基于PLC的变频恒压供水系统研究
发布时间：2009-12-17 作者：闵绚,谭思云,陈敏
1 变频恒压供水系统简介
1. 1 基本特性
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H = f (Q) ,如图1所示。由图可以看出,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 QU 之间的关系H = f (QU ) 。
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H与流量Q 之间的关系曲线H = f (Q) ,如图1所示。管阻特性描述了水泵的能量用来 克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动的 阻力变化规律。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,管阻特性反映的是扬程H与供水流量QG 之间 的关系H = f (QG ) 。
扬程特性曲线与管阻特性曲线的交点,称为供水 系统的工作点,如图1中的A 点。在该点上,供水系统 既满足了扬程特性,又符合了管阻特性,即用户的用水 流量QU 和供水系统的供水流量QG 达到平衡状态,系 统稳定运行。
1. 2 变频调速原理
变频恒压供水系统的供水部分主要由水泵、电动 机、管道和阀门等构成。通常由异步电动机驱动水泵 旋转来供水,并且把电机和水泵做成一体,通过变频器 调节异步电机的转速,从而改变水泵的出水流量来实 现恒压供水,因此,供水系统变频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从而实现调速的。
异步电机的转差率定义为: s = 1 - ( n / n0 )
异步电机的同步速度为: n0 = 60f / p
异步电机的转速为: n = 60f (1 - s) / p
式中: n0 为异步电机的理想空载转速; n为异步电机转 子转速; f为异步电机的定子电源频率; P为异步电机 的磁极对数。
从上式可知, 当磁极对数P 不变时, 电机转子转 速n与定子电源频率f成正比,因此连续调节异步电 机供电电源的频率,就可以连续平滑地调节电机的同步转速,从而调节其转子的转速。
1. 3 水泵调速运行的节能原理
在供水系统中,通常以流量为控制对象,由水泵管 道供水原理可知,调节供水流量有2种方法:一是阀门 控制,开大供水阀,流量上升;关小供水阀,流量下降。 阀门控制调节法是通过调节阀门开度的大小来调节流 量,而水泵电机转速保持不变,其实质是通过改变水路 中的阻力大小来改变流量,因此,管阻特性将随阀门开 度的改变而改变,但扬程特性不变。二是转速控制,水 泵转速升高,供水流量增加;转速下降,流量降低。转 速控制调节法是通过改变水泵电机的转速来调节流 量,而阀门的开度保持不变,其实质是通过改变水的势 能来改变流量,因此,扬程特性将随水泵转速的改变而 改变,但管阻特性不变。对于用水流量经常变化的场 合(例如生活用水) ,采用变速控制调节流量,具有优 良的节能效果。
由泵的机械特性可知,泵的转速在某一范围内变 化时,流量、总扬程、轴功率有下列关系:
式中: n0 为额定转速; n为运行转速; Q0 为n0 时的流 量; Q为n时的流量; H0 为n0 时的扬程; H为n时的扬 程; P0 为n0 时的功率; P为n时的功率。
但是,对于实际的泵负载,通常存在一个与高低差 有关的实际扬程, 在进行变频调速运行时必须注意。 泵的H - Q特性和P - Q 特性分别如图2 ( a) 、( b)所 示。
将阀门控制与转速控制的节能效果作比较可以看 出:在图2 ( a)中,当流量从Q1 变为Q2 时,对于阀门控 制通过关小阀门使阻抗曲线从R1变为R2 ,则工作点由 A转移到B。若采用转速控制, 则在同一阻抗曲线R1上从A 转移到D。在图2 ( b)中,在阀门控制时由n0 速度的A 点转移到B;而转速控制时,在由实际扬程决 定的功率特性上由A 点转移到D, 与阀门控制相比可 获得相当于BD大小的节电效果。
