毕业论文：高楼变频恒压供水系统

可见，供水能力与用水需求之间的矛盾具体地反映在流体压力的变化上。从而，压力就成为了用来作为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处的压力的恒定，也就保证了使该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的

[7][8]

。

2.5 供水系统的安全性问题[9]

2.5.1 水锤效应

异步电动机在全电压启动时，从静止状态加速到额定转速所需要的时间只有在0.25S。这意味着在0.25S的时间里，水的流量从零增到额定流量。由于水具有动量和不可压缩性，因此，在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象。压力冲击将使管壁受力而产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，故称为水锤效应。

水锤效应具有极大的破坏性，压强过高，将引起管道的破裂，反之，压强过低又会导致管道的瘪塌。此外，水锤效应也可能破坏阀门和固定件。在直接停机时，供水系统的水头将克服电动机的惯性而使系统急剧地停止。这也同样会引起压力冲击和水锤效应。 2.5.2 水锤效应的产生原因

产生水锤效应的根本原因，是在启动和制动过程中的动态转矩太大.在启动过程中，异步电动机和水泵的机械特性如图2.4a所示，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，阴影部分是动态转矩TJ(即两者之差)。

n21n21TJTJ0TNT0TNT （a）全压启动 （b）变频启动

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图2.4 水泵的全压启动与变频启动

在拖动系统中，决定加速过程的是动态转矩TJ TJ?TM?TL

由图2.4a可知，水泵在直接启动过程中，拖动系统动态转矩写的大小如阴影部分所示，是很大的。所以，加速过程很快。

2.5.3 水锤效应的消除

采用了变频调速后，可以通过对升速时间的预置来延长启动过程，使动态转矩大为减小，如图2.4b命所示。图中，曲线簇1是异步电动机在不同频率下的机械特性，曲线2是水泵的机械特性，中间的锯齿状线是升速过程中的动态转矩(即不同频率时电动机机械特性与水泵机械特性之差)。

在停机过程中，同样可以通过对降速时间的预置来延长停机过程，使动态转矩大为减小，从而彻底消除了水锤效应。

2.5.4 延长水泵寿命的其他因素

水锤效应的消除，无疑可大大延长水泵及管道系统的寿命。此外，由于水泵平均转速下降、工作过程中平均转矩减小的原因，使:

(1) 叶片承受的应力大为减小。 (2) 轴承的磨损也大为减小。

所以，采用了变频调速以后，水泵的工作寿命将大大延长。

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第三章 变频恒压供水控制系统硬件的设计

3.1 变频恒压供水控制系统的构成方案

从变频恒压供水的原理分析可知，该系统主要有压力传感器、压力变送器、变频器、恒压控制单元、水泵机组以及低压电器组成。系统主要的设计任务是利用恒压控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软启动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，本次设计才用通用变频器+PCL(包括变频控制、调节器控制)+人机界面+压力传感器的构成方案。系统的构成框图如图3.1所示。

PLC变频器变频工频压力传感器用户1#泵蓄水池2#泵备用泵图3.1 系统构成框图

这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换；通用性强，由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和变频器的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。因此该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关[10]。

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3.2 变频恒压供水系统的控制方案

变频恒压供水系统的控制方案有多种，有1台变频器控制一台水泵的简单控制方案，也有一台变频器控制几台水泵的方案，下面重点介绍一台变频器控制几台水泵的特点。

利用单台变频器控制多台水泵的控制方案适用于大多数供水系统，是目前应用中比较先进的一种方案。下面以单台变频器控制2台水泵的方案来说明。该控制方案的控制原理如图3.2所示。

11号泵变频运行2号泵停止1号泵变频运行42号泵工频运行21号泵工频运行2号泵变频运行

1号泵停止2号泵变频运行3

图3.2 控制原理框图

控制系统的工作原理如下:根据系统用水量的变化，控制系统控制2台水泵按1—2—3—4—1的顺序运行，以保证正常供水。开始工作时，系统用水量不多，只有1号泵在变频器控制下运行，2号泵处于停止状态，控制系统处于状态1。当用水量增加，变频器输出频率增加，则1号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有1台水泵工作己不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，1号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动2号泵电机，控制系统处于状态2。

当系统用水高峰过后，用水量减少时，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统，可将1号泵电机停运，2号泵电机仍由变频器电源供电，这时控制系统处于状态3。

当用水量再次增加，变频器输出频率增加，则2号泵电机的转速也增加，当变频器增加到最高输出频率时，表示只有1台水泵工作已不能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统的控制，2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器电源启动1号泵电机，控制系统处于状态4。

当控制系统处于状态4时，用水量减少，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有1台水泵工作已能满足系统供水的要求，此时，通过控制系统

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的控制，2号泵从变频器电源转换到普通的交流电源，而变频器启动1号泵电机，控制系统处于状态4。

当控制系统处于状态4时，用水量又减少，变频器输出频率减少，若减至设定频率时，表示只有1台水泵工作已能满足系统用水的要求，此时，通过控制系统的控制，可将2号泵电机停运，1号泵电机仍由变频器供电，这时，控制系统又回到了状态1。如此循环往复的工作，以满足系统用水的需要[11]。

3.3 供水设备的选择原则

在做供水系统时，应先选择水泵和电机，选择依据是供水规模（供水流量）。而供水规模和住宅类型以及用户数有关。有关选择依据原则使用表格如下。

1. 不同住宅类型的用水标准。

不同住宅类型的用水标准，根据《城市居民生活用水标准》GB/T 50331-2002，节录如表3.1。

表3.1 不同住宅类型的用水标准

住宅类型 1 2 3 4 给水卫生器具完善程度 用水标准（m3/人日） 小时变化系数 仅有给水龙头 有给水卫生器具，但无淋浴设备 有给水卫生器具，并有淋浴设备 有给水卫生器具，但无淋浴设备和集中热水供应 0.04～0.08 0.085～0.13 0.13～0.19 0.17～0.25 2.5～2.0 2.5～2.0 2.5～1.8 2.0～1.6 2. 供水规模换算表。

不同住宅类型的用水标准，根据《城市居民生活用水标准》GB/T 50331-2002，节录如表3.2。上面一行为用水标准(m3/人日)，中间数据为用水规模(m3/h)。

表3.2 供水规模换算表

户数 用水标准（m3/人日） 0.10

0.15 0.20 0.25 19