基于PLC和变频器的恒压供水自动控制系统设计

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

2.2 恒压供水系统的基本构成与原理简介

人们的生产和生活都离不开用水。一般在水源离用水场所较远的场合，需要管道的输送。将水送到远处或较高的地方，管道中是需要有一定水压的，水泵是产生水压的设备，水泵转动的越快，产生的水压越高。水压高了，才能将水输送到远处或较高楼层。而在高层住宅小区里，用户用水的多少是经常变动的，供水不足或供水过剩的情况时有发生。保持供水的压力恒定，可使供水和用水之间保持平衡，即用水多时供水也多，用水少时供水也少，从而提高了供水的质量。由水泵—管道供水原理可知，调节供水流量，原则上有二种方法，第一种方法是节流调节，开大供水阀，流量上升，关小供水阀，流量下降。第二种方法是调速调节，水泵转速升高，供水流量，增加转速下降，流量降低。对于用水流量经常变化的场合，采用调速调节流量，具有优良的节能效果。其优点是启动平稳，启动电流可限制在额定电流以内，从而避免启动时对电网的冲击。由于泵的平均转速降低了，从而可延长泵和阀门等的使用寿命，可以消除启动和停机时的水锤效应。在锅炉和其他燃烧油的场合，恒压供油可使油的燃烧更加充分，大大地减轻了对环境的污染。

变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器、工控机以及控制柜等构成。

压力传感器用于检测管网中的水压，常设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低，用水量小时，水压升高。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给变频器。

变频恒压供水一般由压力变送器采样水压信号并且与系统设定压力值比较后产生输出信号，再经变频器控制水泵电机转速，实现恒压供水。水泵转动的越快，产生的水压越大，才能将水输送到远处或较高的楼层。

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2.3 变频调速的节能原理

我国的电动机用电量占全国发电量的60%~70%，风机、水泵设备年耗电量占全国电力消耗的1/3。造成这种状况的主要原因是风机、水泵等设备的传统调速方法是通过调节入口或出口的挡板、阀门开度来调节给风量和给水量，其输出功率大量地消耗在挡板、阀门的截流过程中。由于风机、水泵类大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当风机、水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降，因此节能潜力非常大，最有效的节能措施就是采用变频调速器来调节流量、风量，采用变频器节电率为20%~50%，而且，在通常的设计中，用户水泵电机设计的容量比实际需要高出很多，存在大马拉小车的现象，效率低下，造成电能的大量浪费。因此，推广交流变频调速装置效益显著。

采用变频器驱动具有很高的节能空间。目前，许多国家均己指定流量—压力控制必须采用变频调速装置取代传统方式，这将大大的节省能源与降低成本[2]。 2.3.1 变频节能

⑴ 调速原理。在三、四十年代，电机调速理论和技术已在一些工业发达国家开始研究和应用，如通过改变电机的磁极对数、利用发电机改变交流电源的频率值、在转子电路中加入调速变阻器或磁性放大器等方法对交流电机进行调速。但都由于技术及设备复杂而不能在工业生产实际中广泛应用，随着微机应用技术的发展，特别是到了80年代采用大功率晶体管后，使得工业交流电机调速技术有了广泛应用的可能。

目前，水泵电机绝大部分是三相交流异步电动机，根据交流电机的转速特性，电机的转速为

n?60f(1?s)/p （2-1） 其中，n为电机转速；f为电源频率；s为转差率；p为电机的级对数。

当水泵电机选定后，p为定值，也就是说电机转速的大小与电源的频率高低成正比，频率越高，转速越高；反之，转速越低。变频调速就是根据这一原理，通过改变电源的

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频率值来实现水泵电机的无级调速。

变频调速时，从高速到低速都可以保持有限的转差率，因而变频调速具有高效率、高精度、调速范围广、平滑性较高、机械特性较硬的优点，调速性能可与直流电动机调速系统相媲美。因此，变频调速是交流异步电机一种比较合理和理想的调速方法，它被广泛地应用于对水泵电机的调速。

⑵ 变频调速时的电机特性。电动机稳定运行时实际输出转矩由负载的需要来决定，在不同的转速下，不同的负载需要的转矩也是不同的，调速方法和控制特性应适应负载的要求。

①水泵负载转矩特性。水泵负载转矩TL基本上与转速的平方成正比，即

TL?kn2 (2-2)

式中，k为比例常数。

②变频调速时电动机的机械特性。变频调速时，为了使电动机的运行性能好，励磁电流和功率因数应基本保持不变，即希望气隙磁通?保持不变，若???N(?N为额定运行时的磁通)，将引起电机磁路过分饱和而使励磁电流增加，功率因数降低；若???N，必将使电机的容许输出转矩下降，电机的功率将得不到充分利用,因此，变频调速一般应使气隙磁通保持不变。

根据电动机的等效电路，在忽略定子漏阻抗压降的条件下，定子的相电压U1与气隙磁通?和频率f之间的关系为

U1?E1?4.44f1N1kN1? （2-3）

式中，N1kN1为定子绕组每相的有效匝数，当电机确定后，为一常数。由式2.3可知，在f1变化时，电机的端电压U1必须与频率f1成正比变化，才能保持?必不变，即

U1/f1?常数 （2-4）

电动机的电磁转矩为

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R,23s （2-5） T?pU122,2???R2?2?f1??R1????x1??x1???s??????式中，p为电动机的磁极对数；R1，x1?为定子每项绕组的电阻和额定频率fN下的漏抗；

s为转差率，即

s?n0?n （2-6） n0式中，n0为某一频率下的同步转速，即

n0?60f1 （2-7） p令dT/ds?0，求得电动机的最大电磁转矩Tm为

Tmax?3pU124?f1[R1?(x1??x2?)?R1],22 (2-8)

在变频调速过程中，保持U1/f1?常数，也就是保持气隙磁通近似为常数，若令

f1=?fN，则U1??Un，此时的电磁转矩

T?2,3pUN?R22?fN[(sR1?R)??,222?x1??x,2??]2 （2-9）

相应的最大转矩为

Tmax?23p?UN,4?f1?R1??2?x1??x2?R12??????? (2-10) 式中，??f1/f2?n0/n0N；n0N为额定频率下fN的同步转速。

正常运行时，s很小，约5%在之内，式2-9中sR1忽略不计。在一定的负载转矩下，变频调速运行时，转速之差将不变，转矩特性（稳定运行段）在U1/f1?常数运行方式下，当?不同时，它为一族平行的曲线。

从式2-10可以看出，由于定子电阻R1的存在，随着运行频率的降低，R1与电抗

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