11緒論1.1變頻調速恒水位供水的目的和研究意義隨著人們生活質量的提高，在生活用水方面的質量要求也越來越高。同時，城市小區(qū)供水是給水排水工程的重要組成部分，與人民生活、生產活動、消防安全保障密切相關。據統(tǒng)計，從1990年到1998年，我國人均日生活用水量（包括城市公共設施等非生產用水）有175.7升增加到241.1升，增長了37.2%1.與此同時我國城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。當水源離用水場所較遠，而將水送到較遠或較高的地方，管路中是需要有一定水壓的，水壓高才能將水輸送到遠處或較高的樓層。生產水壓的設備是水泵，水泵轉動的越快，產生的水壓越高。傳統(tǒng)的維持水壓的方法是建造水塔，但是，建造水塔需要花費財力，水塔還會造成水的二次污染。因此研制一套基于PLC技術與變頻調速控制技術的城市小區(qū)供水綜合節(jié)能系統(tǒng)，解決供水系統(tǒng)負荷壓力不穩(wěn)定和供水拖動電機一直高速運行而造成的浪費電能等問題，且具有手動自動轉換、在線監(jiān)控及在現(xiàn)場調試等功能，具有很高的實用價值。在城市小區(qū)化的發(fā)展中，采用以小區(qū)或社區(qū)為統(tǒng)一整體的供水方案，會使設備的利用率大大提高，并減少初始投資和占地面積。在此，來設計一套取水和供水的自動控制系統(tǒng)，克服由于采用單純手動控制系統(tǒng)進行控制帶來的控制不方便、控制系統(tǒng)對供水管網中壓力和水位變化反應遲鈍的問題，降低能源消耗和資源浪費，提高設備的可維護性和運行的可靠性，以達到降低自來水的生產成本和提高生產管理水平的目的。1.2變頻調速技術的特點及應用交流電機的變頻調速技術，主要是將供給交流電機的工頻交流電源經過二極管整流變成直流，再由IGBT或GTR模塊等器件逆變成頻率可調的交流電源，以此電源拖動電機在變速狀態(tài)下運行。它改變了傳統(tǒng)工業(yè)中電機啟動后只能以額定功率的單一運行方式，從而達到節(jié)能目的?，F(xiàn)代變頻調速技術應用于電力水泵供水系統(tǒng)中，較傳統(tǒng)的運行方式是可節(jié)電4060，節(jié)水15302。對于一定型號的水泵機組，供水量與揚程呈現(xiàn)反比關系。水泵機組工作效率只有在一定范圍內才處于高效運行狀態(tài)。機組軸功率P、揚程H、流量Q、與轉速n之間存在一定關系：Pn3，Hn2，Qn，而水泵的轉速可以通過下式得到改變：nfxb0p（11）式11中：2n-水泵電機轉速；p-電機極對數；f-電機供電頻率；b0-常數由上式知，改變電機供電頻率即可改變水泵轉速，從而達到改變水泵機組出水流量，揚程與電機輸入功率的目的，這就是變頻調速供水技術。常用的變頻調速供水技術有恒壓變量和變壓變量兩種模式。本設計采用恒壓變量模式。恒壓變量變頻調速技術是保持供水泵房總出水管壓力不變，改變水泵運行臺數或者變頻泵轉速，以達到改變泵房出水量的方式。恒壓變頻變量供水特點：較傳統(tǒng)供水方式節(jié)省能效20%；控制方便，根據泵房出水管壓力控制儀表即可實現(xiàn)水泵機組控制；可基本解決由于水量降低造成壓力增加帶米的管網爆管及漏水損耗大的問題。節(jié)能，運行成本低，管網運行安全性較高。變頻供水技術由于啟動電流減少，可以節(jié)省電力增容與變壓器容量。1.3可編程序控制器的特點及應用早期的可編程序控制器(ProgrammableLogicController，PLC)，主要用來代替繼電器實現(xiàn)邏輯控制。隨著計算機技術、通信技術和自動控制技術的迅速發(fā)展，可編程序控制器將傳統(tǒng)的繼電器控制技術與新興的計算機技術和通信技術融為一體，在工業(yè)生產中得到了廣泛的應用。據“美國市場信息”的世界PLC以及軟件市場報告稱，1995年全球PLC及其軟件的市場經濟規(guī)模約50億美元。隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，PLC的功能得到大大的增強，具有可靠性、高豐富的I/O接口模塊、采用模塊化結構、編程簡單易學、安裝簡單，維修方便等特點3。2變頻調速恒水位控制系統(tǒng)的方案設計2.1變頻器的控制方式變頻器有著如圖1所示的基本結構5圖1變頻器的基本結構頻率和電壓可調的交流電整流電路直流中間電路逆變電路控制電路交流電商用電源交流電3變頻調速的控制方式經歷了V/F控制、轉差頻率控制、矢量控制的發(fā)展，前者屬于開環(huán)控制，后兩者屬于閉環(huán)控制，正在發(fā)展的是直接轉矩控制。2.2系統(tǒng)的方案設計及工作過程變頻調速恒水位供水系統(tǒng)構成由可編程控制器、變頻器、水泵電機組、水位傳感器、工控機以及接觸器控制柜等構成.系統(tǒng)采用一臺變頻器拖動3臺電動機的起動、運行與調速，其中兩臺大電機(30KW)和一臺小電機(15KW)分別采用循環(huán)使用的方式運行。圖2恒壓供水泵的構成根據實際情況，白天一般只需開動一臺大水泵和一臺小水泵，就能滿足需要，小電機工頻運行作恒速泵，大電機變頻運行作變量泵；晚上用水低峰時，只需開動一臺大電機就能滿足供水需要。因此可以采用一大一小搭配的分組方式進行設計。一個完整的工作過程,可分為以下三個工作狀態(tài)：1)1#電機變頻起動；2)1#電機工頻運行，2#電機變頻運行；3)3#電機單獨變頻運行。一般情況下，水泵電機都處于這三種工作狀態(tài)之中，當源水的水位發(fā)生變化時，管網壓力也就隨之變化，三種工作狀態(tài)就要發(fā)生相應轉換，因此這三種工作狀態(tài)對應著三個切換過程。具體工作流程圖如圖32.3變頻調速的節(jié)能、調速原理交流電動機的轉速n與電源頻率f具有如下關系：n=60f(1-s)/p（21）現(xiàn)場開關信息主電源啟動器變頻器PLC去用戶進水水泵機組變送器、傳感器組控制面板報警ACDC220V24VAC380v4式21中：p極對數；s轉差率；因此不改變電動機的極對數，只改變電源的頻率，電動機的轉速就按比例變動。在變頻調速恒壓供水系統(tǒng)中，通過變頻器來改變電源的頻率f