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）

,??x1??x2??相比，R1的作用愈来愈大，使最大转矩Tmax将明显减小。

③恒压变频供水系统中负载转矩TL与电机实际输出转矩T2的配合。根据电力拖动系统的运动方程式，再忽略空载转矩条件下，电磁转矩T?T2，这样，运动方程式为

GD2dn T?TL?? （2-11）

375dt式中，GD2为系统的飞轮矩。

可见，在基频fN以下实现调速，调速范围比较大，即使考虑低频下的影响，仍可使系统稳定可靠运行，非常适宜供水系统昼夜用水变化较大的场合。

由于采用恒u/f的控制特性，使整个调速运行中，?保持额定磁通，?N保持不变，从功率因数看，是最好的控制特性。

⑶ 水泵调速运行的节能原理。离心式水泵广泛应用于工业和生活供水系统中。其输出特性取决于水泵的种类和供水管网系统的阻力特性。

水泵轴功率按下式计算：

p?QH? （2-12） 102?式中，p为轴功率；Q为工况点的流量；H为工况点的扬程；?为介质的单位体积重量；

?为工况点的效率。

每台水泵只有在原设计工况点时，泵的使用效率才为最高点，偏离这个工况点效率就会降低。

根据以上分析，按照供水系统的实际流量Q0和扬程H0以及与之相对应的水泵使用效率?可以算出水泵经济的轴功率，即

P0?Q0H?102?0 (2-13)

这样，整个供水系统的节能潜力为:

W?(P?P0)t （2-14）

17

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

式中，P为水泵消耗的总轴功率；t为水泵运行时间。

水在管道输送时，受到管网阻力的作用。管网装置特性可以从阀门全开时测得的各种数据，由下式求得：

H2?kQ2?Hj （2-15）

式中，k为阻力系数；Hj为泵进出口水位差。从管网特性上求得管网实际所需的性能以及泵与管网性能的匹配情况，以此作为水泵节能依据。

根据式2-13求出阀门控制流量运行时的泵轴功率为：

P1?Q1H1? (2-16) 102?0变频调速运行时的泵轴功率为:

P2?Q1H2? (2-17) 102?0两者之差

? (2-18) ?P?P1?P2?(H1?H2)Q1?/102也就是说，用阀门控制流量时有?P的功率被白白浪费了，而且损耗随着阀门的关小而增加，而被浪费的功率要随之增加。

根据水泵运行的相似定律，变速前后流量Q、扬程H、轴功率P与转速N之间的关系为:

Q2N2HNPN?；2?(2)2；2?(2)3 (2-19) Q1N1H1N1PN11式中，Q1、H1、P1为变速前的流量、扬程、功率；Q2、H2、P2为变速后的流量、扬程、功率。

由式2-19可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式供水功率要小得多，节能效果显著。

例如:一台水泵电机功率为55kw，当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为

18

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

28.16kw，省电48.8%，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量为6.875kw，省电87.5%。 2.3.2 功率因素补偿节能

无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是功率因数的降低导致电网有功功率的降低，大量的无功电能消耗在线路当中，设备使用效率低下，浪费严重。普通水泵电机的功率因数在0.6~0.7之间，使用变频调速装置后，由于变频器内部滤波电容的作用，功率因数接近1，从而减少了无功损耗，增加了电网的有功功率。 2.3.3 软启动节能

由于电机为直接启动或Y/D启动，启动电流等于(4~7)倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对挡板和阀门的损害极大，对设备、管路的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，延长了设备和阀门的使用寿命，节省了设备的维护费用。

2.3.4 多泵并联恒压供水节能

变频恒压供水节能的效果主要取决于用水流量的变化情况及水泵的合理选配，为了使供水系统具有优良的节能效果，变频恒压供水宜采用多泵并联的供水模式。由多泵并联恒压变频供水理论可知，在该系统中只需要其中一台泵是变频泵，其余全是工频泵，便可实现恒压变量供水。变频恒压供水当中，变频泵的流量是变化的，当变频泵是各并联泵中最大，即可保证恒压供水。变频恒压供水中，在设计上可做到在恒压条件下各工频泵的效率不变（因工况不变），使之处于高效率区工作，变频泵的流量是变化的，其工作效率随流量而改变。因为采用多泵并联恒压供水，变频泵的功率降低，从而可以降低能耗，改善节能状况。

当多泵并联恒压供水系统采用具有自动睡眠功能的变频器，当用水流量接近于零，

19

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）

变频泵能自动睡眠停泵，从而可以做到不用水时自动停泵而没有能量损耗，具有最佳的节能效果。

在现代建筑生活给水系统中，采用一台或多台变频调速泵给水的突出优点是： ⑴ 采用变频调速给水可以大幅度降低节流能量损耗，具有优异的节能效果。采用变压变量给水可以做到使节流损耗降低到零，具有最佳的节能效果，但是这种变压变量给水系统只适用于特点是给水管路系统，没有通用性。国外有一种准变压变量供水系统，这种给水系统的给水压力随给水流量的增大而阶跃上升，对于多泵联的供水设备，当多投入一台工频泵，给水恒压值上升一个台阶，台阶值可以按需设定。这种准变压变量给水系统设备可以适用于给水管路，具有一定的通用性。

⑵ 变频恒压变量给水系统设备的给水压力可调，在设计上允许降低给水压力的计算精度，在使用上可以适应不同的给水压力要求。

要达到建筑给水节能，首先要求给水泵处于高效率区工作。众所周知，离心泵的高效率区处决于泵的工况。当采用变频调速时，则泵的高效率区扩大，因此采用变频调速可以节能。其次是防止给水泵出现“大马拉小车”的工况。如果采用台泵，当小流量用水时必然出现“大马拉小车“的工况，此时水泵的效率低，功率浪费大。为了防止“大马拉小车”，通常的做法是采用多台水泵并联给水的方式，多用水多开泵，少用水少开泵，可以显著减轻“大马拉小车”弊端的出现，改善节能的效果。理论分析及实际使用证明，多泵并联变频调速给水可以显著提高节能效果。所以现代建筑生活给水系统大多采用多泵并联恒压变量给水方式。采用多泵并联给水，按变频调速恒压给水原理，在多泵并联的给水系统中，只要其中有一台是变频调速泵，就可以达到恒压给水的目的。为了达到恒压给水，变频泵必须是并联泵中的最大者，最经济的配泵方案是各并联泵的大小相同。从节能考虑，并联水泵的台数愈多愈好，但是如数太多，设备的机械结构及电气控制系统的复杂程度也随之上升，系统（设备）的整体经济、合理性下降。

20