基于PLC的变频恒压供水设计(4)

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AHX?Qn1AHAnAH~Q?~QQA图3-3 水泵工作点的确定

Q

从图3-3中可以看出，水泵在工作点A点提供的扬程和管路所需的扬程相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，从而达到能量和流量的平衡，这个平衡点是有条件的，平衡也是相对的。实际运行时水泵并非总是固定在A点。一旦当水泵或管阻特性中的一个或同时发生变化时，平衡就被打破，并且在新的条件下出现新的平衡。

工作点的参数，反映水泵装置的工作能力，是泵站设计和运行管理中的一个重要问题。供水功率是供水系统向用户供水时所消耗的功率P(KW)称为供水功

率，供水功率与流量QA和扬程HA的乘积成正比。

2) 水泵工作点的调节

交流电动机的转速n与电源频率f具有如下关系：

n=60f(1-s)/p （3-6)

式中：p-极对数；s-转差率

因此不改变电动机的极对数，只改变电源的频率，电动机的转速就按比例变动。变频器调速的工作原理就是通过选择电压频率比(V/F)曲线，设定加减速时间以及转矩补偿曲线，使电动机启动时转速从零开始逐渐升高，实现软启动，减少了启动电流。在变频调速恒压供水系统中，通过变频器来改变电源的频率f来改变电机的转速n从而改变水泵的转速。由于水泵的流量、扬程和消耗的功率都可以随其转速的变化而变化，变频调速技术可以使水泵性能曲线改变，达到调节水泵工况，大大扩展了水泵的高效运行范围。

当管网负载减小时，通过降低交流电的频率，电动机的转速从n1降低到n2。另外根据叶片泵工作原理和相似理论，改变转速n，可使供水泵流量Q、扬程H和轴功率N以相应规律改变。

泵的运行效率会大大下降。因此，水泵转速调节要尽量使水泵在高效区之内运行，避免使变频器频率下降得过低，而造成水泵在低效率段运行。

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2、水泵变频调速节能分析

水泵运行工况点A是水泵性能曲线n1和管路性能曲线R1的交点。在常规供水系统中，采用阀门控制流量。需要减少流量时关小阀门，使管路性能曲线由R1变为R2。运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到D点，扬程从H0上升到H1，流量从Q0减少到Q1。采用变频调速控制时，管路性能曲线R1保持不变，水泵的特性取决于转速。如果水泵转速从n0降到n1，水泵性能曲线从n0平移到n1，运行工况点沿着水泵性能曲线从A点移到C点，扬程从H0下降到H2，流量从Q0减少到Q1。在图3-4中，水泵运行在B点时消耗的轴功率与H1、B、Q1、0的面积成正比，运行在C点时消耗的轴功率与H2、C、Q1、0的面积成正比。从图上可以看出，在流量相同的情况下，采用变频调速控制比恒速泵控制节能效果十分明显。 求出运行在B点时泵的轴功率：NB=KQ1H1γ （3-7) 求出运行在C点时泵的轴功率：NC=KQ1H2γ (3-8) 两者之差：△N=NB-NC=(H1-H2)KQ1γ (3-9)

HH1BAH0H2Cn0Hsjn10Q1Q0Q图3-4 水泵节能分析图

也就是说，采用阀门控制流量时有△N的功率被白白浪费了，而且损耗随着阀门的关小而增加。相反，采用变频调速控制水泵电机时，当转速在允许范围内降低时，功率以转速的三次方下降，在可调节范围内与恒速泵供水方式中用阀门增加阻力的流量控制方式相比，节能效果十分显著。

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第4章 系统的整体设计方案

4.1 变频调速恒压供水系统构成及原理

系统的组成

整个系统由四台水泵（1#、2#、3#为调速水泵、4#为辅助水泵）构成水泵组，一台变频调速器，一台PLC和一个压力传感器及若干辅助部件构成。如图4-1所示，各部分功能如下：

（1）水泵组：用于将水供入用户管网，提高水压以实现向高处供水。其中调速水泵根据用水量的变化来改变电机的转速，以维持管网的水压恒定。辅助水泵它只运行于启、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。

（2）变频调速器：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。

（3）PLC：用于水泵的逻辑切换、控制及供水压力的PID控制等。 （4）压力传感器：安装于供水管道上，并且将管网水压力转换成4-20mA的电信号，是实现恒压供水的关键参数。 （5）辅助部件：当自动控制系统出现故障时可以通过人工调节方式维持系统运行，以保障连续生产。

电源变频器控制信号KM2KM4KM6KM7KM1KM3KM5PLCM3～M3～M3～M3～ 1#2#3#4#水 用户远程压力表源图4-1变频调速恒压供水系统构成图

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系统原理：

原理图如图4-2所示。当设备运行时，变频调速恒压供水系统中远传压力表将主水管网压力信号转换成电流信号再经PLC的扩展模块PID运算送给变频器，并给出信号直接控制水泵电动机的转速和泵水量以使管网的压力稳定，由此构成压力闭环控制系统。变频器的上、下限频率信号及其持续时间长短可作为PLC进行逻辑切换、起停泵的依据。

图4-2 变频调速恒压供水系统原理图

当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压力稳定时，变频器的高速信号(即变频器的频率上限信号)被PLC检测到，如果频率上限信号持续出现一定时间，PLC自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行，同时将另一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证系统压力稳定。若两台泵全速运转仍不能达到设定压力，则将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。

当用水量减少时，首先表现为变频器己工作在最低速信号(即变频器的频率下限信号)有效，如果频率下限信号持续出现，PLC首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。

4.2 系统要求实现的功能

系统要求实现如下功能： 1) 全自动运行

合上自动开关后，1#泵电机通电，变频器输出频率从0Hz上升，同时PID调节程序将接收到自远传压力表的信号，经运算与给定压力参数进行比较，将调节参数送给变频器，如压力不够，则频率上升，直到50Hz，1#泵由变频切换为工频，同时对2#泵进行变频启动，变频器频率逐渐上升至需要值，加泵依次类推；如用水量减小(压力过大)，变频器下限频率持续出现，则将先启动的泵先切除。若有

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电源瞬时停电的情况，则系统停机。待电源恢复正常后，系统自动恢复运行，然后按自动运行方式启动1#泵变频，直至在给定水压值上稳定运行。变频自动控制功能是该系统最基本的功能，系统自动完成对多台泵软启动、停止、循环变频的全部操作过程。

2) 手动运行

当远传压力表故障或变频器故障时，为确保用水，四台泵可分别以手动控制方式工频运行。

3) 停止

转换开关置于停止位置，设备进入停机状态，任何设备不能启动。 4) 采用“自动切换”和“先启先停”原则

“自动切换”是指当一台单独运行水泵或者有两台同时运行的水泵，运行在这种状态下持续时间达到设定时间时自动换泵运行。“先启先停”是指哪一台先启动的水泵在压力过大时也先被切除，这样保证系统的每台泵运行时间接近，防止有的泵运行时间过长，而有的泵却长时间不用而锈死，从而延长了设备的使用寿命。

5) 平稳切换，恒压控制

远传压力表将主水管网压力信号经PLC的扩展模块PID运算送给变频器，并给出信号直接控制水泵电动机的转速以使管网的压力稳定。当在运行的水泵全速运行，还未达到给定压力时，变频运行的泵被切换到工频运行，变频器将启动另一台泵(即采用软启动)

6) 完善的各种保护、报警功能

对工频电源和变频电源在供电控制回路上实现机械和电气互锁，防止短路产生。当水泵的功率较大时，为防止直接启动电流过大，需要采用软启动方法，即用变频器来启动水泵。运行的水泵在断开电源后，利用其运行的惯性切换到工频，可避免切换过程中产生过电流。

电动机的热保护。虽然水泵在低速运行时，电动机的工作电流较小，但是当用户用水量变化频繁时，电动机将处于频繁的升速、降速状态，这时电动机的电流可能超过额定电流，导致电动机过热。因此电动机的热保护是必须的。

具有缺水保护功能。当水泵工作在自动状态，为防止当水池没水时水泵空载运行，烧坏水泵电机，系统设计一缺水保护电路。当水池缺水时，保护电路中继电器常开触点断开，切断控制电路电源，从而保护系统。

7) 满足用户在用水高峰时的用水要求

根据用户最大用水量和供水高度的计算，本系统采用扬程61m，流量12.6立方米每小时，轴功率5.5KW的主泵三台；扬程48m，流量7立方米每小时，配套功率2.2KW辅泵一台。系统最大功率为16.5KW，扬程为61m。

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