基于PLC和变频器的恒压供水自动控制系统设计毕业设计说明书.doc

内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于PLC和变频器的恒压供水自动控制系统设计学生姓名：杨蓉学 号：200440503237专 业：测控技术与仪器班 级：测控2004-2班指导教师：李忠虎 副教授基于PLC和变频器的恒压供水自动控制系统设计摘 要随着社会的发展，对生产和生活供水的质量要求也越来越高。而供水质量的重要指标之一就是供水压力的相对稳定。为此，本论文紧密结合当前供水现状，设计了一套基于PLC和变频器的恒压供水系统。变频调速恒压自动控制供水系统由可编程控制器、变频器、水泵机组、压力传感器、工控机、及控制柜等组成。系统采用一台变频器拖动四台电机的运行、启动、调速。其中，三台大电机和一台小电机采用循环使用的方式运行。在变频调速恒压供水系统中，水泵的启停和工作方式的切换是由PLC来控制的。单台水泵工况的调节是通过变频器实现的。分析水泵的能耗比较图，可以看出，在利用变频器实现调速恒压供水时，当转速降低，流量与转速成正比，功率以转速的三次方下降，这与传统供水方式阀门节流控制相比，在一定程度上可以减少能量损耗，节能效果明显。该系统能够对供水系统进行自动控制，并有效的降低能耗，可使系统维持在最佳运行状态，并提高生产管理水平。关键词：恒压供水；变频调速；可编程控制器；自动控制；节能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目 录摘 要IAbstractII第一章 引 言41.1 变频恒压供水产生的背景及研究意义41.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状81.3 变频恒压供水系统的发展前景91.4 课题来源及本文的主要研究内容101.4.1 课题来源101.4.2 主要研究内容10第二章 变频恒压供水自动控制系统简介122.1 供水系统的基本特性122.2 恒压供水系统的基本构成与原理简介132.3 变频调速的节能原理142.3.1 变频节能142.3.2 功率因素补偿节能192.3.3 软启动节能192.3.4 多泵并联恒压供水节能192.4 水泵运行方式的选择212.4.1 变频循环方式切换212.4.2 变频固定方式切换222.5 多泵并联变频恒压供水系统相关问题研究232.5.1 变频泵与固定泵容量配比问题232.5.2 多泵并联供水系统中电机的供电源切换问题研究242.6 变频恒压供水系统的特点262.7 本章小结27第三章 变频恒压供水自动控制系统的总体方案设计283.1 变频恒压供水自动控制系统工作原理简述283.2 变频恒压供水常用实现方法介绍293.2.1 PID控制法293.2.2 模糊控制法293.2.3 自适应控制法293.3 变频恒压供水系统控制方式简介303.3.1 全自动变频恒压控制方式303.3.2 全自动工频运行方式313.4 恒压供水系统总体概况介绍323.5 本章小结34第四章 变频调速恒压供水系统硬件设计354.1 功能设定354.2 总体结构关系和工作流程的简单介绍364.2.1 总体结构关系介绍364.2.2 工作流程简介374.3 系统硬件设计384.3.1 主电路设计384.3.2 控制电路设计394.3.3 信号检测404.3.4 系统工作过程详细分析414.4 主要设备选取424.4.1 PLC的选取424.4.2 变频器的选取434.4.3 变送器的选取434.5 本章小节44第五章 变频调速恒压供水系统软件设计455.1 变频恒压供水系统中的PID调节455.1.1 PID控制算法及特点465.1.2 PID参数整定的相关原则495.1.3 变频器参数设置及原理分析505.2 PLC配置585.2.1 S7-200型PLC的特点585.2.2 PLC的开关量输入输出点585.2.3 PLC在该系统中的功用595.2.4 PLC程序设计605.3 本章小节61总结62参考文献65附录67致谢72第一章 引 言随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体，采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控，同时系统具有良好的节能性，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效益以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义。1.1 变频恒压供水产生的背景及研究意义众所周知，水是生产生活中不可缺少的重要组成部分，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的技术一直比较落后，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，此时将会造成能量的浪费，同时有可能使水管爆破和用水设备损坏。在恒压供水技术出现以前，出现过许多供水方式，以下将逐一分析1。1.单台泵的直接供水系统在这种供水方式中，水泵从蓄水池中抽水加压后直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水，严重影响城市公用水网压力的稳定。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。水塔的合理高度是使水塔最低水位略高于系统所需压力。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。这种供水方式的水泵工作在额定流量、额定扬程的条件下，水泵效率处于高效区。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。而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，泵不能进行自动地开、停，这样泵的开、停将完全由人工操作，这样将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。3.恒速泵加高水位箱的供水方式这种供水方式的原理与恒速泵加水塔的供水方式原理是相同的，差别只是水箱设在建筑物的顶层，占地面积与设备投资都有所减少。对于高层建筑，还可分层设水箱。但这种供水方式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。水箱的水位监控装置也容易损坏，这样系统的开停将全靠人来操作，使系统的供水质量下降和能耗急剧增加。4.恒速泵加气压罐的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。由于气压罐是密封的，所以大大减少了水质因异物进入而被污染的可能性。因此很受欢迎，应用十分广泛。但气压罐供水方式也存在着许多缺点，这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设在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定值作比较，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。变频调速供水的水泵调速控制方式有三种即水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点的恒压控制。 水泵出口恒压控制水泵出口恒压控制是将压力传感器设在水泵出口处，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，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。 水泵出口变压控制水泵出口变压控制也是将压力传感器设在水泵出口处，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，计算出各时段所需的水泵出口压力，进行全日按时段变压，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更能节能，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。 最不利点恒压控制最不利点恒压控制是将压力传感器设在系统最不利点处，使系统在运行过程中，最不利点的压力恒定。这种方式的节能效果是最佳的，但是由于最不利点一般距离泵房较远，信号传递过程在实际应用中受到诸多限制，因此工程中很少采用。变频调速供水方式的基建、设备投资和占地面积比水塔式和气压罐式供水系统都要少，输出水压设定值可任意调节，方便灵活，适应力强，可以说是目前最理想的节能效果，最好的供水方式。现将变频调速供水方式和气压罐供水方式作一比较。变频调速式在节能效果上明显优于气压罐式。气压罐式依靠压力罐中的压缩空气送水，气压罐配套水泵在运行时，是在额定转速、额定流量的条件下。当系统所需水量下降时，供水压力超出系统所需压力而造成能量的浪费。同时水泵是满频率启动，且启动频繁，又会造成一定的能耗。而对于变频调速式，当系统用水量下降时，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。而且其变频调速式水泵采用软启动，启动时冲击电流很小，又降低了启动能耗，进一步节能。气压罐是用钢材制造，一般情况下建筑面积4.0万m2需安装1.5m，L2.5m的气压罐2个。气压罐式的供水方式耗钢量较大，因而，如果在全国推广气压罐式供水系统，这对我国来说将是一项较大的投入。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，不存在消耗大量钢材的问题；另外，由于气压罐体积大，一般数量多为23个，这样需占地面积一般为几十平米；而变频调速中的调速装置占地面积仅为零点几平米，由此可见，变频调速比气压罐式供水系统节省了占地面积，由此将带来土建投资的节省。在运行效果上，气压罐式与调速式相比也存在着一定差距。气压罐式的运行不稳定，突出表现在它启动频繁，而且由于气压罐的调节容积仅占其总容积的1/31/6，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，这样不仅增加了启动能耗，还将产生较大的噪声和电信号的干扰，严重影响居民生活。此外，由于气压罐式的压力不稳，启动过于频繁，加之又是硬启动，所以电气和机械冲击较大，设备损坏很快，管网和卫生设备也因水压冲击有加大泄漏的可能。调速式的供水系统没有频繁的启动现象，加之启动方式为软启动，设备运行十分稳定、可靠，不仅可避免电气、机械冲击，又由于压力稳定，可使小区管网和卫生设备的泄漏量明显降低，噪音、振动下降，周围居民的生活也不受影响或甚微。更主要的是由于调速式是经水泵加压后直接送往用户的，防止了气压罐中由于气水接触、隔膜与水接触而可能造成的水质二次污染，保证了用水水质的安全可靠。由此可见，变频调速式供水系统具有节能、节省资源消耗、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠等诸多优势，具有明显的经济效益和社会效益。1.2 变频恒压供水系统的国内外研究现状变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能，应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力变送器，对压力进行闭环控制。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司就推出了恒压供水基板，备有变频泵固定方式、变频泵循环方式两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性能不高，与别的监控系统和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此，在实际使用时其范围将会受到限制。目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速。对于水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现，有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标方面，还远远没能达到所有用户的要求。原深圳华为(现己更名为艾默生)电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出了恒压供水专用变频器(5.5kw-22kw)，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多四台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时，操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量、控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术的大功率变频恒压供水系统的水压闭环控制及监控研究的不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好地应用于生活、生产实践。1.3 变频恒压供水系统的发展前景变频恒压供水是在交流变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的，所以，谈变频调速恒压供水系统的发展就是要看交流变频调速技术的发展，交流变频调速技术的是建立在电力电子技术基础之上的。电力电子器件最初是普通晶闸管，它主要是电流控制型开关器件，以小电流控制大功率的变换，其开关频率低，且只能导通不能自关断。20 世纪 70 年代，电力电子器件开发了电力晶体管(GTR)和门极关断(GTO)晶闸管，它是一种电流型自关断的电力电子器件，可以方便的实现变频、逆变和斩波，为变频调速技术的开发、发展和普及奠定了基础。20 世纪 80 年代，又进一步开发成功了绝缘栅双极性晶体管(IGBT)，它是一种电压(场控)型自关断的电力电子器件，具有在任意时刻用基极(栅极、门极)信号控制导通或关断的功能，从而使变频调速技术又向前迈进了一步。电力电子器件发展逐步把控制、驱动、保护等功能集成化起来，出现了智能化功率集成电路(IGBT)模块和智能功率模块(IPM)，它们实现了开关频率的高速化、低导通电压的高性能及功率集成电路的大规模化，包括了逻辑控制、功率、保护、传感及测量的电路功能，为交流变频调速技术开辟了新的天地。电力电子技术的发展与后来的正弦波脉宽调制技术（SPWM）的结合推动了变频调速应用于恒压供水系统中。电力电子技术发展方向是：高电压大容量化、高频化、组件模块化、小型化、智能化和低成本化。这无疑将推动交流变频调速技术向新的方向发展。我国的交流变频调速技术虽起步晚，但是已取得了巨大发展，变频技术逐步应用在各个领域，尤其在风机、水泵方面，但同国外仍有一定的差距，我们还要大力发展自己的电力电子技术。随着国外交流变频调速技术高速发展、工业自动化程度的不断提高和全球性能源短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、供水、化工、造纸、冶金、食品等各个行业，并取得显著的经济效益。尤其在水泵、风机控制方面的应用，取得了显著的节能效果，近年来高电压大电流的SCR、GTO、IGBT等器件的生产以及并联、串联技术的发展应用，使高电压、大功率变频器产品的生产及应用成为现实。1.4 课题来源及本文的主要研究内容1.4.1 课题来源本课题来源于生产、生活供水的实际应用。1.4.2 主要研究内容通过前面对传统供水现状和变频恒压供水系统的应用前景分析可知，变频调速恒压供水系统在我国已成为供水行业发展的主流趋势。变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器、人机界面、各种传感器等组成。本文研究的目标是对恒压控制技术给予提升，使系统的稳定性和节能效果进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速，同时具有开放的数据传输。该系统可以用于深井泵恒压供水系统、各类型的自来水厂、消防用水系统、工业锅炉补水系统，还可以广泛应用于化工、制冷空调和其他工业及民用领域。本文研究的主要内容如下：1. 变频调速恒压供水系统概况。主要介绍该系统的目的、意义、应用、现状和发展，同时还介绍该供水系统中起关键作用的变频调速技术和PLC技术及其特点。2.变频调速恒压供水系统理论知识。主要介绍变频调速恒压供水系统的工作原理，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. 供水系统硬件设计及实现。主要介绍了该恒压供水系统的功能、结构组成、实现方法、设备选型、主电路以及控制电路设计等内容。4. 软件系统设计与实现 主要介绍变频调速恒压供水系统的总体软件流程、在STEP-7环境下开发的泵组切换程序、变频器参数设置等内容。第二章 变频恒压供水自动控制系统简介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不变为前提，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QV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(QV)。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，扬程越大，流量也越大。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QG之间的关系H=f(QG)。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中的A点。在这一点，用户的用水流量QV和供水系统的供水流量QG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 恒压供水系统的基本构成与原理简介人们的生产和生活都离不开用水。一般在水源离用水场所较远的场合，需要管道的输送。将水送到远处或较高的地方，管道中是需要有一定水压的，水泵是产生水压的设备，水泵转动的越快，产生的水压越高。水压高了，才能将水输送到远处或较高楼层。而在高层住宅小区里，用户用水的多少是经常变动的，供水不足或供水过剩的情况时有发生。保持供水的压力恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。由水泵管道供水原理可知，调节供水流量，原则上有二种方法，第一种方法是节流调节，开大供水阀，流量上升，关小供水阀，流量下降。第二种方法是调速调节，水泵转速升高，供水流量，增加转速下降，流量降低。对于用水流量经常变化的场合，采用调速调节流量，具有优良的节能效果。其优点是启动平稳，启动电流可限制在额定电流以内，从而避免启动时对电网的冲击。由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命，可以消除启动和停机时的水锤效应。在锅炉和其他燃烧油的场合，恒压供油可使油的燃烧更加充分，大大地减轻了对环境的污染。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、工控机以及控制柜等构成。压力传感器用于检测管网中的水压，常设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低，用水量小时，水压升高。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给变频器。变频恒压供水一般由压力变送器采样水压信号并且与系统设定压力值比较后产生输出信号，再经变频器控制水泵电机转速，实现恒压供水。水泵转动的越快，产生的水压越大，才能将水输送到远处或较高的楼层。2.3 变频调速的节能原理我国的电动机用电量占全国发电量的60%70%，风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1/3。造成这种状况的主要原因是风机、水泵等设备的传统调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输出功率大量地消耗在挡板、阀门的截流过程中。由于风机、水泵类大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大，最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量、风量，采用变频器节电率为20%50%，而且，在通常的设计中，用户水泵电机设计的容量比实际需要高出很多，存在大马拉小车的现象，效率低下，造成电能的大量浪费。因此，推广交流变频调速装置效益显著。采用变频器驱动具有很高的节能空间。目前，许多国家均己指定流量压力控制必须采用变频调速装置取代传统方式，这将大大的节省能源与降低成本2。2.3.1 变频节能 调速原理。在三、四十年代，电机调速理论和技术已在一些工业发达国家开始研究和应用，如通过改变电机的磁极对数、利用发电机改变交流电源的频率值、在转子电路中加入调速变阻器或磁性放大器等方法对交流电机进行调速。但都由于技术及设备复杂而不能在工业生产实际中广泛应用，随着微机应用技术的发展，特别是到了80年代采用大功率晶体管后，使得工业交流电机调速技术有了广泛应用的可能。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，电机的转速为 （2-1）其中，为电机转速；为电源频率；为转差率；为电机的级对数。当水泵电机选定后，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。变频调速就是根据这一原理，通过改变电源的频率值来实现水泵电机的无级调速。变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电机的调速。 变频调速时的电机特性。电动机稳定运行时实际输出转矩由负载的需要来决定，在不同的转速下，不同的负载需要的转矩也是不同的，调速方法和控制特性应适应负载的要求。水泵负载转矩特性。水泵负载转矩基本上与转速的平方成正比，即 (2-2)式中，为比例常数。变频调速时电动机的机械特性。变频调速时，为了使电动机的运行性能好，励磁电流和功率因数应基本保持不变，即希望气隙磁通保持不变，若(为额定运行时的磁通)，将引起电机磁路过分饱和而使励磁电流增加，功率因数降低；若，必将使电机的容许输出转矩下降，电机的功率将得不到充分利用,因此，变频调速一般应使气隙磁通保持不变。根据电动机的等效电路，在忽略定子漏阻抗压降的条件下，定子的相电压与气隙磁通和频率之间的关系为 （2-3）式中，为定子绕组每相的有效匝数，当电机确定后，为一常数。由式2.3可知，在变化时，电机的端电压必须与频率成正比变化，才能保持必不变，即 （2-4）电动机的电磁转矩为 （2-5）式中，为电动机的磁极对数；，为定子每项绕组的电阻和额定频率下的漏抗；为转差率，即 （2-6）式中，为某一频率下的同步转速，即 （2-7）令，求得电动机的最大电磁转矩为 (2-8)在变频调速过程中，保持，也就是保持气隙磁通近似为常数，若令，则，此时的电磁转矩 （2-9）相应的最大转矩为 (2-10)式中，；为额定频率下的同步转速。正常运行时，很小，约5%在之内，式2-9中忽略不计。在一定的负载转矩下，变频调速运行时，转速之差将不变，转矩特性（稳定运行段）在运行方式下，当不同时，它为一族平行的曲线。从式2-10可以看出，由于定子电阻的存在，随着运行频率的降低，与电抗相比，的作用愈来愈大，使最大转矩将明显减小。恒压变频供水系统中负载转矩与电机实际输出转矩的配合。根据电力拖动系统的运动方程式，再忽略空载转矩条件下，电磁转矩，这样，运动方程式为 （2-11）式中，为系统的飞轮矩。可见，在基频以下实现调速，调速范围比较大，即使考虑低频下的影响，仍可使系统稳定可靠运行，非常适宜供水系统昼夜用水变化较大的场合。由于采用恒的控制特性，使整个调速运行中，保持额定磁通，保持不变，从功率因数看，是最好的控制特性。 水泵调速运行的节能原理。离心式水泵广泛应用于工业和生活供水系统中。其输出特性取决于水泵的种类和供水管网系统的阻力特性。水泵轴功率按下式计算： （2-12）式中，为轴功率；为工况点的流量；为工况点的扬程；为介质的单位体积重量；为工况点的效率。每台水泵只有在原设计工况点时，泵的使用效率才为最高点，偏离这个工况点效率就会降低。根据以上分析，按照供水系统的实际流量和扬程以及与之相对应的水泵使用效率可以算出水泵经济的轴功率，即 (2-13)这样，整个供水系统的节能潜力为: （2-14）式中，为水泵消耗的总轴功率；为水泵运行时间。水在管道输送时，受到管网阻力的作用。管网装置特性可以从阀门全开时测得的各种数据，由下式求得： （2-15）式中，为阻力系数；为泵进出口水位差。从管网特性上求得管网实际所需的性能以及泵与管网性能的匹配情况，以此作为水泵节能依据。根据式2-13求出阀门控制流量运行时的泵轴功率为： (2-16)变频调速运行时的泵轴功率为: (2-17)两者之差 (2-18)也就是说，用阀门控制流量时有的功率被白白浪费了，而且损耗随着阀门的关小而增加，而被浪费的功率要随之增加。根据水泵运行的相似定律，变速前后流量、扬程、轴功率与转速之间的关系为: ； (2-19)式中，、为变速前的流量、扬程、功率；、为变速后的流量、扬程、功率。由式2-19可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。例如:一台水泵电机功率为55，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16，省电48.8%，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875，省电87.5%。2.3.2 功率因素补偿节能无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重。普通水泵电机的功率因数在0.60.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，功率因数接近1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。2.3.3 软启动节能由于电机为直接启动或启动，启动电流等于(47)倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备的维护费用。2.3.4 多泵并联恒压供水节能变频恒压供水节能的效果主要取决于用水流量的变化情况及水泵的合理选配，为了使供水系统具有优良的节能效果，变频恒压供水宜采用多泵并联的供水模式。由多泵并联恒压变频供水理论可知，在该系统中只需要其中一台泵是变频泵，其余全是工频泵，便可实现恒压变量供水。变频恒压供水当中，变频泵的流量是变化的，当变频泵是各并联泵中最大，即可保证恒压供水。变频恒压供水中，在设计上可做到在恒压条件下各工频泵的效率不变（因工况不变），使之处于高效率区工作，变频泵的流量是变化的，其工作效率随流量而改变。因为采用多泵并联恒压供水，变频泵的功率降低，从而可以降低能耗，改善节能状况。当多泵并联恒压供水系统采用具有自动睡眠功能的变频器，当用水流量接近于零，变频泵能自动睡眠停泵，从而可以做到不用水时自动停泵而没有能量损耗，具有最佳的节能效果。在现代建筑生活给水系统中，采用一台或多台变频调速泵给水的突出优点是： 采用变频调速给水可以大幅度降低节流能量损耗，具有优异的节能效果。采用变压变量给水可以做到使节流损耗降低到零，具有最佳的节能效果，但是这种变压变量给水系统只适用于特点是给水管路系统，没有通用性。国外有一种准变压变量供水系统，这种给水系统的给水压力随给水流量的增大而阶跃上升，对于多泵联的供水设备，当多投入一台工频泵，给水恒压值上升一个台阶，台阶值可以按需设定。这种准变压变量给水系统设备可以适用于给水管路，具有一定的通用性。 变频恒压变量给水系统设备的给水压力可调，在设计上允许降低给水压力的计算精度，在使用上可以适应不同的给水压力要求。要达到建筑给水节能，首先要求给水泵处于高效率区工作。众所周知，离心泵的高效率区处决于泵的工况。当采用变频调速时，则泵的高效率区扩大，因此采用变频调速可以节能。其次是防止给水泵出现“大马拉小车”的工况。如果采用台泵，当小流量用水时必然出现“大马拉小车“的工况，此时水泵的效率低，功率浪费大。为了防止“大马拉小车”，通常的做法是采用多台水泵并联给水的方式，多用水多开泵，少用水少开泵，可以显著减轻“大马拉小车”弊端的出现，改善节能的效果。理论分析及实际使用证明，多泵并联变频调速给水可以显著提高节能效果。所以现代建筑生活给水系统大多采用多泵并联恒压变量给水方式。采用多泵并联给水，按变频调速恒压给水原理，在多泵并联的给水系统中，只要其中有一台是变频调速泵，就可以达到恒压给水的目的。为了达到恒压给水，变频泵必须是并联泵中的最大者，最经济的配泵方案是各并联泵的大小相同。从节能考虑，并联水泵的台数愈多愈好，但是如数太多，设备的机械结构及电气控制系统的复杂程度也随之上升，系统（设备）的整体经济、合理性下降。2.4 水泵运行方式的选择这里说的多泵并联变频恒压供水的工作方式是指以下两种， 一是变频循环软启动工作方式， 二是变频泵固定方式。变频循环软启动工作方式指用一台变频器可以轮流去启动和控制每台水泵变频运行， 但是按照变频器工作原理， 在运行中的变频器一般不允许在其输出端进行切换，否则在切换过程中会使变频器中的某些电子器件受到大电流的冲击而降低其寿命。在变频泵自动轮换过程中， 要在变频器的输出端进行切换；为了保护变频器， 在进行自动切换之前应使变频器停止运行。在变频器停止运行的条件下， 在其输出端进行切换，在切换好后再重新启动变频器而恢复正常运行。因此， 其控制电路比较复杂， 会增加变频控制柜的造价，但各个泵的磨损程度大致相同，其应用广泛，推荐使用3。变频泵固定方式通常是这样的：当用水量小于一台泵在工频恒压条件下的流量， 由一台变频泵恒压供水；当用水量增大， 变频泵的转速自动上升；当变频泵的转速上升到工频转速， 用水流量进一步增大， 由变频供水控制器控制， 自动启动一台工频泵投入， 该工频泵提供的流量是恒定的( 工频转速恒压下的流量) ， 其余各并联工频泵按相同的原理投入；当用水量下降， 变频调速泵的转速下降( 变频器输出频率下降)；当频率下降到零流量的时候， 变频供水控制器发出一个指令， 自动关闭一台工频泵使之退出并联供水。这种方法虽然控制回路简单， 可靠性较高，但各泵磨损情况不一，不推荐使用。2.4.1 变频循环方式切换下面就上述工作方式进行举例讨论。假设该恒压供水系统由三个水泵构成。系统正常运行时，用户用水管网上的压力传感器对用户的用水水压进行数据采样，传输至变频器，与用户设定的压力值进行比较，将结果转换为频率调节信号和工频泵启停信号，此信号送至可编程控制器，变频器调节水泵电机的电源频率，进而调整水泵的转速，PLC 控制工频泵的启停。通过对水泵的启动和停止台数及其中变频泵转速的调节，将用户管网中的水压恒定于用户预先设计的压力值，达到恒压供水的目的。具体系统采用3台水泵并联运行方式，当用水量较小时，一台泵在变频器的控制下稳定运行，当用水量大到水泵全速运行也不能保证管网的压力要求时，变频器的控制信号被PLC检测，通过PLC控制泵组的切换。PLC自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将下一台备用泵用变频器启动后投入运行，以加大管网的供水量，保证压力稳定。所有水泵电机从停止到启动及从启动到停止都由变频器来控制，实现带载软启动，避免了启动大电流给水泵电机带来冲击，相对延长了电机的使用寿命。PLC 的变频调速恒压供水系统原理框图如图 2.2 所示。压力传感器检测水管的流水压力，将水压变换为电信号，控制变频器的工作。 图2.2PLC的变频调速恒压供水系统原理框图2.4.2 变频固定方式切换当采用变频固定方式时，仅将1#水泵与变频器相连，原理框图如图2.3所示。当1#水泵不能满足用水需求时（也就是管网压力小于与设定值时），PLC将启动2#工频泵（1#变频泵仍旧变频运行）；如用水量继续增大时，将顺序启动3#工频泵（1#变频、2#工频、3#工频）；如果用水量减小，则将首先关闭2#泵，即遵循先开先停的顺序依次关闭工频泵。图2.3 变频固定方式切换原理框图2.5 多泵并联变频恒压供水系统相关问题研究变频调速在工业生产领域和民用生活领域都得到了广泛的应用。特别是通用变频器和异动电机结合起来，实现对生产机械的调速传动控制，其具有固定的优势，应用到不同的生产领域，可以体现不同的功能，收到相应的效益。目前，变频恒压供水已得到广泛应用，而采用多泵并联的变频恒压供水技术，由于在满足工艺要求的前提下大大节省了投资， 更是被大量地应用到供水实践中去，但是在应用过程中，也存在着一些比较突出的问题， 经过资料收集，分析如下。2.5.1 变频泵与固定泵容量配比问题由于调速装置造价高、维护复杂，多数供水系统配备均为一调(调速水泵)多定(定速水泵)，而且调速泵与定速泵容量相差不大，很多恒压供水装置的配备都是1:1，这样做主要存在以下缺点:第一，造成供水系统运行不稳定:第二，调速泵运行效率很低。下面以调/定速水泵容量为1: 1为例进行分析。通常，采用调速水泵作为主泵，当它的供水量达到额定水量的100%时，水泵的运行速度已经达到最大值，不能再提高，如果供水量继续增大，供水压力将下降，到一定程度定速水泵投入运行，如果调速泵与定速泵的容量配比为1: 1，则定速泵投入运行后，供水量固定为100%，此时调速泵的供水量设为Q， 这个Q在某些情况下约为(5%10%)。由此可见，由于定速泵容量设置过大， 调速泵水量下调幅度变得很小， 仅为Q， 若此时供水量稍有减少， 系统即执行定速泵停机操作，使定速泵出现频繁操作现象。另外，在这种情况下， 定速泵投入运行后， 很显然运行效率很低， 起不到节能效果。水泵在工频运行时， 流量50%以下时处在低效段，对于调速泵而言， 由于等效段的扩大，这个值最小为40%。如果综合水泵运行效率考虑，调速泵流量具有向上、下限相等的调节范围(上限为100%，下限为40%)，显然无论在定速泵退出或投入时， 调速泵的流量取中间值 70%最合适， 即定速泵流量为调速泵的30%。运行情况是这样的:当定速泵流量达到 100%并且继续增加时，投入流量为调速泵30%的定速泵，此时调速泵流量为70%，距离高效区的上下限均为30%；当定速泵与调速泵并联运行，调速泵流量降到为40%并且继续降低时，切除流量为调速泵30%的定速泵， 此时调速泵流量亦为70%，距高效区的上下限也均为30%。综上所述，合理的调、定速容量配比为1: 0.3 ，按照上述方法的对固定泵进行投切控制，不仅可以促使水泵最大可能地运行在高效区，而且，使定速泵投入后调速水泵有充分的余地进行调节，上调及下调幅度均为其额定容量的30%左右，供水系统不易出现水泵操作频繁现象。2.5.2 多泵并联供水系统中电机的供电源切换问题研究交流异步电动机直接启动所产生的电流冲击和转矩冲击会给供电系统和拖动系统带来不利影响，故对于容量较大的异步电动机一般都要采用软启动方案。采用变频器带动电机从零速开始启动，逐渐升压升速，直至达到其额定转速或所需的转速，此时变频器同时承担了软启动的任务。变频软启动的优点是，由于采用电压/频率按比例控制方法，所以不会产生过电流，并可提供等于额定转矩的启动力矩，故特别适合于需重载或满载启动的大功率水泵电机。多泵恒压供水系统为了提高变频器的使用效率，减少设备的投入费用，常采用一台变频器拖动多台电机变频运行的方案。当变频器带动电机达到额定转速后，就要将电动机切换到工频电网直接供电运行，变频器可以再去启动其他的电动机。这样就不可避免地要进行电网和变频器之间的相互切换操作。 变频器的输出切换问题，大概有两种看法: