基于力控的变频恒压供水系统设计毕业论文(编辑修改稿)

基于力控的变频恒压供水系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

给企业的生产过程造成非常严重的影响，这在一些对供水有严格要求的场所表现地尤为突出。 自动化程度 低的供水系统也会使企业的工艺流程受到一定的限制。 还有，如果供水设备能耗太大，这也会给企业带来很大的经济损失。 传统的改变供水压力的方式效率低、能耗大。 采用的设备自动供水能力差，用水需求多时，供给却不足。 在不大需要用水时，供水又多，这满足不了人们用水的要求。 传统供水方式在浪费宝贵能源的同时，又污染了环境。 当设备遭到损坏时，又需要投入大量的资金进行维护。 变频恒压供水系统能实现水泵的无级调速，在用水量发生变化时能始终保持水压恒定。 它具有广泛的应用范围，适用在生活用水、工业用水、消防用水等多种场合。 它与传统的供水 方式相比，无论是在设备的投资，运行的经济性，还是在系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都有无法 相比 的优势。 变频恒压供水系统的国内外研究现状 国外变频恒压供水系统主要采用一台变频器只带一台水泵机组的方式。 每台水泵都由一个变频器专门控制，当变频器发生故障时，别的电机不会受到影响。 这在很大程度上提高了系统的可靠性。 使用这种供水方式，控制方法也变得多种多样。 同时，采用这种方式也能实现灵活变压。 所以，这种变频恒压供水系统 被频繁用在国外一些重要建筑内。 但这种供水方式使得电机 和变频器的数量一样多，投资成本高。 现在，国内有很多公司都生产变频恒压供水系统。 这些系统能进行 PID 控制，实现水管管网压力的闭环调节。 用水量发生变化时，系统能随之做出相应的改变，通过调节水泵电机使水压始终保持恒定。 这增强了系统控制的准确性。 同时，系统能实现多台水泵循环控制， 不管用水多还是少，系统都能处于合适的工作状态来达到用水要求，这在 提高了 运行 效率 的同时也节约了大量的能源。 这些系统的功能有的通过可编程逻辑控制器（ PLC）来实现，有的通过单片机来实现，但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能等多方面的综合技术指标来说，还远远没有达到所有用户 的要求。 它 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 2 们主要面向小容量用水厂家，这些厂家对供水没有非常严格的要求，对变频恒压供水系统的控制要求也较低，一般的供水系统已经能满足它们的要求。 一些大容量用水市场，厂家很注重供水的质量，供水不达到一定的标准，它们的生产就会受到影响。 生产出适用于这些厂家的供水设备是有广阔市场前景的。 在这些领域，国内公司生产的变频恒压供水系统在技术上有待进一步提高。 国内外变频恒压供水系统，不同的厂商有各自的特点。 它们在系统中加入了自己性能上的特色之处，使设备能完成各种功能。 在各种应用领域都出现了一些质量好、效率高的供水装置。 但目前的变频恒压供水系统尚存在一些不足之处。 现代控制技术在其中 体 现地并不明显，网络和通讯技术也尚未在这个领域有深入的发展。 同时，具有电磁兼容性的变频恒压供水系统也没有得到很好的推广。 当今时代，各种技术相互融合，科技不断进步。 如果能将这些渗透到系统中，它的性能将会得到更大的拓展，应用在繁杂的控制中，满足更多用户的需求 ，以 充分发挥它的经济效益和社会效益。 各类供水系统的比较 气压罐供水 是过去用得比较多的供水方式。 以前还经常用的供水方式有： 恒速泵加压供水 、 液力耦合器 供水、 水塔供水 等。 气压罐供水具有体积小 的优点，这种供水方式技术简单，不受高度限制。 但是，在这种 供水方式 中 ，水泵电机为硬启动，启动频繁时对电器设备要求较高。 为减少水泵启动次数，停泵时压力往往比较高，这使得水泵 得 在低效段工作。 出水压力无谓地增高，也使浪费加大，这限制了它的发展。 这种 供水 方式在过去的一段时间内有被频繁的使用，不过现在，它也不能达到用户的供水要求了。 恒速泵加压供水 具有很多缺点。 它运行过程中产生的 水锤效应 会对管网产生很多不利的影响。 这种 供水方式 没有采用 自动化 设备，当管网水压发生 变化时，为了保持水压恒定，需要工人在设备旁边对阀门开度进行控 制。 由此可见，这种 供水方式 效率低，而且需要投入大量的人力。 不仅如此，如果对供水设备不进行适当控制，它的寿命也很短。 液力耦合器的供水方式结构简单、价格低廉，这是它相对于其它供水方式的优点。 它的不足之处在于只能一对一驱动，需要经常检修，因此要投入一定的资金。 还有，这种供水方式易漏油，发热需冷却。 如果将其投入运行，它的工作效率也低，而且后期改造麻烦。 水塔高位水箱供水主要应用于高层建筑，它运行经济合理、控制方式简单。 在短时间维修时，它可以不停水。 它的水泵电机为硬启动，启动电流大，而且频繁 启 动易损坏联轴器。 同时， 水箱需要建在高处，这使 它 的 基建投资 比别的供水方式大。 水塔高位水箱供水占地面积大，维护也不方便。 如果在供水过程中没有进行很好的控制，水质也得不到保障。 采用这种 供水 方式，还有一个缺点就是，它会一定程度地污染周 第一章 绪论 3 围的环境。 虽然，它有很多的优点，不过它的这些不足之处也使得它得不到广泛的应用。 传统供水方式因自动化程度不高，所以都存在着效率低、可靠性差等缺点。 当前，人们对供水的要求越来越高，只有供水得到了保障，人们的日常生活和工业生产才有所依靠。 传统的供水方式已不能满足人们的用水需求。 变频恒压供水系统克服了传统供水方 式的缺点，它采用先进的自动化技术，在保证供水质量的同时，还节约了大量能源。 它不但使供水效率得到了显著的提高，而且还保护环境。 它的工作原理与传统供水方式完全不同，它采用变频调速技术，在用水量发生变化时能始终保持水压恒定。 正是因为它具有传统供水方式无法比拟的优点，所以它被频繁地应用在生活和生产中。 本章小结 在社会快速发展的今天，供水成为了一个焦点问题。 传统的 供水方式 在水质、水量等方面都不能达到当今人们的要求， 变频恒压供水系统的产生取代了各种传统的 供水方式。 它以优异的性能被广泛应用在各种场合。 我国的 变频 恒压供水系统采用的 是一台变频器带动多台水泵运行的工作方式。 它适合一些小容量用水市场，在对供水有严格要求的场所，它在技术上还得进一步改进。 第二章 变频恒压供水系统理论及方案确定 4 扬程↑ 流量↑→→ 扬程↓流量↑第 2 章 变频恒压供水系统理论及方案确定 供水系统的主要参数 （ 1）扬程 H。 扬程指水位从一处变为另一处的水位差，它的单位是 m。 （ 2）全扬程 HT。 全扬程表示的是水位的最高值与水被吸入时的水位差。 全扬程的值越大，表示水泵能将水上扬的高度越高。 （ 3）实际扬程 HA。 在实际情况下，水泵上扬水的能力会受到一些因素的影响，实际扬程指的是水位上升的值。 （ 4）损失扬程 HL。 水泵在将水上扬时未能将水位提高到理想的值，在此过程中损失的高度称为损失扬程。 （ 5）流量 Q。 流量与管道截面与水流速度有关，一般情况下，截面不变，水流越快，流量越大。 流量的单位是 m3/min。 （ 6）管阻 R。 水在供水系统中流动时会受到一定的阻力，这些阻力是由供水系统管网造成的，我们机这个阻力称为管阻。 （ 7）压力 P。 压力表示的是管网中某一处的水压。 供水系统的特性与工作点 1. 供水系统的特性 （ 1） 扬程特性。 如果阀门开度不变，供水系统中的水泵在某一转速下为用户供水，全扬程与流量间会存在一定的关 系，这就是扬程特性。 图 21 表示的就是扬程特性。 在流量为 Q1 时，扬程对应为 HT1，这便是 A1 点表示的情况。 当流量增大为 Q2， A1点下移至 A2点，对应的扬程为 HT2。 从图中可以看出，流量越大，全扬程越小。 图 21 扬程特性 图 22 管阻特性 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 5 ②①（ 2） 管阻特性。 管阻特性与扬程特性正好相反，当水泵电动机的转速为定值，对阀门开度进行改变，相应的，此时全扬程与流量间又会存在另一种关系，我们称这种关系为管阻特性。 这里的流量指的是供水流量。 需要说 明的是，在实际情况中，管网中的流量是具有连续性的特点的，因此无需区分什么是供水流量，什么又是用水流量。 这里的流量是假设出来的一个量，这样能够方便阐述供水与需水间的关系。 管阻特性 曲线 如 图 22 所示。 流量 QG 为 0，全扬程小于等于实际扬程时，系统无法供水 的。 扬程在 HT1 时，流量处在 Q1点如图中 B1点所示。 当扬程上升为 HT2，流量也移至 Q2 点。 简而言之，通过改变阀门开度来调节流量，流量是随着扬程的增大而增大的。 2. 供水系统的工作点 （ 1）工作点。 当 QG 为 0，需要的扬程与实际扬程相等。 它说明，如果全扬程不比实际 扬程大的话，系统是不能为用户供水的。 在图中，扬程特性与管阻特性有一交点，这一交点就是系统的工作点。 也就是说，在 N 点，供水系统两种特性都满足。 这点表明，此时阀门为全开状态，水泵以最大转速运行。 N 点 被称作自然工作点，也被叫作额定工作点，它表示供水系统正处在额定状态。 图 23 供水系统的工作点 （ 2） 供水功率。 水泵电动机在供水过程中会消耗一定的功率，这个功率称为供水功率，用 PG表示 PG=CPHTQ 在上面的式子中， CP 是比例常数。 显而易见， PG 与扬程和流量的积成正比。 在图中，供水功 率与点 O、 A、 N、 G 形成的面 成正比。 第二章 变频恒压供水系统理论及方案确定 6 阀门关小阀门全开转速下降额定转速扬程特性管阻特性Δ③④①② 变频恒压供水系统能耗分析 1. 调节流量的方法 节能方面的问题与流量直接相关。 以前用的比较多的是阀门控制法。 现在，这种方法已经不用了，取而代之的是转速控制法。 （ 1） 阀门控制法。 阀门控制法，顾名思义，即通过改变阀门开度来调节流量，在这种方法中，水泵电机的转速是不变的。 如果用水量增多，使阀门开度便可满足供水要求。 换句话说，在此过程中，变化的是管阻特性，扬程特性是不变的。 如图所示，原来的扬程特性是曲线①，管阻特性是曲线②。 当流量为 QE 时便能达到用户用水要求，使阀门 开度变小，管阻特性会变成曲线③，扬程特性曲线不变，这时， E 点变为了工作点。 由供水功率的公式可知， PG与点 O、 D、 E、 G 形成的面积成正比。 （ 2） 转速控制法。 在通过改变转速来调节流量时，水泵的阀门开度是不变的，一般为最大开度。 现在的供水系统一般用的都是 转速控制法 ， 它在节能等方面有着非常显著的效果。 转速控制法与阀门控制法相反，在调节流量的过程中，变化的是扬程特性，管阻特性则保持不变。 如果用户用水量降为 QE 时，转速降低，扬程特性从曲线①变为曲线④，管阻特性还是曲线②不变，此时工作点变为 C 点。 供水功率与矩形 ODCK 的面积成正比。 图 24 调节流量的方法 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 7 ② ①2. 转速控制法 能耗分析 （ 1）供水功率的比较。 在 上 述的比较后，很明显就可以看出，在需求流量一样的情况下，转速控制法在节能方面的特性比阀门控制法要好。 矩形 ODEJ 与矩形 ODCK 的面积之差即为转速控制法能节约的功率。 （ 2）水泵的工作效率 1）工作效率的定义。 η P 为水泵的工作效率，它可以表示为： η P=PG/PP 在上面的式子里， PG 表示的是水泵的轴功率，也可以称为水泵的取用功率； PP 指的是供水功率，它是根据实际情况算出来的功 率。 水泵的工作效率，一方面指的是水泵自身的效率，另一方面也代表了供水系统的效率。 2）近似计算公式。 用η *表示水泵工作效率的相对值，它的近似计算式： η P*=C1(Q*/n*)－ C2(Q*/n*)2 上式里，η P*、 Q*、 n*分别是效率、流量与转速的相对值。 C1 和 C2 是常数，在一般情况下， C1－ C2=1。 图 25 效率曲线图 3）不同 的 工作方式。 将阀门关小，流量随之减少，因为转速保持不变，所以 n*为 1， Q*/n*依然为 Q*，如曲线①所示。 当流量的相对值为 的时候， 它的效率即变为 B 点。 可以看出，流量在减少时，水泵的工作效率会发生显著的降低。 转速控制方式则不同，在这种情况下，阀门开度不变，流量与转速是成正比关系的，所以 Q*/n*是一个确定的值，如曲线②所示。 当流量相对值同样为 时，工作效率在于点 C 的位置，它和点 A 的 效率是一样的。 换句话说，转速控制法优于阀门控制法，前者比后者在工作效率方面要大很多。 第二章 变频恒压供水系统理论及方案确定 8 变频器 的 工作 原理 异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为 式中， —— 同步转速， r/min； —— 定子电流频率， Hz； P—— 栅极对数。 异步电动机的轴转速为 式中， s——。