高层建筑PLC控制的恒压供水系统的设计(3)

3．变频调速

通过调节电动机的电源频率来实现电机转速的调节方式。

这种调速方式需要专用的变频装置，即变频器。最常用的变频器采取的是变压变频方式的，简称为VVVF (Variable Voltage Variable Frequency)。在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通基本不变，其关系为

u1=常数 f1式中

u1一一变频器输出电压，f1一一变频器输出频率。

变频调速方式时，电动机的机械特性表达式

m1pU12r2'/s （2-4） T?r2'2?f1[(r1?)?(x1?x2')2]s式中

m1一一电机相数；r1 一一定子电阻；x1一一定子漏电抗；x2'一一转子漏电抗折算值。

f1从额定值fN往下调时， 电机机械特性变化情况如图2-3所示。

频率图中

fN＞f1＞f2＞f3＞f4。

n 变频调速过程的特点：

静差率小，调速范围大，调速平滑性好，而且，很关键的一点是调速过程中，其转差率不变。电机的运行效率高，适合于恒压供水方式中的转速控制法。因此恒压供水系统中采取变频调速方式可以获得优良的运行特性和明显的节能效果。

fNf1f2f4f3T 图2-3 变频调速机械特性

2.5 变频调速恒压供水系统能耗分析

2.5.1 转速控制调节流量实现节能

（1）转速控制法与阀门控制法供水能耗分析

在图2-2中，将阀门控制法和转速控制法的特性曲线画在了同一坐标系中。假设系统原工作于额定状态N点，当所需流量减少，从额定流量QN变为QE时，在恒压前提下，采用阀门控制法时供水系统工作点将移到A点，对应的供水功率PG与面积AHEOQE成正比；采用转速控制法时供水系统工作点将移到B点，对应的供水功率PG与面积BHCOQE成正比。

两种控制方式下的面积之差△可以实现节能。

（2）转速调节与恒速运行供水能耗分析

根据水泵比例定理，改变转速n，水泵流量Q、扬程H和轴功率P都随之相应变化，其关系式为

P=AHEHCB表明了采取转速控制方式相对于阀门控制方式

Q1n1? （2-5） Qn2H1n12?() （2-6） HnPn1?(1)3 （2-7） Pn式中

n1，Q1 ，H1，P1分别为调速后的水泵转速、流量、扬程和轴功率。从以上关系可知，当

转速n下降时，轴功率按转速变化的3次方关系下降，可见转速对功率的影响是最大的。

一般在设计中，水泵均考虑在最不利工况下供水，水泵在选型上也是按水泵额定工作点选型和安装使用，即按额定工作点设计。但在实际运行中，管网用水量常常低于最不利工况，这时，如降低转速相对于恒速泵供水运行，能使水泵的轴功率大大减少。

可见 ，在供水系统中根据用水量的大小，通过变频方式调节水泵转速的方式来实现供水具有很好的节能效果。而且这种方式在用水量较少时节能效果更为明显。

2.5.2 转速控制供水系统的工作效率高

(1) 工作效率的定义

供水系统的工作效率为水泵的供水功率P与轴功率Pp之比，即 G

?p?pGPP (2-8)

该效率是包含了水泵本身效率在内的整个供水系统的总效率。式(2-8)中 ，Pp是指水泵是在一定流量、扬程下运行时所需的外来功率，即电动机的输出功率；P是供水系统的输出功率G也就是水获得的实际功率，由实际供水的扬程和流量计算。供水过程中的损耗主要来自于水泵本身的机械损耗、水力损失、容积损失，以及管路中的管阻损耗。

(2) 供水系统工作效率的近似计算公式 水泵工作效率相对值的近似计算公式如下

Q*Q*2?p?C1(*)?C2(*) (2-9)

nn*式(2-9) 中

?p*Q*n*——效率、流量和转速的相对值均小于

1。有以下关系，?p*???N、

Q*?nQ、n*? C1、C2为常数，遵循如下规律C1-C2=1。

nNQN(3) 不同控制方式时的工作效率

Q***阀门控制法方式，因转速不变，n=1，比值*=Q，随着流量的减小，Q减小，水泵工作

n*的效率?p降低十分明显。

*Q转速控制方式时，因阀门开度不变，由式(2-4)，流量Q和转速n是成正比的，比值*不变。n***即水泵的工作效率是不变的，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，供水系统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第二个方面。

2.5.3 变频调速电机运行效率高

在设计供水系统时，额定扬程和额定流量通常留有裕量，而且，实际用水流量也往往达不到额定值，电动机也常常处于轻载状态，电机恒速运行时效率和功率因数很低。采用变频调速方式变频器能够根据负载轻重调整输入电压，从而提高了电动机的工作效率。这是变频调速供水系统

具有节能效果的第三个方面。

2.6供水系统安全性讨论

2.6.1 水锤效应

在极短时间内，因水流量的急巨变化，引起在管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象，使管道受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，称为水锤效应。水锤效应具有极大的破坏性。压强过高，将引起管子的破裂；压强过低，又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。

2.6.2 产生水锤效应的原因及消除办法

产生水锤效应的根本原因，是水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。采用变频调速，通过减少动态转矩，可以实现彻底消除水锤效应。

水泵的动态转矩大小决定了水泵加速过程的快慢，决定了加速过程流量变化的快慢，也就决定了水锤效应的强弱。

拖动系统中，动态转矩TJ矩。

图2-4反映了全压起动和变频起动过程中动态转矩情况。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，图2-4b)中的锯齿状线是变频起动过程中的动态转矩。

由图2-4可知，水泵在直接起动过程时，因动态转矩很大，造成了强烈的水锤效应，通过变频起动，可有效地降低动态转矩消除水锤效应。

停机过程效果类似。

?Tm?TL；Tm：是电动机的拖动转矩；TL：是供水系统的制动转

n nN② ① n fN TJO O 图2-4 水泵的直接起动和变频起动

a)全压起动 b)变频起动

T 2.6.3 变频调速对供水系统安全性的作用

采用变频调速，对系统的安全性有一系列的好处：

(1) 消除了水锤效应，减少了对水泵及管道系统的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命； (2) 降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命将大大延长；

(3) 避免了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命；

(4) 减少了起动电流，也就减少了系统对电网的冲击，提高了自身系统的可靠性。

3 变频调速恒压供水控制系统设计

3.1 供水系统总体方案的确定

1．用户需求 供水系统总体要求：

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