变频调速恒压供水系统设计综述.docx
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变频调速恒压供水系统设计综述
摘要
随着改革开放的不断深入，我国中小城市的城市建设及其经济迅猛发展，人民的生活水平不断提高；同时，城市需水量日益加大，对城市供水系统提出了更高的要求。
供水的可靠性、稳定性、经济节能性直接影响到城区的建设和经济的发展，也影响到城区居民的正常工作和生活。
本文根据城区供水管网改造工程设计了一套由PLC、变频器、远传压力表、多台水泵机组、计算机等主要设备构成的全自动变频恒压供水及其远程监控系统，具有自动工频/变频恒压运行、可实现远程自动控制和现场手动控制等功能。
论文分析了采取变频调速方式实现恒压供水相对于传统的阀门控制恒压供水方式的节能机理。
通过对变频器内置PID模块参数的预置，利用远传压力表的水压反馈量，构成闭环系统，根据用水量的变化，采取PID调节方式，在全流量范围内利用变频泵的连续调节和工频泵的分级调节相结合，实现恒压供水且有效节能。
论文论述了采用多泵并联供水方案的合理性，分析了多泵供水方式的各种供水状态及转换条件，分析了电机由变频转工频运行方式的切换过程及存在的问题。
给出了实现有效状态循环转换控制的电气设计方案和PLC控制程序设计方案。
系统有效地解决了传统供水方式中存在的问题，增强了系统的可靠性。
并与计算机实现了有机的结合，提升了系统的总体性能。
关键词：
PLC；变频调速；恒压供水；变频工频切换
Abstract
Withthecontinuousdeepeningofreformingandopeningup,theconstructionandeconomyofsmallandmedium-sizedcitiesinChinahavedevelopedrapidly.People'slivingstandardshaveimprovedconstantly.Thewatersupplysystemisdemandedmoreascitywaterconsumptionincreasing.Theurbanconstructionandeconomicdevelopmentandalsopeople’sdailyworkandlifeareimpacteddirectlybythereliability,stabilityandtheeconomicalofenergyconservationofthewatersupplysystem.AnautomaticconversionandvoltageconstantWaterSupplyandremotemonitoringsystem,whichconsistofthePLC,theconverter,theremotetransitionpressuregauges,themulti-pumpsunit,thecomputerandsoon.Itisofautomaticline-frequency/conversionfunction,remoteandlocalautomaticcontrol.Inthispaper,themechanismofenergysaving,whichusesspeedgoverningwithinvertortodesignvoltageconstantwatersupplysystem,competingwithtraditionalvalvecontrolledpressureconstantsystem.ClosedloopsystemisbuiltbypresettingtheparameterofthePIDinsideofconvertor,andfeedbackofremotetransitonhydraulicmeter.UsingthestepregulationofconvertorpumpandfrequencypumpinfullrangofflowtoapplyPIDcontrolonthechangeofwaterachievesenergysavingofvoltageconstantwatersupply.Thispaperdiscussesthereasonabilityofwatersupplyschemewithmuchpumpparallelconnection,andanalysestheconversionconditionandthevariousstatesofwatersupplyofthemuchpumpwayofwatersupplyaswellastheswitchprocessandtheproblemofageneratorfromvariablefrequencyoperationmodetoworkfrequencyoperationmode.Inaddition，thecombinationofthesystemandthecomputerisachieved，whichimprovedtheoverallfunctionofthesystem．
Keywords：
PLC;VariableVelocityVariablefrequency;Constantpressure
water-supply;variablefrequencytoworkingfrequency
1绪论
1.1课题背景及意义
随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。
把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。
变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体。
采用该系统进行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与监控；同时系统具有良好的节能效果，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义
在变频恒压供水系统中利用变频器改变电动机的电源频率，从而达到调节水泵转速，改变水泵的出口的压力的目的，这种方法比靠调节阀门控制水泵出口压力的方法，具有更高的效率和优越性。
由于水泵工作在变频工况下，在其出口流量小于额定流量时，泵的转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长了泵和电动机的机械使用寿命。
实现恒压供水的自动控制，不需要操作人员频繁的操作，大大降低了人员的劳动强度，节省了人力和能源的消耗。
1.2变频恒压供水的现况
国内外变频供水系统现状
从20世纪70年代起，国内外的很多专家，学者就开始尝试将计算机技术应用于供水系统的模拟，优化设计及供水系统控制等方面。
目前，国内外供水系统采用的自动控制技术不少，其特点是变频技术与其他自动化技术相结合。
如最初的恒压供水系统采用继电接触器控制电路，是与开关量逻辑控制技术结合，通过人工启动或停止水泵和调节泵出口阀来实现恒压供水。
该系统线路复杂，操作麻烦，劳动强度大，维护困难，自动化程度低，应用前景不好。
后来增加了微机和PLC监控系统，提高了自动化程度。
但由于驱动电机是恒速运转，水流量靠调节泵出口阀开度来控制，浪费大量的能源，也没有很好的发展前景。
转速控制法是通过改变水泵的转速来调节流量，通过变频技术调速。
变频调速以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，得到了广泛的应用。
变频供水系统应用范围
变频恒压供水系统在供水行业中的应用，按所使用的范围大致分为三类：
（1）小区供水（加压泵站）变频恒压供水系统
这类变频供水系统主要用于包括工厂、小区供水、高层建筑供水、乡村加压站，特点是变频控制的电机功率小，一般在135kW以下，控制系统简单。
由于这一范围的用户群十分庞大，所以是且前国内研究和推广最多的方式。
如希望集团推出的恒压供水专用变频器。
（2）国内中小型供水厂变频恒压供水系统
这类变频供水系统主要用于中小供水厂或大中城市的辅助供水厂．这类变频器电机功率在135kW-320kW之间，电网电压通常为200V或380V。
受中小水厂规模和经济条件限制，目前主要采用国产通用的变频恒压供水变频器。
（3）大型供水厂的变频恒压供水系统
这类变频供水系统用于大中城市的主力供水厂，特点是功率大（一般都大于320kW）、机组多、多数采用高压变频系统。
这类系统一般变频器和控制器要求较高，多数采用了国外进口变频器和控制系统。
如利德福华的一些高压供水变频器。
变频供水系统的发展趋势
（1）变频供水系统目前正在向集成化、维护操作简单化方向发展
在国内外，专门针对供水的变频器集成化越来越高。
很多专用供水变频器集成了PLC或PID，甚至将压力传感器也融入变频组件。
同时维护操作也越来越简单，部分新品的变频供水只需简单设定压力值就可以正常运行，控制软件和其它参数在出厂时就已设定或利用传感器自动获取完毕。
（2）高压变频系统在供水行业中的应用
在过去变频供水涉及较少的商压变频系统，也是发展的重要方向，高一低—高型的高压变频系统、串联多电平高压变频供水系统目前己在实际应用中不断完善高压高频中的谐波等问题也逐步得到解决。
（3）变频送水系统正在融入更全面的供水管理系统
面对日益复杂的供水系统，如何在满足供水需求的前提下，最大限度地提高供水系统的效益，是所有供水部门共同面临的重要课题。
目前，在美国、日本、法国等地的有些城市已基本上实现了供水系统的计算机优化，把变频供水与计算机直接调度管理结合起来，我国也正在进行着这方面的研究与小范围应用。
1.3变频恒压供水系统的特点
现有变频恒压供水系统具有以下特点:
1、滞后性
供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，对控制作用的响应具有滞后性。
同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。
2、非线性
用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。
3、多变性
变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。
4、时变性
在变频调速恒压供水系统中，由于有定量泵的加入控制，而定量泵的控制是时时发生的，同时定量泵的运行状态直接影响供水系统的模型参数，使其不确定性地发生变化，因此，变频调速恒压供水系统的控制对象是时变的。
5、容错性完善的保护功能
当出现意外的情况时，系统能根据泵及变频器或软启动器的状态，电网状况及水源水位，管网压力等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定。
在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下仍能进行供水。
6、节能性
系统用变频器进行调速，节能效果显著，对每台水泵进行软启动，启动电流可从零到电机额定电流，减少了启动电流对电网的冲击，同时减少了启动惯性对设备的大惯量转速冲击，延长了设备的使用寿命。
2变频恒压供水系统理论分析
2.1供水系统的基本特性
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，表明水泵在某一转速下扬程H与流量Q之间的关系曲线
f（Q），如图2-1所示。
由图2-1可以看出，流量Q越大，扬程H越小。
由于在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量的大小主要取决于用户的用水情况。
因此，扬程特性所反映的是扬程H与用水流量Q（
）间的关系。
而管阻特性是以水泵的转速不变为前提，表明阀门在某一开度下，扬程与流量Q之间的关系H=f（
）。
管阻特性反映了水泵的能量用来克服泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。
由图可知，在同一阀门开度下，扬程H越大，流量Q也越大。
由于阀门开度的改变，实际上是改变了在某一扬程下，供水系统向用户的供水能力。
因此，管阻特性所反映的是扬程与供水流量Q之间的关系H=f（
）。
扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点，如图2-1中A点。
在这一点，用户的用水流量
和供水系统的供水流量
处于平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。
H
A
扬程特性
管阻特性
Q
图2-1供水系统的基本特性
2.2不同控制方式下的能耗分析与比较
当用阀门控制时，若供水量高峰期水泵工作在E点，流量为Ql，扬程为
，当供水量从
减小到
时必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从
移到
，扬程特性曲线不变。
而扬程则从
上升到
，运行工况点从E点移到F点，此时水泵输出功率用图形表示为（0,
F,
）围成矩形部分，其值为[1]：
（2-1）
当用调速控制时，若采用恒压（
），变速泵（
）供水，管阻特性曲线为
，扬程特性变为曲线
，工作点从E点移到D点。
此时水泵输出功率用图2-2表示为（0，Q2,D,
）围成的矩形面积，可见，改用调速控制，节能量为（
D,F,
）围成的矩形面积，其值为：
（2-2）
所以，当用阀门控制流量时，有
功率被浪费掉，并且随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是E增大，而被浪费的功率要随之增加。
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之间关系为：
;
;
（2-3）
式中Ql、H1、P1为变速前的流量、扬程、功率，
、H2、P2为变速后的流量、扬程、功率。
由公式（2-3）可以看出，功率与转速的立方成正比[2]，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，所以本文供水系统采用变频调速恒压供水方式。
H
F
E
0
Q
D
图2-2管网及水泵的运行特性曲线
2.3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，在每一个时段内是一个常数。
所以，在某个特定时段内,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[3]。
给定参数
变频器
（PID）
水泵
频率
转速
管网
实际压力
压力传感器
反馈参数
图2-3变频恒压控制原理图
从图2-3中可以看出，在系统运行过程中，如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定压力相等为止[4]。
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。
2.4供水系统中的水锤效应及消除方法
水锤效应
在极短时间内，因水流量的急剧变化，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。
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。
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。
通过水泵电动机的软起动，可减少动态转矩，因此，选择好的起动方式和速度调节方法，可以减小或彻底消除水锤效应，提高供水系统运行的安全性。
3供水系统恒压控制与硬件设计
3.1异步电动机调速方法及选型
转速控制法实现恒压供水，供水质量好、能耗低、效率高，并可延长设备的使用寿命，提高系统的安全性。
通过转速控制法实现恒压供水，需要调节水泵的转速。
水泵通过联轴器由三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调节，实质就是需要调节异步电动机的转速。
由三相异步电动机的转速公式[5]：
（3-1）
式中，
—异步电动机的同步转速，r/min；
n—异步电动机转子转速，r/min；
p—异步电动机磁极对数；
f—异步电动机定子电压频率，即电源频率；
s—转速差，
可知调速方法有：
变极调速、变转差调速和变频调整。
3.1.1变极调速
在电源频率一定的情况下，改变电动机的磁极对数，实现电机转速的改变。
磁极对数的改变通过改变电机定子绕组的接线方式来实现。
这种调速方式只适用于专门的变极电机，而且是有极调速，级差大，不适用于供水系统中转速的连续调节。
通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变。
三相异步电动机的转子铜损耗为:
（3-2）
该损耗和电机的转差率成正比，又称为转差功率，以电阻发热方式消耗。
电动机工作在额定状态时，转差率很小，相应的转子铜损耗小，电机效率高。
但适应流量的变化，电机一般难以工作于额定状态，其转速值往往远低于额定转速，此时的转差率增大，转差功率增大，电机运行效率降低。
虽然变转差调速中的串级调速法能将增加部份的转差功率通过整流、逆变装置回馈给电网，但其功率因数较低，低速时过载能力低，还需一台与电动机相匹配的变压器，成本高，且增加了中间环节的电能损耗。
因此变转差调速方法不适用于恒压供水系统中的转速控制法。
3.1.2变频调速
1、变频调速机械特性
最常用的变频器采取的是变压变频方式的。
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：
式中：
—变频器输出电压、
—变频器输出频率
频率f从额定值
往下调时，电机机械特性变化情况如图3-1a）所示[5]，图中
a）变频调速机械特性b）全压起动
图3-1电动机机械特性
2、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。
3、变频调速对供水系统安全性的作用
（1）消除水锤效应，减少对水泵及管道系统的冲击，大大延长水泵及管道系统的寿命。
拖动系统中，动态转矩
：
是电动机的拖动转矩
：
是供水系统的制动转矩
图3-1中b）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。
（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。
3.2供水系统的方案确定
3.2.1供水系统的流量类型
根据用户的用水时段特点，可将用户用水量变化类型分为连续型、间歇型两大类，根据流量的变化特点，还可进一步细分为高流量变化型，低流量变化型，全流量变化型等。
不同季节、不同月份，流量变化类型也会改变。
连续型是指一天内很少有流量为零的时候，或本身管网的正常泄漏就有一定的流量。
间歇型指一天内有多段用水低谷时间，流量很小或为零。
3.2.2总体设计方案确定
1、调速方式
如今的变频器调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便并且便于同其他设备接口等一系列优点，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，是实现恒压供水转速控制最佳方案。
2、泵水方式
多泵并联代替一、二台特大泵单独供水不会增加投资，而其好处是多方面的。
首先是节能，每台泵都可以较高效率运行，长期运行费用少；其二，供水可靠性好，一台泵故障时，一般并不影响系统供水，小泵的维修更换也方便；其三，小泵起动电流小，不要求增加电源容量；其四，只须按单台泵来配置变频器容量，减少投资。
处于供水低谷小流量或夜间小流量时，为进一步减少功耗，采用一台小流量泵来维持正常的泄漏和水压。
供水系统如图3-2所示。
图3-2供水系统图
1—水位上限检测2—水位下限检测3—闸阀4—止回阀5—压力检测
3、控制方式
多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选用编程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的PLC通过编程来实现。
供水系统的恒压是通过压力变送器、PID调节器和变频器组成的闭环调节系统控制的。
根据水压的变化，由变频器调节电机转速来实现恒压。
3.2.3恒压供水电控系统组成
（1）主电路：
通过接触器、断路器等电气设备为主水泵及辅泵拖动电动机提供工频及变频电源。
（2）电气控制电路：
成对主电路的继电控制，实现手动或自动控制的切换。
（3）变频控制电路：
根据压力设定及压力传感器的压力检测信号，由变频器输出变频电源；提供最高频率、上下限频率及启动频率等信号；并能实现PID调节。
（4）PLC控制系统：
包括硬件线路和软件控制程序，完成对恒压供水系统压力设定、顺序控制、信号指示报警等。
恒压供水系统构成及控制方案如图3-3所示。
图3-3恒压供水系统构成及控制方案图
3.3控制系统的硬件设计与选型
3.3.1主电路设计
三台大容量的主水泵根据供水状态的不同，具有变频、工频、停泵三种运行方式，因此每台主水泵均要求通过两个接触器分别与工频电源和变频电源输出相联；辅助泵只运行在工频状态，通过一个接触器接入工频。
连线时一定要注意，保证水泵旋向正确，接触器的选择依据电动机制容量来确定。
QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF6分别为主电路、变频器和各水泵的工频运行空气开关，FR1、FR2、FR3、FR4为工频运行时的电机过载保护用热继电器，变频运行时由变频器来实现电机过载保护。
变频器的主电路输出端子（U、V、W）经接触器接至三相电动机上，当旋转方向与工频时电机转向不一致时，需要调换输出端子（U、V、W）的相序，否则无法工作。
变频器和电动机之间的配线长度应控制在100m以内。
在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端子FWD（REV）来操作，不得以主电路空气开关QF2的通断来进行。
为了改善变频器的功率因素，还应在变频器的（Pl、P+）端子之间接入需相应的DC电抗器。
变频器接地端子必须可靠接地，以保证安全，减少噪声。
在电动机三相电源输入端前接入电流互感器和电流表，用来观察电机工作电流大小，设计三相电源信号指示。
图3-4给出了供水系统电气控制主回路的主要联线关系。
图3-4主电路
3.3.2电气控制电路设计
为了保护PLC设备，PLC输出端口并不是直接和交流接触器连接，而是在PLC输出端口和交流接触器之间引入中间继电器，通过中间继电器控制接触器线圈的得电/失电，进而控制电机或者阀门的动作。
在控制电路中多处对各主泵电机的工频/变频运行接触器作了互锁设计；变频器是按单台电机容量配置，不允许同时带多台电机运行，
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