內蒙古科技大學本科生畢業設計說明書（畢業論文）題 目：基于PLC和變頻器的恒壓供水自動控制系統設計學生姓名：楊蓉學 號：200440503237專 業：測控技術與儀器班 級：測控2004-2班指導教師：李忠虎 副教授74內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）基于PLC和變頻器的恒壓供水自動控制系統設計摘 要隨著社會的發展，對生產和生活供水的質量要求也越來越高。而供水質量的重要指標之一就是供水壓力的相對穩定。為此，本論文緊密結合當前供水現狀，設計了一套基于PLC和變頻器的恒壓供水系統。變頻調速恒壓自動控制供水系統由可編程控制器、變頻器、水泵機組、壓力傳感器、工控機、及控制柜等組成。系統采用一臺變頻器拖動四臺電機的運行、啟動、調速。其中，三臺大電機和一臺小電機采用循環使用的方式運行。在變頻調速恒壓供水系統中，水泵的啟停和工作方式的切換是由PLC來控制的。單臺水泵工況的調節是通過變頻器實現的。分析水泵的能耗比較圖，可以看出，在利用變頻器實現調速恒壓供水時，當轉速降低，流量與轉速成正比，功率以轉速的三次方下降，這與傳統供水方式閥門節流控制相比，在一定程度上可以減少能量損耗，節能效果明顯。該系統能夠對供水系統進行自動控制，并有效的降低能耗，可使系統維持在最佳運行狀態，并提高生產管理水平。關鍵詞：恒壓供水；變頻調速；可編程控制器；自動控制；節能內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）Automatic 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 water 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 made 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 pumps 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 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 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內蒙古科技大學畢業設計說明書（畢業論文）目 錄摘 要IAbstractII第一章 引 言41.1 變頻恒壓供水產生的背景及研究意義41.2 變頻恒壓供水系統的國內外研究現狀81.3 變頻恒壓供水系統的發展前景91.4 課題來源及本文的主要研究內容101.4.1 課題來源101.4.2 主要研究內容10第二章 變頻恒壓供水自動控制系統簡介122.1 供水系統的基本特性122.2 恒壓供水系統的基本構成與原理簡介132.3 變頻調速的節能原理142.3.1 變頻節能142.3.2 功率因素補償節能192.3.3 軟啟動節能192.3.4 多泵并聯恒壓供水節能192.4 水泵運行方式的選擇212.4.1 變頻循環方式切換212.4.2 變頻固定方式切換222.5 多泵并聯變頻恒壓供水系統相關問題研究232.5.1 變頻泵與固定泵容量配比問題232.5.2 多泵并聯供水系統中電機的供電源切換問題研究242.6 變頻恒壓供水系統的特點262.7 本章小結27第三章 變頻恒壓供水自動控制系統的總體方案設計283.1 變頻恒壓供水自動控制系統工作原理簡述283.2 變頻恒壓供水常用實現方法介紹293.2.1 PID控制法293.2.2 模糊控制法293.2.3 自適應控制法293.3 變頻恒壓供水系統控制方式簡介303.3.1 全自動變頻恒壓控制方式303.3.2 全自動工頻運行方式313.4 恒壓供水系統總體概況介紹323.5 本章小結34第四章 變頻調速恒壓供水系統硬件設計354.1 功能設定354.2 總體結構關系和工作流程的簡單介紹364.2.1 總體結構關系介紹364.2.2 工作流程簡介374.3 系統硬件設計384.3.1 主電路設計384.3.2 控制電路設計394.3.3 信號檢測404.3.4 系統工作過程詳細分析414.4 主要設備選取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44第五章 變頻調速恒壓供水系統軟件設計455.1 變頻恒壓供水系統中的PID調節455.1.1 PID控制算法及特點465.1.2 PID參數整定的相關原則495.1.3 變頻器參數設置及原理分析505.2 PLC配置585.2.1 S7-200型PLC的特點585.2.2 PLC的開關量輸入輸出點585.2.3 PLC在該系統中的功用595.2.4 PLC程序設計605.3 本章小節61總結62參考文獻65附錄67致謝72第一章 引 言隨著社會經濟的迅速發展，水對人民生活與工業生產的影響日益加強，人民對供水的質量和供水系統可靠性的要求不斷提高。把先進的自動化技術、控制技術、通訊及網絡技術等應用到供水領域，成為對供水系統的新要求。變頻恒壓供水系統集變頻技術、電氣技術、現代控制技術于一體，采用該系統進行供水可以提高供水系統的穩定性和可靠性，方便地實現供水系統的集中管理與監控，同時系統具有良好的節能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設計該系統，對于提高企業效益以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現實意義。1.1 變頻恒壓供水產生的背景及研究意義眾所周知，水是生產生活中不可缺少的重要組成部分，在節水節能己成為時代特征的現實條件下，我們這個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、工業生產循環供水等方面的技術一直比較落后，自動化程度低。主要表現在用水高峰期，水的供給量常常低于需求量，出現水壓降低、供不應求的現象，而在用水低峰期，水的供給量常常高于需求量，出現水壓升高、供過于求的情況，此時將會造成能量的浪費，同時有可能使水管爆破和用水設備損壞。在恒壓供水技術出現以前，出現過許多供水方式，以下將逐一分析1。1.單臺泵的直接供水系統在這種供水方式中，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中抽水，嚴重影響城市公用水網壓力的穩定。這種供水方式，水泵整日不停運轉，有的可能在夜間用水低谷時段停止運行。這種系統形式簡單、造價最低，但耗電、耗水嚴重，水壓不穩，供水質量極差。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所需壓力。水塔注滿后水泵停止，水塔水位低于某一位置時再啟動水泵。水泵處于斷續工作狀態中。這種供水方式的水泵工作在額定流量、額定揚程的條件下，水泵效率處于高效區。這種方式顯然比前一種節電，其節電率與水塔容量、水泵額定流量、用水不均勻系數、水泵的開停時間比、開停頻率等有關，供水壓力比較穩定。但這種供水方式基建設備投資最大，占地面積也最大，水壓不可調，不能兼顧近期與遠期的需要。而且系統水壓不能隨系統所需流量和系統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，如果該系統水塔的水位監控裝置損壞，泵不能進行自動地開、停，這樣泵的開、停將完全由人工操作，這樣將會出現能量的嚴重浪費和供水質量的嚴重下降。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，差別只是水箱設在建筑物的頂層，占地面積與設備投資都有所減少。對于高層建筑，還可分層設水箱。但這種供水方式對建筑物的造價與設計都有影響，同時水箱受建筑物的限制，容積不能過大，所以供水范圍較小。水箱的水位監控裝置也容易損壞，這樣系統的開停將全靠人來操作，使系統的供水質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，通過監測罐內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因異物進入而被污染的可能性。因此很受歡迎，應用十分廣泛。但氣壓罐供水方式也存在著許多缺點，這在介紹完變頻調速供水方式后，再將二者作一比較。5.變頻調速供水方式這種系統的原理是通過設在系統中的壓力傳感器將系統壓力信號與設定值作比較，再通過控制器調節變頻器的輸出，無級調節水泵轉速。使系統水壓無論流量如何變化始終穩定在一定的范圍內。變頻調速供水的水泵調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、給水系統最不利點的恒壓控制。 水泵出口恒壓控制水泵出口恒壓控制是將壓力傳感器設在水泵出口處，使系統在運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程中所占比例較小，最不利點的流出水頭高于設計值，故水泵出口恒壓控制方式不能得到最佳的節能效果。 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在水泵出口處，但其壓力設定值不只是一個。是將每日24小時按用水曲線分成若干時段，計算出各時段所需的水泵出口壓力，進行全日按時段變壓，各時段恒壓控制。這種控制方式其實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能，但這取決于將全天24小時分成的時段數及所需水泵出口壓力計算的精確程度。所需水泵出口壓力計算得越符合實際情況越節能，將全天分得越細越節能，當然控制的實現也越復雜。 最不利點恒壓控制最不利點恒壓控制是將壓力傳感器設在系統最不利點處，使系統在運行過程中，最不利點的壓力恒定。這種方式的節能效果是最佳的，但是由于最不利點一般距離泵房較遠，信號傳遞過程在實際應用中受到諸多限制，因此工程中很少采用。變頻調速供水方式的基建、設備投資和占地面積比水塔式和氣壓罐式供水系統都要少，輸出水壓設定值可任意調節，方便靈活，適應力強，可以說是目前最理想的節能效果，最好的供水方式。現將變頻調速供水方式和氣壓罐供水方式作一比較。變頻調速式在節能效果上明顯優于氣壓罐式。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行時，是在額定轉速、額定流量的條件下。當系統所需水量下降時，供水壓力超出系統所需壓力而造成能量的浪費。同時水泵是滿頻率啟動，且啟動頻繁，又會造成一定的能耗。而對于變頻調速式，當系統用水量下降時，可無級調節水泵轉速，使供水壓力與系統所需水壓大致相等，這樣就節省了許多電能。而且其變頻調速式水泵采用軟啟動，啟動時沖擊電流很小，又降低了啟動能耗，進一步節能。氣壓罐是用鋼材制造，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。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，這對我國來說將是一項較大的投入。而變頻調速供水系統的變頻器是一臺由微機控制的電氣設備，不存在消耗大量鋼材的問題；另外，由于氣壓罐體積大，一般數量多為23個，這樣需占地面積一般為幾十平米；而變頻調速中的調速裝置占地面積僅為零點幾平米，由此可見，變頻調速比氣壓罐式供水系統節省了占地面積，由此將帶來土建投資的節省。在運行效果上，氣壓罐式與調速式相比也存在著一定差距。氣壓罐式的運行不穩定，突出表現在它啟動頻繁，而且由于氣壓罐的調節容積僅占其總容積的1/31/6，因而每個罐的調節能力很小，只得依靠頻繁的啟動來保證供水，這樣不僅增加了啟動能耗，還將產生較大的噪聲和電信號的干擾，嚴重影響居民生活。此外，由于氣壓罐式的壓力不穩，啟動過于頻繁，加之又是硬啟動，所以電氣和機械沖擊較大，設備損壞很快，管網和衛生設備也因水壓沖擊有加大泄漏的可能。調速式的供水系統沒有頻繁的啟動現象，加之啟動方式為軟啟動，設備運行十分穩定、可靠，不僅可避免電氣、機械沖擊，又由于壓力穩定，可使小區管網和衛生設備的泄漏量明顯降低，噪音、振動下降，周圍居民的生活也不受影響或甚微。更主要的是由于調速式是經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二次污染，保證了用水水質的安全可靠。由此可見，變頻調速式供水系統具有節能、節省資源消耗、節省投資、調節能力大、運行穩定可靠等諸多優勢，具有明顯的經濟效益和社會效益。1.2 變頻恒壓供水系統的國內外研究現狀變頻恒壓供水是在變頻調速技術的發展之后逐漸發展起來的。在早期，由于國外生產的變頻器的功能主要限定在頻率控制、升降速控制、正反轉控制、起制動控制、壓頻比控制及各種保護功能，應用在變頻恒壓供水系統中，變頻器僅作為執行機構，為了滿足供水量大小需求不同時保證管網壓力恒定，需在變頻器外部提供壓力控制器和壓力變送器，對壓力進行閉環控制。隨著變頻技術的發展和變頻恒壓供水系統的穩定性、可靠性以及自動化程度高等方面的優點以及顯著的節能效果被大家發現和認可后，國外許多生產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、變頻泵循環方式兩種模式。它將PID調節器和PLC可編程控制器等硬件集成在變頻器控制基板上，通過設置指令代碼實現PLC和PID等電控系統的功能，只要搭載配套的恒壓供水單元，便可直接控制多個內置的電磁接觸器工作，可構成最多7臺電機(泵)的供水系統。這類設備雖微化了電路結構，降低了設備成本，但其輸出接口的擴展功能缺乏靈活性，系統的動態性能和穩定性能不高，與別的監控系統和組態軟件難以實現數據通信，并且限制了帶負載的容量，因此，在實際使用時其范圍將會受到限制。目前國內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速。對于水管管網壓力的閉環調節及多臺水泵的循環控制，有的采用可編程控制器(PLC)及相應的軟件予以實現，有的采用單片機及相應的軟件予以實現。但在系統的動態性能、穩定性能、抗擾性能以及開放性等多方面的綜合技術指標方面，還遠遠沒能達到所有用戶的要求。原深圳華為(現己更名為艾默生)電氣公司和成都希望集團(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調節器，可完成最多四臺水泵的循環切換、定時起、停和定時循環。該變頻器將壓力閉環調節與循環邏輯控制功能集成在變頻器內部實現，但其輸出接口限制了帶負載容量，同時，操作不方便且不具有數據通信功能，因此只適用于小容量、控制要求不高的供水場所。可以看出，目前在國內外變頻調速恒壓供水控制系統的研究設計中，對于能適應不同的用水場合，結合現代控制技術、網絡和通訊技術的大功率變頻恒壓供水系統的水壓閉環控制及監控研究的不夠。因此，有待于進一步研究改善變頻恒壓供水系統的性能，使其能被更好地應用于生活、生產實踐。1.3 變頻恒壓供水系統的發展前景變頻恒壓供水是在交流變頻調速技術的發展之后逐漸發展起來的，所以，談變頻調速恒壓供水系統的發展就是要看交流變頻調速技術的發展，交流變頻調速技術的是建立在電力電子技術基礎之上的。電力電子器件最初是普通晶閘管，它主要是電流控制型開關器件，以小電流控制大功率的變換，其開關頻率低，且只能導通不能自關斷。20 世紀 70 年代，電力電子器件開發了電力晶體管(GTR)和門極關斷(GTO)晶閘管，它是一種電流型自關斷的電力電子器件，可以方便的實現變頻、逆變和斬波，為變頻調速技術的開發、發展和普及奠定了基礎。20 世紀 80 年代，又進一步開發成功了絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)，它是一種電壓(場控)型自關斷的電力電子器件，具有在任意時刻用基極(柵極、門極)信號控制導通或關斷的功能，從而使變頻調速技術又向前邁進了一步。電力電子器件發展逐步把控制、驅動、保護等功能集成化起來，出現了智能化功率集成電路(IGBT)模塊和智能功率模塊(IPM)，它們實現了開關頻率的高速化、低導通電壓的高性能及功率集成電路的大規模化，包括了邏輯控制、功率、保護、傳感及測量的電路功能，為交流變頻調速技術開辟了新的天地。電力電子技術的發展與后來的正弦波脈寬調制技術（SPWM）的結合推動了變頻調速應用于恒壓供水系統中。電力電子技術發展方向是：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。這無疑將推動交流變頻調速技術向新的方向發展。我國的交流變頻調速技術雖起步晚，但是已取得了巨大發展，變頻技術逐步應用在各個領域，尤其在風機、水泵方面，但同國外仍有一定的差距，我們還要大力發展自己的電力電子技術。隨著國外交流變頻調速技術高速發展、工業自動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用在機械、紡織、供水、化工、造紙、冶金、食品等各個行業，并取得顯著的經濟效益。尤其在水泵、風機控制方面的應用，取得了顯著的節能效果，近年來高電壓大電流的SCR、GTO、IGBT等器件的生產以及并聯、串聯技術的發展應用，使高電壓、大功率變頻器產品的生產及應用成為現實。1.4 課題來源及本文的主要研究內容1.4.1 課題來源本課題來源于生產、生活供水的實際應用。1.4.2 主要研究內容通過前面對傳統供水現狀和變頻恒壓供水系統的應用前景分析可知，變頻調速恒壓供水系統在我國已成為供水行業發展的主流趨勢。變頻恒壓供水系統主要由變頻器、可編程控制器、人機界面、各種傳感器等組成。本文研究的目標是對恒壓控制技術給予提升，使系統的穩定性和節能效果進一步提高，操作更加簡捷，故障報警及時迅速，同時具有開放的數據傳輸。該系統可以用于深井泵恒壓供水系統、各類型的自來水廠、消防用水系統、工業鍋爐補水系統，還可以廣泛應用于化工、制冷空調和其他工業及民用領域。本文研究的主要內容如下：1. 變頻調速恒壓供水系統概況。主要介紹該系統的目的、意義、應用、現狀和發展，同時還介紹該供水系統中起關鍵作用的變頻調速技術和PLC技術及其特點。2.變頻調速恒壓供水系統理論知識。主要介紹變頻調速恒壓供水系統的工作原理，變頻器的節能、調速原理；變頻器的工況點的確定和能耗機理分析，以及系統調速范圍的確定。3. 供水系統硬件設計及實現。主要介紹了該恒壓供水系統的功能、結構組成、實現方法、設備選型、主電路以及控制電路設計等內容。4. 軟件系統設計與實現 主要介紹變頻調速恒壓供水系統的總體軟件流程、在STEP-7環境下開發的泵組切換程序、變頻器參數設置等內容。第二章 變頻恒壓供水自動控制系統簡介2.1 供水系統的基本特性供水系統的基本特性和工作點揚程特性是以供水系統管路中的閥門開度不變為前提，表明水泵在某一轉速下揚程H與流量Q之間的關系曲線f(Q)如圖2-1所示。由圖可以看出，流量Q越大，揚程H越小。由于在閥門開度和水泵轉速都不變的情況下，流量的大小主要取決于用戶的用水情況，因此，揚程特性所反映的是揚程H與用水流量QV之間的關系。而管阻特性是以水泵的轉速不變為前提，表明閥門在某一開度下，揚程H與流量Q之間的關系H=f(QV)。管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統的水位及壓力差、液體在管道中流動阻力的變化規律。由圖可知，在同一閥門開度下，揚程越大，流量也越大。由于閥門開度的改變，實際上是改變了在某一揚程下，供水系統向用戶的供水能力。因此，管阻特性所反映的是揚程與供水流量QG之間的關系H=f(QG)。揚程特性曲線和管阻特性曲線的交點，稱為供水系統的工作點，如圖2.1中的A點。在這一點，用戶的用水流量QV和供水系統的供水流量QG處于平衡狀態，供水系統既滿足了揚程特性，也符合了管阻特性，系統穩定運行。圖2.1 供水系統的基本特性2.2 恒壓供水系統的基本構成與原理簡介人們的生產和生活都離不開用水。一般在水源離用水場所較遠的場合，需要管道的輸送。將水送到遠處或較高的地方，管道中是需要有一定水壓的，水泵是產生水壓的設備，水泵轉動的越快，產生的水壓越高。水壓高了，才能將水輸送到遠處或較高樓層。而在高層住宅小區里，用戶用水的多少是經常變動的，供水不足或供水過剩的情況時有發生。保持供水的壓力恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質量。由水泵管道供水原理可知，調節供水流量，原則上有二種方法，第一種方法是節流調節，開大供水閥，流量上升，關小供水閥，流量下降。第二種方法是調速調節，水泵轉速升高，供水流量，增加轉速下降，流量降低。對于用水流量經常變化的場合，采用調速調節流量，具有優良的節能效果。其優點是啟動平穩，啟動電流可限制在額定電流以內，從而避免啟動時對電網的沖擊。由于泵的平均轉速降低了，從而可延長泵和閥門等的使用壽命，可以消除啟動和停機時的水錘效應。在鍋爐和其他燃燒油的場合，恒壓供油可使油的燃燒更加充分，大大地減輕了對環境的污染。變頻調速恒壓供水自動控制系統由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、壓力傳感器、工控機以及控制柜等構成。壓力傳感器用于檢測管網中的水壓，常設在泵站的出水口。當用水量大時，水壓降低，用水量小時，水壓升高。水壓傳感器將水壓的變化轉變為電流或電壓的變化送給變頻器。變頻恒壓供水一般由壓力變送器采樣水壓信號并且與系統設定壓力值比較后產生輸出信號，再經變頻器控制水泵電機轉速，實現恒壓供水。水泵轉動的越快，產生的水壓越大，才能將水輸送到遠處或較高的樓層。2.3 變頻調速的節能原理我國的電動機用電量占全國發電量的60%70%，風機、水泵設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機、水泵等設備的傳統調速方法是通過調節入口或出口的擋板、閥門開度來調節給風量和給水量，其輸出功率大量地消耗在擋板、閥門的截流過程中。由于風機、水泵類大多為平方轉矩負載，軸功率與轉速成立方關系，所以當風機、水泵轉速下降時，消耗的功率也大大下降，因此節能潛力非常大，最有效的節能措施就是采用變頻調速器來調節流量、風量，采用變頻器節電率為20%50%，而且，在通常的設計中，用戶水泵電機設計的容量比實際需要高出很多，存在大馬拉小車的現象，效率低下，造成電能的大量浪費。因此，推廣交流變頻調速裝置效益顯著。采用變頻器驅動具有很高的節能空間。目前，許多國家均己指定流量壓力控制必須采用變頻調速裝置取代傳統方式，這將大大的節省能源與降低成本2。2.3.1 變頻節能 調速原理。在三、四十年代，電機調速理論和技術已在一些工業發達國家開始研究和應用，如通過改變電機的磁極對數、利用發電機改變交流電源的頻率值、在轉子電路中加入調速變阻器或磁性放大器等方法對交流電機進行調速。但都由于技術及設備復雜而不能在工業生產實際中廣泛應用，隨著微機應用技術的發展，特別是到了80年代采用大功率晶體管后，使得工業交流電機調速技術有了廣泛應用的可能。目前，水泵電機絕大部分是三相交流異步電動機，根據交流電機的轉速特性，電機的轉速為 （2-1）其中，為電機轉速；為電源頻率；為轉差率；為電機的級對數。當水泵電機選定后，為定值，也就是說電機轉速的大小與電源的頻率高低成正比，頻率越高，轉速越高；反之，轉速越低。變頻調速就是根據這一原理，通過改變電源的頻率值來實現水泵電機的無級調速。變頻調速時，從高速到低速都可以保持有限的轉差率，因而變頻調速具有高效率、高精度、調速范圍廣、平滑性較高、機械特性較硬的優點，調速性能可與直流電動機調速系統相媲美。因此，變頻調速是交流異步電機一種比較合理和理想的調速方法，它被廣泛地應用于對水泵電機的調速。 變頻調速時的電機特性。電動機穩定運行時實際輸出轉矩由負載的需要來決定，在不同的轉速下，不同的負載需要的轉矩也是不同的，調速方法和控制特性應適應負載的要求。水泵負載轉矩特性。水泵負載轉矩基本上與轉速的平方成正比，即 (2-2)式中，為比例常數。變頻調速時電動機的機械特性。變頻調速時，為了使電動機的運行性能好，勵磁電流和功率因數應基本保持不變，即希望氣隙磁通保持不變，若(為額定運行時的磁通)，將引起電機磁路過分飽和而使勵磁電流增加，功率因數降低；若，必將使電機的容許輸出轉矩下降，電機的功率將得不到充分利用,因此，變頻調速一般應使氣隙磁通保持不變。根據電動機的等效電路，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系為 （2-3）式中，為定子繞組每相的有效匝數，當電機確定后，為一常數。由式2.3可知，在變化時，電機的端電壓必須與頻率成正比變化，才能保持必不變，即 （2-4）電動機的電磁轉矩為 （2-5）式中，為電動機的磁極對數；，為定子每項繞組的電阻和額定頻率下的漏抗；為轉差率，即 （2-6）式中，為某一頻率下的同步轉速，即 （2-7）令，求得電動機的最大電磁轉矩為 (2-8)在變頻調速過程中，保持，也就是保持氣隙磁通近似為常數，若令，則，此時的電磁轉矩 （2-9）相應的最大轉矩為 (2-10)式中，；為額定頻率下的同步轉速。正常運行時，很小，約5%在之內，式2-9中忽略不計。在一定的負載轉矩下，變頻調速運行時，轉速之差將不變，轉矩特性（穩定運行段）在運行方式下，當不同時，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，隨著運行頻率的降低，與電抗相比，的作用愈來愈大，使最大轉矩將明顯減小。恒壓變頻供水系統中負載轉矩與電機實際輸出轉矩的配合。根據電力拖動系統的運動方程式，再忽略空載轉矩條件下，電磁轉矩，這樣，運動方程式為 （2-11）式中，為系統的飛輪矩。可見，在基頻以下實現調速，調速范圍比較大，即使考慮低頻下的影響，仍可使系統穩定可靠運行，非常適宜供水系統晝夜用水變化較大的場合。由于采用恒的控制特性，使整個調速運行中，保持額定磁通，保持不變，從功率因數看，是最好的控制特性。 水泵調速運行的節能原理。離心式水泵廣泛應用于工業和生活供水系統中。其輸出特性取決于水泵的種類和供水管網系統的阻力特性。水泵軸功率按下式計算： （2-12）式中，為軸功率；為工況點的流量；為工況點的揚程；為介質的單位體積重量；為工況點的效率。每臺水泵只有在原設計工況點時，泵的使用效率才為最高點，偏離這個工況點效率就會降低。根據以上分析，按照供水系統的實際流量和揚程以及與之相對應的水泵使用效率可以算出水泵經濟的軸功率，即 (2-13)這樣，整個供水系統的節能潛力為: （2-14）式中，為水泵消耗的總軸功率；為水泵運行時間。水在管道輸送時，受到管網阻力的作用。管網裝置特性可以從閥門全開時測得的各種數據，由下式求得： （2-15）式中，為阻力系數；為泵進出口水位差。從管網特性上求得管網實際所需的性能以及泵與管網性能的匹配情況，以此作為水泵節能依據。根據式2-13求出閥門控制流量運行時的泵軸功率為： (2-16)變頻調速運行時的泵軸功率為: (2-17)兩者之差 (2-18)也就是說，用閥門控制流量時有的功率被白白浪費了，而且損耗隨著閥門的關小而增加，而被浪費的功率要隨之增加。根據水泵運行的相似定律，變速前后流量、揚程、軸功率與轉速之間的關系為: ； (2-19)式中，、為變速前的流量、揚程、功率；、為變速后的流量、揚程、功率。由式2-19可以看出，功率與轉速的立方成正比，流量與轉速成正比，損耗功率與流量成正比，所以調速控制方式要比閥門控制方式供水功率要小得多，節能效果顯著。例如:一臺水泵電機功率為55，當轉速下降到原轉速的4/5時，其耗電量為28.16，省電48.8%，當轉速下降到原轉速的1/2時，其耗電量為6.875，省電87.5%。2.3.2 功率因素補償節能無功功率不但增加線損和設備的發熱，更主要的是功率因數的降低導致電網有功功率的降低，大量的無功電能消耗在線路當中，設備使用效率低下，浪費嚴重。普通水泵電機的功率因數在0.60.7之間，使用變頻調速裝置后，由于變頻器內部濾波電容的作用，功率因數接近1，從而減少了無功損耗，增加了電網的有功功率。2.3.3 軟啟動節能由于電機為直接啟動或啟動，啟動電流等于(47)倍額定電流，這樣會對機電設備和供電電網造成嚴重的沖擊，而且還會對電網容量要求過高，啟動時產生的大電流和震動時對擋板和閥門的損害極大，對設備、管路的使用壽命極為不利。而使用變頻節能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網的沖擊和對供電容量的要求，延長了設備和閥門的使用壽命，節省了設備的維護費用。2.3.4 多泵并聯恒壓供水節能變頻恒壓供水節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，為了使供水系統具有優良的節能效果，變頻恒壓供水宜采用多泵并聯的供水模式。由多泵并聯恒壓變頻供水理論可知，在該系統中只需要其中一臺泵是變頻泵，其余全是工頻泵，便可實現恒壓變量供水。變頻恒壓供水當中，變頻泵的流量是變化的，當變頻泵是各并聯泵中最大，即可保證恒壓供水。變頻恒壓供水中，在設計上可做到在恒壓條件下各工頻泵的效率不變（因工況不變），使之處于高效率區工作，變頻泵的流量是變化的，其工作效率隨流量而改變。因為采用多泵并聯恒壓供水，變頻泵的功率降低，從而可以降低能耗，改善節能狀況。當多泵并聯恒壓供水系統采用具有自動睡眠功能的變頻器，當用水流量接近于零，變頻泵能自動睡眠停泵，從而可以做到不用水時自動停泵而沒有能量損耗，具有最佳的節能效果。在現代建筑生活給水系統中，采用一臺或多臺變頻調速泵給水的突出優點是： 采用變頻調速給水可以大幅度降低節流能量損耗，具有優異的節能效果。采用變壓變量給水可以做到使節流損耗降低到零，具有最佳的節能效果，但是這種變壓變量給水系統只適用于特點是給水管路系統，沒有通用性。國外有一種準變壓變量供水系統，這種給水系統的給水壓力隨給水流量的增大而階躍上升，對于多泵聯的供水設備，當多投入一臺工頻泵，給水恒壓值上升一個臺階，臺階值可以按需設定。這種準變壓變量給水系統設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設備的給水壓力可調，在設計上允許降低給水壓力的計算精度，在使用上可以適應不同的給水壓力要求。要達到建筑給水節能，首先要求給水泵處于高效率區工作。眾所周知，離心泵的高效率區處決于泵的工況。當采用變頻調速時，則泵的高效率區擴大，因此采用變頻調速可以節能。其次是防止給水泵出現“大馬拉小車”的工況。如果采用臺泵，當小流量用水時必然出現“大馬拉小車“的工況，此時水泵的效率低，功率浪費大。為了防止“大馬拉小車”，通常的做法是采用多臺水泵并聯給水的方式，多用水多開泵，少用水少開泵，可以顯著減輕“大馬拉小車”弊端的出現，改善節能的效果。理論分析及實際使用證明，多泵并聯變頻調速給水可以顯著提高節能效果。所以現代建筑生活給水系統大多采用多泵并聯恒壓變量給水方式。采用多泵并聯給水，按變頻調速恒壓給水原理，在多泵并聯的給水系統中，只要其中有一臺是變頻調速泵，就可以達到恒壓給水的目的。為了達到恒壓給水，變頻泵必須是并聯泵中的最大者，最經濟的配泵方案是各并聯泵的大小相同。從節能考慮，并聯水泵的臺數愈多愈好，但是如數太多，設備的機械結構及電氣控制系統的復雜程度也隨之上升，系統（設備）的整體經濟、合理性下降。2.4 水泵運行方式的選擇這里說的多泵并聯變頻恒壓供水的工作方式是指以下兩種， 一是變頻循環軟啟動工作方式， 二是變頻泵固定方式。變頻循環軟啟動工作方式指用一臺變頻器可以輪流去啟動和控制每臺水泵變頻運行， 但是按照變頻器工作原理， 在運行中的變頻器一般不允許在其輸出端進行切換，否則在切換過程中會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。在變頻泵自動輪換過程中， 要在變頻器的輸出端進行切換；為了保護變頻器， 在進行自動切換之前應使變頻器停止運行。在變頻器停止運行的條件下， 在其輸出端進行切換，在切換好后再重新啟動變頻器而恢復正常運行。因此， 其控制電路比較復雜， 會增加變頻控制柜的造價，但各個泵的磨損程度大致相同，其應用廣泛，推薦使用3。變頻泵固定方式通常是這樣的：當用水量小于一臺泵在工頻恒壓條件下的流量， 由一臺變頻泵恒壓供水；當用水量增大， 變頻泵的轉速自動上升；當變頻泵的轉速上升到工頻轉速， 用水流量進一步增大， 由變頻供水控制器控制， 自動啟動一臺工頻泵投入， 該工頻泵提供的流量是恒定的( 工頻轉速恒壓下的流量) ， 其余各并聯工頻泵按相同的原理投入；當用水量下降， 變頻調速泵的轉速下降( 變頻器輸出頻率下降)；當頻率下降到零流量的時候， 變頻供水控制器發出一個指令， 自動關閉一臺工頻泵使之退出并聯供水。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 變頻循環方式切換下面就上述工作方式進行舉例討論。假設該恒壓供水系統由三個水泵構成。系統正常運行時，用戶用水管網上的壓力傳感器對用戶的用水水壓進行數據采樣，傳輸至變頻器，與用戶設定的壓力值進行比較，將結果轉換為頻率調節信號和工頻泵啟停信號，此信號送至可編程控制器，變頻器調節水泵電機的電源頻率，進而調整水泵的轉速，PLC 控制工頻泵的啟停。通過對水泵的啟動和停止臺數及其中變頻泵轉速的調節，將用戶管網中的水壓恒定于用戶預先設計的壓力值，達到恒壓供水的目的。具體系統采用3臺水泵并聯運行方式，當用水量較小時，一臺泵在變頻器的控制下穩定運行，當用水量大到水泵全速運行也不能保證管網的壓力要求時，變頻器的控制信號被PLC檢測，通過PLC控制泵組的切換。PLC自動將原工作在變頻狀態下的泵投入到工頻運行，以保持壓力的連續性，同時將下一臺備用泵用變頻器啟動后投入運行，以加大管網的供水量，保證壓力穩定。所有水泵電機從停止到啟動及從啟動到停止都由變頻器來控制，實現帶載軟啟動，避免了啟動大電流給水泵電機帶來沖擊，相對延長了電機的使用壽命。PLC 的變頻調速恒壓供水系統原理框圖如圖 2.2 所示。壓力傳感器檢測水管的流水壓力，將水壓變換為電信號，控制變頻器的工作。 圖2.2PLC的變頻調速恒壓供水系統原理框圖2.4.2 變頻固定方式切換當采用變頻固定方式時，僅將1#水泵與變頻器相連，原理框圖如圖2.3所示。當1#水泵不能滿足用水需求時（也就是管網壓力小于與設定值時），PLC將啟動2#工頻泵（1#變頻泵仍舊變頻運行）；如用水量繼續增大時，將順序啟動3#工頻泵（1#變頻、2#工頻、3#工頻）；如果用水量減小，則將首先關閉2#泵，即遵循先開先停的順序依次關閉工頻泵。圖2.3 變頻固定方式切換原理框圖2.5 多泵并聯變頻恒壓供水系統相關問題研究變頻調速在工業生產領域和民用生活領域都得到了廣泛的應用。特別是通用變頻器和異動電機結合起來，實現對生產機械的調速傳動控制，其具有固定的優勢，應用到不同的生產領域，可以體現不同的功能，收到相應的效益。目前，變頻恒壓供水已得到廣泛應用，而采用多泵并聯的變頻恒壓供水技術，由于在滿足工藝要求的前提下大大節省了投資， 更是被大量地應用到供水實踐中去，但是在應用過程中，也存在著一些比較突出的問題， 經過資料收集，分析如下。2.5.1 變頻泵與固定泵容量配比問題由于調速裝置造價高、維護復雜，多數供水系統配備均為一調(調速水泵)多定(定速水泵)，而且調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:第一，造成供水系統運行不穩定:第二，調速泵運行效率很低。下面以調/定速水泵容量為1: 1為例進行分析。通常，采用調速水泵作為主泵，當它的供水量達到額定水量的100%時，水泵的運行速度已經達到最大值，不能再提高，如果供水量繼續增大，供水壓力將下降，到一定程度定速水泵投入運行，如果調速泵與定速泵的容量配比為1: 1，則定速泵投入運行后，供水量固定為100%，此時調速泵的供水量設為Q， 這個Q在某些情況下約為(5%10%)。由此可見，由于定速泵容量設置過大， 調速泵水量下調幅度變得很小， 僅為Q， 若此時供水量稍有減少， 系統即執行定速泵停機操作，使定速泵出現頻繁操作現象。另外，在這種情況下， 定速泵投入運行后， 很顯然運行效率很低， 起不到節能效果。水泵在工頻運行時， 流量50%以下時處在低效段，對于調速泵而言， 由于等效段的擴大，這個值最小為40%。如果綜合水泵運行效率考慮，調速泵流量具有向上、下限相等的調節范圍(上限為100%，下限為40%)，顯然無論在定速泵退出或投入時， 調速泵的流量取中間值 70%最合適， 即定速泵流量為調速泵的30%。運行情況是這樣的:當定速泵流量達到 100%并且繼續增加時，投入流量為調速泵30%的定速泵，此時調速泵流量為70%，距離高效區的上下限均為30%；當定速泵與調速泵并聯運行，調速泵流量降到為40%并且繼續降低時，切除流量為調速泵30%的定速泵， 此時調速泵流量亦為70%，距高效區的上下限也均為30%。綜上所述，合理的調、定速容量配比為1: 0.3 ，按照上述方法的對固定泵進行投切控制，不僅可以促使水泵最大可能地運行在高效區，而且，使定速泵投入后調速水泵有充分的余地進行調節，上調及下調幅度均為其額定容量的30%左右，供水系統不易出現水泵操作頻繁現象。2.5.2 多泵并聯供水系統中電機的供電源切換問題研究交流異步電動機直接啟動所產生的電流沖擊和轉矩沖擊會給供電系統和拖動系統帶來不利影響，故對于容量較大的異步電動機一般都要采用軟啟動方案。采用變頻器帶動電機從零速開始啟動，逐漸升壓升速，直至達到其額定轉速或所需的轉速，此時變頻器同時承擔了軟啟動的任務。變頻軟啟動的優點是，由于采用電壓/頻率按比例控制方法，所以不會產生過電流，并可提供等于額定轉矩的啟動力矩，故特別適合于需重載或滿載啟動的大功率水泵電機。多泵恒壓供水系統為了提高變頻器的使用效率，減少設備的投入費用，常采用一臺變頻器拖動多臺電機變頻運行的方案。當變頻器帶動電機達到額定轉速后，就要將電動機切換到工頻電網直