術(shù)發(fā)展方向是：高電壓大容量化、高頻化、組件模塊化、小型化、智能化和低成本化。這無疑將推動(dòng)交流變頻調(diào)速技術(shù)向新的方向發(fā)展。我國的交流變頻調(diào)速技術(shù)雖起步晚，但是已取得了巨大發(fā)展，變頻技術(shù)逐步應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，尤其在風(fēng)機(jī)、水泵方面，但同國外仍有一定的差距，我們還要大力發(fā)展自己的電力電子技術(shù)。隨著國

28、外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展、工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高和全球性能源短缺，變頻器越來越廣泛地應(yīng)用在機(jī)械、紡織、供水、化工、造紙、冶金、食品等各個(gè)行業(yè)，并取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。尤其在水泵、風(fēng)機(jī)控制方面的應(yīng)用，取得了顯著的節(jié)能效果，近年來高電壓大電流的SCR、GTO、IGBT等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。1.4 課題來源及本文的主要研究內(nèi)容1.4.1 課題來源本課題來源于生產(chǎn)、生活供水的實(shí)際應(yīng)用。1.4.2 主要研究內(nèi)容通過前面對(duì)傳統(tǒng)供水現(xiàn)狀和變頻恒壓供水系統(tǒng)的應(yīng)用前景分析可知，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在我國已成為供水行業(yè)發(fā)展的主流趨勢(shì)。變頻恒壓供

29、水系統(tǒng)主要由變頻器、可編程控制器、人機(jī)界面、各種傳感器等組成。本文研究的目標(biāo)是對(duì)恒壓控制技術(shù)給予提升，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果進(jìn)一步提高，操作更加簡捷，故障報(bào)警及時(shí)迅速，同時(shí)具有開放的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)可以用于深井泵恒壓供水系統(tǒng)、各類型的自來水廠、消防用水系統(tǒng)、工業(yè)鍋爐補(bǔ)水系統(tǒng)，還可以廣泛應(yīng)用于化工、制冷空調(diào)和其他工業(yè)及民用領(lǐng)域。本文研究的主要內(nèi)容如下：1. 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)概況。主要介紹該系統(tǒng)的目的、意義、應(yīng)用、現(xiàn)狀和發(fā)展，同時(shí)還介紹該供水系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用的變頻調(diào)速技術(shù)和PLC技術(shù)及其特點(diǎn)。2.變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)理論知識(shí)。主要介紹變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的工作原理，變頻器的節(jié)能、調(diào)速原理；變

30、頻器的工況點(diǎn)的確定和能耗機(jī)理分析，以及系統(tǒng)調(diào)速范圍的確定。3. 供水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。主要介紹了該恒壓供水系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)組成、實(shí)現(xiàn)方法、設(shè)備選型、主電路以及控制電路設(shè)計(jì)等內(nèi)容。4. 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 主要介紹變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的總體軟件流程、在STEP-7環(huán)境下開發(fā)的泵組切換程序、變頻器參數(shù)設(shè)置等內(nèi)容。第二章 變頻恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)簡介2.1 供水系統(tǒng)的基本特性供水系統(tǒng)的基本特性和工作點(diǎn)揚(yáng)程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開度不變?yōu)榍疤?，表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程H與流量Q之間的關(guān)系曲線f(Q)如圖2-1所示。由圖可以看出，流量Q越大，揚(yáng)程H越小。由于在閥門開度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的情況下，流

31、量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚(yáng)程特性所反映的是揚(yáng)程H與用水流量QV之間的關(guān)系。而管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速不變?yōu)榍疤幔砻鏖y門在某一開度下，揚(yáng)程H與流量Q之間的關(guān)系H=f(QV)。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水位及壓力差、液體在管道中流動(dòng)阻力的變化規(guī)律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚(yáng)程越大，流量也越大。由于閥門開度的改變，實(shí)際上是改變了在某一揚(yáng)程下，供水系統(tǒng)向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚(yáng)程與供水流量QG之間的關(guān)系H=f(QG)。揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線的交點(diǎn)，稱為供水系統(tǒng)的工作點(diǎn)，如圖2.1中的A點(diǎn)。在這一點(diǎn)，用戶的用水流量QV和供水系統(tǒng)的供水流量QG處于平

32、衡狀態(tài)，供水系統(tǒng)既滿足了揚(yáng)程特性，也符合了管阻特性，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。圖2.1 供水系統(tǒng)的基本特性2.2 恒壓供水系統(tǒng)的基本構(gòu)成與原理簡介人們的生產(chǎn)和生活都離不開用水。一般在水源離用水場(chǎng)所較遠(yuǎn)的場(chǎng)合，需要管道的輸送。將水送到遠(yuǎn)處或較高的地方，管道中是需要有一定水壓的，水泵是產(chǎn)生水壓的設(shè)備，水泵轉(zhuǎn)動(dòng)的越快，產(chǎn)生的水壓越高。水壓高了，才能將水輸送到遠(yuǎn)處或較高樓層。而在高層住宅小區(qū)里，用戶用水的多少是經(jīng)常變動(dòng)的，供水不足或供水過剩的情況時(shí)有發(fā)生。保持供水的壓力恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。由水泵管道供水原理可知，調(diào)節(jié)供水流量，原則上有二種方

33、法，第一種方法是節(jié)流調(diào)節(jié)，開大供水閥，流量上升，關(guān)小供水閥，流量下降。第二種方法是調(diào)速調(diào)節(jié)，水泵轉(zhuǎn)速升高，供水流量，增加轉(zhuǎn)速下降，流量降低。對(duì)于用水流量經(jīng)常變化的場(chǎng)合，采用調(diào)速調(diào)節(jié)流量，具有優(yōu)良的節(jié)能效果。其優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)電流可限制在額定電流以內(nèi)，從而避免啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。由于泵的平均轉(zhuǎn)速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命，可以消除啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)的水錘效應(yīng)。在鍋爐和其他燃燒油的場(chǎng)合，恒壓供油可使油的燃燒更加充分，大大地減輕了對(duì)環(huán)境的污染。變頻調(diào)速恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵電機(jī)組、壓力傳感器、工控機(jī)以及控制柜等構(gòu)成。壓力傳感器用于檢測(cè)管網(wǎng)中的水壓，常設(shè)在泵站的出水

34、口。當(dāng)用水量大時(shí)，水壓降低，用水量小時(shí)，水壓升高。水壓傳感器將水壓的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷旱淖兓徒o變頻器。變頻恒壓供水一般由壓力變送器采樣水壓信號(hào)并且與系統(tǒng)設(shè)定壓力值比較后產(chǎn)生輸出信號(hào)，再經(jīng)變頻器控制水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)恒壓供水。水泵轉(zhuǎn)動(dòng)的越快，產(chǎn)生的水壓越大，才能將水輸送到遠(yuǎn)處或較高的樓層。2.3 變頻調(diào)速的節(jié)能原理我國的電動(dòng)機(jī)用電量占全國發(fā)電量的60%70%，風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備年耗電量占全國電力消耗的1/3。造成這種狀況的主要原因是風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)備的傳統(tǒng)調(diào)速方法是通過調(diào)節(jié)入口或出口的擋板、閥門開度來調(diào)節(jié)給風(fēng)量和給水量，其輸出功率大量地消耗在擋板、閥門的截流過程中。由于風(fēng)機(jī)、水泵類大多為平方轉(zhuǎn)矩負(fù)

35、載，軸功率與轉(zhuǎn)速成立方關(guān)系，所以當(dāng)風(fēng)機(jī)、水泵轉(zhuǎn)速下降時(shí)，消耗的功率也大大下降，因此節(jié)能潛力非常大，最有效的節(jié)能措施就是采用變頻調(diào)速器來調(diào)節(jié)流量、風(fēng)量，采用變頻器節(jié)電率為20%50%，而且，在通常的設(shè)計(jì)中，用戶水泵電機(jī)設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多，存在大馬拉小車的現(xiàn)象，效率低下，造成電能的大量浪費(fèi)。因此，推廣交流變頻調(diào)速裝置效益顯著。采用變頻器驅(qū)動(dòng)具有很高的節(jié)能空間。目前，許多國家均己指定流量壓力控制必須采用變頻調(diào)速裝置取代傳統(tǒng)方式，這將大大的節(jié)省能源與降低成本2。2.3.1 變頻節(jié)能 調(diào)速原理。在三、四十年代，電機(jī)調(diào)速理論和技術(shù)已在一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家開始研究和應(yīng)用，如通過改變電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)、利用

36、發(fā)電機(jī)改變交流電源的頻率值、在轉(zhuǎn)子電路中加入調(diào)速變阻器或磁性放大器等方法對(duì)交流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。但都由于技術(shù)及設(shè)備復(fù)雜而不能在工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中廣泛應(yīng)用，隨著微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，特別是到了80年代采用大功率晶體管后，使得工業(yè)交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)有了廣泛應(yīng)用的可能。目前，水泵電機(jī)絕大部分是三相交流異步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 （2-1）其中，為電機(jī)轉(zhuǎn)速；為電源頻率；為轉(zhuǎn)差率；為電機(jī)的級(jí)對(duì)數(shù)。當(dāng)水泵電機(jī)選定后，為定值，也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉(zhuǎn)速越高；反之，轉(zhuǎn)速越低。變頻調(diào)速就是根據(jù)這一原理，通過改變電源的頻率值來實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)的無級(jí)調(diào)速。變頻調(diào)速時(shí)，從高速到

37、低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率，因而變頻調(diào)速具有高效率、高精度、調(diào)速范圍廣、平滑性較高、機(jī)械特性較硬的優(yōu)點(diǎn)，調(diào)速性能可與直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)相媲美。因此，變頻調(diào)速是交流異步電機(jī)一種比較合理和理想的調(diào)速方法，它被廣泛地應(yīng)用于對(duì)水泵電機(jī)的調(diào)速。 變頻調(diào)速時(shí)的電機(jī)特性。電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩由負(fù)載的需要來決定，在不同的轉(zhuǎn)速下，不同的負(fù)載需要的轉(zhuǎn)矩也是不同的，調(diào)速方法和控制特性應(yīng)適應(yīng)負(fù)載的要求。水泵負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。水泵負(fù)載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即 (2-2)式中，為比例常數(shù)。變頻調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。變頻調(diào)速時(shí)，為了使電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能好，勵(lì)磁電流和功率因數(shù)應(yīng)基本保持不變，即希望氣隙磁通保持不變

38、，若(為額定運(yùn)行時(shí)的磁通)，將引起電機(jī)磁路過分飽和而使勵(lì)磁電流增加，功率因數(shù)降低；若，必將使電機(jī)的容許輸出轉(zhuǎn)矩下降，電機(jī)的功率將得不到充分利用,因此，變頻調(diào)速一般應(yīng)使氣隙磁通保持不變。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的等效電路，在忽略定子漏阻抗壓降的條件下，定子的相電壓與氣隙磁通和頻率之間的關(guān)系為 （2-3）式中，為定子繞組每相的有效匝數(shù)，當(dāng)電機(jī)確定后，為一常數(shù)。由式2.3可知，在變化時(shí)，電機(jī)的端電壓必須與頻率成正比變化，才能保持必不變，即 （2-4）電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為 （2-5）式中，為電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；，為定子每項(xiàng)繞組的電阻和額定頻率下的漏抗；為轉(zhuǎn)差率，即 （2-6）式中，為某一頻率下的同步轉(zhuǎn)速，即 （2-7）

39、令，求得電動(dòng)機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩為 (2-8)在變頻調(diào)速過程中，保持，也就是保持氣隙磁通近似為常數(shù)，若令，則，此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩 （2-9）相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩為 (2-10)式中，；為額定頻率下的同步轉(zhuǎn)速。正常運(yùn)行時(shí)，很小，約5%在之內(nèi)，式2-9中忽略不計(jì)。在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速之差將不變，轉(zhuǎn)矩特性（穩(wěn)定運(yùn)行段）在運(yùn)行方式下，當(dāng)不同時(shí)，它為一族平行的曲線。從式2-10可以看出，由于定子電阻的存在，隨著運(yùn)行頻率的降低，與電抗相比，的作用愈來愈大，使最大轉(zhuǎn)矩將明顯減小。恒壓變頻供水系統(tǒng)中負(fù)載轉(zhuǎn)矩與電機(jī)實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩的配合。根據(jù)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式，再忽略空載轉(zhuǎn)矩條件下，電磁轉(zhuǎn)矩，這樣，運(yùn)動(dòng)

40、方程式為 （2-11）式中，為系統(tǒng)的飛輪矩?？梢?，在基頻以下實(shí)現(xiàn)調(diào)速，調(diào)速范圍比較大，即使考慮低頻下的影響，仍可使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，非常適宜供水系統(tǒng)晝夜用水變化較大的場(chǎng)合。由于采用恒的控制特性，使整個(gè)調(diào)速運(yùn)行中，保持額定磁通，保持不變，從功率因數(shù)看，是最好的控制特性。 水泵調(diào)速運(yùn)行的節(jié)能原理。離心式水泵廣泛應(yīng)用于工業(yè)和生活供水系統(tǒng)中。其輸出特性取決于水泵的種類和供水管網(wǎng)系統(tǒng)的阻力特性。水泵軸功率按下式計(jì)算： （2-12）式中，為軸功率；為工況點(diǎn)的流量；為工況點(diǎn)的揚(yáng)程；為介質(zhì)的單位體積重量；為工況點(diǎn)的效率。每臺(tái)水泵只有在原設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí)，泵的使用效率才為最高點(diǎn)，偏離這個(gè)工況點(diǎn)效率就會(huì)降低。根據(jù)以上

41、分析，按照供水系統(tǒng)的實(shí)際流量和揚(yáng)程以及與之相對(duì)應(yīng)的水泵使用效率可以算出水泵經(jīng)濟(jì)的軸功率，即 (2-13)這樣，整個(gè)供水系統(tǒng)的節(jié)能潛力為: （2-14）式中，為水泵消耗的總軸功率；為水泵運(yùn)行時(shí)間。水在管道輸送時(shí)，受到管網(wǎng)阻力的作用。管網(wǎng)裝置特性可以從閥門全開時(shí)測(cè)得的各種數(shù)據(jù)，由下式求得： （2-15）式中，為阻力系數(shù)；為泵進(jìn)出口水位差。從管網(wǎng)特性上求得管網(wǎng)實(shí)際所需的性能以及泵與管網(wǎng)性能的匹配情況，以此作為水泵節(jié)能依據(jù)。根據(jù)式2-13求出閥門控制流量運(yùn)行時(shí)的泵軸功率為： (2-16)變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)的泵軸功率為: (2-17)兩者之差 (2-18)也就是說，用閥門控制流量時(shí)有的功率被白白浪費(fèi)了，而且

42、損耗隨著閥門的關(guān)小而增加，而被浪費(fèi)的功率要隨之增加。根據(jù)水泵運(yùn)行的相似定律，變速前后流量、揚(yáng)程、軸功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為: ； (2-19)式中，、為變速前的流量、揚(yáng)程、功率；、為變速后的流量、揚(yáng)程、功率。由式2-19可以看出，功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，流量與轉(zhuǎn)速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節(jié)能效果顯著。例如:一臺(tái)水泵電機(jī)功率為55，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時(shí)，其耗電量為28.16，省電48.8%，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時(shí)，其耗電量為6.875，省電87.5%。2.3.2 功率因素補(bǔ)償節(jié)能無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是功率因

43、數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當(dāng)中，設(shè)備使用效率低下，浪費(fèi)嚴(yán)重。普通水泵電機(jī)的功率因數(shù)在0.60.7之間，使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)部濾波電容的作用，功率因數(shù)接近1，從而減少了無功損耗，增加了電網(wǎng)的有功功率。2.3.3 軟啟動(dòng)節(jié)能由于電機(jī)為直接啟動(dòng)或啟動(dòng)，啟動(dòng)電流等于(47)倍額定電流，這樣會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會(huì)對(duì)電網(wǎng)容量要求過高，啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)時(shí)對(duì)擋板和閥門的損害極大，對(duì)設(shè)備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求，

44、延長了設(shè)備和閥門的使用壽命，節(jié)省了設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用。2.3.4 多泵并聯(lián)恒壓供水節(jié)能變頻恒壓供水節(jié)能的效果主要取決于用水流量的變化情況及水泵的合理選配，為了使供水系統(tǒng)具有優(yōu)良的節(jié)能效果，變頻恒壓供水宜采用多泵并聯(lián)的供水模式。由多泵并聯(lián)恒壓變頻供水理論可知，在該系統(tǒng)中只需要其中一臺(tái)泵是變頻泵，其余全是工頻泵，便可實(shí)現(xiàn)恒壓變量供水。變頻恒壓供水當(dāng)中，變頻泵的流量是變化的，當(dāng)變頻泵是各并聯(lián)泵中最大，即可保證恒壓供水。變頻恒壓供水中，在設(shè)計(jì)上可做到在恒壓條件下各工頻泵的效率不變（因工況不變），使之處于高效率區(qū)工作，變頻泵的流量是變化的，其工作效率隨流量而改變。因?yàn)椴捎枚啾貌⒙?lián)恒壓供水，變頻泵的功率降低，

45、從而可以降低能耗，改善節(jié)能狀況。當(dāng)多泵并聯(lián)恒壓供水系統(tǒng)采用具有自動(dòng)睡眠功能的變頻器，當(dāng)用水流量接近于零，變頻泵能自動(dòng)睡眠停泵，從而可以做到不用水時(shí)自動(dòng)停泵而沒有能量損耗，具有最佳的節(jié)能效果。在現(xiàn)代建筑生活給水系統(tǒng)中，采用一臺(tái)或多臺(tái)變頻調(diào)速泵給水的突出優(yōu)點(diǎn)是： 采用變頻調(diào)速給水可以大幅度降低節(jié)流能量損耗，具有優(yōu)異的節(jié)能效果。采用變壓變量給水可以做到使節(jié)流損耗降低到零，具有最佳的節(jié)能效果，但是這種變壓變量給水系統(tǒng)只適用于特點(diǎn)是給水管路系統(tǒng)，沒有通用性。國外有一種準(zhǔn)變壓變量供水系統(tǒng)，這種給水系統(tǒng)的給水壓力隨給水流量的增大而階躍上升，對(duì)于多泵聯(lián)的供水設(shè)備，當(dāng)多投入一臺(tái)工頻泵，給水恒壓值上升一個(gè)臺(tái)階，臺(tái)

46、階值可以按需設(shè)定。這種準(zhǔn)變壓變量給水系統(tǒng)設(shè)備可以適用于給水管路，具有一定的通用性。 變頻恒壓變量給水系統(tǒng)設(shè)備的給水壓力可調(diào)，在設(shè)計(jì)上允許降低給水壓力的計(jì)算精度，在使用上可以適應(yīng)不同的給水壓力要求。要達(dá)到建筑給水節(jié)能，首先要求給水泵處于高效率區(qū)工作。眾所周知，離心泵的高效率區(qū)處決于泵的工況。當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，則泵的高效率區(qū)擴(kuò)大，因此采用變頻調(diào)速可以節(jié)能。其次是防止給水泵出現(xiàn)“大馬拉小車”的工況。如果采用臺(tái)泵，當(dāng)小流量用水時(shí)必然出現(xiàn)“大馬拉小車“的工況，此時(shí)水泵的效率低，功率浪費(fèi)大。為了防止“大馬拉小車”，通常的做法是采用多臺(tái)水泵并聯(lián)給水的方式，多用水多開泵，少用水少開泵，可以顯著減輕“大馬拉小車

47、”弊端的出現(xiàn)，改善節(jié)能的效果。理論分析及實(shí)際使用證明，多泵并聯(lián)變頻調(diào)速給水可以顯著提高節(jié)能效果。所以現(xiàn)代建筑生活給水系統(tǒng)大多采用多泵并聯(lián)恒壓變量給水方式。采用多泵并聯(lián)給水，按變頻調(diào)速恒壓給水原理，在多泵并聯(lián)的給水系統(tǒng)中，只要其中有一臺(tái)是變頻調(diào)速泵，就可以達(dá)到恒壓給水的目的。為了達(dá)到恒壓給水，變頻泵必須是并聯(lián)泵中的最大者，最經(jīng)濟(jì)的配泵方案是各并聯(lián)泵的大小相同。從節(jié)能考慮，并聯(lián)水泵的臺(tái)數(shù)愈多愈好，但是如數(shù)太多，設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)及電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度也隨之上升，系統(tǒng)（設(shè)備）的整體經(jīng)濟(jì)、合理性下降。2.4 水泵運(yùn)行方式的選擇這里說的多泵并聯(lián)變頻恒壓供水的工作方式是指以下兩種， 一是變頻循環(huán)軟啟動(dòng)工作方

48、式， 二是變頻泵固定方式。變頻循環(huán)軟啟動(dòng)工作方式指用一臺(tái)變頻器可以輪流去啟動(dòng)和控制每臺(tái)水泵變頻運(yùn)行， 但是按照變頻器工作原理， 在運(yùn)行中的變頻器一般不允許在其輸出端進(jìn)行切換，否則在切換過程中會(huì)使變頻器中的某些電子器件受到大電流的沖擊而降低其壽命。在變頻泵自動(dòng)輪換過程中， 要在變頻器的輸出端進(jìn)行切換；為了保護(hù)變頻器， 在進(jìn)行自動(dòng)切換之前應(yīng)使變頻器停止運(yùn)行。在變頻器停止運(yùn)行的條件下， 在其輸出端進(jìn)行切換，在切換好后再重新啟動(dòng)變頻器而恢復(fù)正常運(yùn)行。因此， 其控制電路比較復(fù)雜， 會(huì)增加變頻控制柜的造價(jià)，但各個(gè)泵的磨損程度大致相同，其應(yīng)用廣泛，推薦使用3。變頻泵固定方式通常是這樣的：當(dāng)用水量小于一臺(tái)泵在

49、工頻恒壓條件下的流量， 由一臺(tái)變頻泵恒壓供水；當(dāng)用水量增大， 變頻泵的轉(zhuǎn)速自動(dòng)上升；當(dāng)變頻泵的轉(zhuǎn)速上升到工頻轉(zhuǎn)速， 用水流量進(jìn)一步增大， 由變頻供水控制器控制， 自動(dòng)啟動(dòng)一臺(tái)工頻泵投入， 該工頻泵提供的流量是恒定的( 工頻轉(zhuǎn)速恒壓下的流量) ， 其余各并聯(lián)工頻泵按相同的原理投入；當(dāng)用水量下降， 變頻調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速下降( 變頻器輸出頻率下降)；當(dāng)頻率下降到零流量的時(shí)候， 變頻供水控制器發(fā)出一個(gè)指令， 自動(dòng)關(guān)閉一臺(tái)工頻泵使之退出并聯(lián)供水。這種方法雖然控制回路簡單， 可靠性較高，但各泵磨損情況不一，不推薦使用。2.4.1 變頻循環(huán)方式切換下面就上述工作方式進(jìn)行舉例討論。假設(shè)該恒壓供水系統(tǒng)由三個(gè)水泵構(gòu)成

50、。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，用戶用水管網(wǎng)上的壓力傳感器對(duì)用戶的用水水壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，傳輸至變頻器，與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號(hào)和工頻泵啟停信號(hào)，此信號(hào)送至可編程控制器，變頻器調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的電源頻率，進(jìn)而調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，PLC 控制工頻泵的啟停。通過對(duì)水泵的啟動(dòng)和停止臺(tái)數(shù)及其中變頻泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，將用戶管網(wǎng)中的水壓恒定于用戶預(yù)先設(shè)計(jì)的壓力值，達(dá)到恒壓供水的目的。具體系統(tǒng)采用3臺(tái)水泵并聯(lián)運(yùn)行方式，當(dāng)用水量較小時(shí)，一臺(tái)泵在變頻器的控制下穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)用水量大到水泵全速運(yùn)行也不能保證管網(wǎng)的壓力要求時(shí)，變頻器的控制信號(hào)被PLC檢測(cè)，通過PLC控制泵組的切換。PLC自動(dòng)將原工作在變頻狀態(tài)下的泵投

51、入到工頻運(yùn)行，以保持壓力的連續(xù)性，同時(shí)將下一臺(tái)備用泵用變頻器啟動(dòng)后投入運(yùn)行，以加大管網(wǎng)的供水量，保證壓力穩(wěn)定。所有水泵電機(jī)從停止到啟動(dòng)及從啟動(dòng)到停止都由變頻器來控制，實(shí)現(xiàn)帶載軟啟動(dòng)，避免了啟動(dòng)大電流給水泵電機(jī)帶來沖擊，相對(duì)延長了電機(jī)的使用壽命。PLC 的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)原理框圖如圖 2.2 所示。壓力傳感器檢測(cè)水管的流水壓力，將水壓變換為電信號(hào)，控制變頻器的工作。 圖2.2PLC的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)原理框圖2.4.2 變頻固定方式切換當(dāng)采用變頻固定方式時(shí)，僅將1#水泵與變頻器相連，原理框圖如圖2.3所示。當(dāng)1#水泵不能滿足用水需求時(shí)（也就是管網(wǎng)壓力小于與設(shè)定值時(shí)），PLC將啟動(dòng)2#工頻泵

52、（1#變頻泵仍舊變頻運(yùn)行）；如用水量繼續(xù)增大時(shí)，將順序啟動(dòng)3#工頻泵（1#變頻、2#工頻、3#工頻）；如果用水量減小，則將首先關(guān)閉2#泵，即遵循先開先停的順序依次關(guān)閉工頻泵。圖2.3 變頻固定方式切換原理框圖2.5 多泵并聯(lián)變頻恒壓供水系統(tǒng)相關(guān)問題研究變頻調(diào)速在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和民用生活領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。特別是通用變頻器和異動(dòng)電機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的調(diào)速傳動(dòng)控制，其具有固定的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用到不同的生產(chǎn)領(lǐng)域，可以體現(xiàn)不同的功能，收到相應(yīng)的效益。目前，變頻恒壓供水已得到廣泛應(yīng)用，而采用多泵并聯(lián)的變頻恒壓供水技術(shù)，由于在滿足工藝要求的前提下大大節(jié)省了投資， 更是被大量地應(yīng)用到供水實(shí)踐中去，但是在

53、應(yīng)用過程中，也存在著一些比較突出的問題， 經(jīng)過資料收集，分析如下。2.5.1 變頻泵與固定泵容量配比問題由于調(diào)速裝置造價(jià)高、維護(hù)復(fù)雜，多數(shù)供水系統(tǒng)配備均為一調(diào)(調(diào)速水泵)多定(定速水泵)，而且調(diào)速泵與定速泵容量相差不大，很多恒壓供水裝置的配備都是1:1，這樣做主要存在以下缺點(diǎn):第一，造成供水系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定:第二，調(diào)速泵運(yùn)行效率很低。下面以調(diào)/定速水泵容量為1: 1為例進(jìn)行分析。通常，采用調(diào)速水泵作為主泵，當(dāng)它的供水量達(dá)到額定水量的100%時(shí)，水泵的運(yùn)行速度已經(jīng)達(dá)到最大值，不能再提高，如果供水量繼續(xù)增大，供水壓力將下降，到一定程度定速水泵投入運(yùn)行，如果調(diào)速泵與定速泵的容量配比為1: 1，則定速泵

54、投入運(yùn)行后，供水量固定為100%，此時(shí)調(diào)速泵的供水量設(shè)為Q， 這個(gè)Q在某些情況下約為(5%10%)。由此可見，由于定速泵容量設(shè)置過大， 調(diào)速泵水量下調(diào)幅度變得很小， 僅為Q， 若此時(shí)供水量稍有減少， 系統(tǒng)即執(zhí)行定速泵停機(jī)操作，使定速泵出現(xiàn)頻繁操作現(xiàn)象。另外，在這種情況下， 定速泵投入運(yùn)行后， 很顯然運(yùn)行效率很低， 起不到節(jié)能效果。水泵在工頻運(yùn)行時(shí)， 流量50%以下時(shí)處在低效段，對(duì)于調(diào)速泵而言， 由于等效段的擴(kuò)大，這個(gè)值最小為40%。如果綜合水泵運(yùn)行效率考慮，調(diào)速泵流量具有向上、下限相等的調(diào)節(jié)范圍(上限為100%，下限為40%)，顯然無論在定速泵退出或投入時(shí)， 調(diào)速泵的流量取中間值 70%最合適

55、， 即定速泵流量為調(diào)速泵的30%。運(yùn)行情況是這樣的:當(dāng)定速泵流量達(dá)到 100%并且繼續(xù)增加時(shí)，投入流量為調(diào)速泵30%的定速泵，此時(shí)調(diào)速泵流量為70%，距離高效區(qū)的上下限均為30%；當(dāng)定速泵與調(diào)速泵并聯(lián)運(yùn)行，調(diào)速泵流量降到為40%并且繼續(xù)降低時(shí)，切除流量為調(diào)速泵30%的定速泵， 此時(shí)調(diào)速泵流量亦為70%，距高效區(qū)的上下限也均為30%。綜上所述，合理的調(diào)、定速容量配比為1: 0.3 ，按照上述方法的對(duì)固定泵進(jìn)行投切控制，不僅可以促使水泵最大可能地運(yùn)行在高效區(qū)，而且，使定速泵投入后調(diào)速水泵有充分的余地進(jìn)行調(diào)節(jié)，上調(diào)及下調(diào)幅度均為其額定容量的30%左右，供水系統(tǒng)不易出現(xiàn)水泵操作頻繁現(xiàn)象。2.5.2 多

56、泵并聯(lián)供水系統(tǒng)中電機(jī)的供電源切換問題研究交流異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)所產(chǎn)生的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊會(huì)給供電系統(tǒng)和拖動(dòng)系統(tǒng)帶來不利影響，故對(duì)于容量較大的異步電動(dòng)機(jī)一般都要采用軟啟動(dòng)方案。采用變頻器帶動(dòng)電機(jī)從零速開始啟動(dòng)，逐漸升壓升速，直至達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速或所需的轉(zhuǎn)速，此時(shí)變頻器同時(shí)承擔(dān)了軟啟動(dòng)的任務(wù)。變頻軟啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是，由于采用電壓/頻率按比例控制方法，所以不會(huì)產(chǎn)生過電流，并可提供等于額定轉(zhuǎn)矩的啟動(dòng)力矩，故特別適合于需重載或滿載啟動(dòng)的大功率水泵電機(jī)。多泵恒壓供水系統(tǒng)為了提高變頻器的使用效率，減少設(shè)備的投入費(fèi)用，常采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行的方案。當(dāng)變頻器帶動(dòng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，就要將電動(dòng)機(jī)切換到工頻

57、電網(wǎng)直接供電運(yùn)行，變頻器可以再去啟動(dòng)其他的電動(dòng)機(jī)。這樣就不可避免地要進(jìn)行電網(wǎng)和變頻器之間的相互切換操作。 變頻器的輸出切換問題，大概有兩種看法:一種是將變頻器當(dāng)作一般的交流電源，或者象軟啟動(dòng)器一樣，因而可以將電動(dòng)機(jī)在變頻器與供電電網(wǎng)之間任意切換；另一種看法則認(rèn)為由于變頻器自身的設(shè)計(jì)原理，是不允許變頻器在運(yùn)行中進(jìn)行切換的。這兩種看法都不免有失偏頗，但未找到詳細(xì)資料。目前，變頻器和工頻電源之間的切換，的控制方式多為同步鎖相控制。當(dāng)電機(jī)功率較大時(shí)，切換過程不僅要求變頻器輸出的電壓和頻率與電網(wǎng)一致，而且兩者的相位也必須相同。如果相位差較大，會(huì)造成對(duì)電網(wǎng)和變頻器雙方的電流沖擊，還會(huì)影響電網(wǎng)上其他設(shè)備的正

58、常工作，并損壞變頻器。最嚴(yán)重的情況是出現(xiàn)在變頻器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相位差為l80o時(shí)，電機(jī)的反電勢(shì)將與電網(wǎng)電壓疊加，造成很大的電壓沖擊和過電流。據(jù)文獻(xiàn)介紹，Ross Hill公司的VFD變頻裝置通過對(duì)電動(dòng)機(jī)的端電壓進(jìn)行采樣、適當(dāng)?shù)目刂疲谧冾l器內(nèi)部對(duì)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行微調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)在電機(jī)電壓和主線電壓相位相同的瞬間，先接通工頻電源后斷開變頻器輸出，保證了在電機(jī)不丟轉(zhuǎn)的情況下無任何過電流。國內(nèi)目前在變頻與工頻切換控制方面，大多采用延時(shí)、降壓啟動(dòng)的控制方式，但是這種控制方式易導(dǎo)致水壓波動(dòng)過大。采用鎖相同步切換方式，可以有效減小切換時(shí)的沖擊電流。即采用鑒頻鑒相技術(shù)對(duì)變頻器的輸出電壓進(jìn)行跟蹤，當(dāng)變頻器輸出電壓

59、的頻率、幅值和相位均保持與電網(wǎng)電壓一致時(shí)，實(shí)現(xiàn)變頻器與電網(wǎng)之間的同步平穩(wěn)切換，是多泵恒壓供水系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題?？梢姡啾貌⒙?lián)變頻恒壓供水系統(tǒng)有許多值得注意的地方， 如我們掌握好它的客觀規(guī)律， 就能做到以更少的投入換來更大的效益。2.6 變頻恒壓供水系統(tǒng)的特點(diǎn)本文研究的變頻恒壓供水系統(tǒng)能適用生活水、工業(yè)用水以及消防等多種場(chǎng)合的供水，該系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1.滯后性供水系統(tǒng)的控制變量是用戶管網(wǎng)的水壓，它是一個(gè)過程控制量，同其他一些過程控制量（如溫度、流量、濃度等）一樣，對(duì)控制作用的響應(yīng)具有滯后性。同時(shí)用于水泵轉(zhuǎn)速控制的變頻器也存在一定的滯后效應(yīng)。2.非線性用戶管網(wǎng)中因?yàn)橛泄茏?、水錘等因素的影響，同時(shí)

60、又由于水泵的一些固有特性，使水泵轉(zhuǎn)速的變化與管網(wǎng)壓力的變化不成正比，因此變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)。3.多變性變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)要具有廣泛的通用性，面向各種各樣的供水系統(tǒng)，而不同的供水系統(tǒng)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、用水量和揚(yáng)程等方面存在著較大的差異，因此其控制對(duì)象的模型具有很強(qiáng)的多變性。4.時(shí)變性在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制（包括定量泵的停止和運(yùn)行）是時(shí)時(shí)發(fā)生的，同時(shí)定量泵的運(yùn)行狀態(tài)直接影響供水系統(tǒng)的模型參數(shù)，使其不確定性地發(fā)生變化，因此可以認(rèn)為，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對(duì)象是時(shí)變的。5.容錯(cuò)性當(dāng)出現(xiàn)意外的情況（如突然斷電、泵、變頻器或軟啟動(dòng)器故障等）時(shí)，系統(tǒng)

61、能根據(jù)泵及變頻器或軟啟動(dòng)器的狀態(tài)，電網(wǎng)狀況及水源水位，管網(wǎng)壓力等工況自動(dòng)進(jìn)行投切，保證管網(wǎng)內(nèi)壓力恒定。在故障發(fā)生時(shí)，執(zhí)行專門的故障程序，保證在緊急情況下的仍能進(jìn)行供水。6.可擴(kuò)充性水泵的電氣控制柜，具有遠(yuǎn)程和就地控制的功能和數(shù)據(jù)通訊接口，能與控制信號(hào)或控制軟件相連，能對(duì)供水的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，以便顯示和監(jiān)控以及報(bào)表打印等。7.節(jié)能性系統(tǒng)用變頻器進(jìn)行調(diào)速，用調(diào)節(jié)泵和固定泵的組合進(jìn)行恒壓供水，節(jié)能效果顯著，對(duì)每臺(tái)水泵進(jìn)行軟啟動(dòng)，減少啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊的同時(shí)減少了啟動(dòng)慣性對(duì)設(shè)備的大慣量的轉(zhuǎn)速?zèng)_擊，延長了設(shè)備的使用壽命。2.7 本章小結(jié)本章分析了供水系統(tǒng)的基本特性。根據(jù)揚(yáng)程特性曲線和管阻特性曲線

62、可以看出用水流量和供水流量處于平衡狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。在水系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速是由于水泵的功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，所以調(diào)速控制方式要比閥門控制方式節(jié)能效果顯著。并且對(duì)水泵的運(yùn)行方式做出分析，以及在恒壓供水系統(tǒng)中應(yīng)當(dāng)重視的關(guān)鍵問題做出總結(jié)，最后列舉變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。第三章 變頻恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)由可編程控制器、變頻器、水泵電機(jī)組、壓力傳感器、工控機(jī)以及接觸器控制柜等構(gòu)成。系統(tǒng)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行與調(diào)速，采用循環(huán)使用的方式運(yùn)行。通過壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力信號(hào)，這個(gè)信號(hào)反饋給變頻器的PID模塊，經(jīng)PID運(yùn)算，將信號(hào)輸出給PLC，PLC發(fā)出控制信號(hào)，控制水泵電機(jī)進(jìn)行切換。PLC上接工控計(jì)算機(jī)，上位機(jī)裝有監(jiān)控軟件，對(duì)恒壓供水系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制?？傮w方案的確定是整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)中