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基于PLC变频调速恒压供水系统毕业设计


河 南 工 业 职 业 技 术 学 院 Henan Polytechnic Institute

毕业设计(论文)



目基于 PLC 变频调速恒压供水系统的设计





G32105





邢文征

指导教师

张继涛

目 录
摘 要??????????????????? (4) (4)

一.绪论???????????????????

1.1 引言???????????????????(4) 1.2 变频恒压供水产生的背景和意义?????????? 1.3 变频恒压供水的现况??????????????

(5) (5)

二.变频恒压供水的理论分析?????????? (7)
2.1 水泵的工作原理??????????????? 2.2 供水电机的搭配??????????????? 2.3 水泵的调节方式??????????????? 2.4 恒压供水系统的能耗分析????????????

(7) (7) (8) (11)

2.5 供水系统的安全性问题?????????????(14) 2.6 本章小结?????????????????

(16)

三.变频恒压供水系统的构成及控制原理?????? (16)
3.1 变频恒压供水控制系统的构成方案………………??? 3.2 变频恒压供水系统的结构…………………………?? 3.3 变频恒压供水系统的控制方案……………………?? 3.4 变频恒压供水系统的水压恒定控制………………??? 3.5 变频供水水泵加减的控制…………………………?? 3.6 本章小节………………???????????

(16) (17) (19) (21) (22) (24)

四.变频恒压供水系统的设计???????? (24)
4.1 乐山市第一水厂的现况?????????????

(24)

4.2 变频改造的可行性分析?????????????(26) 4.3 变频电机的确定???????????????(27) 4.4 变频器的选型????????????????(27) 4.5 硬件设计?????????????????(28) 4.6 软件设计?????????????????(30) 4.7 本章小节??????????????????(33)

摘 要
随着我国社会经济的发展,住房制度改革的不断深入,人们生活水平的不断 提高,城市建设发展十分迅速,同时也对基础设施建设提出了更高的要求。城市 供水系统的建设是其中的一个重要方面,供水的可靠性、稳定性、经济性直接影 响到用户的正常工作和生活,也直接体现了供水管理水平的高低。传统供水厂, 特别是中小供水厂所普遍采用的恒速泵加压供水方式存在效率较低、可靠性不高、 自动化程度低等缺点,难以满足当前经济生活的需要。随着人们对供水质量和供 水系统可靠性要求的不断提高,需要利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯 技术,要求设计出高性能、高节能、能适应供水厂复杂环境的恒压供水系统成为 必然趋势。 本文首先根据管网和水泵的运行特性曲线,阐明了供水系统的变频调速节能 原理;从具体分析了变频恒水压供水的原理及系统的组成结构,提出不同的控制 方案,通过研究和比较,得出结论:变频调速是一种优于调压调速、变极调速、 串级调速、机械调速等的调速方式,是当今国际上一项效益最高、性能最好、应 用最广、最有发展前途的电机调速技术.它集微机控制技术、电力电子技术和电 机传动技术于一体,实现了工业交流电动机的无级调速,具有高效率、宽范围和 高精度等特点的结论。因此本文以采用变频器和 PLC 组合构成系统的方式,以 乐山第一水厂 160kw 和 75kw 水泵电动机控制系统为对象,逐步阐明如何实现 水压恒定供水和数据传输的. 最后,从分析该厂恒压变频供水的可行性,改造的理论、技术、经济可行性 等方面进行多次实验分析:其次,分别从确定变频器的参数,设计变频主电路、 变频电机的运行模式、控制模式及流程。在此基础上,对中小供水厂变频电机的 选型、安装、调试和运行各步骤加以详细地阐述。然后归纳和分析了安装运行中 的问题和注意事项。通过变频恒压供水系统的试运行,对该系统在实际供水中所 取得的节约电耗、恒定压力、保护管网等实际效果进行了总结,指出变频技术在 中小供水厂供水领域所取得的成果及应用中的局限性。 关键词 PLC,变频器,恒压

一 绪论
1.1 引言
水是生命之源,人类生存和发展都离不开水。在通常的城市及乡镇供水中, 基本上都是靠供水站的电动机带动离心水泵,产生压力使管网中的自来水流动, 把供水管网中的自来水送给用户。但供水机泵供水的同时,也消耗大量的能量, 如果能在提高供水机泵的效率、确保供水机泵的可靠稳定运行的同时,降低能耗, 将具有重要经济意义。 我国供水机泵的特点是数量大、范围广、类型多,在工程规模上也有一定水平, 但在技术水平、工程标准以及经济效益指标等方面与国外先进水平相比,还有一定 的差距。 随着社会经济的迅速发展,人们对供水质量和供水系统的可靠性要求不断提 高。衡量供水质量的重要标准之一是供水压力是否恒定,因为水压恒定于某些工 业或特殊用户是非常重要的,如当发生火警时,若供水压力不足或无水供应,不 能迅速灭火,会造成更大的经济损失或人员伤亡.但是用户用水量是经常变动的, 因此用水和供水之间的不平衡的现象时有发生,并且集中反映在供水的压力上: 用水多而供水少,则供水压力低;用水少而供水多,则供水压力大。保持管网的 水压恒定供水,可使供水和用水之间保持平衡,不但提高了供水的产量和质量, 也确保了供水生产以及电机运行的安全可靠性 11]。 对于大多数采用供水企业来说,传统供水机泵存在日常运行费用太高,供水 成本居高不下,单位供水的能耗偏大的问题,寻求供水与能耗之间的最佳性价比, 是困扰企业的一个长期问题。目前各供水厂的供水机泵设计按最大扬程与最大流 量这一最不利条件设计,水泵大多数时间在设计效率以下运行。导致电动机与水 泵之间常常出现大马拉小车问题(如图 1.1)。因此,如何解决供水与能耗之间的 不平衡,寻求提高供水效率的整体解决方案,是各供水解水企业关心的焦点问题 之一。 变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式,在风机、水泵、 空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用。利用变频技术与自动控制技 术相结合,在中小型供水企业实现恒压供水,不仅能达到比较明显的节能效果, 提高供水企业的效率,更能有效保证系统的安全可靠运行.恒水压供水系统 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;同时可达到良好的节能性,提高供水效率。所以研究设计基于 变频调速的恒定水压供水系统(简称变频恒压供水,如图 1.2),对于提高企业效率 以及人民的生活水平,同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。

1.2 变频恒压供水产生的背景和意义
我国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,工业自动化程度低。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,此时会造成能量的浪费,同时还有可能 造成水管爆裂和用水设备的损坏。传统调节供水压力的方式,多采用频繁启/停电 机控制和水塔二次供水调节的方式,前者产生大量能耗的,而且对电网中其他负 荷造成影响,设备不断启停会影响设备寿命;后者则需要大量的占地与投资。且 由于是二次供水,不能保证供水质的安全与可靠性。而变频调速式的运行十分稳 定可靠,没有频繁的启动现象,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,也没有水塔供水所带来的二次污染的危险。由此可见,变频调 速恒压供水系统具有供水安全、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。

1.3 变频恒压供水的现况 1.3.1 国内外变频供水系统现状
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。目前国外的恒 压供水系统变频器成熟可靠,恒压控制技术先进。国外变频供水系统在设计时主 要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。这种方式运行安全可靠,变压方式 更灵活。此方式的缺点必是电机数量和变频的数量一样多,因而投资成本高。 国外生产的变频器,特别是供水厂用变频器,相对于国产变频器而言也高于国内品。 目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广,国产变频器主要 采用进口元件组装或直接进口国外变频器,结合 PLC 或 PID 调节器实现恒压供水, 在小容量、控制要求的变频供水领域,国产变频器发展较快,并以其成本低廉的 优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上,国 产变频器有待于进一步改进和完善。

1.3.2 变频供水系统应用范围
变频恒压供水系统在供水行业中的应用,按所使用的范围大致分为三类: (1)小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压 站,特点是变频控制的电机功率小,一般在 135kw 以下,控制系统简单。由于这 一范围的用户群十分庞大,所以是目前国内研究和推广最多的方式.如希望集团 (森兰变频器)推出的恒压供水专用变频器(5.sk 认叹 22kw)。 (2)国内中小型供水厂变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频 器电机功率在 135kV 沐 320kw 之间,电网电压通常为 ZooV 或 380V。受中小水厂 规模和经济条件限制,目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。 (3)大型供水厂的变频恒压供水系统 这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂,特点是功率大(一般都大于 犯 okw)、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较 高,多数采用了国外进口变频器和控制系统。如利德福华的一些高压供水变频器 在本文中,研究和设计的变频器是以第二种应用范围为基础。 目前国内,除了高压变频供水系统,多数恒压供水变频系统均声称只要改变 容量就可以通用于各种供水范围,但在实际运用中,不同供水环境对变频器的要 求和控制方式是不一致的,大多数变频器并不能真正实现通用。以中小水厂供水 环境来说,由于其包括了自来水生产系统,其温湿度及腐蚀程度都大于常见小区

和加压泵站,在水泵组搭配上、需要处理的信号(如水质信号停机管理)也多于小 区供水系统,所以在部分条件复杂的中小水厂,采用通用的恒压供水变频系统并 不能完全满足实践要求,现部分中小水厂已认识到这一情况,并针对实际情况对 变频恒压供水系统加以改进和完善.

1.3.3 变频供水系统的发展趋势
0)变频供水系统正在向集成化、维护操作简单化方向发展在国内,专门 越高, 了 PLC 或 PID,甚至将压力传感器也融入变频组件 目前国内有不少公司在从事进行变频恒压供水的研制推广,国产变频器主要 采用进口元件组装或直接进口国外变频器,结合 PLC 或 PID 调节器实现恒压供水, 在小容量、控制要求的变频供水领域,国产变频器发展较快,并以其成本低廉的 优势占领了相当部分小容量变频恒压供水市场。但在大功率大容量变频器上,国 产变频器有待于进一步改进和完善 r 仆网。

1.3.2 变频供水系统应用范围
变频恒压供水系统在供水行业中的应用,按所使用的范围大致分为三类: (1)小区供水(加压泵站)变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压 站,特点是变频控制的电机功率小,一般在 135kw 以下,控制系统简单。 (2)国内中小型供水厂变频恒压供水系统 这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂。这类变频 器电机功率在 135kV 沐 320kw 之间,电网电压通常为 ZooV 或 380V。受中小水厂 规模和经济条件限制,目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。 (3)大型供水厂的变频恒压供水系统 这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂,特点是功率大(一般都大于 犯 okw)、机组多、多数采用高压变频系统。这类系统一般变频器和控制器要求较 高,多数采用了国外进口变频器和控制系统。如利德福华的一些高压供水变频器 在本文中,研究和设计的变频器是以第二种应用范围为基础。 1.3.3 变频供水系统的发展趋势 0)变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展 在国内外,专门针对供水的变频器集成化越来越高,很多专用供水变频器集 成了 PLC 或 PID,甚至将压力传感器也融入变频组件。同时维护操作也越来越简 二 .频恒压供水的理论分析 2.1 水泵的工作原理 供水所用水泵主要是离心泵,普通离心泵如图 2.1 所示:叶轮安装在泵壳 2 内,并紧固在泵轴 3 上,泵轴由电机直接带动,泵壳中央有一液体吸入口 4 与吸 入管 5 连接,液体经底阀 6 和吸入管进入泵内,泵壳上的液体排出口 8 与排出管 9 连接。在泵启动前,泵壳内灌满被输送的液体:启动后,叶轮由轴带动高速转动, 叶片间的液体也必须随着转动。在离心力的作用下,液体从叶轮中心被抛向外缘 并获得能量,以高速离开叶轮外缘进入蜗形泵壳。在蜗壳中,液体由于流道的逐 渐扩大而减速,又将部分动能转变为静压能,最后以较高的压力流入排出管道, 送至需要场所。液体由叶轮中心流向外缘时,在叶轮中心形成了一定的真空,由 于贮槽液面上方的压力大于泵入口处的压力,液体便被连续压入叶轮中。可见, 只要叶轮不断地转动,液体便会不断地被吸入和排出。

2.2 供水电机的搭配.电机的功率应根据生产机械所需要的功率来选择,尽量使电
动机在额定负载下运行。选择时应注意以下两点: (1)如果电动机功率选得过小,就会出现“小马拉大车”现象,造成电动机长 期过载,使其绝缘因发热而损坏,甚至电动机被烧毁。 (2)如果电动机功率选得过大,就会出现‘吠马拉小车”现象,其输出机械功 率不能得到充分利用,功率因数和效率都不高,不但对用户和电网不利,而且还 会造成电能浪费。 要正确选择电动机的功率,必须经过以下计算或比较: 对于恒定负载连续工作方式,如果知道负载的功率(即生产机械轴上的功 率)P 堆叨,可按式 2.1 计算所需电动机的功率 P(kW)

式中,爪为生产机械的效率;飞为电动机的效率,即传动效率. 按上式求出的功率,不一定与产品功率相同.因此,所选电动机的额定功率 应等于或稍大于计算所得的功率。

2.3 水泵的调节方式
水泵的调速运行,是指水泵在运行中根据运行环境的需要,人为的改变运行 工作状况点(简称工况点)的位置,使流量、扬程、轴功率等运行参数适应新的工 作状况的需要。水泵的工况点是由水泵的性能曲线和管网的特性曲线的交点确定 的。因此,只要这两条曲线之一的形状或位置有了改变,工况点的位置也就随之 改变。所以,水泵的调节从原理上讲是通过改变水泵的性能曲线或管网特性曲线 或二者同时改变来实现的。 水泵的调节方式与节能的关系非常密切,过去普遍采用改变阀门或挡板开度 的节流调节方式,即改变装置管网的特性曲线进行调节。这种调节方式虽然简便 易行,但往往造成很大的能量损失。大量的统计调查表明,一些在运行中需要进

行调节的水泵,其能量浪费的主要原因,往往是由于采用不合适的调节方式。因 此,研究并改进它们的调节方式,是节能最有效的途径和关键所在 水泵的调节方式可分为恒速调节与变速调节。详细划分如下:

目前常见的调节方法有节流调节、动叶调节、改变泵的运行台数调节、液力 祸合器调节、绕线式异步电动机的串极调速、变极调速、变频调速等 113]4l 习。 2.3.1 恒速调节 水泵的恒速调节主要有节流调节、动叶调节、改变泵的运行台数调节三种. (1)节流调节 节流调节是在水泵的出口或进口管路上装设阀门或挡板,通过改变阀门或挡 板的开度,使装置需要扬程曲线发生变化,从而导致水泵工作点位置的变化。 节流调节优点是调节简单、可靠、方便,且调节装置的初投资很少,故以前 各种离心泵多采用这种调节方式。缺点是能量损失很大,目前正逐渐被其它调节 方式所取代。 (2)动叶调节 采用动叶调节的水泵,在泵的轮毅内部安装动叶调节机构,从而使动叶调节 得以实现。对于大型的泵,可以采用液压传动调节. 动叶调节的优点是:在调节过程中其效率变化很小,能在较大范围保持高效 率。缺点是:动叶调节机构复杂,控制自动化程度低;成本高,通常适用大容量 水泵,对中小供水厂的水泵通常不适用。 (3)改变机泵运行台数调节 改变机泵运行台数调节是根据不同的流量要求,采用不同数量和型号的机泵 进行并联运行,来满足供水量要求.优点是:它不改变电机和水泵的电气及机械 结构,在水泵台数众多、搭配合理的情况下,可以达到较好的调节效果。缺点是: 不能实现连续调节、需要大量的机泵进行合理搭配、随着供水量的变化要不断启 停电机;电能损失较大。因此,目前此种方法虽大量使用,但正逐步被新的流量 调节方式取代从恒速调节的分析可以看出,由于恒速调节要不结构复杂,要 被变速调节所取代.。 2.3.2 变速调节 这里所指的速度是水泵的转速.水泵的变速调节可分为变速传动装置调节和 变电动机转速调节。 (1)变速传动装置 定速电动机驱动的水泵可以通过传动装置来实现变速调节。变速传动装置按 其工作特性可分为两类。一类是有级变速装置,如齿轮变速等;另一类是无级变

速装置,主要有液力祸合器、油膜转差离合器、电磁转差离合器等。液力祸合器、 油膜转差离合器及电磁转差离合器在传动变速时具有一个共同的特点:传动装置 产生的传动损失在其所传递功率中所占的比例与水泵的转速变化的大小成正比, 转速变化越大,传动损失所占的比例也越大,因此,这类变速调节方式也被称为 低效变速调节方式。 1)液力祸合器 水泵通过液力祸合器实现变速调节,从液力藕合器的特性来看,其调节效率 等于转速比,故当调节量越大,其转速比越低,传动效率也越低。 调速型液力祸合器用于叶片式水泵的变速调节时,主要具有以下优点:可以 输出连续的、无级的、变化的转速;可以平稳的启动、加速;电动机能空载或轻 载启动,降低启动电流,节约电能;液力祸合器是无级调速,故便于实现自动控 制,适用于各伺服系统控制:与阀门节流调节相比较,节能效果显著。 液力祸合器的缺点:在电动机额定转速较低的场合,要求同样的转矩而采用 较小的转速时,液力祸合器的工作腔直径将加大,这不但增加了造价,而且还会 使祸合器调速的延迟时间增加;大功率的液力祸合器设备复杂;在运转中随着负 载的变化,转速比也相应变化,因此不可能有精确的转速比:液力祸合器一旦产 生故障,水泵也不能继续工作。 2)电磁转差离合器 电磁转差离合器又称电磁离合器、涡流联轴器等。电磁调速电动机的主要优 点是:可靠性高,只要把绝缘处理好,就能长期无检修运行;控制装置的容量小; 结构简单、加工容易,价格便宜。 电磁调速电动机的缺点是:存在转差损失,尤其是对凡较低的电磁调速电动 机,运行经济性较低;调速时响应时间较长:噪声较大。 (2)变电动机转速 由电机学得知,交流电动机的同步转速 n,与电源频率 fl、极对数 p 之间的关 系式为:

由式 2.4 可以看出,要实现交流电动机的调速,可以通过改变磁极对数 p 和 改变电源频率 fl 实现,下面就两种变速调节方式进行比较.异步电动机的变极调速 变极调速原理:异步电动机在正常运行时,通常其转差率 5 很小,则由式 2.4 知,在电源频率 fl 不变的情况下,改变电动机绕组的极对数,就可改变同步转速 n: 从而改变异步电动机的转速 no 变极调速的主要优点是:调速效率高,仅是因在设计变极电动机时要兼顾不 同转速时的性能指标,与普通的全速电动机相比较,其效率和功率因数要稍低一 些:调速控制设备简单,仅用转换开关或接触器;初投资低,特别是中小型变极 电动机价钱和定速电动机相差不是很大:维护方便,除轴承外,不需要特别的维 修,可靠性较高,在相当恶劣的环境下可使用。 变极调速的主要缺点是:有级调速,不能进行连续调速。此外,变极电动机 在变速时电力必须瞬间中断,不能进行热态变换,因此在变速时电动机有电流冲

击现象发生.高压电动机若需进行频繁地切换变速时,则其切换装置的安全可靠 性尚需进一步完善提高。因此,变极调速目前应用较少。 2)异步电动机的变频调速 由式 2.4 可知,极对数 p 一定的异步电动机,在转差率变化不大时,转速 基本上与电源频率成正比。因此,只要能设法改变 fl.即可改变 n。基于这个原理, 变频调速就是用晶闸管等变流元件组成的变频器作为变频电源,通过改变电源频 率的办法,实现转速调节。图 2.2 为变频调速系统的示意图。

在对变速传动装置和变电动机调节方式进行比较时,我们以两者的代表,也 是目前运用最广的两种变速方式:液力祸合器调速和变频器调速进行对比,如表 2.1,从中可以看出,采用变频器进行转速调节,具有较大的优势。

2.4 恒压供水系统的能耗分析 2.4.1 调节流量的方法和比较
在供水系统中,最根本的控制对象是流量。因此,要讨论节能问题,必须从 考察调节流量的方法入手。常见的方法有阀门控制法和转速控制法两种。供水系 统中对水压流量的控制,传统上采用阀门调节实现。由于水泵的轴功率与转速的 立方成正比,因此水泵用变频器来调节转速能实现压力或流量的自动控制,同时 可获得大量节能。闭环恒压供水系统正越来越多地取代高位水箱、水塔等设施及 阀门调节。 (l)阀门控制法:即通过关小或开大阀门来调节流量,而转速保持不变(通常 为额定转速)。 阀门控制法的实质是:水泵本身的供水能力不变,而是通过改变水路中的阻 力大小来强行改变流量,以适应用户对流量的要求。这时,管阻特性将随阀门开 度的改变而改变,但是扬程特性不变。 如图 2.4 所示,设用户所需流量为 Qx 为额定流量的印喊即 Qx=60%QN),当 通过关小阀门来实现时,管阻特性将改变为曲线③,而扬程特性则仍为曲线①, 故供水系统的工作点移至 E 点,这时:流量减小为 Q 以=Qx);扬程增加为 H。;由式 (26)知,供水功率 Pa 与面积。DEJ 成正比,其中 Cp 为比例常数,Q 为流量。

恰到好处地满足了用户所需的用水流量,这就是恒压供水所要达到的目的。

2.4.2 从水泵的工作效率看节能
据有关资料介绍,水泵工作效率相对值 (1)水泵工作效率的近似计算公式的近似计算公式如(2.17):

(2)不同控制方式时的工作效率 由式(2.1 刀可知,当通过关小阀门来减小流 量时,由于转速不变,n’=1,比值 ,可见,随着流量的减小,水泵

工作的效率降低十分明显。 在转速控制方式时,由于在阀门开度不变的情况下,流量 Q*和转速 n’是成正 比的,比值 Q’/n’不变。就是说,采用转速控制方式时,水泵的工作效率总是处 于最佳状态。所以,转速控制方式与阀门控制方式相比,水泵的工作效率要大得多. 这是变频调速供水系统具有节能效果的方面之一.

2.4.3 从电动机的效率看节能
在设计供水系统时,由于:(1)对用户的管路情况无法预测:(2)管阻特性难 以精确计算:(3)必须对用户的需求留有足够的余地。因此,在决定额定扬程和 额定流量时,通常裕量较大。所以,在实际的运行过程中,即使在用水流量的高峰期, 电动机也常常处于轻载状态,其效率和功率因数都较低。 采用了转速控制方式后,可将排水阀完全打开而适当降低转速。由于电动机 在低频运行时,变频器具有能够根据负载轻重调整输入电压的功能,从而提高了 电动机的工作效率。 这是变频调速供水系统具有节能效果的另外一个方面. 图 2.5“两种常见调速方式效率曲线”为典型的液力偶合器和常见变频器的 效率一转速曲线,随着输出转速的降低,液力偶合器的效率基本上正比降低 (例 如:额定转速时效率 0.95,75%转速时效率约 0.72,20%转速时效率约 019),而 变频器在输出转速下降时效率仍然较高 (例如:额定转速时效率住 97,增长了 5%以上 转速时效率大于 0.95,20%以上转速时效率大于 0.9)。

从曲线数据看,当输出转速降低时,液力偶合器的效率比变频调速的效率下 降快得多,因此变频调速的低速特性比液力祸合器要好。当然,有一点我们应该 看到,就是用于水泵(风机)类负载时,由于其轴功率与转速的三次方成正比,当 转速下降时,虽然液力偶合器效率正比下降,但电动机综合轴功率还是随着转速 的下降成二次方比例下降,因此也能起到节能作用。

2.5 供水系统的安全性问题 2.5.1 水锤效应
异步电动机在全电压启动时,从静止状态加速到额定转速所需要的时间只有 在 255。这意味着在 0.255 的时间里,水的流量从零猛增到额定流量。由于水具有 动量和不可压缩性,因此,在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过 高或过低的冲击,并产生空化现象。压力冲击将使管壁受力而产生噪声,犹如锤 子敲击管子一样,故称为水锤效应。水锤效应具有极大的破坏性:压强过高,将引 起管道的破裂,反之,压强过低又会导致管道的瘪塌。此外,水锤效应也可能破 坏阀门和固定件。 在直接停机时,供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停止。 这也同样会引起压力冲击和水锤效应。

2.5.2 水锤效应的产生原因
产生水锤效应的根本原因,是在启动和制动过程中的动态转矩太大.在启动 过程中,异步电动机和水泵的机械特性如图 2.6a 所示。图中,曲线 1 是异步电动 机的机械特性,曲线 2 是水泵的机械特性,阴影部分是动态转矩 T (即两者之差).

由图 2.6“可知,水泵在直接启动过程中,拖动系统动态转矩写的大小如阴影 部分所示,是很大的。所以,加速过程很快.

2.5.3 水锤效应的消除
采用了变频调速后,可以通过对升速时间的预置来延长启动过程,使动态转 矩大为减小,如图 2.命所示。图中,曲线簇 1 是异步电动机在不同频率下的机械 特性,曲线 2 是水泵的机械特性,中间的锯齿状线是升速过程中的动态转矩 (即 不同频率时电动机机械特性与水泵机械特性之差)。 在停机过程中,同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程,使动态转 矩大为减小,从而彻底消除了水锤效应。

2.5.4 延长水泵寿命的其他因素
水锤效应的消除.无疑可大大延长水泵及管道系统的寿命。此外,由于水泵 平均转速下降、工作过程中平均转矩减小的原因,使: (1)叶片承受的应力大为减小。 (2)轴承的磨损也大为减小。 所以,采用了变频调速以后,水泵的工作寿命将大大延长.

2.5.5 对供水电机和供水电网的保护
由于变频恒压供水基本上都采用了变频启动,启动频率低,启动电流小,因 此,除了对供水机泵和供水管网有保护作用,对供水电机和电网也有良好的保护 作用。供水系统电机直接启动与变频启动的对比表如表 2.2 所示。

2.6 本章小结
本章分析了供水系统的基本特性。根据扬程特性曲线和管阻特性曲线可以看 出用水流量和供水流量处于平衡状态时系统稳定运行。在供水系统中采用变频调 速是由于水泵的功率与转速的立方成正比,所以调速控制方式要比阀门控制方式 节能效果显著.最后从理论上分析了采取变频恒压供水方式对供水安全起的积极 作用:可以消除水锤效应,减少电机电网冲击,延长系统的运行寿命。

三 变频恒压供水系统的构成及控制原理
3.1 变频恒压供水控制系统的构成方案
从变频恒压供水的原理分析可知,该系统主要有压力传感器、压力变送器、 变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成.系统主要的设计任务是利 用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵,实现管网水压的恒 定和水泵电机的软启动以及变频水泵与工频水泵的切换,同时还要能对运行数据 进行传输。根据系统的设计任务要求,有以下几种方案可供选择。 (1)有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器 这种控制系统结构简单,它将 Pm 调节器和 P 比 可编程控制器等硬件集成在 变频器供水基板上,通过设置指令代码实现 PLC 和 PID 等电控系统的功能。它虽

然简化了电路结构,降低了设备成本,但在压力设定和压力反馈值的显示方面比 较麻烦,无法自动实现不同时段的不同恒压要求,在调试时,PID 调节参数寻优 困难,调节范围小,系、动态性能不易保证。 (2)通用变频器十单片机(包括变频控制、调节器控制)十人机界面+压力传感器; 这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便,具有较高的性能价格 比,但开发周期长,程序一旦固化,修改较为麻烦,因此现场调试的灵活性差, 同时变频器在运行时,将产生干扰,变频器的功率越大,产生的干扰越大,所以 必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的 小容量的变频恒压供水中。 (3)通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制卜人机界面+压力传感器 这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口,可以方便地与其他的系统进 行数据交换;通用性强,由于 PLC 产品的系列化和模块化,用户可灵活组成各种 规模和要求不同控制系统。在硬件设计上,只需确定 P 比 的硬件配置和拍 的外 部接线,当控制要求发生改变时,可以方便地通过 PC 机来改变存贮器中的控制 程序,所以现场调试方便。同时由于 P 比 的抗干扰能力强、可靠性高,因此系统 的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合,并且与 供水机组的容量大小无关。

3.2 变频恒压供水系统的结构
通过变频恒压供水系统我们可以看出变频调速恒压供水系统由执行机构、信 号检测、控制系统、人机界面、通讯接口以及报警装置等部分组成。如图 3.1 所示.

3.2.1 执行机构 不执行机构是由一组水泵组成,它们用于将水供入用户管网. 通常这些水泵包括: (1)调速泵:是由变频调速器控制、可以进行变频调整的水泵,用以根据用 水量的变化改变电机的转速,以维持管网的水压恒定。 (2)恒速泵:水泵运行只在工频状态,速度恒定,它们用以在用水量增大而 调速泵的最大供水能力不足时,对供水量进行定量的补充. 此外,通常一些变频系统还会增设附属小泵,它只运行于启、停两种工作状 态,用以在用水量很小的情况下(例如:夜间)对管网用水量进行少量的补充.

3.2.2 信号检测
在系统控制过程中,需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号: (l)水压信号:它反映的是用户管网的水压值,它是恒压供水控制的主要反 馈信号。此信号是模拟信号,读入 PLC 时,需进行 冉刃 转换。另外为加强系统 的可靠性,还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测。检测结 果可以送给 PLC,作为数字量输入。 (2)液位信号:它反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时。控制系统要 对系统实施保护控制,以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自在安装于 水源处(在乐山第一水厂设计中,为清水池水位)的液位传感器。 (3)报警信号:它反映系统是否正常运行,水泵电机是否过载、变频器是否有异常, 该信号为开关量信号。

3.2.3 控制系统
供水控制系统一般安装在供水控制柜中,包括供水控制器(P 比 系统)、变频 器和电控设备三个部分: (1)供水控制器:它是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接 对系统中的压力、液位、报警信号进行采集,对来自人机接口和通讯接口的数据 信息进行分析、实施控制算法,得出对执行机构的控制方案,通过变频调速器和 接触器对执行机构(即水泵成行控制. (2)变频器:它是对水泵进行转速控制的单元.变频器跟踪供水控制器送来 的控制信号改变调速泵的运行频率,完成对调速泵的转速控制。根据水泵机组中 水泵被变频器拖动的情况不同,变频器有如下两种工作方式: 1)变频循环式:变频器拖动某一台水泵作为调速泵,当这台水泵运行在 50Hz 时,其供水量仍不能达到用水要求,需要增加水泵机组时,系统先将变频器从该 水泵电机中脱出,将该泵切换为工频的同时用变频去拖动另一台水泵电机。 2)变频固定式:变频器拖动某一台水泵作为调速泵,当这台水泵运行在 50Hz 时,其供水量仍不能达到用水要求,需要增加水泵机组时,系统直接启动另一台 恒速水泵,变频器不做切换,变频器固定拖动的水泵在系统运行前可以选择。 变频器的电控设备它是由一组接触器、保护继电器、转换开关等电气元件组 成.用于在供水控制器的控制下完成对水泵的切换、手/自动切换及就地/集中等 工作。

3.2.4 人机界面
人机界面是人与机器进行信息交流的场所。通过人机界面,使用者可以更改 设定压力,修改一些系统设定以满足不同工艺的需求,同时使用者也可以从人机 界面上得知系统的一些运行情况及设备的工作状态。人机界面还可以对系统的运 行过程进行监视,对报警进行显示。

3.2.5 通讯接口
通讯接口是本系统的一个重要组成部分,通过该接口,系统可以和组态软件 以及其他的工业监控系统进行数据交换;同时通过通讯接口,还可以将现代先进的 网络技术应用到本系统中来,例如可以对系统进行远程的诊断和维护等。

3.2.6 报警装置
作为一个控制系统,报警是必不可少的重要组成部分。由于本系统能适用于 不同的供水领域,所以为了保证系统安全、可靠、平稳的运行,防止因电机过载、 变频器报警、电网过大波动、供水水源中断造成故障,因此系统必须要对各种报 警量进行监测,由 P 比 判断报警类别,进行显示和保护动作控制,以免造成不必 要的损失。

3.3 变频恒压供水系统的控制方案
变频恒压供水系统的控制方案有多种,有 1 台变频器控制 1 台水泵的简单控 制方案,也有 1 台变频器控制几台水泵的方案,下面将分别加以叙述. (l)单台变频器控制单台水泵 单台变频器控制单台水泵的控制方案在国内通常是指是一台变频器控制一 台水泵。由于全部变频系统中,变频器、控制器、电机均无备份设备,出现问题 无法切换,故目前多适用于用水量不大,对供水的可靠性要求不高的场合。该控 制方案的控制原理框图见图 3.2,电路见图 3.3。

在这种系统中,由于有多台变频器,各水泵既可以同时变频运行,也可以分别工频运 行,使其可靠性、安全性、可调节性大大优于国内常见的各种控制方式,不过在成本上, 也远远高于目前国内的常用的变频恒压供水系统。 (2)单台变频器控制多台水泵 利用单台变频器控制多台水泵的控制方案适用于大多数供水系统,是目前应用中比较 先进的一种方案。下面以单台变频器控制 2 台水泵的方案来说明。该控制方案的控制原理见图 3.4。

控制系统的工作原理如下:根据系统用水量的变化,控制系统控制 2 台水泵按 1 一 2 一 3 一 4 一 1 的顺序运行,以保证正常供水。开始工作时,系统用水量不多,只有 1 号泵在 变频器控制下运行,2 号泵处于停止状态,控制系统处于状态 1。当用水量增加,变频器 输出频率增加,则 1 号泵电机的转速也增加,当变频器增加到最高输出频率时,表示只有 1 台水泵工作己不能满足系统用水的要求,此时,通过控制系统,1 号泵从变频器电源转换到 普通的交流电源,而变频器电源启动 2 号泵电机,控制系统处于状态 2. 当系统用水高峰过后,用水量减少时,变频器输出频率减少,若减至设定频率时,表示只有 1 泵 工作已能满足系统用水的要求,此时,通过控制系统,可将 1 号泵电机停运, 2 号泵电机仍由变频器电源供电,这时,控制系统处于状态 3。 当用水量再次增加,变频器输出频率增加,则 2 号泵电机的转速也增加,当变频器增加到 最高输出频率时,表示只有 1 台水泵工作已不能满足系统用水的要求,此时,通过控制系 统的控制,2 号泵从变频器电源转换到普通的交流电源,而变频器电源启动 1 号泵电机,控制 系统处于状态 4. 当控制系统处于状态 4 时,用水量又减少,变频器输出频率减少,若减至设定频率时,表示 只有 1 台水泵工作已能满足系统供水的要求,此时,通过控制系统的控制,2 号泵从变频器电源 转换到普通的交流电源,而变频器电源启动 1 号泵电机,控制系统处于状态 4。 当控制系统处于状态 4 时,用水量又减少,变频器输出频率减少,若减至设定频率时,表 示只有 1 台水泵工作已能满足系统用水的要求,此时,通过控制系统的控制,可将 2 号泵电机 停运,1 号泵电机仍由变频器供电,这时,控制系统又回到了状态 1。如此循环往复的工作,以 满足系统用水的需要。 (3)单台变频器控制单台水泵以及其他水泵 单台变频器控制单台水泵以及其他水泵启停的控制方案与控制方案 2 有许多 相同之处,只是方案 2 中,变频器可在水泵电机间轮换工作,而控制方案 3 则不 同,变频器只控制某 1 台泵,不能去控制其它泵,其它泵工作在普通电源的控制 下.下面以 2 台泵中的 1 台由变频器供电,另外 1 台由普通交流电源供电的恒压 供水系统来加以说明。 2 台水泵中,1 台是由变频器供电的变速泵,另外 1 台为普通交流电压供电 的定速泵。当系统用水量较小时,可以只用变频器供电的变速泵,当变频器供电 的频率达到最大时,表明 1 台水泵己不能满足系统用水要求,此时需要启动 1 台 定速泵,由 1 台变速泵与 1 台定速泵同时工作。当系统用水量减小到使变频器的 输出频率低于某一设定值时,此时控制系统就将定速泵停运,只应用变速泵工作。

当变频器供电的频率再次达到最大时,又表明 1 台水泵已不能满足系统用水要求。 此时又需要启动 1 台定速泵,由 1 台变速泵与 1 台定速泵同时工作,循环往复。 这种控制方式的优点是结构简单,安装调试方便.但在整个供水过程中由变 频器供电的变速水泵总在工作,该水泵一旦出现故障将会影响整个系统的供水。 采用变频恒压供水,如果变频器出现故障,应及时报替,并使整个供水过程 中由变频器供电的水泵改又普通交流电压供电,使水泵全速运行。为了应付这种 事情的发生,在选用水泵时就应考虑到用水系统管网的承受压力,选用流量扬程 曲线平缓型的水泵,使管网能够承受水泵全速运行时的全扬程水压. 当由多台水泵组成恒压供水系统时,对于控制系统也有一定的要求,应选用 功能强大的控制器如 Pm 调节器及用可编程序控制器进行控制。按照先启动先停 止,后启动后停止的原则运行,使水泵能循环运行,通过可编程序控制器的编程, 使各台水泵的运行概率相同,避免出现某台水泵经常工作,而其他水泵经常停歇, 甚至受潮和生锈的情况.

3.4 变频恒压供水系统的水压恒定控制 3.4. 1 水压控制流程
在变频恒压供水中,整个变频恒压供水控制系统要根据检测到的输入信号的 状态,按照系统的控制流程,通过变频调速器和执行元件对水泵组进行控制实现 恒压供水的目的。这个控制过程是一个闭环过程,它的反馈信号是由压力传感器 产生的供水压力,执行机构是变频器,通过控制系统将控制结果传输到变频器中, 改造变频器的输出频率,从而使供水压力发生改变,完成整个控制过程。其中需 要完成的控制流程如图 3.5 所示。

对于一台变频器带两台或两台以上电机的系统,电机的控制通常按上节方案 2 所述流程进行. 在实际运用中,通常对水压的闭环控制都采用 PID 控制,电机增减的控制根 据不同的情况有所不同,但多数采用频率、频率结合压力的方法来实现。PD 的 算法和实现将在 3 一 4.2 节进行详细阐述,电机的增减控制算法在将在 3.5 节加以分析。

3.5 变频供水水泵加减的控制
在上面的工作流程中,我们提到当一台调速水泵己运行在上限频率,此时管 网的实际压力仍低于设定压力,此时需要增加恒速水泵来满足供水要求,达到恒 压的目的;当调速水泵和恒速水泵都在运行且调速水泵已运行在下限频率,此时管 网的实际压力仍高于设定压力,此时需要减少恒速水泵来减少供水流量,达到恒 压的目的。那么何时进行切换,才能使系统提供稳定可靠的供水压力,同时使机 组不过于频繁的切换? 尽管通用变频器的频率都可以在 60Hz 甚于上百 Hz 范围内进行调节,但当它 用在供水系统中,其频率调节的范围是有限的,不可能无限地增大和减小。当正 在变频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时,只能在 50F 吃时运行, 由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制,50Hz 成为频率调节的上限频 率。当变频器的输出频率已经到达 50 比 时,即使实际供水压力仍然低于设定压 力,也不能够再增加变频器的输出频率了。要增加实际供水压力,正如前面所讲 的那样,只能够通过水泵机组切换,增加运行机组数量来实现。另外,变频器的

输出频率不能够为负值,最低只能是 OHz。其实,在实际应用中,变频器的输出 频率是不可能降传到 OHz,因为当水泵机组运行,电机带动水泵向管网供水时, 由于管网中的水压会反推水泵,给带动水泵运行的电机一个反向的力矩,同时这 个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网,因此,当电机运行频率下降 到一个值时,水泵就己经抽不出水了,实际的供水压力也不会随着电机频率的下 降而下降.这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于 OHz,具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关,一般在 20Hz 左右.由于 在变频状态下,水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定,这个下限 频率也就成为变频器频率调节的下限频率。 从上面的分析可以看出,当变频器的输出频率已经到达上限频率,而实际的 供水压力仍然低于设定压力时,存在的实际供水压力差己经不能够使输出颁率增大, 实际供水压力也不会提高.当变频器的输出频率己经下降到下限频率,实际 的供水压力却仍高于设定的供水压力时,存在的压力差不会使输出频率继续降低, 实际的供水压力也不会降低.所以,选择这两个时刻作为水泵机组切换的时机是 合理的,但要做以下考虑。 首先把上面的判别条件简写如下:

对于第一个判别条件,可能出现这种情况:输出频率达到上限频率时,实际 供水压力在设定压力上下波动。在这种情况下,如果按照上面的判别条件,只要 条件一满足就进行机组切换,很可能由于新增加了一台机组运行,供水压力一下 就超过了设定压力。并且使新投入运行的机组几乎在变频器输出频率的下限运行, 对供水作用很小。在极端的情况下,运行机组增加后,实际供水压力超过设定供 水压力,而新增加的机组在变频器的下限频率运行,此时又满足了机组切换的停 机条件,需要将一个在工频状态下运行的机组停掉。假设这一段时间内用户的用 水状况保持不变(其实在一个稳定的供水时段可以看作这种情况),那么按照要求 停掉了一个工频状态下运行的机组之后,机组的整体运行情况与增加运行机组之 前完全相同.可以预见,如果用水状况不变,供水泵站中的所有能够自动投切的 机组将一直这样投入一切出,再投入~再切出地循环下去。这增加了机组切换的 次数,使系统一直处于不稳定的状态之中。同时,在切换过程和变频器从启动到 稳定的过程中,系统的供水情况是不稳定的,实际供水压力也会在很大的压力范 围内震荡。这样的工作状态既无法提供稳定可靠的供水压力,也使得机组由于相 互切换频繁而增大磨损,减少运行寿命。 对于第二个判别条件,通过相同的讨论方法也能够得到类似的结论。所以, 在实际应用中,应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。相应的 判别条件是通过对上面两个判别条件的修改得到的,其实质就是增加了回滞环的 应用和判别条件的延时成立。 在恒压供水中,机组的切换为机组增加与机组减少两种情况,这两种情况由 于变频器输出频率与供水压力的不同逻辑关系相对应。考虑到只有当变频器的输

出频率在上下限频率时才可能发生切换,并且上限频率时不可能减泵,下限频率 时不可能增泵,所以,可以采用回滞环思想进行判别如图 3_7 表示

即:如果变频器的输出为上限频率,则只有当实际的供水压力低于比设定压 力小△P 故 的时候才允许进行机组增加:如果变频器的输出为下限频率,则只有当 实际的供水压力高于比设定压力大△P 故 的时候才允许进行机组的减少。 回滞环的应用提供了这样一个保障,即如果切换的判别条件满足,那就说明 此时实际供水压力在当前机组的运行状况下满足不了设定的要求。但这个判别条 件的满足也不能够完全证明当前确实需要进行机组切换,因为有两种情况可能使 判别条件的成立存在问题:实际供水压力超调的影响;现场的干扰使实际压力的 测量值有尖峰。 这两种情况都可能使机组切换的判别条件在一个比较短的时间内满足,造成 判断上的失误,引起机组切换的误操作。这两种情况有一个共同的特点,即它们 维持的时间短,只能够使机组切换的判别条件在一个瞬间满足。根据这个特点, 在判别条件中加入延时的判断就显得尤为必要了。 所谓延时判别,是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的,如果真的 要进行机组切换,切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一 段时间,比如一、两分钟,如果在这段延时的时间内切换条件仍然成立,则进行 实际的机组切换操作;如果切换条件不能够维持延时时间的要求,说明判别条件的 满足只是暂时的,如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。 经过上面的讨论,将实际的机组切换的实际条件定为:

3.6 本章小节
本章分析了变频供水系统的控制方式和组成,并对每一个组成部分进行了系统的分 析和说明。通过这些系统组成的变频恒压供水,充分满足了变频供水中的多模式运行以及供 水工程中所必须的安全、可靠和扩展能力。然后对变频恒压供水的控制流程进行了说明, 阐述了变频供水系统的恒压原理和控制方法,最后,通过详细的分析,说明了在一拖多的恒压 供水系统中加减水泵的条件。

四 .变频恒压供水系统的设计 4.1 乐山市第一水厂的现况 4.1.1 供水情况
乐山市第一水厂为乐山城市北部的一个供水厂,设计供水能力 3 万立方淞 日,是典型的中小供水厂,第一水厂曾是乐山老城区的供水主力水厂,随着城市 的发展,第一水厂的供水地位有所下降,目前主要承担辅助性供水任务,日供水 量在 1 一 2 万立方米,合理供水压力在 0.3~04MPa 之间.小时供水量在 500、1000 立方湘小时,夜间 1 一 2 时会停机,重新启动后有 2 一 3 小时的小流量补水运行,这 时的流量在 100 一 400 立方湘小时。

4.1.2 供水电机运行情况
1)电机及水泵搭配情况 乐山市第一水厂共有四台电机水泵负责供水,其中一台为备用机泵,日常供 水主供机泵三台,但同时最多只使用两台。具体机泵型号如表 1 所示。

(2)供水机组运行方式 由于第一水厂供水情况看,虽然目前处于老城区供水的重要水厂,但在全城 范围内,仍只能属于辅助水供水厂,因此,其供水量主要用于城区补充用水,供 水量的时变化系统较大,在夜间 1 一 2 点还需要停机,在 2 点左右启机后的供水低 峰,其供水量仅为 100 一 400 立方米/.J、时。但在白天供水高峰,通常供水量会达到 1000 立方米以上。 第一水厂供水量时变化系统较大,通常供水时,供水操作人员采用了以下方 式进行水量控制: 1)在供水量为 100 一 600 立方米月、时。采用一台 Y2805-胡 skw 电机带动 250539 水泵供水,如果供水低于 400 立方时,需对压力进行控制时,采取了掩阀 的运行方式。 2)在 600 一 90()立方米/小时采用一台 Y3 巧 LI 一 4/160kw 电机带动 300558,如 果供水量只有 600 立方上下,需对供水量及供水压力进行控制时,采取了掩阀的 运行方式。 3)在供水量超过 900 立方米时,根据操作人员不同,采用两种方式,一种是 一台 Y315LI 一 4/160kw 电机带动 300558 水泵加上采用一台 Y280s 一胡 skw 电机带 动 250539 水泵供水,另一种两台 y315LI 一/160kw 电机带动 300555 水泵供水, 在小时流量在 1100 立方米以下时,操作人员采取了掩阀的运行方式。

4.1.3 供水压力要求
根据第一水厂所供水范围的高程和区域要求,第一水厂理想供水压力值要求 在。.35 Mpa 之间.这是由于过低的供水压力会造成供水片区用户的水压不足, 过高的供水压力会造成对供水管网的损坏。因此,合理控制供水压力第一水厂非 常重要。在实际操作中,由于操作中有时采用了人工机组切换方式对供水量和供 水压力进行控制,机组切换中,就会造成压力值的短时损失,从而影响供水.

4.1.4 启动电流和电耗
经实测,第一水厂 Y315 电机启动电流在 1200A 以上,Y280s 电机启动电流 在 500A 以上,对电机具有一定的冲击作用。在供水电耗方面,第一水厂供水电

机平均电耗在 140kwjk 时左右,随着各季节流量的不同及电机搭配不同,电耗值 上下浮动约 10%。

4.2 变频改造的可行性分析 4.2.1 变频改造的意义
通过第一水厂变频器的改造,可以实现恒压供水,确保供水稳定,同时可能 产生节能增效的作用.第一水厂作为辅助水厂,在第一水厂变频器改造的成功, 也能为乐山主力供水厂提供可靠的变频器设计和使用经验。

4.2.2 理论可行性
在第二章已对变频电机的理论和在恒压供水中所产生的效果进行了理论分 析,在第一水厂中,供水压力长期恒定在 0.35 一 0.4MPa 之间,在实际操作中,也 经常采用机组切换及阀门掩阀操作.在理论上,如在第一水厂采用变频电机实现 恒压供水,对恒定供水压力确保管网压力的稳定、减少启动电流、节约电耗都可 以产生积极和效果。

4.2.3 技术可行性
供水行业作为特殊行业,在采用新技术的同时,对技术稳定性、可靠性也有 较高要求,变频恒压供水技术虽然出现时间不长,但 20 世纪 90 年代,变频器大规 模进人中国后,发展迅速,技术上己逐步成熟.目前国内有 90 多个品牌的变频器, 产品主要为:来自日本的厂家如三菱、富士、东芝、安川、日立和松下等,欧洲的西 门子、ABB、施耐德等。同时也有大量的国产品牌或合资品牌,如深圳的华为、四 川的森兰、成都的佳灵、南京的耐特和烟台的惠丰等。在低压(4。ov)小容量(315kw 以内)变频器范围上,国内产品在性价比和可维护性上己表现出良好的应用前景.在 国内的上海、广东等大量中小型供水厂中,都己采用了低压变频供水设施。

4.2.4 经济可行性
早期国内变频器价格偏高,随着小容量低压变频器在国内的量产,价格己逐步下 降,目前 300kw 左右的国产低压变频器价格一般均在 10 万元以下,进口变 频器价格一般要高 1 一 2 倍,考虑到第一水厂变频恒压供水改造为主力水厂进行变 频改造试验的性质,采用性能成熟的国产低压变频器更具经济价值,也是第一水 厂所能接受的.

4.2.5 社会效益分析
水厂作为公用事业企业,社会效益在企业中的重要性甚至要大于经济效益, 采用变频供水后,从第二章的分析可以看出,可以实现自动恒压供水,从而大大 提高用户用水压力的均衡,避免由人工方式控制不及时所带来的压力变化大、不 利于用户用水的弊病。 此外,由于恒压供水,水锤效应大幅减少,也可以大大减少因管道爆裂所造成 的停水事件。

4.2.6 风险和存在的问题
(1)供水环境的变化一直比较难以长期掌握,第一水厂供水量在改造后有可 能发生变化导致电机运行方式发生变化,从而影响变频恒压供水的使用效果。 (2)由于变频恒压供水需增加变频器,需对现有电气线路、电气柜和控制台 进行改造,以放置变频器和控制设备。将使目前空间较小的第一水厂送水泵房空 间更为狭小。 (3)第一水厂变频改造后,由于水厂本身的高湿高温环境,因而需要对变频 器进行日常的维护与保养,增加了日常工作人员的负担。

4.3 变频电机的确定
第一水厂日常主供机组有三台,备用电机有一台,可以采用的变频方式有一 拖二 (即一台变频器带二台电机)、一拖三、一拖四三种。从经济角度考虑,拖

的电机较多,变频器和控制系统就会越复杂,成本也会较高一些。从国内目前成 熟的变频器上考虑,采用一拖二方式的低压变频器成本较低,技术也较成熟。因 此如果能满足第一水厂供水要求,采用一拖二的方式更适宜于第一水厂。 在变频电机选择上,考虑第一水厂作为全城的辅助水厂,在每天夜间会停机, 并在启机后会有较长时间采用较小流量补水,这时采用小功率电机变频,电机功 率相对会低一些,因此,从经济与实用角度,采用变频一拖二,带一台 Y315/160kw 电机和一台 Y2805 刀 skw 电机,既可以满足最大供水量要求,也可以解决小流量 时电耗问题,是比较适宜的变频机泵选择方案。

4.4 变频器的选型 4.4.1 变频器容量的确定
(l)变频器容量的选择方法 变频器容量是变频器的最重要的参数,如何选择变频器容量是变频器选型的 关键。 变频器的容量有三种表示方法:①额定电流;②适配电动机的额定功率;③ 额定视在功率。不管是哪一种表示方法,归根到底还是对变频器额定电流的选择, 应结合实际情况根据电动机有可能向变频器吸收的电流来决定。通常变频器的过 载能力有两种:不管是哪一种表示方法,归根到底还是对变频器额定电流的选择, 应结合实际情况根据电动机有可能向变频器吸收的电流来决定.通常变频器的过 载能力有两种:①12 倍的额定电流,可持续 1 分钟:②1.5 倍的额定电流,可持 续 1 分钟:而且变频器的允许电流与过程时间呈反时限的关系。如 12(1.5)倍的额定电 流可持续 lmin;而 LS(2.0)倍的额定电流,可持续众 sn 血。这就意味着:① 不论任何时候向电动机提供在 lmin(或 0.snun )以上的电流都必须在某些范围内。 ②过载能力这个指标,对电动机来说,只有在启动 (加速)过程中才有意义,在 运行过程中,实际上等同于不允许过载. 下面讨论如何根据电动机负载电流的情况来选择变频器带一台电机时的容 量选择。 首先计算出负载电流,然后应考虑三个方面的因素:①用变频器供电时,电 动机电流的脉动相对工频供电时要大些;②电动机的启动要求。即是由低频低压 启动,还是额定电压、额定频率直接启动.③变频器使用说明书中的相关数据是 用该公司的标准电机测试出来的。要注意按常规设计生产的电机在性能上可能有 一定差异.故计算变频器的容量时要留适当余量。

4.4.2 变频控制器的选型
目前国内不少变频器均自带 PID 控制器或采用 Pl 刀控制器整合方式,两者均 可以很好的实现压力反馈控制。由于考虑到一是供水厂参数较多,除了常见压力 反馈信号,还需要对清水池液位信号、阀门开启信号等进行处理,因此设计采用 PLC 控制系统,主要利用 PID 控制压力恒定,并能控制电机的启动停止和泵口阀 门的启闭。在控制量上,经过供水厂信号分析,目前至少有 8 个模拟量 (包括压 力量、液位量、流量、水质信号),8 个开关量需要处理 (包括电机、阀门状态、 报警信号),考虑到以后的扩展需要,设计要求 P 比 系统的模拟输入/输出在 12 点以上,开关量输入/输出在 10 点以上。

4.4.3 第一水厂变频器其它参数的确定
经过计算,最终第一水厂变频器的选型需要参考以下要求: (1)频率要求:由第一水厂电机采用 50Hz,380v 电网,因此对变频器采用 380V 电源,变频范围卜 50Hz: (2)扩展要求:要求能按设计实现一拖二运行,并能扩展为一拖多运行; (3)环境要求:由于第一水厂泵房温度范围在 10℃~40℃,湿度常年保持在

在 50%以上,因此,对变频器及控制电路要求较高的温湿度要求,在温度.10℃ 一 50℃,湿度在 30%~卯%温度环境中要求变频器能正常工作; (4)保护功能要求:要求具有过电流、短路、过压、欠压、过载、过热、电 流保护、主器件自保护功能; (5)可靠性要求:要求变压器平均无故障时间担 TBF)大于 2 万小时; (6)谐波抑制:对电网谐波污染必须满足 IEEE519 一 1992 的谐波抑制标准; (7)尺寸要求:变频器及控制电路的尺寸不宜过大,以方便安装在空间较小 的第一水厂送水泵房内。

4.5 硬件设计 4.5.1 变频供水主电路设计
供水主电电路设计如图 41,采用了以一台变频器连接同时连接 Y3 巧电机和 Y28OS 电机。由于变频恒压供水改造不需要对电机进行改进,故电路设计中尽可 能保持现有的电气设备,以确保系统的可靠性。要注意的是,因为是一拖二方式, 所以必须确保开关 IKM 与 IK 入住电气联锁,ZKMI 与 ZKN12 电气联锁。连锁功 能由开关柜自身实现,在变频器出现问题时,要求可以手工实现工频凌频转换。 开关柜 KM 上设过流保护,开关柜盘面上设电流表、有功电能表、开、停指按钮 等,还应设一个多段 LED 显示器,以显示从变频器 PLC 控制器内取得变频器运 行参数,并能方便操作人员进行常用变频器参数设定。

4.5.2 控制系统硬件设计
变器控制电路设计如图 4.2,其中最主要的利用 P 比 采集压力信号进行反馈 控制。 在硬件设计中,考虑了各种报警信号的处理,液位传感器用于处于清水池(电 机水源)液位信号,当清水池水位过低,就必须报警,必要时 PLC 应输出停机信号关闭运行电机。同 样,考虑到变频器在送水泵房中长期运行可能造成的温度过高,可以利用 PLC 来判断温度报警信号并启

动强制制冷风车,以确保系统的安全运行。此外,在中小供水厂中,普遍缺少大型水厂那种齐全的生产监 控设备及远程停机控制设备,应将流量和水质等信号接入 PLC 中,以便生产环节出现事故 时能自动紧急停机,这是不同于小区和加压泵站供水的一个重要方面。

4.6 软件设计
在控制系统中,变频器通过 PLC 通过对电机出厂压力点处设置的压力变送器 反馈信号,进行单闭环控制。此外,为了适应供水情况的突发变化等,在必要时, 可以实现手动频率控制功能。P 比 程序设计的主要任务是接受外部开关信号的输 入以及管网的压力信号和水池水位信号,判断当前的系统状态是否正常,然后执 行程序,由输出信号去控制接触器、继电器和变频器等器件,以完成相应的控制任 务,除了 PID 运算,PLC 主要控制任务就是输出频率的计算和工频、变频的切换。 在设计时,需要注意的是由于供水系统是一个惯性较大无法突变的系统,不 需要过高的响应速度,因而在设计思想上应以查询方式为主,中断方式为辅.

4.6.1 系统初始化程序设计
在系统开始工作的时候,先要对整个系统进行初始化,即在开始启动的时 候,先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测,如出错则报警,接着对模 拟量(管网压力、液位等)数据处理的数据表进行初始化处理,赋予一定的初值。

4.6.2 压力恒定控制程序设计
在变频恒压供水系统压力控制程序的设计流程如图 43,检测压力的大小,信 号传送到 PLC,系统首选对数值进行分析,确认数据正常后,与压力设定值进行 判断,如果与设定值相同,则直接进入下一采样周期,如果不同,则进行 PID 控制, 通过 PLC 控制变频器改变频率参数,从而实现恒压供水。 在恒压供水程序设计中,还应考虑到报警问题,通常要设计中断程序处理信 号报警。特别要注意的是,在中小供水厂有条件的情况下,除了通常的液位报警 和过载报警等外,还应将流量仪、浊度仪、余氯仪等报警信号接入 PLC,从而实 现在供水厂出现流量严重异常或水质事故事可以实现紧急停机。

4.6.3 电机增减控制程序设计
该系统具有手动和自动两种运行方式,手动方式只在系统出现故障和调试时 使用。选择自动运行时,P 优对外接信号进行检测,如果满足要求,则 75kw (1# 电机)电机和变频器连通,作变频运行,并根据压力反馈调整详电机频率,当频率 调整到 50Hz,供水仍不足,则该台变频泵切换为工频,如果压力继续不够,则将 1#泵切换到工频,经延时 305,再启动 160kw (2#电机),2#电机在变频方式下运 行,使出水压力达到要求。如果两台电机都在工频下运行,还不能满足压力要求, 则报警.如果实际压力过大,逐渐降低本台水泵电机频率,如果频率降低到 SHz 仍不足以使压力满足要求,则关闭 1#泵电机,使 2#机泵切在变频下运行。这样每台 水泵都在工频和变频之间切换,做到先开先停,后开后停。在判断电机增减条件时, 按式进行程序设计。通常这一程序设计包括了主程序、变频切换开机子程序和关机子 程序等,其主程序流程图如 4.40

4.6.4 控制程序预设参数的确定
控制系统的程序设计中,控制参数的设定直接关系到恒压供水控制系统的成 败与效率。这些参数的设定,首先需要通过实际运行情况的分析与实验得出预设 值,如:(l)反馈采样周期:第一水厂选为 25,即 P 比 取样周期为 25,因为长时 间观察表明,目前第一水厂压力值在 2:很少发生大的变化。(2)启动频率:选定 为 SHz,即在 SHz 以下变频器不输出电压,这时根据以前在第一水厂较长时间试 用过的软启动器设定的启动频率来确定的。(3)电机变频/工频切换延时:305,这 时根据第一水厂电机情况确定的安全切换时间。 但预设值并不是最终参数,它只是提供一个参考,各种控制参数都需要在调 试运行中不断加以修正、完善,才能达到最好的控制效果。

4.7 本章小节
本章首先分析了第一水厂的电机和水泵组成、电机和水泵在实际工作中的运 行情况。对第一水厂电机进行恒压变频改造进行了可行性分析。从经济上进行了 通过采用不同的流量控制方式浅阀和变频调速)的对比,体现了变频调速恒压供 水具有的经济效益优势,在技术上,通过目前变频技术在国内外的分析及恒压变 频供水的应用,说明了恒压变频供水的技术可行性。本章最后在可行性分析的基 础上,对第一水厂变频恒压供水改造进行了系统设计,包括供水主电路的改造设 计、电机启动流程的设计和 PLC 恒压供水控制的设计,为第一水厂恒压变频供水 改造工程打下基础。


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