基于plc的水廠變頻調速恒壓供水系統設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 因此把水從一個位置“上揚”到另一位置時，用水位的變化量(即水位差) 代表揚程。即水泵揚程最終反映的是水泵供水高度。水泵總揚程包括把水上揚到最高水位所需的能量，以及克服管阻所需的能量和保持流速所需的能量，等于排水垂直水柱和管路阻力損失水柱之和。實際揚程是通過水泵實際提高的水位所需的能量。損失揚程是全揚程與實際揚程之差,即 :總揚程= 實際揚程+損失揚程(3) 功率水泵功率有兩種:有效功率 PM 和軸功率 PN。有效功率 PM(KW)為泵內液體實際所獲得的凈功率；軸功率 PM(KW)是水泵在一定流量、揚程下運行時所需的外來功率，即由電動機傳給水泵軸上的功率。軸功率不可能全部傳給液體，而要消耗一部分功率后，才成為有效功率。(4) 效率有效功率與軸功率的比值為效率 η （21 ）mnP=?水泵效率標志著水泵傳遞能量的有效程度，亦即反映了泵內功率損失的大小，是一項重要的技術經濟指標。(5) 轉速 n 第二章 變頻調速恒壓供水系統的理論分析 7轉速 n 是指葉輪每分鐘的轉數。當轉速改變后，水泵工作性能也隨著改變。(6) 壓力 pP 表示供水系統中某個位置或某個點水壓的物理量，其大小在靜態時取決于管路的結構和所處的位置，而在動態情況下，則還與供水流量與用水流量之間的平衡情況有關。 水泵的供水特性水泵的供水特性包括揚程特性和管阻特性 [7]。(1) 揚程特性在管路中閥門完全打開的情況下，表明全揚程 H 隨用水量 Q 變化曲線H=f(Q)，稱為揚程特性曲線，如圖 21 所示。圖中 A1 點是流量較小(等于 Q1)時的情形，這時全揚程較大，為 H1；A2 點是流量較大(等于 Q2)時的情形，這時全揚程較小，為 H2。當流量越大時，管道中的摩擦損失以及保持一定流速所需的能量也越大，故供水系統的全揚程就越小。流量的大小取決于用戶，是“用水流量” 。因此，揚程特性反映了用戶的用水需求對全揚程的影響。圖 21 水泵的揚程特性(2) 管阻特性管阻是管道系統(包括水管、閥門等) 對水流阻力的物理量。通常用揚程與流量間的關系曲線來描述。管阻特性也叫管路特性，是反映為了維持一定的流量而必須克服管阻所需的能量，它和閥門開度有關。實際上是表明當閥門開度一定時，為了提供一定流量的水所需要的揚程，因此這里的流量可以理解為“供水流量” ，用 Q 表示.所以管阻特性的函數關系是 H=f(Q)，如圖 22 所示，供水流量較小(Q=Q 1)時，所H12 A1 A2Q1Q2Q廣東石油化工學院本科畢業( 設計) 論文：基于 PLC 的變頻調速恒壓供水系統的設計8需揚程也較小(H=H 1)，如點 B1。反之，在供水流量較大(Q=Q 2)時，所需揚程也較大(H=H 2)，如點 B2。管阻特性的起始揚程等于靜揚程 HA，如果全揚程小于靜揚程的話，將不足以克服管路的管阻，從而不能供水，因此，靜揚程也是能夠供水的“基本揚程” 。圖 22 水泵的管阻特性 水泵的工作點確定水泵工作點是指水泵在確定的管路系統中，實際運行時所具有的揚程、流量以及相應的效率、功率等參數 [8]。水泵在實際運行時的工況點取決于水泵性能管路性能以及所需實際揚程。這三種因素任一項發生變化，水泵的運行工況都會發生變化。如果把某一水泵揚程特性曲線和管阻特性曲線畫在同一坐標系中(圖 23)，則這兩條曲線的交點A 就是水泵的工作點。H 1H2 A B1 B2Q1Q20HA A0 QA Q 管 阻 特 性 曲 線 揚 程 特 性 曲 線 水 泵 效 率 曲 線 第二章 變頻調速恒壓供水系統的理論分析 9圖 23 水泵的工作點的確定工作點 A 是水泵運行的理想工作點，若把水泵的效率曲線也畫在同一坐標系中，在圖 23 中可以找出 A 點的揚程 H、流量 Q 以及效率 η。從圖中可以看出，水泵在工作點 A 點提供的揚程和管路所需的揚程相等，水泵抽送的流量等于管路所需的流量，從而達到流量和能量的平衡，這個平衡點是有條件的，平衡也是相對的。實際運行時水泵并非總是固定在 A 點。一旦當水泵和管阻特性中的一個參數或所有參數同時發生變化時，平衡就會被打破，并且在新的條件下出現新的平衡。另外確定工況點一定要保證水泵裝置在高效率范圍內運行。工作點的參數，反映水泵裝置的工作能力，是泵站設計和運行管理中的一個重要問題 [9]。供水功率是供水系統向用戶供水時所消耗的功率 P(KW)稱為供水功率，供水功率與流量 Q 和揚程 H 的乘積(如圖 23 中 0QAAHA 的面積)成正比。 水泵的工作點調節對供水系統進行的控制，歸根結底是為了滿足用戶對流量的需求。所以在供水系統中，最根本的控制對象是流量。而流量的大小又取決于揚程，實際運行中水泵的流量是隨著用水量的變化而變化的，揚程也因水位和流量的變化而變化，因此水泵不能總工作在一個工況點，需要根據實際情況進行控制，因此要討論節能問題，必須從考察調節流量的方法入手，即工況點的調節方法，常見的方法有閥門控制法和轉速控制法兩種 [9][10]：(1) 閥門控制法圖 24 管網和泵運行曲線閥門控制法屬于節流調節，即通過關小或開大閥門來調節流量，而泵的轉速保持不變。閥門控制法的實質是水泵本身的供水能力不變，而是通過改變水HBF HA c H0 B4123 閥 門 關 小 閥 門 開 大 額 定 轉 速 轉 速 下 降C 0 QBQAQ廣東石油化工學院本科畢業( 設計) 論文：基于 PLC 的變頻調速恒壓供水系統的設計10路中的阻力大小來強行改變流量，以適應用戶對流量的要求。這時管阻特性將隨閥門開度的改變而改變，但是揚程特性不變。這種通過關小閘閥來改變水泵工作點位置的方法，稱為節流調節，如圖 24 所示。泵的初始工作點在 A 點，水泵提供的揚程、流量恰好與管路所需得揚程、流量相等。當用戶所需流量減少時，設從 Qa 降至 Qb，必須把水泵出水口閘閥關小來減少水泵出口水流量，使之與管網所需流量相等，否則會因管網過載而造成爆管的危險。此時，管阻特性由曲線 2 變為曲線 4，水泵的工況點則沿著水泵特性曲線由 A 點移至 B 點，此時流量減小了，但揚程卻由 HA 增大到 HB。供水功率與面積 OEBF 成正比，水泵所提供的能量一部分消耗于克服閘閥的附加阻力，造成額外損失。并且隨著閥門的不斷關小，閥門的摩擦阻力不斷變大，管阻特性曲線上移，運行工況點也隨之上移，于是 H 增大，而被浪費的功率要隨之增加。(2) 轉速控制法轉速控制法屬于變速調節，是通過改變水泵的轉速來調節流量，而閥門開度則保持不變(通常為最大開度) ，轉速控制法的實質是通過改變水泵的供水能力來適應用戶對流量的要求，當水泵的轉速改變時，揚程特性將隨之改變而管阻特性不變。如圖 24，當用戶所需用水流量由 QA 減小至 QB，當轉速下降時，揚程特性變為曲線 3，管阻特性仍為特性曲線 2，故工作點從 A 點移動到 C 點，在 C 點流量減小為 QB，而揚程減小為 HC，供水功率與面積 0ECHC 成正比。兩種方法比較:由于閥門控制是通過增加管道的阻力而達到控制流量的目的，因而浪費了能量。 而電動機調速控制可以通過改變水泵電動機的轉速來變更水泵的工況點，使其流量與揚程適應管網用水量的變化，從而達到節能的效果。但由于開環轉速控制中，揚程隨著流量的減小而減小，往往不能滿足實際工程需要。 第二章 變頻調速恒壓供水系統的理論分析 11圖 PHH ’H*0QAQBQCA’A BCn2n1nNQ 變頻恒壓控制工況點調節因此采用閉環恒壓控制，對于變頻調速恒壓控制，工況點如圖 所示，理想運行特性曲線為直線 H*ABC。 三相異步電動機的調速 異步電動機調速原理變頻供水系統是通過變頻器控制泵的異步電機的轉速，通過異步電動機驅動水泵供水來改變水泵的實時供水量，完成恒壓供水的目標。因此，供水系統變頻調速的實質是異步電動機的變頻調速。三相異步電動機的調速是指在電動機負載不變的條件下，通過控制改變電機轉速，達到用戶要求。這種調速方式，可以大大簡化系統中的變速機構，提高系統的性能價格比。異步電動機的變頻調速是通過改變定子供電頻率來改變同步轉速而實現調速的。異步電動機的同步轉速為: （22）106fn=p其中 n0是異步電動機的同步轉速，f 1是異步電動機的電源頻率，p 為異步電動機的極對數。異步電動機的轉差率為： （23）0nS=?其中 n 為異步電動機的轉子轉速。廣東石油化工學院本科畢業( 設計) 論文：基于 PLC 的變頻調速恒壓供水系統的設計12根據公式 ()和公式 ()，得三相異步電動機的轉速為 : （24）160fn=Sp（ ） 調速方法由公式 ()可知，異步電動機可以通過改變電源頻率、磁極對數和轉差率實現調速。(l) 變極調速改變定子極對數，可使異步電動機的同步轉速 改變，從而得到轉106fn=p速的調節。改變電機的極對數調速相當困難，這會使電機結構變復雜，而且不能實現無級調速。(2)變轉差率調速變轉差率調速即轉子電路串接電阻調速、改變定子電壓調速、滑差電機等。這些方法的共同特點是:在調速過程中均產生大量的轉差功率，消耗在轉子電路，使轉子發熱，調速的經濟性較差，會使效率降低，而且調速范圍也受到限制。(3)變頻調速當極對數 p 不變時，電機轉子轉速 n 與電動機的電源頻率 f1 成正比。因此，通過連續調節異步電動機供電頻率，就可以平滑的調節電動機的轉速。異步電動機變頻調速具有調速范圍廣、平滑性較高、機械特性較硬的優點。實現這種調速的設備稱作變頻器，變頻器的硬件組成框圖見圖 26 所示。整流電路 中間電路逆變電路控制電路M3 ~外部接線端子控制面板交流電源RST圖 26 交流變頻調速器的基本原理下面簡單介紹一下變頻器的工作原理:變頻器由整流電路、中間電路、逆變電路、控制電路、操作面板等組成。交流電源首先經過整流電路，將工頻交流電源整流成直流，通過中間電路中的電感或者電容濾波作用，使整流后的直流紋波降低，同時中間電路可以降低逆 第二章 變頻調速恒壓供水系統的理論分析 13變電路反饋到工頻電源的諧波電流。逆變電路是變頻器的功率輸出部分，一般由多刀 T 等大功率開關器件及其驅動、保護電路構成。逆變電路接受來自控制板的控制信號，將直流電進行逆變成交流電，而逆變得到的交流電的頻率、電壓是可變的。控制電路是變頻器的控制中心，它可以根據外部接線端子、操作面板或者由上位機來的通訊指令控制變頻器中的逆變電路輸出一個頻率和電壓可變的交流電壓。一般在控制電路中還集成了其它功能，如 PID 調節器等。操作面板是變頻器人機對話的界面，通過操作面板可以觀察變頻器的運行狀態，或者修改變頻器的運行參數。綜上所述，通過改變電源頻率的方法，可以從高速到低速保持高效率、寬范圍和高精度的調速性能。 本章小結本章分析了供水系統的基本特性。根據揚程特性曲線和管阻特性曲線可以看出用水流量和供水流量處于平衡狀態時系統穩定運行。在供水系統中采用變頻調速是由于水泵的功率與轉速的立方成正比，所以調速控制方式要比閥門控制方式節能效果顯著。通過對電機的幾種調速方式的分析比較，采用變頻調速實現恒壓供水，能夠提高系統的可靠性，降低能耗。廣東石油化工學院本科畢業( 設計) 論文：基于 PLC 的變頻調速恒壓供水系統的設計14第三章 變頻調速恒壓供水系統的設計 變頻恒壓控制原理恒壓供水控制原理圖如 31 所示：圖31 閉環恒壓供水原理圖用戶用水的多少是經常變動的，因此供水不足或供水過剩的情況時有發生。而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低。 用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時供水也多，用水少時供水也少，從而提高了供水的質量。如圖 所示，變頻器是電機變頻調速的執行者，只要改變 f 就可實現 n 的變化，從而達到無級調速的目的。測量元件用壓力變送器，U *為恒定壓力供水設定值。供水壓力 P 作為輸出量，構成閉環控制系統。在運行中，當用水量增大的時候，水管道內壓力值變低，反饋值 Uf 變小，即 U*大于 Uf 時，變頻器通過內置 PID 進行調速，使電機的轉速加快，增加水流量，提高管道壓力，直到管道壓力 P 與設定壓力 U*對應的期望壓力值相等。當用水量減少時，水管道內壓力值 p 變大，反饋值 Uf 變大，即