張北某小區(qū)無(wú)塔上水變頻調(diào)速恒壓供水及消防用水電氣設(shè)計(jì)(畢業(yè)設(shè)計(jì)).doc

張北泰生花園小區(qū)無(wú)塔上水變頻調(diào)速恒壓供水及消防用水電氣設(shè)計(jì)第一章 變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展1.1 變頻調(diào)速恒壓供水的目的和意義近年來(lái)我國(guó)中小城市發(fā)展迅速，集中用水量急劇增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1990年到1998年，我國(guó)人均日生活用水量（包括城市公共設(shè)施等非生產(chǎn)用水）有175.7升增加到241.1升，增長(zhǎng)了37.2%，與此同時(shí)我國(guó)城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高1。在用水量高峰期時(shí)供水量普遍不足，造成城市公用管網(wǎng)水壓浮動(dòng)較大。由于每天不同時(shí)段用水對(duì)供水壓力的要求變化較大，僅僅靠供水廠值班人員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工手動(dòng)調(diào)節(jié)很難及時(shí)有效的達(dá)到目的。這種情況造成用水高峰期時(shí)供水壓力不足，用水低峰期時(shí)供水壓力過(guò)高，不僅十分浪費(fèi)能源而且存在事故隱患（例如壓力過(guò)高容易造成爆管事故）。供水廠希望通過(guò)對(duì)原有系統(tǒng)的技術(shù)改造，提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化水平。并在此基礎(chǔ)之上配備相應(yīng)的系統(tǒng)管理軟件，改變傳統(tǒng)的落后管理方式，使管理工作規(guī)范化，提高水廠的業(yè)務(wù)管理水平。由于水廠原有的供水控制系統(tǒng)是一個(gè)完全依靠值班人員手動(dòng)控制的系統(tǒng)，所以對(duì)該系統(tǒng)技術(shù)改造的要求是在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)進(jìn)行，設(shè)計(jì)一套取水和供水的自動(dòng)控制系統(tǒng)，克服由于采用單純手動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制帶來(lái)的控制不方便、控制系統(tǒng)對(duì)供水管網(wǎng)中壓力和水位變化反應(yīng)遲鈍的問(wèn)題，降低能源消耗和資源浪費(fèi)，提高設(shè)備的可維護(hù)性和運(yùn)行的可靠性，以達(dá)到降低自來(lái)水的生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)管理水平的目的。在相當(dāng)比較大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)供水系統(tǒng)，變頻調(diào)速恒壓供水有它自身的特點(diǎn)：1.供水量在短時(shí)間內(nèi)（一天時(shí)間內(nèi)）變化大，這種變化在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)甚至是幾倍或上十倍。2.對(duì)供水壓力的要求比較嚴(yán)格，供水的壓力隨供水的流量的變化而變化，甚至少量的水消耗都需要一定的管道壓力。3.一般情況下，供水系統(tǒng)的水流量受到水消耗量的控制，而水流量又是通過(guò)供水水泵的輸出來(lái)提供的。從上即可結(jié)論：以變頻器為主體構(gòu)成的恒壓供水系統(tǒng)不僅能夠最大程度滿足需要，也提高整個(gè)系統(tǒng)的效率，延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命、節(jié)約能源、而且能夠構(gòu)成復(fù)雜的功能強(qiáng)大的供水系統(tǒng)。1.2變頻調(diào)速及plc在供水行業(yè)中的應(yīng)用1.2.1變頻調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用 作為高性能的調(diào)速傳動(dòng)，直流發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制方法長(zhǎng)期以來(lái)一直應(yīng)用廣泛。但是直流電動(dòng)機(jī)由于換向器和電刷維護(hù)保養(yǎng)很麻煩，價(jià)格也相當(dāng)昂貴。使異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)性能好的調(diào)速一直是人們的理想。異步電機(jī)的調(diào)速方法很多，例如變極調(diào)速、有極調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、變頻調(diào)速等。但是因?yàn)楦鞣N各樣的缺點(diǎn)沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。70年代以后，由于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和微處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促使晶體管變頻器的誕生。晶體管變頻器不但克服了以往交流調(diào)速的許多缺點(diǎn)，而且調(diào)速性能可以和直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能相媲美。三相異步電動(dòng)機(jī)具有維修方便、價(jià)格便宜、功率和轉(zhuǎn)速適應(yīng)面寬等優(yōu)點(diǎn)，其變頻調(diào)速技術(shù)在小型化、低成本和高可靠性方面占有明顯的優(yōu)勢(shì)。到80年代末，交流電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)迅速發(fā)展成為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，它將供給交流電機(jī)的工頻交流電源經(jīng)過(guò)二極管整流變成直流，再由igbt或gtr模塊等器件逆變成頻率可調(diào)的交流電源，以此電源拖動(dòng)電機(jī)在變速狀態(tài)下運(yùn)行，并自動(dòng)適應(yīng)變負(fù)荷的條件。它改變了傳統(tǒng)工業(yè)中電機(jī)啟動(dòng)后只能以額定功率、定轉(zhuǎn)速的單一運(yùn)行方式，從而達(dá)到節(jié)能目的。現(xiàn)代變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于電力水泵供水系統(tǒng)中，較為傳統(tǒng)的運(yùn)行方式是可節(jié)電4060，節(jié)水15302。由于變頻調(diào)速具有調(diào)速的機(jī)械特性好，效率高，調(diào)速范圍寬，精度高，調(diào)整特性曲線平滑3，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的、平穩(wěn)的調(diào)速，體積小、維護(hù)簡(jiǎn)單方便、自動(dòng)化水平高等一系列突出的優(yōu)點(diǎn)而倍受人們的青睞。尤其當(dāng)它應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、水泵等大容量負(fù)載時(shí)，可以獲得其它調(diào)速方式無(wú)法比擬的節(jié)能效果。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要設(shè)備是提供變頻電源的變頻器，變頻器可分成交流直流交流變頻器和交流交流變頻器兩大類(lèi)，目前國(guó)內(nèi)大都使用交直交變頻器。自從通用變頻器問(wèn)世以來(lái)，變頻調(diào)速技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，使我國(guó)供水行業(yè)的技術(shù)裝備水平從90年代初開(kāi)始經(jīng)歷了一次飛躍。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，變頻器的功能也越來(lái)越強(qiáng)。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。新型供水方式與過(guò)去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，而且具有顯著的節(jié)能效果。恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，引起國(guó)內(nèi)幾乎所有供水設(shè)備廠家的高度重視，并不斷投入開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)這一高新技術(shù)產(chǎn)品。目前該產(chǎn)品正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制，多品種系列化的方向發(fā)展。追求高度智能化，系列標(biāo)準(zhǔn)化是未來(lái)供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)成片開(kāi)發(fā)、智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和整體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。在短短的幾年內(nèi)，變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)逐步完善的發(fā)展過(guò)程，早期的單泵調(diào)速恒壓系統(tǒng)逐漸被多泵調(diào)速系統(tǒng)所代替。雖然單泵調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易可靠，但由于單泵電機(jī)深度調(diào)速造成水泵、電機(jī)運(yùn)行效率低，而多泵調(diào)速系統(tǒng)投資更為節(jié)省，運(yùn)行效率高，被實(shí)際證明是最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，很快發(fā)展成為主導(dǎo)產(chǎn)品。1.2.2可編程序控制器的特點(diǎn)及應(yīng)用早期的可編程序控制器(programmable logic controller，plc)，主要用來(lái)代替繼電器實(shí)現(xiàn)邏輯控制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，可編程序控制器將傳統(tǒng)的繼電器控制技術(shù)與新興的計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)融為一體，具有可靠性高、功能強(qiáng)、應(yīng)用靈活、編程簡(jiǎn)單、使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，以及良好的工業(yè)環(huán)境工作性能和自動(dòng)控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)性能，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。1969年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司(dec)研制出世界上第一臺(tái)可編程控制器。早期的可編程控制器由分離元件和中小規(guī)模集成電路組成，主要功能是執(zhí)行原先由繼電器完成的順序控制、定時(shí)等。70年代初期，體積小、功能強(qiáng)和價(jià)格便宜的微處理器被用于plc，使得plc的功能大大增強(qiáng)。在硬件方面，除了保持其原有的開(kāi)關(guān)模塊以外，還增加了模擬量模塊、遠(yuǎn)程i/o模塊和各種特殊功能模塊。在軟件方面，plc采用極易為電氣人員掌握的梯形圖編程語(yǔ)言，除了保持原有的邏輯運(yùn)算等功能以外，還增加了算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理和傳送、通訊、自診斷等功能。進(jìn)入80年代中、后期，由于超大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，微處理器的市場(chǎng)價(jià)格大幅度下跌，使得plc所采用的微處理器的檔次普遍提高。而且，為了進(jìn)一步提高plc的處理速度，各制造廠商還研制開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用邏輯處理芯片，大大提高了plc軟、硬件功能。在發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家，plc已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在所有的工業(yè)部門(mén)。據(jù)“美國(guó)市場(chǎng)信息”的世界plc以及軟件市場(chǎng)報(bào)告稱(chēng)，1995年全球plc及其軟件的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)模約50億美元5。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，plc的功能得到大大的增強(qiáng)，具有以下特點(diǎn)5,6,7：1可靠性高。plc的高可靠性得益于軟、硬件上一系列的抗干擾措施和它特殊的周期循環(huán)掃描工作方式。2具有豐富的i/o接口模塊。plc針對(duì)不同的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，有相應(yīng)的i/o模塊與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的器件或設(shè)備直接連接。另外為了提高操作性能，它還有多種人機(jī)對(duì)話的接口模塊；為了組成工業(yè)局部網(wǎng)絡(luò)，它還有多種通訊聯(lián)網(wǎng)的接口模塊。3采用模塊化結(jié)構(gòu)。為了適應(yīng)各種工業(yè)控制需要，除了單元式的小型plc以外，絕大多數(shù)plc均采用模塊化結(jié)構(gòu)。plc的各個(gè)部件，包括cpu、電源、i/o等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來(lái)，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)用戶(hù)的需要自行組合。4編程簡(jiǎn)單易學(xué)。plc的編程大多采用類(lèi)似于繼電器控制線路的梯形圖形式，對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，不需要具備計(jì)算機(jī)的專(zhuān)門(mén)知識(shí)，因此很容易被一般工程技術(shù)人員所理解和掌握。5安裝簡(jiǎn)單，維修方便。plc不需要專(zhuān)門(mén)的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。各種模塊上均有運(yùn)行和故障指示裝置，便于用戶(hù)了解運(yùn)行情況和查找故障。由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，因此一旦某模塊發(fā)生故障，用戶(hù)可以通過(guò)更換模塊的方法，使系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。由于plc強(qiáng)大功能和優(yōu)點(diǎn)，使得plc在我國(guó)的水工業(yè)自動(dòng)化中得到廣泛的應(yīng)用。plc在水工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用主要有水廠監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)加氯、自動(dòng)加礬、水泵變頻調(diào)速、scada系統(tǒng)和供水管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)等8,9,10,11。其主要功能是進(jìn)行工藝參數(shù)的采集、生產(chǎn)過(guò)程控制、信息處理、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)以監(jiān)測(cè)等。1.3畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)及要求畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大體為以下四項(xiàng)內(nèi)容：1.變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展 主要介紹其系統(tǒng)的目的和意義，簡(jiǎn)述了目前我們常用的供水系統(tǒng)，根據(jù)社會(huì)發(fā)展的需要必須要進(jìn)行技術(shù)改造，變頻器的廣泛應(yīng)用，隨著技術(shù)的發(fā)展，其優(yōu)越性越來(lái)越多，主要是節(jié)能、恒壓、綜合技術(shù)的集成等，以后將朝大容量、小體積、高性能、易操作、壽命高、可靠性強(qiáng)、無(wú)公害化發(fā)展，從而可以看出變頻調(diào)速恒壓供水的廣泛前景；同時(shí)介紹了該供水系統(tǒng)起關(guān)鍵作用的變頻調(diào)速技術(shù)和plc的應(yīng)用以及其特點(diǎn)。2.變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的理論原理 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.各種附圖的繪制：工程設(shè)計(jì)離不開(kāi)圖紙，繪制各種圖是設(shè)計(jì)工程的基本要求。本設(shè)計(jì)應(yīng)需十幾張圖，包括：生活泵主電路，消防泵主電路，控制電路，控制柜設(shè)計(jì)，變頻器的外部接線圖，可編程控制器plc的外部接線圖，系統(tǒng)組成圖以及程序梯形圖等。4.元器件的選擇：根據(jù)元器件的選取原則，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式選取合適的器件。總之，通過(guò)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，必須掌握變頻恒壓供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一系列技術(shù)，也必須達(dá)到如下要求：完成畢業(yè)論文說(shuō)明書(shū)；完成恒壓供水系統(tǒng)軟件主，設(shè)計(jì)出能正常運(yùn)行的系統(tǒng)軟件；完成plc與變頻器的外部接線設(shè)計(jì)，以及配電規(guī)設(shè)計(jì)。 第二章變頻調(diào)速的節(jié)能、調(diào)速原理2.1供水系統(tǒng)概述傳統(tǒng)的供水方式（包括水箱/水塔供水和氣壓供水）水箱/水塔供水：供水系統(tǒng)采用水箱/水塔，稱(chēng)為重力供水。供水壓力比例恒定，且有貯水。但它是由位置高度形成的壓力來(lái)進(jìn)行供水的，為此，需要建造水塔或?qū)⑺渲糜诮ㄖ锏捻斏稀＜词谷绱?，還常常不能滿足最不利供水點(diǎn)的供水要求，難以滿足不斷增加的用水需求。同時(shí)由于在屋頂上形成很大的負(fù)重，增加了結(jié)構(gòu)面積，也妨礙了美觀。此外，屋頂水箱必須高出水面幾米，建筑方面較難處理，而且投資周期長(zhǎng)。氣壓供水：氣壓給水系統(tǒng)不在屋頂上設(shè)置水箱，也不用單獨(dú)建筑水塔，僅在地下室或某些空曠之處加壓送到管網(wǎng)中去。其優(yōu)點(diǎn)是靈活性大，建設(shè)快，少受污染，不妨礙美觀，有利于擴(kuò)展與消除管道中的水錘與噪聲，且可以通過(guò)改變壓力罐的壓力來(lái)滿足不斷增加的供水需求。缺點(diǎn)是需要壓力罐，其體積和投資大，壓力變化大，運(yùn)行效率低，還需要使用張力膜或設(shè)置空氣壓縮機(jī)沖氣。因此，電能消耗大，運(yùn)行費(fèi)用高。給水方式的選擇應(yīng)以經(jīng)濟(jì)合理，技術(shù)先進(jìn)，供水安全可靠為原則。隨著交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的日益成熟，為實(shí)現(xiàn)恒壓供水提供了可靠的技術(shù)條件。利用變頻器、pid調(diào)節(jié)器、單片機(jī)、plc等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)水泵的輸出流量，取代了水塔、水箱、氣壓罐等實(shí)現(xiàn)了恒壓供水。其配置日趨合理，成為供水網(wǎng)系的替代產(chǎn)品。變頻調(diào)速恒壓供水：變頻調(diào)速恒壓供水器由電動(dòng)機(jī)、泵組和變頻調(diào)速系統(tǒng)、壓力儀表、管路系統(tǒng)等組成。電動(dòng)機(jī)泵組多由同型號(hào)的水泵24臺(tái)并聯(lián)而成（以四臺(tái)為例）。由變頻器和工頻電網(wǎng)供電，根據(jù)供水系統(tǒng)的運(yùn)行狀況自動(dòng)調(diào)節(jié)和切換。主要優(yōu)點(diǎn)：對(duì)電網(wǎng)沖擊小，保護(hù)功能完善。消除了水泵電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊和干擾，并且設(shè)備控制系統(tǒng)具有短路、過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)載、欠壓、過(guò)熱等多種保護(hù)功能，大大提高了工作效率，延長(zhǎng)了水泵的使用壽命。當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)，能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行，確保供水不間斷。突然停電后再來(lái)電，設(shè)備能夠自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力。由于變量泵工作在變頻工作狀態(tài)，在其運(yùn)行過(guò)程中，其轉(zhuǎn)速是由外供水量決定的，故系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中可節(jié)約可觀的電能，其經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的。由于其節(jié)電效果明顯，所以系統(tǒng)具有收回投資快、長(zhǎng)期受益的特點(diǎn)，其產(chǎn)生的社會(huì)效益也是非常巨大的。水泵電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)方式，避免了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，也避免了電動(dòng)機(jī)突然加速造成泵組系統(tǒng)的喘振。無(wú)塔供水系統(tǒng)不需要水塔、高位水箱和氣罐，設(shè)備簡(jiǎn)單，控制實(shí)時(shí)性好，且能滿足不斷增加的供水需求。建筑高度增加時(shí)，無(wú)塔供水器只需要改變水壓設(shè)定值和修正流量參數(shù)就能滿足要求，而無(wú)需改變供水需求。2.2變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)分析在變頻調(diào)速供水系統(tǒng)中，是通過(guò)變頻器來(lái)改變水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變水泵工作點(diǎn)來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)供水流量的目的。反映水泵運(yùn)行工況的水泵工作點(diǎn)也稱(chēng)為水泵工況點(diǎn)，是指水泵在確定的管路系統(tǒng)中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)所具有的揚(yáng)程、流量以及相應(yīng)的效率、功率等參數(shù)。在調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，水泵工況點(diǎn)的調(diào)節(jié)是一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題。如果水泵工況點(diǎn)偏離設(shè)計(jì)工作點(diǎn)較遠(yuǎn)，不僅會(huì)引起水泵運(yùn)行效率降低、功率升高或者發(fā)生嚴(yán)重的氣穴現(xiàn)象，還可能導(dǎo)致管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定而影響正常的供水。水泵在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工作點(diǎn)取決于水泵性能、管路水力損失以及所需實(shí)際揚(yáng)程，這三種因素任一項(xiàng)發(fā)生變化，水泵的運(yùn)行工況都會(huì)發(fā)生變化。因此水泵工況點(diǎn)的確定和工況調(diào)節(jié)與這三者密切相關(guān)。2.3變頻調(diào)速的節(jié)能、調(diào)速原理水泵機(jī)組應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，即通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)定子電源頻率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可以相應(yīng)地改變水泵轉(zhuǎn)速及工況，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)管網(wǎng)用水量的變化，保持管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒定，達(dá)到節(jié)能效果。如圖21所示，n為水泵特性曲線,a為管路特性曲線,h0為管網(wǎng)末端的服務(wù)壓力, 為泵出口壓力。當(dāng)用水量達(dá)到最大qmax時(shí),水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn),出口閥門(mén)全開(kāi),達(dá)到了滿負(fù)荷運(yùn)行,水泵的特性曲線n0和用水管路特性曲線a0匯交于b點(diǎn),此時(shí),水泵報(bào)出口壓力為，末端服務(wù)壓力剛好為h0。當(dāng)用水量從qmax減少到q1的過(guò)程中,采用不同的控制方案,其水泵的能耗也不同。 圖21節(jié)能分析曲線圖（1）水泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠關(guān)小泵出口閥門(mén)來(lái)控制：此時(shí)，管路阻力特性曲線變陡（a2），水泵的工況點(diǎn)由b點(diǎn)上滑到c點(diǎn)，而管路所需的揚(yáng)程將由b點(diǎn)滑到d點(diǎn)，這樣，c點(diǎn)和d點(diǎn)揚(yáng)程的差值即為全速水泵的能量浪費(fèi)。（2）水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠泵的出口壓力恒定來(lái)控制：此時(shí)，當(dāng)用水量由qmax下降時(shí)，控制系統(tǒng)降低水泵轉(zhuǎn)速來(lái)改變其特性。但由于采用泵出口壓力恒量方式工作。所以其工況點(diǎn)始終在上平移。在水量到達(dá)q1時(shí)，相應(yīng)的水泵特性曲線為nx，面管路的特性曲線將向上平移到a1，兩線交點(diǎn)e即為此時(shí)的工況點(diǎn)。這樣，在水量減少到q1時(shí)，將導(dǎo)致管網(wǎng)不利點(diǎn)水壓升高到h1h0，則h1即為水泵的能量浪費(fèi)。（3）水泵變速運(yùn)轉(zhuǎn)，靠管網(wǎng)取不利點(diǎn)壓力恒定來(lái)控制：此時(shí)，當(dāng)用水量由qmax下降到q1時(shí)，水泵降低轉(zhuǎn)速，水泵的特性曲線變?yōu)閚1，其工況點(diǎn)為d點(diǎn)，正好落在管網(wǎng)特性曲線a0上，這樣可以使水泵的工作點(diǎn)始終沿a0滑動(dòng)。管網(wǎng)的服務(wù)壓力h0恒定不變，其揚(yáng)程與系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，沒(méi)有能量的浪費(fèi)。此方案與泵出口恒壓松散水相比，其能耗下降了h1。根據(jù)水泵的相似原理：q1/q2=n1/n2 （21） h1/h2=(n1/n2)*2 （22） p1/p2 =(n1/n2)*3 （23）式中，q、h、p、n分別為泵流量、壓力、軸的功率和轉(zhuǎn)速。即通過(guò)控制轉(zhuǎn)速可以減少軸功率。 根據(jù)以上分析表明，選擇供水管網(wǎng)最不利點(diǎn)允許的最低壓力為控制參數(shù)，通過(guò)壓力傳感器以獲得壓力信號(hào)，組成閉環(huán)壓力自控調(diào)速系統(tǒng)，以使水泵的轉(zhuǎn)速保持與調(diào)速裝置所設(shè)定的控制壓力相匹配，使調(diào)速技術(shù)和自控技術(shù)落后相結(jié)合，達(dá)到最佳節(jié)能效果。此外，最不利點(diǎn)的控制壓力還保證了用戶(hù)水壓的穩(wěn)定，無(wú)論管路特性等因素發(fā)生變化，最不利點(diǎn)的水壓是恒定的。保證了居民用水壓力的可靠。采用變頻恒壓供水系統(tǒng)除可節(jié)能外，還可以使水泵機(jī)組啟動(dòng)，降低了啟動(dòng)電流，避免了對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊負(fù)荷，提高了供水供電的安全可靠性，另外，變頻器本身具有過(guò)電流、過(guò)電壓、失壓等多種保護(hù)功能，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。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n為: n =60 f(1-s)/p （24）式25中s為電機(jī)的轉(zhuǎn)差率(s=0.02)，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)，f為定子供電頻率。當(dāng)水泵電機(jī)選定后，p和s為定值，也就是說(shuō)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)速是根據(jù)這一公式來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速的。由流體力學(xué)知：管網(wǎng)壓力p、流量q和功率n的關(guān)系為： n = pq （25）又功率與水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速成三次方正比關(guān)系，基于轉(zhuǎn)速控制比基于流量控制可以大幅度降低軸功率。2.4 變頻調(diào)速恒壓供水工況分析與能耗機(jī)理分析2.4.1管路水力損失及性能曲線管路水力損失分為沿程損失和局部損失兩種，即 (26)沿程損失： (27)局部損失： (28)式中管路沿程摩擦損失系數(shù)；局部損失系數(shù)；l管路長(zhǎng)度(m)；各局部損失的計(jì)算流速(m/s)；過(guò)水截面的面積()。將式(27)和(28)代人(26)可得 (29)式中s被稱(chēng)為管路阻力系數(shù)。當(dāng)水泵管路系統(tǒng)確定后，相應(yīng)的、l、a等參數(shù)都能確定，s也就確定了。由式(29)可知管路水力損失與流量的平方成正比。當(dāng)上下水位確定后，管路所需要的水頭損失就等于上下水位差（即實(shí)際揚(yáng)程）加上管路損失11。 (210)由式(210)可以得到如圖2-2所示的管路性能曲線。2.4.2水泵工作點(diǎn)的確定和調(diào)節(jié)1水泵工作點(diǎn)的確定如果把某一水泵的性能曲線（即hq曲線）和管路性能曲線畫(huà)在同一坐標(biāo)系中，如圖2-2所示，則這兩條曲線的交點(diǎn)a就是水泵的工作點(diǎn)。若把水泵的效率曲線-q也畫(huà)在同一坐標(biāo)系中，可以找出a點(diǎn)的揚(yáng)程、流量以及效率。 圖2-2水泵工作點(diǎn)的確定從圖中可以看出，水泵在工作點(diǎn)a點(diǎn)提供的揚(yáng)程和管路所需的水頭損失相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達(dá)到能量和流量的平衡，這個(gè)平衡點(diǎn)是有條件的，平衡也是相對(duì)的。一旦當(dāng)水泵或管路性能中的一個(gè)或同時(shí)發(fā)生變化時(shí)，平衡就被打破，并且在新的條件下出現(xiàn)新的平衡。2水泵工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率f具有如下關(guān)系： (211) 式中：p極對(duì)數(shù)；s轉(zhuǎn)差率因此不改變電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，只改變電源的頻率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就按比例變動(dòng)。變頻器調(diào)速的工作原理就是通過(guò)選擇電壓頻率比（v/f）曲線，設(shè)定加減速時(shí)間以及轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償曲線，使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速?gòu)牧汩_(kāi)始逐漸升高，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，減少了啟動(dòng)電流。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，通過(guò)變頻器來(lái)改變電源的頻率f來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n從而改變水泵的轉(zhuǎn)速。由于水泵的流量、揚(yáng)程和消耗的功率都可以隨其轉(zhuǎn)速的變化而變化，變頻調(diào)速技術(shù)可以使水泵性能曲線改變，達(dá)到調(diào)節(jié)水泵工況，大大擴(kuò)展了水泵的高效運(yùn)行范圍。當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時(shí)，通過(guò)vvvf降低交流電的頻率，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)膎1降低到n2。另外根據(jù)葉片泵工作原理和相似理論11，改變轉(zhuǎn)速n，可使供水泵流量q、揚(yáng)程h和軸功率n以相應(yīng)規(guī)律改變。 (212) (213) (214)將式(213)和(214)代入(218)可得：圖2-3變頻調(diào)速恒壓供水單臺(tái)水泵工況調(diào)節(jié)圖 (215)式(212)中：g水的比重；k功率常數(shù)。從上述比例律公式中消去n1/n2就得到下式(216) 即 或 (217) 式(217)是頂點(diǎn)在坐標(biāo)原點(diǎn)的二次拋物線族的方程，在這種拋物線上的各點(diǎn)具有相似的工作狀況，所以稱(chēng)為相似工況拋物線。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺(tái)水泵工況的調(diào)節(jié)是通過(guò)改變電源的頻率來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速n，從而改變水泵性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。由圖2-3可見(jiàn)，設(shè)定管網(wǎng)壓力值（揚(yáng)程）為h0，管網(wǎng)初始用水量為qa，初始工況點(diǎn)為a，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n1。當(dāng)管網(wǎng)負(fù)載減小時(shí)，管網(wǎng)壓力升高，壓力傳感器將檢測(cè)到升高壓力轉(zhuǎn)換成420ma電流信號(hào)送往pid調(diào)節(jié)器，經(jīng)比較處理后，輸出一個(gè)信號(hào)令變頻器頻率降低，從而降低電機(jī)轉(zhuǎn)速至n2。水泵轉(zhuǎn)速的下降是沿著水泵的相似工況拋物線下降的，也就是從點(diǎn)a移至b點(diǎn)，在此過(guò)程中水泵輸出的流量和壓力都會(huì)相應(yīng)減小.。恒壓供水系統(tǒng)中壓力值恒定在h0,因此水泵工作點(diǎn)又沿著轉(zhuǎn)速n2所對(duì)應(yīng)的水泵性能曲線從點(diǎn)b移至c點(diǎn)，在此階段水泵輸出壓力升高，流量減少，水泵運(yùn)行在新的工作點(diǎn)c點(diǎn)，在圖2-3中可以找出c點(diǎn)的揚(yáng)程hc、流量qc以及水泵運(yùn)行效率?？疾焖玫男是€h-q，當(dāng)變頻調(diào)速使水泵偏離甚至位于高效區(qū)之外時(shí)，水泵的運(yùn)行效率會(huì)大大下降。因此，水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)要盡量使水泵在高效區(qū)之內(nèi)運(yùn)行，避免使變頻器頻率下降得過(guò)低，而造成水泵在低效率段運(yùn)行。2.4.3水泵變頻調(diào)速節(jié)能分析水泵運(yùn)行工況點(diǎn)a是水泵性能曲線n1和管路性能曲線r1的交點(diǎn)。在常規(guī)供水系統(tǒng)中，采用閥門(mén)控制流量。需要減少流量時(shí)關(guān)小閥門(mén)，使管路性能曲線由r1變?yōu)閞2。運(yùn)行工況點(diǎn)沿著水泵性能曲線從a點(diǎn)移到d點(diǎn)，揚(yáng)程從h0上升到h1，流量從q0減少到q1。采用變頻調(diào)速控制時(shí)，管路性能曲線r1保持不變，水泵的特性取決于轉(zhuǎn)速。如果水泵轉(zhuǎn)速?gòu)膎0降到n1，水泵性能曲線從n0平移到n1，運(yùn)行工況點(diǎn)沿著水泵性能曲線從a點(diǎn)移到c點(diǎn)，揚(yáng)程從h0下降到h2，流量從q0減少到q1。在圖2-4中，水泵運(yùn)行在b點(diǎn)時(shí)消耗的軸功率與h1bq1o的面積成正比，運(yùn)行在c點(diǎn)時(shí)消耗的軸功率與h2cq1o的面積成正比。從圖上可以看出，在流量相同的情況下，采用變頻調(diào)速控制比恒速泵控制節(jié)能效果十分明顯。圖2-4水泵節(jié)能分析圖由(212)求出運(yùn)行在b點(diǎn)的泵的軸功率，運(yùn)行在c點(diǎn)時(shí)泵的軸功率，兩者之差： (218)也就是說(shuō)，采用閥門(mén)控制流量時(shí)有的功率被白白浪費(fèi)了，而且損耗隨著閥門(mén)的關(guān)小而增加。相反，采用變頻調(diào)速控制水泵電機(jī)時(shí)，由式(215)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速在允許范圍內(nèi)降低時(shí)，功率以轉(zhuǎn)速的三次方下降，在可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)與恒速泵供水方式中用閥門(mén)增加阻力的流量控制方式相比，節(jié)能效果十分顯著。2.5調(diào)速范圍的確定考察水泵的效率曲線h-q,，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過(guò)低，避免水泵在低效率段運(yùn)行19。水泵的調(diào)速范圍由水泵本身的特性和用戶(hù)所需揚(yáng)程規(guī)定，當(dāng)選定某型號(hào)的水泵時(shí)即可確定此水泵的最大調(diào)速范圍，在根據(jù)用戶(hù)的揚(yáng)程確定具體最低調(diào)速范圍，在實(shí)際配泵時(shí)揚(yáng)程設(shè)定在高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進(jìn)一步變小，其頻率變化范圍在40hz以上，也就是說(shuō)轉(zhuǎn)速下降在20%以?xún)?nèi)，在此范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載率在50%100%范圍內(nèi)變化，電動(dòng)機(jī)的效率基本上都在高效區(qū)。啟動(dòng)頻率一般來(lái)說(shuō)，水泵在低速運(yùn)行的意義并不大，有的水泵并不能從0hz開(kāi)始啟動(dòng)，所以，應(yīng)該預(yù)置運(yùn)轉(zhuǎn)開(kāi)始頻率一下，變頻器處于待機(jī)狀態(tài)，一利于更好的節(jié)能。所以，在變頻啟動(dòng)無(wú)過(guò)流的前提下，運(yùn)轉(zhuǎn)開(kāi)始頻率可預(yù)置的高一些，一般設(shè)定范圍為020hz（也可以通過(guò)預(yù)置下限頻率來(lái)達(dá)到目的）。最高頻率：水泵屬于平方律負(fù)載，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)其額定轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)矩將按平方規(guī)律增加。例如，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速10（nx1.1nn）時(shí)，轉(zhuǎn)矩將比額定轉(zhuǎn)矩超過(guò)21（tx1.21tn），導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過(guò)載。因此，變頻器的工作頻率是不允許超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩的，其最高頻率只能與額定頻率相等，fmaxfn50hz。一般來(lái)說(shuō)，上限頻率也以等于額定頻率為宜，但有時(shí)也可以預(yù)置的略低一些，原因有二：（1） 變頻器由于內(nèi)部往往具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償功能，所以，在同是50hz額情況下，水泵在變頻運(yùn)行時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速要高于工頻運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速，從而增大了水泵和電機(jī)的負(fù)載；（2） 變頻調(diào)速系統(tǒng)在50hz下運(yùn)行時(shí)，不如直接在工頻下運(yùn)行為好，可以減少變頻器本身的損失因此，將上限頻率預(yù)置為49hz或49.5hz最合適。下限頻率：在供水系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)會(huì)出現(xiàn)水泵的全揚(yáng)程小于基本揚(yáng)程（實(shí)際揚(yáng)程）形成水泵“空轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象。所以，在多數(shù)情況下，下限頻率應(yīng)定為30hz35hz。2.6本章小結(jié)：本章介紹了傳統(tǒng)的供水方法與現(xiàn)代變頻調(diào)速恒壓供水，闡述了各種供水方法的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)各種方法進(jìn)行了比較，凸顯了變頻調(diào)速恒壓供水的優(yōu)勢(shì)。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)有兩種調(diào)節(jié)方法，一是調(diào)節(jié)泵的閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)泵水的壓力與流量，另一是調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)供水的壓力和流量。本章將兩種調(diào)節(jié)流量的方法進(jìn)行比較，采用轉(zhuǎn)速控制方式后，可將排水閥完全打開(kāi)而適應(yīng)降低轉(zhuǎn)速，由于電動(dòng)機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)，變頻器具有能夠根據(jù)負(fù)載輕重調(diào)整輸入電壓的功能，從而提高了電動(dòng)機(jī)的工作效率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)在調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，其頻率并非不受限制的，頻率太低水泵會(huì)“空轉(zhuǎn)”而達(dá)到泵水的目的，頻率太高，水泵過(guò)載能力差。所以本章對(duì)啟動(dòng)頻率和頻率上下限做了簡(jiǎn)單的闡述，從而為預(yù)置變頻器做了準(zhǔn)備。本章從水泵理論和管網(wǎng)特性曲線分析入手，討論水泵工作點(diǎn)（工況點(diǎn)）的確定方法。接著介紹了水泵工況調(diào)節(jié)的幾種常用方法。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，水泵工況的調(diào)節(jié)是通過(guò)改變水泵性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。本章重點(diǎn)對(duì)變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中水泵能耗機(jī)理進(jìn)行深入研究，得出了以下結(jié)論：1、水泵的工作點(diǎn)就是在同一坐標(biāo)系中水泵的性能曲線和管路性能曲線的交點(diǎn)。水泵工作點(diǎn)是水泵運(yùn)行的理想工作點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)水泵的工作點(diǎn)并非總是固定不變的。2、水泵工況的調(diào)節(jié)就是采用改變管路性能曲線或改變水泵性能曲線的方法來(lái)移動(dòng)工作點(diǎn)，使其符合要求。在變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)中，單臺(tái)水泵工況的調(diào)節(jié)是通過(guò)變頻器來(lái)改變電源的頻率f來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速n，從而改變水泵性能曲線得以實(shí)現(xiàn)的。3、考察水泵的效率曲線h-q,，水泵轉(zhuǎn)速的工況調(diào)節(jié)必須限制在一定范圍之內(nèi)，也就是不要使變頻器頻率下降得過(guò)低，避免水泵在低效率段運(yùn)行。實(shí)際配泵時(shí)揚(yáng)程應(yīng)設(shè)定在水泵的高效區(qū)，水泵的調(diào)速范圍將進(jìn)一步變小，其頻率變化范圍在40hz以上，轉(zhuǎn)速下降在20%以?xún)?nèi)。第三章變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì) 根據(jù)泵水系統(tǒng)的要求和電氣控制目標(biāo)，可以看出變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)屬于典型開(kāi)關(guān)量輸入輸出控制系統(tǒng)，控制要求和連鎖要求較多，在調(diào)試中需要不斷對(duì)其改進(jìn)和擴(kuò)充。如采用繼電器控制，則只能接成固定線路，靈活性太差，液不能很好的滿足泵水要求，故采用本身自帶plc程序控制為核心的電氣控制方案。具體方案如下：（1）生活泵電機(jī)四臺(tái)，為變頻調(diào)速電機(jī)，故采用變頻器控制調(diào)速運(yùn)行；（2）消防泵電機(jī)因不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間使用，只是定期維護(hù)，且限于電子產(chǎn)品的壽命，所以消防泵電機(jī)采用繼電器星角啟動(dòng)控制；（3）在手動(dòng)過(guò)程中，生活泵電機(jī)功率很大，所以采用星角啟動(dòng)繼電器控制。3.2工作流程與工作過(guò)程3.2.1系統(tǒng)流程圖(附圖一)3.2.2系統(tǒng)框圖（附圖二）3.2.3系統(tǒng)工作過(guò)程：首先開(kāi)機(jī)，液位繼電器自動(dòng)輸出信號(hào)，如果液位比較低，不能滿足崩誰(shuí)要求，則整個(gè)泵水系統(tǒng)不能工作。當(dāng)液位滿足要求時(shí)，開(kāi)始選擇操作方式，一般先選用自動(dòng)操作，當(dāng)自動(dòng)操作方式無(wú)故障時(shí)，變頻器開(kāi)始工作，生活泵開(kāi)始泵水，在泵水壓力不能滿足要求時(shí)，根據(jù)壓力調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速或投切水泵。當(dāng)自動(dòng)操作有故障不能運(yùn)行時(shí)，采用手動(dòng)操作泵水 。3.3系統(tǒng)的控制原理及組成3.3.1系統(tǒng)的控制方式圖（附圖三）3.3.2系統(tǒng)控制原理通過(guò)比較強(qiáng)將反饋壓力信號(hào)與給定壓力進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)壓差值，把壓差值傳給壓力調(diào)節(jié)器，由壓力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率，當(dāng)壓力不能滿足要求時(shí)，通過(guò)控制切換裝置將原來(lái)運(yùn)行在變頻狀態(tài)下的水泵切換到工頻運(yùn)行，把另一臺(tái)水泵投入到變頻運(yùn)行，之后，重復(fù)上述操作，在變頻器發(fā)生故障時(shí)傳信號(hào)給可編程控制器plc報(bào)警，切除變頻器，由plc控制手動(dòng)泵水。本系統(tǒng)附帶消防設(shè)計(jì)，消防設(shè)計(jì)由星角手動(dòng)啟動(dòng)。3.4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.4.1主電路設(shè)計(jì)圖（包括生活泵和消防泵）（附圖四）3.4.2操作控制電路設(shè)計(jì)圖（附圖五）3.4.3變頻器外部接線圖（附圖六）3.4.4可編程控制器plc的外部接線圖（附圖七）3.4.5系統(tǒng)配電柜內(nèi)外布置設(shè)計(jì)圖（附圖八）3.4.6可編程控制器plc程序梯形圖（附圖九）3.4.7變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)圖（附圖十）3.5系統(tǒng)工作過(guò)程說(shuō)明根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，一天之中用水量會(huì)有若干個(gè)高峰，變頻器會(huì)根據(jù)出水口的壓力調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速與投切。分析自動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)組（1，2#，3，4水泵電機(jī)）工作過(guò)程,可分為以下四個(gè)工作狀態(tài)：1) 1#電機(jī)變頻啟動(dòng)；2)1#電機(jī)工頻運(yùn)行，2#電機(jī)變頻運(yùn)行；3) 1#電機(jī)，2電機(jī)工頻運(yùn)行，3電機(jī)變頻運(yùn)行；4）1電機(jī)，2電機(jī)，3電機(jī)工頻運(yùn)行，4電機(jī)變頻運(yùn)行。一般情況下，水泵電機(jī)都處于這四種工作狀態(tài)之中，當(dāng)管網(wǎng)壓力突變時(shí)，四種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)換，因此這四種工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)著四個(gè)切換過(guò)程。1.切換過(guò)程當(dāng)液位滿足要求時(shí)交流接觸器km16的常閉觸點(diǎn)不動(dòng)作，主電源被接入系統(tǒng)，這時(shí)按下sb3系統(tǒng)處于自動(dòng)狀態(tài)，交流繼電器km11的常開(kāi)觸點(diǎn)吸合，電源接入變頻器，只要變頻器處于正常運(yùn)行狀態(tài)交流繼電器km1處于閉合狀態(tài)，變頻器就正常工作。按下sb7，這時(shí)，交流繼電器14km8處于吸合狀態(tài)，四臺(tái)電機(jī)處于角接狀態(tài)下。按下sb9，交流接觸器km9處于吸合狀態(tài)，變頻器啟動(dòng)1泵，一拖多擴(kuò)展板單元1k1輸出高電平，交流接觸器1km3處于吸合狀態(tài)，1泵處于變頻器運(yùn)行狀態(tài)，hl12信號(hào)燈點(diǎn)亮2.切換過(guò)程當(dāng)管網(wǎng)壓力仍不滿足設(shè)定要求而變頻器輸出已到達(dá)工頻50hz以后，變頻器將1泵投入工頻運(yùn)行，將2泵投入變頻運(yùn)行：首先，管網(wǎng)反饋壓力送給變頻器后壓力仍不滿足要求而變頻器已輸出上限頻率，變頻器1k2輸出高電平信號(hào)1k1輸出低電平，交流接觸器1km2斷開(kāi)，1km3處于吸合狀態(tài)，1泵在工頻運(yùn)行狀態(tài)，然后變頻器2k1輸出高電平，2km2處于吸合狀態(tài)，2泵投入變頻運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)，1泵處于工頻運(yùn)行狀態(tài)，2泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)。3.切換過(guò)程當(dāng)管網(wǎng)壓力仍不滿足設(shè)定要求而變頻器輸出已到達(dá)工頻50hz以后，變頻器將 2泵投入工頻運(yùn)行，將3泵投入變頻運(yùn)行：首先，管網(wǎng)反饋壓力送給變頻器后壓力仍不滿足要求而變頻器已輸出上限頻率，變頻器2k2輸出高電平信號(hào)2k1輸出低電平，交流接觸器2km2斷開(kāi)，2km3處于吸合狀態(tài)，2泵在工頻運(yùn)行狀態(tài)，然后變頻器3k1輸出高電平，3km2處于吸合狀態(tài)，3泵投入變頻運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)，1，2泵處于工頻運(yùn)行狀態(tài)，3泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)。4.切換過(guò)程當(dāng)管網(wǎng)壓力仍不滿足設(shè)定要求而變頻器輸出已到達(dá)工頻50hz以后，變頻器將3泵投入工頻運(yùn)行，將4泵投入變頻運(yùn)行：首先，管網(wǎng)反饋壓力送給變頻器后壓力仍不滿足要求而變頻器已輸出上限頻率，變頻器3k2輸出高電平信號(hào)3k1輸出低電平，交流接觸器3km2斷開(kāi)，3km3處于吸合狀態(tài)，3泵在工頻運(yùn)行狀態(tài)，然后變頻器4k1輸出高電平，4km2處于吸合狀態(tài)，4泵投入變頻運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)，1，2#，3#泵處于工頻運(yùn)行狀態(tài)，4泵處于變頻運(yùn)行狀態(tài)。 當(dāng)四臺(tái)電機(jī)全運(yùn)行時(shí)，如果壓力高于設(shè)定壓力，變頻器降頻運(yùn)行。當(dāng)變頻器運(yùn)行到切換頻率下限時(shí)，如果壓力高于設(shè)定壓力，降運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的工頻電機(jī)停止（1k2斷開(kāi)），變頻器變頻運(yùn)行一段時(shí)間后，檢測(cè)壓力后，如果壓力高于設(shè)定壓力，變頻器降頻運(yùn)行，直至全都工頻電機(jī)停止，4電機(jī)變頻運(yùn)行。變頻器如果發(fā)生故障，變頻器30a與30b之間接通，中間繼電器ka吸合，接觸器km1線圈處于吸合狀態(tài)下，常閉觸點(diǎn)km1斷開(kāi)，從而切除變頻器的電源而停機(jī)，而且，hl2信號(hào)燈點(diǎn)亮，電鈴hab發(fā)聲。當(dāng)電機(jī)發(fā)熱超標(biāo)時(shí)，熱繼電器動(dòng)作，從而切除電機(jī)的電源。當(dāng)液位過(guò)低時(shí)，交流接觸器km16的常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，整個(gè)供水系統(tǒng)不能工作。如果變頻器發(fā)生故障而小區(qū)供水系統(tǒng)必須有所保證，這時(shí)必須用手動(dòng)運(yùn)行，將水泵切人工頻運(yùn)行。按下sb11，1km4閉合，1km5閉合，1電機(jī)星型啟動(dòng)，10秒后，1km5斷開(kāi)，1km6吸合，1電機(jī)處于角型連接，1泵啟動(dòng)完畢，在工頻下運(yùn)行，在值班人員的監(jiān)視下，如果壓力不滿足要求，再按下sb13，sb15，sb17按鈕，把2，3，4水泵分別投入運(yùn)行，相應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮。3.6本章小結(jié)本章闡述了本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)單分析了系統(tǒng)的流程與工作過(guò)程。通過(guò)本系統(tǒng)控制原理和組成的闡述做了本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)部分，其中包括：生活泵與消防泵主電路，操作控制電路，變頻器的外部引腳預(yù)置與接線圖，可編程控制器plc外部接線圖，配電柜柜面設(shè)備布置設(shè)計(jì)圖，配電柜內(nèi)部元件布置圖以及可編程控制器plc程序梯形圖。第四章器件選擇 4.1水泵的選擇：4.1.1用戶(hù)供水量的確定：設(shè)計(jì)流量應(yīng)按生活用水的設(shè)計(jì)秒流量計(jì)算。新建筑或生活小區(qū)已經(jīng)由專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員算出，不用單獨(dú)計(jì)算，對(duì)于改造類(lèi)型需重新計(jì)算。本設(shè)計(jì)小區(qū)人數(shù)：m150000/1212500人 小區(qū)戶(hù)數(shù)：f12500/3.53571戶(hù) （每戶(hù)平均3.5人）最高日生活用水量qdmqd/1000=rfqd/1000 其中：qd用水定額（類(lèi)住宅，qd190l/人） m設(shè)計(jì)小區(qū)內(nèi)的人數(shù) r平均居住人數(shù)（通常r=3.5人/戶(hù)） f居民區(qū)的戶(hù)數(shù) qd3.53571190/1000=2375m3/d則最大小時(shí)流量qhkhqd/t =2.3*2375/24 =227.6 m3/h =63.2l/s 其中：t24h為每日用水時(shí)間 kh時(shí)間常數(shù)（類(lèi)住宅，kh2.3）秒流量計(jì)算公式：類(lèi)：qq1.020.20.0045nq 其中nq為用水當(dāng)量 nqnf4357114284 （n類(lèi)4，每戶(hù)平均用水量） qq1.020.20.0045nq 1.020.20.004514284 24.37871.42 95.8l/s由于f3571戶(hù)3000戶(hù)，所以取qh與qq中較大者作為供水標(biāo)準(zhǔn)，流量取qq。考慮選泵時(shí)留有裕度1015，所以qq按qq（110）qq110105.4l/s選泵。消防用水量根據(jù)規(guī)范，人類(lèi)小于2.5萬(wàn)人時(shí)，一次滅火用水量為15l/s，本小區(qū)人數(shù)為12500人，消防用水量選為15l/s,選泵時(shí)留有裕度10，所以qq消防qq1101511016.5l/s。4.1.2供水的揚(yáng)程計(jì)算： 在供水系統(tǒng)中，一般把最遠(yuǎn)最高層作為計(jì)算依據(jù)。如果小區(qū)最遠(yuǎn)點(diǎn)的建筑不是最高的建筑，則必須選擇兩個(gè)最不利點(diǎn)分別計(jì)算供水揚(yáng)程，并以供水揚(yáng)程較大的建筑最遠(yuǎn)點(diǎn)供水揚(yáng)程。 理論上，若0.1pa的壓力可以獲得10m揚(yáng)程，因此，供水揚(yáng)程可計(jì)算如下：hp/0.01 h供水揚(yáng)程 p供水壓力0.01mpa揚(yáng)程為1m，此設(shè)計(jì)給定水壓為0.28mpa，所以揚(yáng)程h為28m。4.1.3泵的選擇：在水泵并聯(lián)時(shí)，多臺(tái)水泵的流量并不等于多臺(tái)水泵每臺(tái)水泵出水量之和。根據(jù)公式，兩臺(tái)水泵并聯(lián)時(shí)流量為單臺(tái)的190，三臺(tái)水泵并聯(lián)時(shí)，流量為單臺(tái)的 251，四臺(tái)水泵并聯(lián)流量為單臺(tái)的320。本設(shè)計(jì)流量為qq3.6105.43.6379.44m3/h。選四臺(tái)水泵每臺(tái)水泵流量為379.44/3.2=118.575m3/his型單級(jí)單吸清水離心泵：適用于工業(yè)制藥，飲料，化工等工礦和城市給水，排水，亦可用于農(nóng)業(yè)排灌，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單級(jí)單吸軸向吸入。根據(jù)流量與揚(yáng)程，生活泵選用is10080160型水泵四臺(tái)。is10080160型水泵參數(shù)如下：流量為120m3/h，揚(yáng)程為30m，轉(zhuǎn)速為2900r/min，效率為78，氣蝕余量4.0，軸功率為11.2kw，電動(dòng)機(jī)功率為15kw，重量為195kg。小區(qū)消防用水qq16.5l/s，查規(guī)范有：六層最不利配水點(diǎn)，消火栓剩余壓力為0.23mpa，所以選水泵揚(yáng)程為282351m。消防泵選用自吸水泵xfz10050型水泵一臺(tái)。xfz10050型水泵適用工廠，礦山，城市生活給排水，消防水，農(nóng)用排灌，加熱冷卻，增壓系統(tǒng)等，自吸水泵性能穩(wěn)定，允許調(diào)速，斷水自負(fù)水壓穩(wěn)定。消防泵參數(shù)：流量60m3/h,揚(yáng)程54m，轉(zhuǎn)速2940r/min，效率61，軸功率14.1kw，電動(dòng)機(jī)功率22kw。4.2電動(dòng)機(jī)的選擇：4.2.1電動(dòng)機(jī)容量的選擇：電動(dòng)機(jī)的容量可以根據(jù)水泵的軸功率和電動(dòng)機(jī)與水泵轉(zhuǎn)速一致來(lái)選擇4.2.3電動(dòng)機(jī)的選擇：生活供水水泵電動(dòng)機(jī)選y系列（ip23）三相異步電動(dòng)機(jī)，y160m2型電動(dòng)機(jī)四臺(tái)。電機(jī)參數(shù)：額定功率15kw，滿載時(shí)：定子電流為29a，轉(zhuǎn)速為2910r/min，效率為88，功率因數(shù)為0.88，啟動(dòng)電流為額定電流的7倍，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1.7倍，最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2.2倍。消防泵電機(jī)選用y系列（ip23）三相異步電動(dòng)機(jī)。y360m2型三相異步電動(dòng)機(jī)額定功率為22kw，額定電壓為380v，滿載時(shí)，電流為43a，轉(zhuǎn)速為2940r/min，效率為88，功率因數(shù)為0.89，最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2倍。4.3變頻器的選擇：4.3.1變頻器介紹：近年來(lái)，許多變頻器生產(chǎn)廠家都推出了專(zhuān)用于風(fēng)機(jī)，水泵類(lèi)負(fù)載的變頻器，如中國(guó)佳靈公司生產(chǎn)的jpgct9系列，日本富士公司生產(chǎn)的p99系列，日本三菱公司的a140e系列，abb公司的acf601系列等，均可選用。變頻器容量只需與說(shuō)明書(shū)上表明的配用電動(dòng)機(jī)容量相符即可。4.3.2變頻器選擇：森蘭sbg+/p+系列變頻器由高性能數(shù)字處理器dsp控制，功能齊全，操作簡(jiǎn)單，并嚴(yán)格按照gb/t12668.22002標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)。生活泵電動(dòng)機(jī)功率15kw，電壓380v，定子電流29a，容量為sui3802911.02kva根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率，容量與定子電流值選森蘭sb60p型變頻器。參數(shù)如下：電動(dòng)機(jī)功率15kw，額定容量20kva，額定電流30a，電壓0380v，0.1400hz，過(guò)載能力120，1分鐘，輸入電源三相380/60hz。4.4可編程控制器plc的選擇：根據(jù)供水系統(tǒng)的控制要求，列出該系統(tǒng)的輸入/輸出表：輸出點(diǎn)表41工位名稱(chēng)代號(hào)輸出口（o）14號(hào)電機(jī)在自動(dòng)狀態(tài)下接成角型1km84km8y4變頻器故障輸出km1y12變頻器輸出正轉(zhuǎn)km9y14開(kāi)1手動(dòng)泵1km4y0手動(dòng)1泵星形接法1km5y1 續(xù)表41 手動(dòng)1泵角接法1km6y2開(kāi)2泵手動(dòng)2km4y3手動(dòng)2泵星形接法2km5y4手動(dòng)2泵角形接法2km6y5開(kāi)3泵手動(dòng)3km4y6手動(dòng)3泵星形接法3km5y7手動(dòng)3泵角形接法3km6y15開(kāi)4泵手動(dòng)4km4y16手動(dòng)4泵星形接法4km5y10手動(dòng)4泵角形接法4km6y11電機(jī)正轉(zhuǎn)km9y13電機(jī)角接14km8y17輸出備用-y20,y21,y22,y23,y24,y25,y26,y27輸入口表42工位名稱(chēng)代號(hào)輸入口（i）液位高低km16x1開(kāi)變頻器sb7x3關(guān)變頻器sb8x2變頻器故障kax13停正轉(zhuǎn)sb9x14開(kāi)正轉(zhuǎn)sb10x17 續(xù)表42復(fù)位sb6x15開(kāi)1泵手動(dòng)sb11x5關(guān)1泵手動(dòng)sb12x16開(kāi)2泵手動(dòng)sb13x7關(guān)2泵手動(dòng)sb14x12開(kāi)3泵手動(dòng)sb15x4關(guān)3泵手動(dòng)sb16x20開(kāi)4泵手動(dòng)sb17x11關(guān)4泵手動(dòng)sb18x21輸入點(diǎn)備用-x0，x6，x10，x22，x23，x24，x25，x26，x27從表中可得出該系統(tǒng)得輸入/輸出數(shù)，并且全為數(shù)字量輸入/輸出,屬于小型的控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)用一般的plc均可滿足要求，依據(jù)經(jīng)濟(jì)性原則選擇，三菱系列plc，型號(hào)為：fx2n48m，繼電器輸出型，價(jià)格便宜，易于操作，結(jié)構(gòu)小巧，可靠性高，適宜于點(diǎn)數(shù)較少的單機(jī)控制場(chǎng)合。4.5其它電氣元件的選擇：4.5.1熔斷器：選擇熔斷器的條件：（1）熔斷器的額定電壓不低于線路的額定電壓；（2）熔斷器的額定電流應(yīng)不小于它所裝熔體的額定電流；（3）熔斷器類(lèi)型應(yīng)符合安裝條件（戶(hù)內(nèi)或戶(hù)外）及被保護(hù)設(shè)備，對(duì)保護(hù)的要求根據(jù)infei30，infekipk.啟動(dòng)時(shí)間在三秒以下輕載，啟動(dòng)k0.250.35。用于保護(hù)電動(dòng)機(jī)的熔斷器，應(yīng)考慮奪過(guò)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的影響，