变频器恒压供水系统的整体设计说明39.pdf

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1、变频器恒压供水系统的整体设计 1 导言 1.1 城市供水系统的要求 众所周知，水是生产生活中不可或缺的重要组成部分。在节水节能已成为时代特征的现实条件下，水资源和电能短缺的我国，在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等技术上长期落后，自动化程度低。主要是在用水高峰期，水的供应量往往低于需求量，导致水压降低，供不应求的现象。但在用水的低峰期，水的供应量往往高于需求量，导致水压增大，供不应求的情况。这时候就会浪费能源，同时水管爆裂，用水设备损坏。恒压供水技术出现之前，供水方式有很多种，我们就一一分析。恒速泵直接供水系统 在这种供水模式下，水泵从蓄水池中抽水并直接加压给用户。有的甚至没有蓄水池，

2、直接从城市公共水网抽水，严重影响了城市公共水网的压力稳定性。在这种供水模式下，水泵全天运行，有些可能在晚上水崩的时候停止运行。这种系统形式简单，成本最低，但耗电、耗水量大，水压不稳定，供水质量极差。恒速泵+水塔供水方式 这样，水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔的合理高度要求水塔的最低水位略高于供水系统所需的压力。水塔满泪，水泵停。当水塔水位低于某一位置时，泵再次启动，泵处于间歇工作状态。在这种供水方式下，水泵工作在额定流量和额定扬程条件下，水泵处于高效区。这种方法比以前明显节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵开停时间比、开停频率等有关。供水压力相对稳定。但这种供

3、水方式基建设备投资最大，占地面积最大，水压可调，无法兼顾短期和长期需求。而且系统的水压不能随着系统所需流量和压力的降低而降低，所以还存在一些能量损失和二次污染的问题。而且在使用过程中，如果这种系统的水塔水位监测装置损坏，水泵就无法自动启动或停止，这样水泵就会完全由人来启动或停止，进而出现能源的严重浪费和供水质量的严重下降。喷射泵+水箱供水方式 该方法利用喷射泵的独特结构工作，利用压力差和进水管、出水管的变径过程实现供水。但由于其技术和工艺的不完善，以及这种方式存在无限压(流)的现象，无法满足高层供水的需要。恒速泵+高位水箱供水方式 这种方法的原理和水塔是一样的，只不过水箱设在建筑物的顶层。高层

4、建筑也可以分层设置水箱。占地面积和设备投资减少了，但这对建筑的成本和设计有影响。同时水箱受建筑限制，容积不能太大，所以供水面积小。一些动物甚至人可能会进入水箱污染水质。水箱的水位监测装置也容易损坏，这样系统的启动和停止将完全由人工操作，会降低系统的供水质量，增加能耗。恒速泵+气压罐供水模式 这样就用封闭式气压罐代替高水箱储水，通过监测罐压来控制水泵的启停。水箱的占地面积比水塔小，可以放在地上。该设备的成本比水塔低得多。而且气压罐是密封的，所以异物进入造成水质污染的可能性大大降低。但是，气压罐的供水方式也存在很多缺点。在介绍了变频调速供水方式后，对这两种方式进行了比较。该系统的原理是通过安装在系

5、统中的压力传感器来传递系统的压力信号。设定压力值进行比较，然后通过控制器调节变频器的输出，无级调节泵速。无论流量如何变化，使系统水压始终稳定在一定范围内。变频水泵的调速方式有三种:泵出口变压控制、泵出口恒压控制和供水系统最不利点恒压控制。水泵出口可变压力控制 水泵出口处也安装了压力传感器，但其压力设定值并不是只有一个。就是根据耗水曲线把一天 24 小时分成几个时间段，计算每个时间段所需的水泵出口，每个时间段进行恒压控制。这种控制方式实际上是水泵出口恒压控制的一种特殊形式。比水泵出口恒压控制方式更节能，但要看一天 24 小时划分的时间段数量和水泵出口压力计算的准确性。所需泵出口压力表根据实际情况

6、计算越多越节能，全天越精细越节能。当然，控制越复杂。泵出口恒压控制 泵出口恒压控制是在泵出口安装压力传感器，使系统运行过程中泵出口水压恒定。这种方法适用于管道阻力损失占泵扬程的比例很小，整个供水系统的压力可视为常数的情况。但如果在供水面积较大的住宅小区应用这种控制方式，由于管道能耗较高，在低峰用水量时，最不利点的流出水头高于设计值，因此水泵出口恒压控制方式无法获得最佳节能效果。供水系统最不利点的恒压控制 最不利点恒压控制是在系统最不利点安装压力传感器，使系统运行过程中最不利点压力保持恒定。这种方式节能效果最好，但由于最不利点一般远离水泵，在实际应用中压力信号的传递受到限制，所以工程上很少使用。

7、变频控制方式在节能效果上明显优于气压罐方式；气压罐模式依靠压力罐中的压缩空气来输送水。气压罐与水泵匹配时，水泵以额定转速和流量工作。当系统所需水量减少时，供水压力会超过系统所需压力，造成能量的浪费。同时，泵以工作频率频繁启动，会造成一定的能耗。而当系统用水量减少时，变频恒压供水可以无级调节水泵转速，使供水压力大致等于系统所需水压，从而节省大量电能。同时，变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流很小。启动能耗相对较小。另外，气压罐消耗一定的钢材，这也是一个很大的缺点。但变频供水系统的变频器是由微机控制的电气设备，不存在用钢量多少的问题。同时，由于气压罐体积较大，占地面积一般在几十平方米。然而，变频

8、调速型的调速装置占地面积只有几平方米。可以看出，变频调速供水方式相比出气水箱供水方式会节省占地面积。在运行效果上，气压罐模式和调速模式也有一定差距。气压罐运行不稳定，突出表现为频繁启动。由于气压罐的调节容量只占其总容积的 1/3-1/6，每条缝的调节容量很小，不得不靠频繁启动来保证供水，这样会产生很大的噪音。同时由于启动过于频繁，压力不稳定，启动硬，电气和机械冲击大，设备损坏快。变频调速运行非常稳定可靠，没有频繁启动。此外，启动方式为软启动，因此设备运行平稳，避免了电气和机械冲击。在社区供水中，由于调速型由水泵加压后直接送到用户手中，防止了水质的二次污染，保证了可靠的饮用水质量。可见，变频调速

9、供水系统具有节能、节钢、节地、投资、调节容量大、运行稳定可靠等优点，具有广阔的应用前景和明显的经济效益和社会效益。随着社会经济的快速发展，水对人们生活和工业生产的影响越来越大，人们对供水质量和供水系统可靠性的要求也在不断提高。将先进的自动化技术、控制技术、通信和网络技术应用到供水领域，已经成为对供水系统的新要求。1.2 变频调速系统的发展趋势 电机调速经历了从静态晶闸管整流 DC 调节到交流感应电机变频调速的发展过程；变频调速从 VVVF 控制的 PWM 变频调速发展到矢量控制变频调速，提高了变频器的恒转矩输出范围和动静态特性，使交流电机的变频运输性能超过 DC 电机。在矢量控制变频调速的基础

10、上，发展了无速度传感器矢量控制变频调速。随着现代电力电子技术的进步和高压大功率开关器件的成功开发和应用，交流变频调速在技术和性价比上优于 DC 调速系统。在中高压(3kv、6kv、10kv)也越来越多的使用。随着电力电子器件的发展，特别是由单极和双极大功率管组成的混合气体传输装置的控制已经从模拟控制转变为数字控制，大大增强了信息处理能力1。出现了许多高压和中压变频装置(如西门子、ABB、罗克韦尔)。本设计采用 380V 变频调速电压等级的低压变频器。1.3 变频恒压供水的背景和意义 泵站担负着工业、农业和生活用水的重要任务，运行中需要消耗大量的能源。提高泵站效率，降低能耗，对国民经济具有重要意

11、义。我国泵站的特点是数量多、覆盖面广、类型多、发展快，并具有一定的工程规模水平。但由于设计中忽视了动能经济性，机电产品的种类和质量存在一些问题，技术水平、工程标准、经济效益指标等方面与国外先进水平相比仍有一定差距。目前，大量电能消耗在泵和风机的负荷上，城乡居民用水设备消耗的电能在此类负荷中占有相当大的比例。这一方面是由于我国居民多，用水量大，导致用电量大；另一方面是因为我国供水设备工作效率低，控制方式不科学合理。造成不必要的能源浪费。因此，研究提水系统的能量模型，找出节能的控制策略和方法，具有很大的潜力，是降低能耗、保证供水的一项有意义的工作。据统计，1987 年全国 381 个城市的 344

12、 座自来水厂总用电量为 47 亿千瓦时。算上其他城镇自来水用工业供水设施用电，总用电量约 65 亿千瓦时。如果水泵机组消耗 90%的电力，水泵总用电量约为 60 亿千瓦时。如果一半的机组采用调速装置，每年可节电 4.5 亿千瓦时。可见水泵调速节能潜力大，经济效益高。目前，我国绝大多数水泵机组没有采用调速装置。在控制供水量和供水压力时，大多采用阀门控制(按水门)和启动台数，造成能源资源的严重浪费。对于大多数电力供水泵站来说，日常运行成本过高，抽水成本居高不下，单位抽水能耗过大，是长期困扰供水泵站的问题。从泵站经济运行理论入手是解决这一问题的方法之一，也是一种有效的方法。目前，给水泵站的设计是基于

13、最大扬程和最大流量的最不利工况，泵大部分时间在设计效率以下运行。另外，电机和水泵之间的大马拉大车问题也很严重。水泵机组的调速运行是泵站经济运行的重要手段。传统的定(恒)速泵供水系统是指泵以额定转速为系统提供一定水量，没有反馈信号和压力控制的传统而简单的供水系统。小时的用水量，系统压力增加，水泵效率降低，管道泄漏增加，阀门损坏加剧。当用水量增加时，系统压力会降低，容易造成系统的高供水点被切断。事实上，定(恒)速泵供水系统不仅存在供水质量差、压力波动大的缺陷，而且不容易实现有效的经济运行。对于用水量变化较大的供水系统，特别是当用水量不到额定流量的一半时，水泵工作点偏离高效区，造成严重的能量损失。目

14、前，水泵机组变频调速的研究和应用已经成为城市供水行业的一个重要课题，并根据不同地区的情况逐步得到应用。特别是 90 年代以来，逐渐应用于各地区城市给水厂的二次加压泵站(即二次供水泵站)。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，广泛应用于风机、水泵、空压机、制冷压缩机等高能耗设备中。特别是在城乡工业用水的各级加压系统和生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵的节能效果尤为突出。变频供水系统是以变频调速器为核心部件，由压力传感器、控制器、水泵和管道组成的供水系统。它根据用户用水量的实际需求设定压力控制值，控制器根据传感器发送的用户用水量信息控制变频器的频率，自动改变水泵电机的转速，最终达

15、到调速和调节水量的目的。这种调速供水系统既能保持管网压力恒定，又能随时调节供水量。虽然泵经常偏离额定流量点，但泵的效率仍然维持在高效区。水泵变频调速技术的应用在很多方面都有其优越的性能:一是节电显著；二是可以减少开停机时电流对电网和供水压力对管网系统的冲击；第三，可以减少水泵和电机的机械冲击损失。许多供水行业的实例表明，对泵电机采用调速技术，对企业降低能耗、延长管网和设备的使用寿命具有重要的经济意义，也是保证管网系统供水安全运行的方法之一。PLC是专门为工业应用设计的数字计算电子系统。它是以微处理器为基础，融合了计算机技术、自动控制技术和通信技术等现代技术的新型工业自动控制装置。它是发达国家标

16、准的自动控制设备之一。PLC在小型化、大型化、大容量、强功能方面有了质的飞跃。以变频器为核心、PLC为核心的控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强、组合灵活、编程简单、维护方便、成本低等特点。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、防雷技术、现代控制和远程监控技术于一体。利用该系统供水，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和监控。同时，系统具有良好的节能性，这在能源日益匮乏的今天尤为重要。因此，研究和设计该系统对于提高企业效率、改善人民生活水平、降低能源消耗具有重要的现实意义。1.4 国外研究综述 变频恒压供水是随着变频调速技术的发展而逐渐发展起来的。早期，国外制造的变频器

17、功能主要局限于频率控制、升降速控制、正反转控制、制动控制、变压变频比控制以及各种保护功能。在变频恒压供水系统的应用中，变频器仅作为执行机构。为了满足不同的供水需求，保证管网压力恒定，需要在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。根据查阅的资料，国外恒压供水工程在设计上都是采用一台变频器只有一台水泵机组的方式，几乎没有一台变频器带动多台水泵机组运行，投资成本高。即 1968 年，丹麦丹佛斯公司发明并首次生产出变频器(丹佛斯是全球传动产品的核心供应商之一)。随着变频技术的发展，变频恒压供水系统自动化程度高、稳定可靠、节能效果显著等优点，国外许多变频器厂家开始重视和引进具有恒压供水

18、功能的变频器。比如瑞典、瑞士的ABB集团就推出了暖通变频技术，法国施耐德公司推出了恒压供水基板，有“变频泵固定式”和“变频泵循环式”两种模式。它将PID调节器、PLC可编程控制器等硬件集成在变频器的控制板上，通过设置指令代码实现PLC、PID等电气控制系统的功能。只要配有匹配的恒压供水单元，就可以直接控制多个电磁接触器工作，最多可以组成 7 台电机(泵)的供水系统4。这类设备虽然使电路结构小型化，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高。难以实现与其他监控系统(如BA系统)和组态软件的数据通信，带负荷的容量有限，在实际使用中其范围会受到限制。目前很多国企都在

19、搞变频恒压供水项目。大多采用国外品牌的变频器来控制水泵的转速，水管网压力的闭环调节和多台水泵的循环控制，也有一部分采用可编程逻辑控制器(PLC)和相应的软件来实现。其中有些是由单片机和相应的软件实现的。但系统的动态性能、稳定性、抗干扰性能，在开放性等综合技术指标上，远不能满足所有用户的要求。华为(现已更名为艾默生)电气公司和希望集团(蓝森品牌变频器)也推出了恒压供水专用变频器(2.2kw-30kw)，无需外接PLC和PID调节器，即可完成多达四台水泵的循环切换、定时启停和定时循环。变频器在变频器中集成了压力闭环调节和循环逻辑控制功能，但其输出接口限制了负载能力，而且操作不方便，没有数据通讯功能

20、，只适用于容量小、控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国外变频调速恒压供水控制系统的研究和设计中，对于能够适应不同用水场合，结合现代控制技术、网络和通信技术，并兼顾系统电磁兼容性(EMC)的变频恒压供水系统水压闭环控制的研究还不够。因此，有必要进一步研究和提高变频恒压供水系统的性能，使其更好地应用于日常生活和生产实践中。目前给水泵站水泵机组变频调速系统的主要控制方式是采集管网压力信号，采用闭环控制方式，通过变频调速系统控制水泵机组转速，改变水泵出口扬程和电机输出功率。该技术通过变频调速进行改进。泵阀可处于全开位置，其出口压力等于管网供水压力。阀门的节流损失减少到零。由于变频器调节平稳，操作

21、人员可以自由控制，提高了供水质量和效率。可以避免由于阀门控制引起的泵过度偏离额定工作区域而引起的振动。一般来说，变频调速系统的应用主要是通过调节泵的转速来改变泵的出口扬程，从而满足泵在不同工况下的性能要求。由于启动缓慢，许多部件的使用寿命相应延长，尤其是密封和轴承。有效延长维修周期，降低维修费用，节省大量维修费用。采用变频调节后，系统实现软启动，电机的启动电流从零逐渐增大到额定电流，启动时间相应延长，对电网没有大的冲击，减少了启动机械转矩对电机的机械损伤，有效延长了电机的使用寿命。这种调节的目的是稳定水压，各种优化方案都是以主管(市政给水管)入口压力保持不变为条件的。实际上，给水泵站的出口压力

22、允许在一定范围内变化。所以这种控制方式缩小了优化范围，得到的解是局部最优解，不能完全保证泵站始终工作在最优状态。变频调速优于以往任何调速方式(如调压调速、变极调速、串级调速等。).它是当今世界效益最高、性能最好、应用最广、发展最有前途的电机调速技术。采用微电脑控制技术；电子技术和电机驱动技术实现了工业交流电机的无级调速，具有高效率、宽范围、高精度的特点。由变频器和PLC组成的控制系统具有可靠性高、抗干扰能力强、组合灵活、编程简单、维护方便、成本低、能耗低等特点。1.5 本设计的主要内容 本次设计的目标是通过变频恒压供水控制系统达到相关工艺的标准要求。本次设计的主要内容如下:(1)通过扬程特性曲

23、线和管道阻力特性曲线分析供水系统的工作点，根据管网和水泵的运行曲线说明供水系统的节能原理。(2)变频恒压供水系统的组成和工作原理。(3)分析变频恒压供水系统的组成和特点，探讨变频恒压供水系统的控制策略，总结实用的控制方案。(4)在介绍PID调节原理的基础上，分析了利用PID调节原理实现恒压供水的调节过程，并给出了PID参数的整定方法。2 变频恒压供水系统介绍 2.1 供水系统的基本特征 供水系统的基本特性和工作点扬程特性是以供水系统管路中的阀门开度不变为前提，表示一定转速下扬程 H 与水泵流量的关系曲线 f(Q)，如图 2-1 所示。从图 2-1 可以看出，流量 Q 越大，扬程 h 越小，由于

24、阀门开度和泵速不变，流量主要取决于用户的用水量。因此，扬程特性反映的是扬程 H 与水流量 Q 的关系，而管阻特性是建立在水泵转速不变的前提下，表示阀门在一定开度下扬程 H 与流量 Q 的关系为 H=f(Qu)。管道阻力特性反映了利用水泵的能量克服泵系统水位和压力差以及液体在管道中流动阻力的变化规律。从图中可以看出，在阀门开度相同的情况下，扬程 H 越大，流量 q 越大，阀门开度的变化实际上改变了供水系统在一定扬程下对用户的供水能力。因此，管道阻力的特殊驻留反映了扬程和供水流量 Qx 之间的关系 h=f(Qx)。水头特性曲线与管道阻力特性曲线的交点称为给水系统的工作点，如图 2-1 中的 A 点

25、所示。此时，用户的水流量 Qu 和供水系统的供水流量 Qx 处于平衡状态，供水系统既满足水头特性，又符合管道阻力特性，系统运行稳定。2.2变频调速原理变频供水系统的供水部分主要由泵、电机、管道和阀门组成。通常是鼠笼式异步电机带动水泵旋转供水，电机与水泵为一体，通过变频器调节异步电机的转速，从而改变水泵的出口流量，实现恒压供水(具体原理将在下一章介绍)。因此，变频在供水系统中的实质是异步电动机的变频调速。异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速来实现的。异步电机的转差率定义为:）（1/1Snn（2-1）异步电机的同步速度为：pfn/601 （2-2）异步电机的转速为：psfn/)

26、1(60 （2-3）其中:为异步电动机的同步转速；n是异步电动机的转子速度；f是异步电动机的定子电源频率；p是异步电机的极性数。从上式可以看出，当电机的电极对数P一定时，电机的转子转速N与定子电源的频率F成正比。因此，通过连续调节异步电动机的电源频率，可以连续平滑地调节电动机的同步速度，从而调节转子速度。变频调速能保持从高速到低速的有限转差率，因此变频调速具有效率高、精度高、调速范围宽、平稳性高、机械依赖性强等优点，其调速性能可与DC电机调速系统相媲美。因此，变频调速对交流异步电动机来说是一种合理而理想的方法。调速方法，广泛应用于水泵(风机)电机的调速。2.3 水泵调速运行的节能原理 在供水系

27、统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法有阀门控制法和速度控制法。阀门控制方式是通过调节阀门F的开度来调节流量，泵电机的转速保持不变。其本质是通过改变水路中的阻力来改变流速。因此，管道阻力特性会随着阀门开度的变化而变化，但其扬程特性不会发生变化。由于实际需水量是可变的，如果阀门开度在一段时间内保持不变，必然会出现超压或欠压现象。速度控制法是通过改变泵电机的转速来调节流量，而阀门的开度保持不变。就是通过改变水的动能来改变流量。因此，扬程特性会随着泵速的变化而变化，H(m)HAAQAQ 图 2-1 供水系统的主要特征 但管道阻力特性不会发生变化。变频供水属于调速。它的工作原理是根据用户用水量的变

28、化自动调节水泵电机的转速，使管网压力始终恒定。当用水量增加时，电机加速，当用水量减少时，电机减速。当阀门用于控制时，如果泵在供水高峰时工作在E点，流量为Q，扬程为H0，当从Q1到Q2的供水量减少时，阀门必须关小。这时，阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从向移动，而升程特性曲线(图2-2)保持不变。而扬程从H0上升到H1，工作点从E移动到F，此时泵的输出功率用图形表示为(0，Q2，F，H1)围成的矩形部分，其值为:10221QrHPd（2-4）当用调速控制时，若采用恒压（H0）、变速泵（n2）供水，管阻特性曲线为2，扬程特性变为曲线，n2，工作点从E点移到D点。此时水泵输出功率用图形表示为（0，Q2，

29、D，H0）围成的矩形面积，其值为：102P20QrHf （2-5）可以看出，通过改变速度控制，节能量为(H0，D，F，H1)围成的矩形区域，其值为:(2-6)因此，当阀用于控制流量时，会浪费一些能量。并且随着阀门不断关小，阀门的摩擦阻力不断增大，管道阻力特性曲线上移，工作点也上移，所以H1 增大，浪费的功率也相应增大。根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量Q、扬程H、功率P与转速N的关系如下:31212212121212;QQnnPPnnHHnn （2-7）其中Q1、H1 和P1 是换档前的流量、升程和功率，Q2、H2 和P2 是换档后的流量、升程和功率。从公式(2-7)可以看出，功率与转速

30、的立方成正比，流量难转速，损失功率与流量成正H(m)H1H2FDE0Q2Q1n1Q(m3/s)123 图 2-2 管网和水泵运行特性曲线 比。因此，速度控制方式的供水功率远小于阀门控制方式，节能效果显著。因此，本文的供水系统采用变频调速恒压供水方式。3 恒压供水系统的理论分析和方案 3.1 供水压力与变频器输出频率的关系 在变频恒压供水系统中，通过控制变频器的输出频率来实现供水压力。确定供水压力与输出频率的关系是设计控制策略和确定控制算法的基础。泵站使用的水泵是离心泵，通过装有叶片的叶轮的高速旋转来输送水流，即通过叶轮的高速旋转带动水流高速旋转，水流产生的离心力将水甩出，因此得名离心泵。在给水

31、排水工程中，从使用水泵的角度来看，水泵的工作必然与很多外界条件用管道系统联系在一起。在给排水工程中，将水泵与管道及所有附件连接后的系统称为“装置”。在控制系统的设计中，真正对系统的分析和设计有价值的是这类装置，而不仅仅是孤立的水泵。在水泵的结构和原理中，有一些参数是评价水泵性能的。供水系统的主要参数如下:流量(Q):单位时间内流经管道某一段的水的流量。当管道的截面不变时，它的大小取决于水流的速度。常用单位是sm/3。扬程（H）：供水系统把水从一个位置上扬到另一位置时水位的变化量，数值上等于对应的水位差。其常用单位是 m。轴功率（N）：水泵轴上的输入功率（电动机的输出功率），或者说是水泵取用的功

32、率。效率（）：水泵的有效功率和轴功率之比，其中有效功率是指单位时问通过水泵的液体从水泵那里得到的能量。转速（n）：水泵叶轮的转动速度 根据水泵理论，在图 3-1 中，gvvrPvd2PZH2122 （3-1）其中，vP：真空表读数（公斤/厘米）dP：压力表读数（公斤/厘米）：水的单位容积重量 Z：水泵出水口测量点与进水口测量点位置差造成的附加扬程 gvv22122：水泵出水口与进水口的动能增量转化的扬程 由于水泵在送水的过程中，清水池水位一般高于水泵的测量点，所以不存在进水口抽真字，所以在进水口的真空值为0。水泵进水口与出水口都沿水平方向放置，位置差为0。水泵在正常工作时，动能的变化相对比较小

33、。考虑到这些具体情况，上式可以改写为：dPH （3-2）水泵的轴功率为：rQHN （3-3）把扬程的表达式带入上式，得：dQPH （3-4）水泵是与一台交流感应电机相连，由电机带动其运行的，电机的转速与水泵的转速一样，电机的输出有效功率与水泵的轴功率相等。在电机理论中，感应电机的机械功率Pm为：2212212211)()(PXXsRRsRUmm （3-5）在变频调速时，由于磁通m不变，从电机公式 mwNKfEf44.4U1111（3-6）可以看出，要使主磁通m保持不变，则11/U f必须保持不变。因此在变频调速过程中，电压应该与频率成正比例变化，设 11KUfu （3-7）代入式（3-5）得：

34、22122121221)()sR(PXXRfsRkmum （3-8）根据能量守恒定律，有 mPN（3-9）其中，为电机的效率，所以，水泵装置在变频调速的工作状态下运行时，有 22121221)XX()sR2R1(fsRkmQPud （3-10）从上式可以看出，当变频器的输出频率一定的情况下，当用户用水量增大，从而Q增大时，压力表的读数将会变小，即管网的供水压力将会降低。为了保持供水压力，就必须增大变频器的输出频率以提高水泵机组的转速；当用户的用水量减小时，Q减小，在变频器输出频率不变的情况下，管网的供水压力将会增大，为了减小供水的压力，就必须降低变频器的输出频率。由于用户的用水量是始终在变化的

35、，虽然在时段上具有一定的统计规律，但对精度要求很高的恒压控制来讲，在每一个时刻它都是一个随机变化的值。这就要求变频器的输出频率也要在一个动态的变化之中，依靠对频率的调节来动态地控制管网的供水压力，从而使管网中的压力恒定。3.2 变频恒压供水系统模型 3.2.1 变频恒压控制的理论模型 变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段是一个常数。所以，在某个特定时段，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上，从图3-2中可以看出，在系统运行过程中，如

36、果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机组转速增大，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，直到实际供水压力和设给定参数变频器（PLC）水泵频率反馈参数转速管网实际压力压力传感器 图 3-2 变频恒压控制原理 大气压大气压PdV2PvV1 图 3-1 离心泵装置 定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速减小，实际供

37、水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。3.2.2 变频恒压供水系统的近似数学模型 如前文所述，由于变频调速恒压供水系统的控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象，我们难以得出它的精确数学模型，只能进行近似等效。水泵由初始状态向管网进行恒压供水，供水管网从初始压力开始启动水泵运行，至管网压力达到稳定要求时经历两个过程：首先是水泵将水送到管网中，这个阶段管网压力基本保持初始压力，这是一个纯滞后的过程；其次是水泵将水充满整个管网，压力随之逐渐增加直到稳定，这是一个大时间常数的惯性过程；然而系统中其他控制和检测环节，例如变频环节、继电控制转换、压力检测等的

38、时间常数和滞后时间与供水系统的时间常数和滞后时间相比，可忽略不计，均可等效为比例环节。因此，恒压供水系统的数学模型可以近似成一个带纯滞后的一阶惯性环节，即可以写成：1KeG(s)s-Ts （3-11）3.3 变频恒压供水系统控制方案的确定 3.3.1 供水系统的控制过程 从变频恒压供水的原理分析可以看出，该系统主要包括压力传感器、压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵单元和低压电器。系统的主要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，实现管网水压恒定和水泵电机软启动与变频水泵、工频水泵切换，同时传输运行数据。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，有以下方案可供选择

39、:带供水基板+水泵机组+压力传感器的变频器 该控制系统结构简单。它将PID调节器、PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水板上，通过设置指令代码实现PLC、PID等电控系统的功能。虽然使电路结构小型化，降低了设备成本，但是压力的设定和压力反馈值的显示比较麻烦，不能自动实现不同时间段的不同恒压要求。调试过程中，PID调节参数难以优化，调节范围小，系统的稳态和动态性能不易保证。其输出接口扩展功能缺乏灵活性，数据通讯困难，带负载容量有限，只适用于要求不高的小容量场合。变频器+单片机(包括变频控制和调节器控制)+人机界面+压力传感器 该方法具有控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便、性价比高等优点。但

40、是开发周期长，程序一旦固化，修改起来比较麻烦，现场调试的灵活性较差。同时，变频器运行时，会造成干扰。变频器的功率越大，干扰越大，因此必须采取相应的抗干扰措施，以保证系统的可靠性。该系统适用于特定领域的小容量变频恒压供水。变频器+PLC(包括变频控制和调节器控制)+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，可以方便地与其他系统交换数据；通用性强。由于PLC产品的系列化和模块化，用户可以灵活地组成不同规模和要求的控制系统。在硬件设计中，只需要确定PLC的硬件配置和I/O的外部连接。当控制要求改变时，可以通过P机方便地改变存储器中的控制程序，现场调试方便。同时，由于PLC抗干扰

41、能力强、可靠性高，大大提高了系统的可靠性。因此，该系统可适用于各种不同要求的恒压供水场合，与供水机组的容量无关。通过对以上方案的比较分析，可以看出“变频器主电路+PLC(包括变频控制和调节器控制)+人机界面+压力传感器”的控制方式更适合本系统。该控制方案不仅具有扩展功能灵活方便、数据传输方便的优点，而且满足系统稳定性和控制精度的要求。确定供水系统总体设计方案的基本依据是设计供水能力能满足系统最不利点的用水需求，同时应结合用户用水量的变化类型考虑方案的适用性、节能等技术要求。根据用户用水时段的特点，用户用水变化类型可分为连续型和间歇型两大类。根据水流变化特征，可进一步细分为高流量型、低流量型和全

42、流量型。在不同的季节和月份，流量变化的类型也会发生变化。连续型是指一天中流量很少为零的时间，或者管网本身的正常泄漏保持一定的流量；间歇性是指一天中有多个低耗水时段，流量很小或为零；各种水流的变化曲线如图 3-3 所示。设计的给水系统主要用于居民用水，其水量主要集中在早晚，通常处于低流量状态，属于连续低流量变化型。这种需水量在很长一段时间内表现为低流量，与设计流量相比有较大的余量。变频调速恒压供水节能效果明显，比常见的工频气动供水设备平均节能可达 30%。水泵变频软启动的低冲击电流也有利于电机泵的寿命。另外，水泵低速运转时，稳定且噪音低。由于用水量变化不大，采用多台泵并联供水，并根据用水量调整输

43、入泵的数量。在整个流程中，采用变频泵连续调节和工频泵分级调节相结合的方式，使供水量保持在设定值。多台水泵并联代替一两台大型水泵单独供水不会增加投资，但其好处是多方面的。首先节能，每台泵都能高效运行，长期运行成本低；其次，供水可靠性好。当一台泵出现故障时，一般不会影响系统的供水，小泵的维护和更换也很方便；三是小泵启动电流小，不需要增加供电容量；第四，只需要单个泵来配置变频器的容量，从而减少投资。为了进一步降低功耗，在低供水量或夜间使用小流量泵维持正常的泄漏和水压。多泵变频循环工作模式的可靠切换是实现多泵分级调节的关键。可选择编程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的PLC通过编程

44、实现。供水系统的恒压由压力变送器、PID调节器和变频器组成的闭环调节系统控制。根据水压的变化，变频器调节电机转速，实现恒压。为了减少泵组和管道上的水锤，泵组配有电动蝶阀，开启泵后开启，停止泵后关闭。为了实现远程监控功能，系统还配备了计算机和通信模块。综上所述，变频恒压供水系统可分为三部分:执行机构、信号检测机构和控制机构，具体来说:执行机构:执行机构由一组水泵组成，用于向用户管网供水，包括变频泵和 辅助泵，变频泵是由变频调速器控制，频率可调的水泵，用于根据用水量的变化改变电机的转速，以保持管网水压恒定；辅助泵只在启动和停止两种工作状态下运行，在用水量较小时(如夜间)少量补充管网用水量。在变频调

45、速恒压供水系统中，形成水泵群的原因有几个:用几台小功率水泵代替一台大功率水泵，使水泵选型容易，这种结构更适合大功率供水系统；增加和减少供水系统的容量很容易，不需要更换水泵，只要增加定速泵即可；用小功率变频器替代大功率变频调速器，降低系统成本，提高系统运行可靠性；增加了辅助泵，当系统用水量较低时(如夜间)，可以停止所有主泵，用小泵补水，降低系统运行噪音。当用水量不太大时，系统中的泵并不都在运行，这样可以延长泵的运行寿命，降低系统的功耗，达到节能的目的。信号检测机制: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。不会。水压信号反映的是用户管网的水压值，是恒压供水控制的主要反馈信

46、号。这个信号是模拟信号，读入PLC需要A/D转换。另外，为了加强系统的可靠性，供水的上限压力和下限压力需要用电接点压力表进行测试，测试结果可以送到PLC进行数字输入；液位信号反映了泵的进口水源是否充足。当信号有效时，控制系统应对系统实施保护控制，防止电机和水泵因空抽而损坏。这个信号来自安装在水源处的液位传感器；报警信号反映系统运行是否正常，泵电机是否过载，变频器是否异常。这个信号是一个开关信号。控制机构:供水控制系统一般安装在供水控制柜内，包括供水控制器(PLC系统)和变频。和电子控制装置。供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接采集系统中的压力、液位和报警信号，分析来自人机

47、界面和通讯界面的数据信息，执行控制算法，获得对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器控制执行机构(即水泵)；变频器是控制水泵速度的装置。它跟踪供水控制器发出的控制信号来改变调速泵的运行频率，完成调速泵的速度控制。根据水泵机组中水泵被变频器拖动的情况，变频器有两种工作模式，即变频循环式和变频固定式。变频循环式是指变频器拖动某台水泵作为调速泵。当这台水泵以 50Hz运行时，它的供水量仍然不能满足用水需求。当需要增加一台水泵机组时，系统首先将水泵电机上的变频器拆下，将水泵切换到工频，同时拖动另一台交流频率的水泵电机。变频固定式是指由变频器驱动的泵作为调速泵。当这台泵以 50Hz运行时，它的供水量

48、仍然不能满足用水需求。当需要额外的泵机组时，系统直接启动另一台恒速泵，变频器不切换。系统运行前可选择变频器驱动的泵。本文采用前者。作为控制系统，报警器是不可缺少的重要组成部分。本系统可应用于不同的供水领域，为保证系统安全、可靠、稳定运行，防止因电机过载、变频器报警、电网波动过大、供水水源中断等原因造成的故障，系统必须监测各种报警量，PLC应判断报警类别，显示和控制保护动作，避免不必要的损失。现在系统控制流程描述如下:1)系统通电后，收到自动控制系统的有效启动信号后，启动变频器拖动水泵M1。通过恒压控制器，根据用户管网实际压力与设定压力的误差来调节变频器的输出频率，控制M1 的转速。当输出压力达

49、到设定值，供水量和耗水量达到平衡时，转速将稳定在一定值。在此期间，M1工作在调速运行状态。2)当用水量增加，水压降低时，通过压力闭环和恒压控制器将水泵转速提高到另一个新的稳定值；否则，当用水量减少，水压增加时，通过压力闭环和恒压控制器将水泵转速降低到另一个新的稳定值。3)当用水量继续增加，变频器输出频率达到上限频率 50Hz时，如果此时用户管网实际压力未达到设定压力，且满足增加水泵的条件(详见下文)，在变频循环的控制模式下，系统会将电机M1 切换到工频电网供电，然后将第二台水泵M2 投入变频器进行变速运行。当M2 投入运行，变频器输出频率达到上限频率 50Hz时，压力仍未达到。4)当用水量下降

50、，水压上升，变频器输出频率下降到下限频率，用户管网实际水压仍高于设定压力值，且满足减少水泵的条件时，系统将关闭最后转换为工频运行的水泵，恢复水压闭环调节，使压力再次达到设定值。当用水量继续减少，满足减少水泵的条件时，上述转换将继续，直到剩下一台变频泵运行。5)当系统中只有一台调速泵运行，且调速泵运行频率已降至下限频率，且满足停泵条件时，此时应停调速泵。系统通过附属的小泵进入少量供水状态。在这种情况下，如果实际压力低于设定压力，延迟一段时间后开启辅助泵进行补水。辅助泵开启后，如果实际压力高于辅助泵工作压力(设定压力+辅助泵启停压力误差)，则关闭辅助泵。当实际压力再次低于设定压力时，重复上述过程。