變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究與應(yīng)用論文(pdf 66頁).pdf

大連理工大學(xué) 碩士學(xué)位論文 變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究與應(yīng)用 姓名 初乃茂 申請學(xué)位級別 碩士 專業(yè) 控制工程 指導(dǎo)教師 張守國 20070616 叁壟堡J 塵堂皇塑蘭堡堡蘭 堡堡皇 一一一一 摘要 隨著社會主義f 丁場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 人們對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提 高 再加上目前能源緊缺 實現(xiàn)大連市自來水公司二次供水的自動化 依據(jù)其自身特點 對其進(jìn)行改造 利用先進(jìn)的自動化技術(shù) 控制技術(shù)以及通訊技術(shù) 設(shè)汁高性能 高節(jié)能 能適應(yīng)不 司領(lǐng)域的恒壓供水系統(tǒng)成為必然發(fā)展的趨勢 本文酋先根據(jù)管網(wǎng)和水泵的運行特性曲線 闡明了供水系統(tǒng)的變頻調(diào)速節(jié)能原理 接著分 i 了變頻恒壓供水的原理及系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 提出不同的控制方案 通過研究和 比較 本文采用變頻器和P I C 實現(xiàn)恒壓供水和鷲據(jù)傳輸 然后用數(shù)字P I D 對系統(tǒng)中的 恒壓控制器進(jìn)行設(shè)計 最后對系統(tǒng)的軟硬件毆計進(jìn)行了詳細(xì)的介紹 本文設(shè)計與實現(xiàn)j 通過G P R S 和M O D E M 與電話刪進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)巡回監(jiān) 控系統(tǒng) 具體講述了系統(tǒng)的總體設(shè)計與軟件的實現(xiàn) 并對系統(tǒng)采取的可靠性措施進(jìn)行了 浼I j j 本文的變頻恒壓供水系統(tǒng)已在圍內(nèi)許多實際的供水控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用 并取得 穩(wěn)定剮靠的運行效果和良好的節(jié)能效果 經(jīng)實踐證明該系統(tǒng)具有高度可靠陛和實時性 極大地提高了供水的質(zhì)量 并且節(jié)省了人力 具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益 關(guān)鍵詞 變頻誦速 恒壓供術(shù) P I D P L C G P R s 監(jiān)控系統(tǒng) 人連理j 火學(xué)專業(yè)學(xué)靜碩士學(xué)位論文 R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fF r e q u e n c yC o n s t a n tP r e s s u r e W a t e r s u p p l yS y s t e m A b s t r a c t W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i a l i s t i cm a r k e t i n g e c o n o m y t h e r ei sag r o w i n gd e m a n d f b rb e t t e rq u a l i t yo fw a t e rs u p p l ya n dh i g h e rr e l i a b i l i t yo fs u p p l ys y s t e m I na d d i t i o n c o n s i d e r i n gr i t e c u r r e n tc o m m o ne n e r g yc r i s i s D a l i a nW a t e rS u p p l y i n gC o m p a n y a i m st o r e b u i l df i l es y s t e mb a s e do ni t sp r e s e n tc h a r a c t e r i s t i c s a c h i e v i n gt h es c h e m eo fa u t o m a t i n g t h ew a t e rs u p p l ys y s t e m S oi ti sa ni n e v j t a b l et e n d e n c yt od e s i g na n dc r e a t ea ne n e r g y s a v i n g c o n s t a n t p r e s s u r e w a t e rs u p p l y s v s e mo fe x c e l l e n t p e r f o r m a n c ew i t ht h eh e l po fa d v a n c e d t e c h n i q u e s o t a u t o m a t i o n m o n i t o l 一c o n t r o ls y s t e m a n dc o m m u n i c a t i o n M e a n w h i l e t h e 8 y E t e mc a l la l s oa d a p t t ov a r i o 5 sx w a t e rs u p p l yr e g i o n s T h i sp a p e re x p l a i n st i l ee n e r g y s a v i n gp r i n c i p l eo f p u m pV Fs p e e dc o n t r o lo nt h eb a s i so f c h a r a c t e r i s t i cC H I V eo fr u n n i n gp i p e l i n e sa n dw a t e rp u m p a n a l y z e st h es t r u c t u r eo fV Fs p e e d r e g u l a t i n gc o n s t a n t p r e s s u r ew a t e rs u p p l y a n dp r o p o s e ss e v e r a lc o n t r o lm e t h o d sB yc a r e f u l s t u d ya n dc o m p a r i s o n P L Ca n di n v e r t e r sm e t h o df i t sw a t e rs u p p l ys y s t e ma n dd a t a t r a n s m i s s i o nv e r yw e l l F i n a l l yt h ep a p e rs h o w st h ed e s i g no fc o n s t a n tp r e s s u r es u p p l yw a t e r c o n t r o l l e ra c c o r d i n gt oP I D d a t aa n dd e t a i l e di n t r o d u c t i o no fi t ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e I nt h i sp a p e r t h ea u t h o rd e s i g n s a n dr e a l i z e st h er e m o t em o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m t h r o u g hG P R S M O D E Ma n dt e l e p h o n en e t w o r k a n dt h e ni l l u s t r a t e s i t s g e n e r a ld e s i g n s o f t w a r ei m p l e m e m a n dt h em e a s u r e so fp r e v e n t a b l ed i s t u r b a n c ei nd e t a i l s T h es y s t e m w h i c hh a si n i t i a l l yb e e nc o m p l e t e dw i t h r e l i a b l ep e r f o r r r l a n c ea n de x c e l l e n te n e r g y s a v i n g e f f e c t p r o v e st op o s s e s sh i g hr e l i a b i l i t y a n dr e a l t i m eq u a l i t yT h es y s t e mc a l ln o t o n l y r e m a r k a b l yi m p r o v et h eq u a l i t yo fw a t e rs u p p l y b u ta l s oe c o n o m i z eo nl a b o r w h i c hw i l l s u r e l yb r i n gu sb o t he c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s K e yW m d s V Fs p e e d c o n s t a n tp r e s s u r ew a t e rs u p p l y P I D P L C G P R S m o n i t o r a n dc o n t r 0 1 s y s t e m 獨創(chuàng)性說明 作者鄭重聲明 本碩士學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 怍及取得研究成果 盡我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝韻地方外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果 也不包含為獲得大連理 工大學(xué)或者其他單位的學(xué)位或證書所使用過的材料 與我二同工作的同志 對本研究所做的貢獻(xiàn)均甘在論文中做了明確的說明并表示了謝意 大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解 大連理工大學(xué)碩士 博士學(xué)位論文版權(quán)使用 規(guī)定 同意大連理工大學(xué)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子 版 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)大連理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi) 容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索 也可采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論 文 作者簽名 塹壘 益 導(dǎo)師簽名 塑緞 矽7 年彩月 2 自 人連理I 人學(xué)專業(yè)學(xué)伊碩十學(xué)伊論文 1 緒論 1 1 城市供水系統(tǒng)的要求 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)能己成為時代特征 的現(xiàn)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(yè)生產(chǎn)循環(huán)供水等方面技術(shù)一直比較落后 自動化程度低 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 此時將會造成能量的浪費 同時有可能導(dǎo)致水管爆破和用水設(shè)備的損壞 在恒壓供水技術(shù)出現(xiàn)以前 出現(xiàn)過許多供 水方式 以下就逐 分析 1 一一臺恒速雜直接供水系統(tǒng) 這種供水方式 水泵從蓄水池中抽水加J 上直接送往用戶 有的甚至連蓄水池也沒有 直接從城市公用水網(wǎng)中抽水 產(chǎn)F 重影響城市公用管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定 這種供水方式 水泵 整H 小停運轉(zhuǎn) 有的町能住夜間崩水低谷削段停止運行 這種系統(tǒng)形式簡單 造價最低 但耗電 耗水嚴(yán)重 水址不穩(wěn) 供東質(zhì)量檄差 2 恒速泵 水塔的供水方式 這種方式是水象先向水塔供水 再幽水塔向用戶供水 水塔的合理高度是要求水塔 最低水位略商于供水系統(tǒng)所需要壓力 水塔泣滿后水泵停止 水塔水位低于某一位置時 再啟動水泉 水泵處于斷續(xù)工作狀態(tài)中 這種供水方式 水泵工作在額定流量額定揚程 的條件下 水泵處于高效能區(qū) 這種方式顯然比前 種節(jié)電 其節(jié)電率與求塔容量 水 泵額定流量 用水不均勻系數(shù) 水泵的開 停時J 日J(rèn) 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 些能量損失和二次污染問題 而且在使用過程中 如采該系統(tǒng)水塔的水位監(jiān) 控裝置損壞的話 水泵不能進(jìn)行自動的開 停 這樣水泵的開 停 將完全由人操作 這時將會出現(xiàn)能量的嚴(yán)重浪費和供水質(zhì)量的嚴(yán)重下降 大連市馬欄子部分地區(qū)現(xiàn)在仍采 用浚供水方式 3 射流泵 水箱的供水方式 這種方式是利用射流泵本身的獨特結(jié)構(gòu)進(jìn)行工作 利用壓差和來水管粗 出水管細(xì) 的變徑工藝來實現(xiàn)供水 但是由于其技術(shù)和工藝的不完善 加之該方式會出現(xiàn)有壓無量 流量 的現(xiàn)象 無法滿足高層供水的需要 變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究與f 節(jié)州 4 恒速泵t 高位水箱的供水方式 這種方式原理與水塔是相同的 只是水箱設(shè)在建筑物的項層 高層建筑還可分層設(shè) 立水箱 占地面積與設(shè)備投資都有所減少 但這對建筑物的造價與設(shè)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 一些動物甚至人都可能進(jìn)入 水箱污染水質(zhì) 水箱的水位監(jiān)控裝置也容易損壞 這樣系統(tǒng)的開 停 將完全由人工操 作 使系統(tǒng)的供水質(zhì)量下降能耗增加 j 恒速泵 氣壓罐供水方式 這種方式是利用封閉的氣壓罐代替尚位水箱蓄水 通過監(jiān)測罐內(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 而且氣壓罐是密封的 所以大大減少了水質(zhì)因異物進(jìn)入而被污染的可 能性 但氣壓罐供水的方式也存在著許多缺點 在介紹完變頻調(diào)速供水方式后 再將二 者作一比較 6 叟頻調(diào)速供水力式 這種系統(tǒng)的原理是通過安裝在系統(tǒng)中的j 矗力傳感器將系統(tǒng)壓力信號與設(shè)定壓力值 作比較 再通過控制器調(diào)節(jié)變頻器的輸出 無級調(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)速水泵調(diào)速控制方式有三種 水泵出口恒壓控 制 水泵出口變壓控制 給水系統(tǒng)最不利點恒壓控制 出u 恒雎控制 水泵出口恒壓控制是將壓力傳感器安裝在水泵出口處 使系統(tǒng)在運行過程中水泵出 口水壓恒定 這種方式適用寸 管路的阻力損失在水泵揚程中所占比例較小 整個給水系 統(tǒng)的壓力可以看作是恒定的 但這種控制方式若在供水面積較大的居住區(qū)中應(yīng)用時 出 于管路能耗較大 在低峰用水時 最不利點的流出水頭高于設(shè)計值 故水泵出口恒壓控 制方式不能得到最佳的節(jié)能效果 出口變壓控制 水泵出口變壓控制也是將壓力傳感器安裝在水泵出口處 但其壓力設(shè)定值不只是一 個 是將每日2 4 小時按用水曲線分成若干時段 計算出各個時段所需的水泵出口壓力 進(jìn)行全同變壓 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 他比水泵出口恒壓控制方式能更節(jié)能 但這取決于將全天2 4 小時分成的時段數(shù)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(jié)能 將全 天分得越細(xì)越節(jié)能 當(dāng)然控制的實現(xiàn)也越復(fù)雜 最不利點恒壓控制 人近理I 人學(xué)專業(yè)學(xué)伊碩十學(xué)伊論文 最不利點恒壓控制是將壓力傳感器安裝在系統(tǒng)最不利點處g 使系統(tǒng)在運行過程中保 持最不利點的壓力恒定 這種方式的節(jié)能效果是最佳的 但由于最不利點一般距離水泵 較遠(yuǎn) 壓力信號的傳輸在實際應(yīng)用中受到諸多限制 因此工程中很少采用 變頻調(diào)速的方式在節(jié)能效果上明顯優(yōu)于氣壓罐方式 氣壓罐方式依靠壓力罐中的壓 縮空氣送水 氣壓罐配套水泵運行時 水泵在額定轉(zhuǎn)速 額定流量的條件下工作 當(dāng)系 統(tǒng)所需水量下降時 供水壓力將超出系統(tǒng)所需要的壓力從而造成能量的浪費 同時水泵 是工頻率啟動 且啟動頻繁 又會造成一定的能耗 而變頻恒壓供水在系統(tǒng)用水量下降 時可無級調(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 同時變頻器對水泵采用軟啟動 啟動時沖擊電流很小 啟動能耗比較小 另外氣壓罐要 消耗一蕙的鋼量 這也是它的 個較大的缺點 而變頻調(diào)速飯水系統(tǒng)的變頻器是一臺由 微機(jī)控制的電氣設(shè)備 不存在消耗多少鋼材的問題 同時由于氣壓罐體積大 占地面積 一般為幾十平米 而變頻調(diào)速式中的調(diào)速裝罾占地面積僅為幾平米 由此可見變頻調(diào)速 供水方式比氣出罐供水方式將節(jié)省丈奄占地曲狀 在運行效果上 氣挑罐力式與調(diào)避式 相比也存在著一定籌距 氣壓罐方式的運行補(bǔ)穩(wěn)定 突出表現(xiàn)在它的頻繁啟動 由于氣 J 玉罐的調(diào)節(jié)容量僅占其總?cè)莘e的1 3 一l 6 因而每個縫的調(diào)節(jié)能力很小 只礙依靠頻繁的 啟動來保證供水 這樣將產(chǎn)生較大的噪聲 同時由于啟動過于頻繁 壓力不穩(wěn) 加之硬 啟動 電氣和機(jī)械沖擊較大 設(shè)備損壞很快 變頻調(diào)速式的運行十分穩(wěn)定可靠 沒有頻 繁的啟動班象 加之啟動方式為軟啟動 設(shè)備運行十分平穩(wěn) 避免了電氣 機(jī)械沖擊 在小區(qū)供水中 而且由于調(diào)速式是經(jīng)水泵加壓后直接送往用戶的 防止了的水質(zhì) 次污 染 保證了飲用水水質(zhì)町靠 由此可見 變頻調(diào)遮式供水系統(tǒng)具有節(jié)約能源 節(jié)省鋼材 節(jié)省占地 節(jié)省投資 調(diào)節(jié)能力大 運行穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢 具有廣 闊的應(yīng)用 i 景和明顯的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益 隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展 水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng) 人民對供水 的質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提商 把先進(jìn)的自動化技術(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 成為對供水系統(tǒng)的新要求 由于城市供水量不斷加大 對城市管網(wǎng)的實時監(jiān)測提出了更高的要求 大連市城市 供水系統(tǒng)始建于1 8 9 7 年 是我國最早的供水系統(tǒng) 音眵分管網(wǎng)設(shè)備老化嚴(yán)重 為使城市 供水系統(tǒng)曼穩(wěn)定 可靠的運行 避免管線壓力過離或過低對瞀網(wǎng)及供水造成不良影響 決定對城市供水管網(wǎng)供水設(shè)備和調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行升級改造 大連市區(qū)地形復(fù)雜 多為丘陵 高坡 不同于平原地區(qū) 水壓水流波動頻繁 變化 大 根據(jù)環(huán)境 地形 控制對象 控制要求的不同 設(shè)計一套具有可靠安全的 運行穩(wěn) 變頻恒樂供水系統(tǒng)的研究與f 蕾片j 定的 經(jīng)濟(jì)適用的 高效節(jié)能的 有連鎖保護(hù)容錯功能又能對其做到時時監(jiān)控測量的自 動化供水系統(tǒng)勢在必行 大連節(jié)自來水二次加壓泵站的新建與改造工程是大連市人民政府牽頭并投資的為 民辦的盡大實事之一 為保證大連市市民能夠吃上安全衛(wèi)生的放心水 確保大連市自來 水二次加壓泵站的安全 可靠 平穩(wěn) 高效 經(jīng)濟(jì)地運行 根據(jù)對現(xiàn)場環(huán)境 控制要求 和系統(tǒng)要簡單 經(jīng)濟(jì) 以及維護(hù)方便等諸多方面的綜合考慮 最終我們設(shè)計和使用了變 頻恒壓供水控制系統(tǒng) 使其達(dá)到相應(yīng)的技術(shù)和工藝的標(biāo)準(zhǔn)要求 使之達(dá)到國內(nèi)甚至是國 際上的領(lǐng)先水平 1 2 變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 電機(jī)調(diào)速經(jīng)J 力r 從靜止的晶 甲j 管整流器直流調(diào)選到交流感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速的發(fā)展 過程 變頻調(diào)速義由V V V F 的變釕三變頻控制的P W M 變頻調(diào)速發(fā)展到矢量控制變頻調(diào)速 提高了變頻器的恒定轉(zhuǎn)矩輸出范隧和動靜態(tài)特性 使得交流電機(jī)變頻調(diào)運性能超過了直 流電動機(jī)調(diào)壓 調(diào)速性能 在矢量控制變頻凋速的基礎(chǔ)上又發(fā)展了無速度傳感器的矢量 控制變頻詞速 現(xiàn)代電力電子技術(shù)的進(jìn)步和高壓大功率丌關(guān)器件的成功開發(fā)和應(yīng)用 交 流變頻調(diào)速在技術(shù)與性價比上已優(yōu)十直流調(diào)速系統(tǒng) 在中 島堆 3 k v 6 k v 1 0 k v 等 調(diào)速范圍的應(yīng)用也越水越多 隨著電力電子器件的發(fā)展 特別是具備有將單極型和雙極 型大功率管兩種器件組成的混合氣傳動裝置的控制由模擬控制轉(zhuǎn)向數(shù)字控制 使信息處 理能力入幅度地增強(qiáng) 出現(xiàn)了許多高 中壓的變頻設(shè)備 像西門子 A B B 羅克韋爾 本文介紹的變頻調(diào)速電壓等級是3 8 0 V 的低壓變頻器 1 3 變頻恒壓供水產(chǎn)生的背景和意義 西 泵站擔(dān)負(fù)著工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要任務(wù) 運行中需大量消耗能量 提高泉站效率 降低能耗 對國民經(jīng)濟(jì)有重大意義 我國泵站的特點是數(shù)量大 范圍廣 類型多 發(fā)展 速度快 在工程規(guī)模上也有一定水平 但由卡設(shè)計中忽視動能經(jīng)濟(jì)觀點以及機(jī)電產(chǎn)品類 型和質(zhì)量上存在的一些問題等等原因 致使在技術(shù)水平 工程標(biāo)準(zhǔn)以及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)等 方面與國外先進(jìn)水平相比 還有一定的差距 目前 大量的電能消耗在水泵 風(fēng)機(jī)負(fù)載上 城鄉(xiāng)居民用水設(shè)備所消耗的電量在這 類負(fù)載中占了相當(dāng)?shù)谋壤?這一方面是出于我國居民多 用水量大 造成用電量大 另 一方面是因為我國供水設(shè)備工作效率低 控制方式不夠科學(xué)合理 造成不必要的能量浪 費 因此 研究提水系統(tǒng)的能量模型 找出能夠節(jié)能的控制策略方法 這罩大有潛力可 挖 是減少能耗 保障供水的一個很有意義的工作 人近理 人學(xué)專業(yè)學(xué)何頑十學(xué)位論文 掘統(tǒng)計 全國3 8 1 個城市中的3 4 4 個城市自來水廠 1 9 8 7 年的用電量合計為4 7 億 千瓦時 計入其它城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)自來水以及工業(yè)給水設(shè)施用電 總計耗電約6 5 億千瓦時 左右 若按9 0 為水泵機(jī)組用屯 則水泵的總用電量約計6 0 億千瓦時 如果一半機(jī)組 采用調(diào)速裝置 則每年可節(jié)電4 5 億千瓦時 可見水泵調(diào)速的節(jié)電潛力很大 經(jīng)濟(jì)效益 很高 目前全國絕大多數(shù)水泵機(jī)組都沒有采用調(diào)速裝置 在進(jìn)行供水水量 供水壓力控 制調(diào)節(jié)時 多采用閥門控制 壓水門 與開機(jī)臺數(shù)控制 能源資源浪費嚴(yán)重 對于大多 數(shù)電力供水泵站來說 只常運行費用太高 抽水成本居高不下 提抽的單位水量的能耗 太大 是一個長期凼擾供水泵站的問題 從泵站經(jīng)濟(jì)運行理論入手是解決這一難題的辦 法之一 也是一個比較有效的辦法 目前給水泵站的設(shè)計按最大揚程與最大流量這一最 不捌條件設(shè)計 水泵火多數(shù)時問在設(shè)計效率以下運行 另外 電動機(jī)與水泵之 t 8 j 的大馬 拉小車問題也很嚴(yán)重 水泵機(jī)組的調(diào)速運行是象站經(jīng)濟(jì)運行的重要手段 傳統(tǒng)的定 恒 速水泵供水系統(tǒng)是指水泵在額定轉(zhuǎn)速F 為系統(tǒng)提供一定水量的供水系統(tǒng)這種傳統(tǒng)而簡 單的給水方式 無反饋信號和J 上力控制 片j 水量小時 系統(tǒng)出力增同 泉效率降低 管 路內(nèi)漏增加 閥門損壞加劇 j 水量增大時 系統(tǒng)壓力則降低 易造成系統(tǒng)高位供水點 斷流 實際上 定 恒 速水泵給水系統(tǒng)不但存在供水質(zhì)量差 壓力波動大的缺陷 兩 且不易實現(xiàn)有效的經(jīng)濟(jì)運行 對于用水量變化大的給水系統(tǒng) 特別是用水量小于二分之 額定流量時 水象j 二況點偏離高效能區(qū)之外運行 能量損失嚴(yán)重 水雜機(jī)組變頻調(diào)速運行的研究和運用 目前已經(jīng)成為城鎮(zhèn)供水行業(yè)的重要課題 各 地區(qū)根掘本地不同情況 也逐步丌始運用 特別是在二十世紀(jì)9 0 年代開始 己逐漸在 各地 城鑲供水廠的二次加壓泵站中 即二級送水象站 使用 變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和穩(wěn)定可靠的控制方式 在風(fēng)機(jī) 水泵 空氣壓 縮機(jī) 制冷壓縮機(jī)等離能耗設(shè)備上廣泛應(yīng)用 特別是在城鄉(xiāng)工業(yè)用水的各級加壓系統(tǒng) 居民生活用水的恒壓供水系統(tǒng)中 變頻調(diào)速水泵節(jié)能效果尤為突出 變頻調(diào)速給水系統(tǒng) 是由作為核心部件的變頻調(diào)速器以及壓力傳感器 控制器 泵和管路組成的給水系統(tǒng) 它根據(jù)用戶用水量的實際需求 設(shè)定壓力控制值 控制器按傳感器送來的用戶用水量信 息 控制變頻器的頻率 自動改變水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速 最終達(dá)到調(diào)速及調(diào)節(jié)水量的目的 這種調(diào)速供水系統(tǒng)既能保持管網(wǎng)壓力恒定 又能隨時調(diào)整供水量 盡管水泵時常偏離額 定流量工況點工作 但水泵的效率仍然維持在高效能區(qū)p J 水泵電機(jī)的變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用具有其多個方面優(yōu)越性能 一是節(jié)電顯著 二是在開 停機(jī)時能夠減小電流對電網(wǎng)及供水水壓對管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊 三是能減小水泵 電機(jī)自身 的機(jī)械沖擊損耗 在眾多供水行業(yè)中的許多實例表明 對水泵電機(jī)采用調(diào)速技術(shù)對企業(yè) 變頻恒樂供水系統(tǒng)的 f 究與商H j 降低能耗 提高管網(wǎng)和設(shè)備的使用壽命有著重大的經(jīng)濟(jì)意義 也是保障管網(wǎng)系統(tǒng)供水安 全運行的方法之一 P L C 是一種專為工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算電子系統(tǒng) 它是以微處理機(jī)為基 礎(chǔ) 綜合了計算機(jī)技術(shù) 自動控制技術(shù)和通信技術(shù)等現(xiàn)代科技而發(fā)展起來的一種新型工 業(yè)自動控制裝置 是當(dāng)今工業(yè)發(fā)達(dá)國家自動控制的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)各之一 P L C 在小型化 大型 化 大容量 強(qiáng)功能等方而有了質(zhì)的飛躍 以變頻器為核心結(jié)合P L C 組成的控制系統(tǒng)具有高可靠性 強(qiáng)抗干擾能力 組合靈 活 編程簡單 維修方便和低成本等諸多特點 受頻恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù) 電氣技 術(shù) 防雷避雷技術(shù) 現(xiàn)代控制 遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(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?？啃?方便地實現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理與監(jiān)控 同時系統(tǒng)具有良好的 節(jié)能性 這在能量H 益緊缺的今天尤為重要 所以研究設(shè)計該系統(tǒng) 對于提高企業(yè)效率 以及人民的生活水平 降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實意義 1 4 國內(nèi)外研究概況 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)展起束的 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 起制動控制 變?nèi)?變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 保證管網(wǎng)壓力恒定 需在變頻器外部提供壓力控制器和 壓力傳感器 對壓力進(jìn)行閉環(huán)控制 從魚閱的資料的情況柬看 國外的恒壓供水工程在 設(shè)計時都采用一臺變頻器只帶一臺水象機(jī)組的方式 幾乎沒有用一臺變頻器拖動多臺水 泵桃組運行的情況 因向投資成本商 即1 9 6 8 年 j j 麥的丹佛斯公司發(fā)明并酋家生產(chǎn) 變頻器 丹佛斯是傳動產(chǎn)品全球血大核心供應(yīng)商之一 后 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 可靠性以及自動化程度高等方面的優(yōu)點以及顯著的節(jié)能效果被 大家發(fā)現(xiàn)和認(rèn)可后 尉外許多生產(chǎn) 史頻器的廠家丌始重視并推出具有恒壓供水功能的變 頻器 像瑞典 瑞士的A B B 集團(tuán)推出了H V A C 變頻技術(shù) 法國的施時德公司就推出了 恒壓供水基板 備有 變頻象尉定方式 變頻泵循環(huán)方式 兩種模式 它將P I D 調(diào) 節(jié)器和P L C 可編程擰制器等硬件集成在變頻器控制基板上 通過設(shè)詈指令代碼實現(xiàn)P L C 和P I D 等電控系統(tǒng)的功能 只要搭載配套的恒壓供水單元 便可直接控制多個內(nèi)胃的電 磁接觸器工作 可構(gòu)成最多七臺電機(jī) 泵 的供水系統(tǒng) 4 i 這類設(shè)備雖然說是微化了電路 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)的動態(tài)性能和穩(wěn)定 性不高 與別的監(jiān)控系統(tǒng) 如B A 系統(tǒng)1 和組念軟件難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信 并且限制了帶負(fù) 載的容量 因此在實際使用時其范圍將會受到限制 人迕理J 人學(xué)專業(yè)學(xué)伊碩士學(xué)伊論文 目前國內(nèi)有不少公司在做變頻恒壓供水的工程 大多采用國外品牌的變頻器控制水 泵的轉(zhuǎn)速 水管的管網(wǎng)壓力的閉環(huán)調(diào)節(jié)及多臺水泵的循環(huán)控制 有的采用可編程控制器 P L C g t 相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn) 有的采用單片機(jī)及相應(yīng)的軟件予以實現(xiàn) 但在系統(tǒng)的動態(tài) 性能 穩(wěn)定性能 抗干擾性能以及開放性等多方面的綜合技術(shù)指標(biāo)來說 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) 森蘭牌變 頻器 也推出了恒壓供水專用變頻器 2 2 k w 3 0 k w 無需外接P L C 和P I D 調(diào)節(jié)器 可完成 最多四臺水泉的循環(huán)切換 定時起動 停止和定時循環(huán) 月麥丹佛斯公司的V L l 系列 變頻器可實現(xiàn)七臺水泵機(jī)組的切換 陔變頻器將壓力閉環(huán)調(diào)節(jié)與循環(huán)邏輯控制功能集 成在變頻器內(nèi)部實現(xiàn) 但其輸出接口限制了帶負(fù)載容量 同時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所 可以看出 目前在幽內(nèi)外變頻調(diào)速恒壓供水控制系統(tǒng)的研究設(shè)計中 對于能適應(yīng)不 同的用水場合 結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)同時兼顧系統(tǒng)的電磁兼容性 E M C 的變頻但嫗供水系統(tǒng)的水握閉蝦控制的研究處是個夠的 達(dá) 此 自待千迸一步醐究改善 變頻恒壓供水系統(tǒng)的性能 使其能被更好的應(yīng)用于生活 生產(chǎn)實踐中 目醐 在給水泵站中水泵機(jī)組變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要擰制方式是采集管網(wǎng)壓力信號 采用閉環(huán)控制的方法 通過變頻調(diào)速系統(tǒng)米控制水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速以改變水泵的出水揚程和 電機(jī)的輸出功率 采用變頻調(diào)速控制改善了工藝 水泵閥門可在全開位置 其出口壓力 等于管嘲供水壓力 閥 J 節(jié)流損失減小到零 由于變頻器町以非常平滑穩(wěn)定的調(diào)整 運 行人員可以自如的調(diào)控 改善了供水質(zhì)量 提高了效率 可以避免因通過閥門控制導(dǎo)致 泵過多偏離額定工作區(qū)而引起的振動 通常情況下 變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了調(diào) 節(jié)泵的轉(zhuǎn)速永改變水泉的出水揚程 以滿足不同條件時對水泵的性能要求 由于起動緩 慢 相應(yīng)地延長了許多零部件 特別是密封件 軸承的壽命 有效地延長檢修維護(hù)周期 減少了檢修維護(hù)丌支 節(jié)約大量維護(hù)費用 采用變頻調(diào)節(jié)以后 系統(tǒng)實現(xiàn)了軟起動 電機(jī)起動電流從零逐漸增至額定電流 起 動時 日j 相應(yīng)延長 對電網(wǎng)沒有較大的沖擊 減輕了起動機(jī)械轉(zhuǎn)矩對于電機(jī)的機(jī)械損傷 有效的延長了電機(jī)的使用壽命 這種調(diào)控方式以穩(wěn)定水壓為目的 各種優(yōu)化方案都是以 母管 市政束水管 進(jìn)口壓力保持恒定為條件 實際上 給水泵站的出口壓力允許在一 定范圍內(nèi)變化 因此這種調(diào)控方式縮小了優(yōu)化范圍 所得到的解為局部最優(yōu)解 不能完 全保證泵站始終工作在最優(yōu)狀態(tài)1 5 l 變頻調(diào)速是優(yōu)于以往任何一種調(diào)速方式 如調(diào)壓調(diào)速 變極調(diào)速 串級調(diào)速等 是 當(dāng)今國際上一項效益最高 性能最好 應(yīng)用最廣 最有發(fā)展前途的電機(jī)調(diào)速技術(shù) 它采 用微機(jī)控制技術(shù) 電力電子技術(shù)和電機(jī)傳動技術(shù)實現(xiàn)了工業(yè)交流電動機(jī)的無級調(diào)速 具 變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究與應(yīng)川 有高效率 寬范圍和尚精度等特點 以變頻器為核心結(jié)合P L C 組成的控制系統(tǒng)具有高 可靠性 強(qiáng)抗干擾能力 組合靈活 編程簡單 維修方便和低成本低能耗等諸多特點 1 5 課題來源及本文的主要研究內(nèi)容 本課題的目標(biāo)是通過變頻恒壓供水控制系統(tǒng) 達(dá)到相關(guān)工藝的標(biāo)準(zhǔn)要求 保證大連 市市民吃上安全衛(wèi)生的放心水 確保大連市自來水二次加壓泵站系統(tǒng)安全 可靠 平穩(wěn) 商效 經(jīng)濟(jì)地運行 使之達(dá)到國內(nèi)甚至國際的領(lǐng)先水平 本文研究的主要內(nèi)容如卜 1 通過揚程特性曲線和管阻特性曲線分析供水系統(tǒng)的工作點 根據(jù)管網(wǎng)和水泵 的運行曲線 說明供水系統(tǒng)的節(jié)能原理 2 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成及j 作原理 3 分析變頻恒J 玉供水系統(tǒng)的組成及特點 探討變頻恒如供水系統(tǒng)的控制策略 并歸納實用性的控制方案 4 研究P I D 控制器的設(shè)計原理及方法 5 在實際供水系統(tǒng)中運行該系統(tǒng) 分析系統(tǒng)性能 6 恒眶供水遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 8 人迕理j 人學(xué)專業(yè)學(xué)位碩十學(xué)伊論文 2 變頻恒壓供水系統(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揚程特性是以供水系統(tǒng)管路中的閥門開啟度不變?yōu)?前提 表明水泵在某一轉(zhuǎn)速下?lián)P程 與流量口之間的關(guān)系曲線 彩 如圖2 1 所示 由 圖2 1 可以看出 流量p 越大 揚程 越小 出于在閥門丌啟度和水泵轉(zhuǎn)速都不變的倩 況下 流量的火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 與用 水流量口之蚓的關(guān)系 麗管阻特性是以水泵的轉(zhuǎn)速個變?yōu)殪o提 表明閥門在某一開度下 揚程 與流量驢之間的關(guān)系月可彤 管阻特性反映了水泵的能量用來克服泵系統(tǒng)的水 位及J 玉力差 液體在管道q J 流動阻力的變化規(guī)律 出圖可知 在同 閥門開啟度下 揚 程 越大 流量口也越大 由于閥門刀 啟度的改變 實際上是改變了在某一揚程一F 供 水系統(tǒng)向用戶的供水能力 幽此 管阻特住所反映的是揚程與供水流量Q 方 日J(rèn) 的關(guān)系 抒可 他 揚程特強(qiáng)曲線和管阻特性曲線的交點 稱為供水系統(tǒng)的工作點 如圖2 1 中 A 點 在這1 點 用戶的用水流量Q 和供水系統(tǒng)的供水流量Q 處于平衡狀念 供水系 統(tǒng)既滿足了揚程特性 也符合了管阻特性 系統(tǒng)穩(wěn)定運行1 6 1 鯔2 j 供水系統(tǒng)的墓本特性 F i g 2 1T h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h e w a t e rs u p p l ys y s t e m 2 2 變頻調(diào)速原理 變頻恒壓供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵 電動機(jī) 管道和閥門等構(gòu)成 通常由鼠 籠式異步電動機(jī)驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水 并且把電機(jī)和水泵做成一體 通過變頻器調(diào)節(jié)異 步電機(jī)的轉(zhuǎn)速 從而改變水泵的出水流量而實現(xiàn)恒壓供水的 具體原理將在下一章闡 變頻恒壓供水系統(tǒng)的研究與麻 述 因此 供水系統(tǒng)變頻的實質(zhì)是異步電動機(jī)的變頻調(diào)速 異步電動機(jī)的變頻調(diào)速是 通過改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實現(xiàn)調(diào)速的 l 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差率定義為 S I 一 n n 2 1 異步電機(jī)的同步速度為 n t 6 0 t i p 2 2 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 薩6 0 f u s 仞 2 3 其中 7 為異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 刀為異步電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 z 是異步電機(jī)的定子電源頻率 P 為異步電機(jī)的極對數(shù) 從j i 式 j 知 當(dāng)電機(jī)電極劉數(shù)P 不變時 電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速口與定子電源頻率廠成 F 比 凼此連續(xù)調(diào)書異步電機(jī)供電電源的頻率 就可以連續(xù)平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速 從而 調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速 變頻調(diào)速時 從高速到低速都可以保持有限的轉(zhuǎn)差率 因而變麴調(diào) 速具有高效率 高精度 調(diào)速范圍廣 平滑性較高 機(jī)械恃性較硬的優(yōu)點 調(diào)速性能可 與直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)楣媲美 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J 泛地應(yīng)用于對水泉 肛l 機(jī) 電機(jī)的調(diào)速 2 3 水泵調(diào)速運行的節(jié)能原理 在供水系統(tǒng)中 通常以流量為控制目的 常用的控制方法為閥門控制法和轉(zhuǎn)速控制 法 閥門控制泣是通過調(diào)節(jié)閥f j 丌啟度來調(diào)節(jié)流量 水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變 其實質(zhì)是 通過改變水路中的阻力大小來改變流量 凼此 管阻的特性將隨著閥門丌啟度的改變而 改變 但其揚程特性小變 由于實際用水中 需水量是變化的 若閥門的丌啟度存一段 時蚓內(nèi)保持4 i 變 必然要造成超如或欠壓現(xiàn)象的出現(xiàn) 轉(zhuǎn)速控制法是通過改變水泵電機(jī) 的轉(zhuǎn)速柬調(diào)節(jié)流量 而閥門廳啟度保持不變 是通過改變水的動能改變流量 因此 揚 程特性將隨水泵轉(zhuǎn)速的改變麗改變 但管阻的特性不變 變頻調(diào)速供水方式屬于轉(zhuǎn)速控 制 8 1 其丁作原理是根掘用戶用水量的變化自動地調(diào)整水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速 使管網(wǎng)壓力始 終保持恒定 當(dāng)用水量增大時電機(jī)加速 用水量減小時電機(jī)減速 用閥門控制時 若供水量高峰期水泵工作在E 點 流量為Q 揚程為H 當(dāng)供水 量從Q 減小到9 時 必須關(guān)小閥門 這時閥門的摩擦阻力變?nèi)?阻力曲線從 移到 蘆 揚程特性曲線 l i 變 而揚程則從H 上升到H 運行的工況點從點點移到F 點 此時水泵輸出功率用圖形表示為 O Q 只 圍成矩形部分 其值為 P r H I Q 2 2 4 1 0 2 r 一l O 人j i 理j 人學(xué)專業(yè)學(xué)伊頂十學(xué)伊論文 筐2 2 管嘲及水雜韻遠(yuǎn)行特祉船線 F i g 2 2N e t w o r ka n dp u m p so p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i cc u r v e n 3 s 當(dāng)崩調(diào)遮控制時 若采用恒叢 日 變速泉 療 供水 管阻特僻蛸線為 8 揚翟 特性變?yōu)榍€ 2 j 作點從E 點移到D 點 此時水泉輸出功率用圖彤表示為 0 Q D J V 幽成的矩形面積 其值為 P r H o Q 2 2 5 1 0 2 1 可見 改崩調(diào)速挎制 節(jié)能量為 D E H 崮成的矩形豳積 其值為 么尸 只 r H Q 2 r H o Q 型 r H H o Q 2 2 6 一 1 0 2 7 1 0 2 玎 1 0 2 q 所以 當(dāng)用閥門控制流量時 有功率被浪費掉 并且隨著閥門不斷的關(guān)小 閥門的 摩擦阻力不斷變大 管阻的特性曲線上移 運行工況點也隨之上移 于是日 增大 而 被浪費的功率要照之增加 根據(jù)水泵變速運行的相似定律 變速酊后流量g 揚程 功率J P 與轉(zhuǎn)速 之間的 關(guān)系為 魯 巹j 魯2 c 魯2c 億 式中 g P 為變速靜的流量 揚程 功率 c 2 H P 為變速后的流量 揚 程 功率 由公式 2 7 可以看出 功率與轉(zhuǎn)速的立方成J EL L 流量與轉(zhuǎn)速成艱比 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 人連理l 人學(xué)專業(yè)學(xué)巾碩十學(xué)位論文 3 恒壓供水的理論分析及方案設(shè)計 3 1 供水壓力和變頻器輸出頻率的關(guān)系 j 在變頻恒履供水系統(tǒng)中 供水壓力是通過對變頻器輸出頻率的控制來實現(xiàn)的 確定 供水壓力和輸出頻率的關(guān)系是設(shè)計控制環(huán)節(jié)控制策略的基礎(chǔ) 是確定控制算法的依據(jù) 自來水二次加壓泵站所采用的水泵是離心泵 它是通過裝有葉片的葉輪高速旋轉(zhuǎn)來 完成對水流的輸送 也就是通過葉輪高速旋轉(zhuǎn)帶動水流高速旋轉(zhuǎn) 靠水流產(chǎn)生的離心力 將水流甩出去 離心泵也因此得名 在給水排水工程中 從使用水泵的角度來看 水泵 的 作必然要和管路系統(tǒng)以及許多外界條件聯(lián)系在一起 在給水排水工程中 把水泵配 上管路以及一切附件后的系統(tǒng)稱為 堤置 在控制系統(tǒng)的設(shè)計中 真正財系統(tǒng)的分析 和設(shè)計有價值的也是這種成為系統(tǒng)的裝置 而不是單單的孤立水泵 水泵裝置如圍3 1 所示 齠3 1 離心泵裴管 F i g 3 1C e n t r i f u g a lP u m p 在水泵機(jī)構(gòu)和理論中 有 些評價水泵性能的性能參數(shù) 這罩把與本文研究有關(guān)的 幾個參數(shù)列舉白I 此 揚程 腳 單位重量液體通過水泵后的能量的增量 流量 水泵在單位時問內(nèi)所輸送的水體體積 軸切率 m 原動機(jī)輸給水泵的功率成為水泵的軸功率 效率 口 水泵的有效功率和軸功率之比 其中有效功率是指單位時問內(nèi)通過水泵 的液體從水泵那里得到的能量 轉(zhuǎn)速 n 水泵葉輪的轉(zhuǎn)動速度 根扼水條理論 在圈3 I 中 變頻恒序供水系統(tǒng)的研究與府爿j 黔厶Z 十型 生 墮遁 3 1 r 2 9 其中 尸 真空表讀數(shù) 公斤 厘米 尸 壓力表讀數(shù) 公斤 厘米 r 水的單位容積重量 4z 水泵出水口測量點與進(jìn)水口測量點位置差造成的附加揚程 墮二墮 水泉出水口與迸水口的動能增量轉(zhuǎn)化的揚程 2 9 由于水泉在送水的過程中 清水池水位一般高于水泵的測量點 所以不存在進(jìn)水 U 抽真字 所以在進(jìn)水L j 的真空值為0 水泵進(jìn)水U 與出水V I 都沿水平方向放置 位置 差為0 水泵在J 下常工作時 動能的變化相對比較小 考慮到這些具體情況 上式可以 改寫為 H 鯉魚 3 2 水象的軸功率為 N r Q H 3 3 n 把揚程的表達(dá)式代入上式 得 脞壘壘 3 4 r l 水象是與 臺交流感應(yīng)電機(jī)相連 由電機(jī)帶動其運行的 電機(jī)的轉(zhuǎn)速與水泵的轉(zhuǎn)速 相同 電機(jī)的輸出有效功率與水泵的軸功率相等 在電機(jī)理論中 感應(yīng)電機(jī)的機(jī)械功率 P m 為 u 蘆 P m L 一 3 5 R 生 x 鼻 2 在變頻調(diào)速時 由于磁通 脅不變 從電機(jī)公式 肇 毒 4 4 4 N K 礦聊 3 6 可以看出 要使主磁通毋m 保持不變 則U f 必須保持不變 因此在變頻調(diào) 速過程中 電壓應(yīng)該與頻率成i F 比例變化 設(shè) 人迮理l 人學(xué)專業(yè)學(xué)伊碩 學(xué)伊論文 帶入式 3 5 得 U f m 壘斤 Pm 一 十墮 墨 X 2 6 S 根據(jù)能量守恒定律 有 N n P m 其中 口為電機(jī)的效率 Q P a n n 所以 水泵裝置在變頻調(diào)速的工作狀態(tài)下運行時 礙墨斤 S 置 冬 x z j 3 7 3 8 3 9 有 3 1 0 從 武n j 以萑出 當(dāng)變頻器的輸出頻率一定的話況F 當(dāng)剛戶用水量增人 從而Q 增入時 壓力表的讀數(shù)將會變小 即管嘲的供水壓力將會降低 為了保持供水壓力 就 必須增大變頻器的輸出頻率以提高水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速 當(dāng)用戶的用水量減小時 Q 減小 在變頻器輸出頻率不變的情況下 管網(wǎng)的供水壓力將會增大 為了減小供水的壓力 就 必須降低變頻器的輸出頻率 由于用戶的用水量是始終在變化的 雖然在時段上具有一 定的統(tǒng)司規(guī)律 但對精度要求很高的恒壓控制束將 在每一個時刻它都是一個隨機(jī)變化 的值 這就要求變頻器的輸出頻率也要在一個動念的變化之中 依靠對頻率的調(diào)節(jié)來動 念地控制管網(wǎng)的供水壓力 從而使管網(wǎng)中的壓力恒定 3 2 恒壓控制的理論分析 3 2 1 恒壓控制的理論模型 對本文提到的變頻恒壓供水的主要特點進(jìn)行分析 我們可以得出如下結(jié)論 變頻調(diào) 速恒壓供水系統(tǒng)控制對象是一個變化的 線性的 滯后的 模型穩(wěn)定的對象 對它的控 制仍屬于工業(yè)過程控制的范疇 它以供水出口管網(wǎng)水壓為控制目標(biāo) 在控制上實現(xiàn)出口 總管網(wǎng)的實際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力 設(shè)定的供水壓力可以是一個常數(shù) 也可以 是一個時 日J(rèn) 分段函數(shù) 在每一個時段內(nèi)是 個常數(shù) 所以 在某個特定時段內(nèi) 恒壓控 制的目標(biāo)就是使出口總管網(wǎng)的實際供水壓力維持在設(shè)定的供水壓力上 從恒壓供水控制的原理圖3 2 中可以看出 在系統(tǒng)運行過程中 如果實際供水壓力 低于設(shè)定壓力 控制系統(tǒng)將得到正的壓力差 這個差值經(jīng)過計算和轉(zhuǎn)換 計算出變頻器 輸出頻率的增加值 該值就是為了減小實際供水壓力與設(shè)定壓力的差值 將這個增量和 變頦瞳J 再供水系統(tǒng)的研究與慮片J 變頻器當(dāng)前的輸出值相加 得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率 該頻率使水泵機(jī) 組轉(zhuǎn)速增大 從而使實際供水壓力提高 在運行過程中玖過程將被重復(fù) 直到實際供水 壓力和設(shè)定壓力相等為止 如果運行過程中實際供水壓力高于設(shè)定壓力 情況剛好相反 變頻器的輸出頻率將會降低 水泵機(jī)組的轉(zhuǎn)速減小 實際供水壓力因此而減小 同樣 最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實際供水壓力和設(shè)定壓力相等 1 1 1 國3 2 變額恒厙控制原理陶 F i g 3 2F r e q u e n c yc o n s t a J l tp r e s s u r ec o n t r o ld i a g r a mm a p 32 2 變頻恒壓供水的近似數(shù)學(xué)模型 由于變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)的控制對象是一 個變化的 線性的 滯后的 模型穩(wěn)定 的對象 我們雉以得出它的精確數(shù)學(xué)模型 只能進(jìn)行近似等效 水泵出初始狀態(tài)丌始向管網(wǎng)進(jìn)行恒髓i 供水 供水管網(wǎng)從初始壓力開始啟動水泵運 行 直到管網(wǎng)壓力達(dá)到穩(wěn)定要求時經(jīng)歷隨拿過程 1 水泵將水送到管嘲中 這個階段管網(wǎng)壓力基本保持仞始壓力 這是一個純滯后 的過程 2 水泵將水充滿整個管網(wǎng) 壓力隨之逐漸增加直到穩(wěn)定 這是一個大時間常數(shù)的 慣性過程 系統(tǒng)中其他控制和檢測環(huán)節(jié) 例如變頻環(huán)節(jié) 繼電控制的轉(zhuǎn)換 壓力檢測等的時J B J 常數(shù)和滯后時闖與供水系統(tǒng)的時聞常數(shù)和滯后時f j 相比 可忽略不計 均可等效為比例 環(huán)節(jié) 因此 恒壓供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可以近似成一個帶有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié) 即 可以寫成 G 固 絲二 3 11 辦 l 式中 K 為系統(tǒng)的總增益 r 為系統(tǒng)的慣性時 日J(rèn) 常數(shù) r 為系統(tǒng)的滯后時間 人近理1 人學(xué)專業(yè)學(xué)忙碩十學(xué)伊論文 3 3 變頻恒壓供水系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理 3 3 1 變頻恒壓供水控制系統(tǒng)控制方案的設(shè)計與選擇 從上一節(jié)變頻恒壓供水的原理分析可知 該系統(tǒng)主要有壓力傳感器 壓力變送器 變頻器 恒壓控制單元 水泵機(jī)組以及低壓電器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng) 系統(tǒng)主要的設(shè)計 任務(wù)是利用恒壓控制單元使變頻器控制一臺水泵或循環(huán)控制多臺水泵 實現(xiàn)管網(wǎng)水壓的 恒定和水泵電機(jī)的軟起動水泵以及變頻水泵與工頻水泵的切換 l 同時還要能夠?qū)τ谶\ 行數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸 根掘系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)要求 結(jié)合系統(tǒng)不同的使用場所 有以下幾種方 案可供選擇 1 通片j 變頻器t 水泵機(jī)維 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 用于變化不大且束水I F 常的小流量小容量的系統(tǒng) 靜期投 入成本低 比較經(jīng)濟(jì)實用 2 伺供水基板的 芟頻器1 水泉桃組 垃力傳感器 這種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 它將P I D 調(diào)節(jié)器和P I C J 編程控制器等硬件集成在變頻 器供水基板上 通過設(shè)置指令代碼實現(xiàn)P L C 和P I D 等電控系統(tǒng)的功能 它雖然澆微化 了電路結(jié)構(gòu) 降低了設(shè)備成本 但在壓力設(shè)定和壓力反饋值的顯示比較麻煩 無法自動 實現(xiàn)不同時段的不同的恒壓要求 在調(diào)試時 P I D 調(diào)節(jié)參數(shù)尋優(yōu)困難 調(diào)節(jié)范圍小 系 統(tǒng)的穩(wěn)念 動憊性能小易保證 其輸出接口的擴(kuò)展功能缺乏靈活性 數(shù)據(jù)通信困難 并 且限制了帶負(fù)載的容量 因此僅適用予要求不高的小容量場合 3 通用 變頻器 單片機(jī) 包括變頻控制 調(diào)節(jié)器控制 十人機(jī)界面十壓力傳感器 這種方式控制精度高 控制算法靈活 參數(shù)調(diào)整方便 具有較高的性能價格比 但 開發(fā)周期長