恒压供水变频调速系统毕业设计

1 引言

1.1 本课题的意义

水作为一种能源，是生活中必不可少的，水作为一种可再生资源，同时也是非常脆弱的，这时节约用水就显得非常重要。随着中国经济的飞速发展，大城市里房屋建筑的高度也在迅速的增加，但随之也出现了许多问题，高层住宅供水难就是其中尤为突出的问题。原因是通常，供水系统全天各时段用水量变化较大，如果不及时对供水水量及供水压力进行调节，会使整个供水管网的压力处在波动状态，严重的还会引起管网失压或爆管事故、恶化供水质量。]3[

传统供水方式主要有：高水塔，高位水箱或增压设备等。它们在不同程度上存在下列许多问题：其设备一次投资费用高，而且必须使水塔高度高于最高层楼用水高度，用压力来提升水量，其结果往往缩短了水泵的使用寿命，还容易造成水的二次污染，造成水电资源的浪费。除此之外传统的供水系统还存在下列问题:1、用水负荷大幅度变化容易引起管网压力的巨幅变化极易造成供水管网的破裂；2、加大了工人的劳动及增加了生产设备维修费用；3、设备的频繁启动产生的大电流易使电网和设备均处于频繁的电流冲击状态，从而使电气设备和机械连接部件的寿命大幅度缩短。]10[在城市供水系统中, 泵的驱动电机绝大部分是交流异步电动机, 其年耗电量约占系统生产成本的80%。目前国内大部分供水企业仍采用传统供水工艺, 即手工操作, 人工监控,经验管理。一般采用调节阀门来满足和适应管网供水压力和需水量的变化，但是用户需水量随时间变化的非常频繁。]9[随着国民经济的迅速发展，能源紧缺问题愈加严重，寻求解决高层建筑供水难的办法迫在眉睫。

对于泵类和风扇负载而言，其功耗与转轴速度的立方根呈正比。当转轴速度降低10%时，气流也减少10%，且能耗减少27%；如果速度降低20%，能耗可降低49%。在工业中应用的离心泵、风扇和鼓风机中，通过使用单片机对电机进行变速控制，取代速度恒定的电机方法，可以节能25%-40%。]5[

以改善高层住宅用水难为目标，根据城市高层建筑供水系统的实际情况，本系统采用基于恒定管压力的PID 算法对交流电机进行交流变频调速，通过合理配置水泵的工况, 能

保证水泵工作在最佳的特性区, 满足小区需水量随季节、昼夜变化的需要, 同时达到良好的节能效果, 系统无需专人监控, 就能达到稳定、自动、高效的供水品质。]4[所以研究设计基于变频调速的恒压供水系统，对于提高人民的生活水平，同时降低能耗等方面具有重要的现实意义。

1.2 本设计的基本研究方法

本设计的硬件电路部分包括压力传感器模块、A\D转换模块、单片机模块、变频器模块、显示报警部分和键盘操作部分。在软件设计中使用单片机AD89S51对本供水系统进行程序编辑和对各硬件系统进行控制，实现所预期的要求。软件设计的功能为完成初始化的子程序，如键盘命令子程序、显示子程序、PID控制算法子程序、A\D之间的转换子程序等。

本设计的具体工作原理为：如果要稳定水压P，需要一个由单片机、变频器、压力传感器等器件构成的闭环系统。该系统通过安装在水泵出口管上的压力传感器, 把出口处的水压变为0 一5V 的模拟信号, 经A/D转换后传送给单片机, 经单片机与给定水压进行比较, 得出误差信号,单片机对误差信号进行PID运算后输出控制信号, 经D/A转换后变成模拟信号送给变频器,调节变频器的频率控制电机水泵机组的转速和工频泵启停的转换，当用户用水量增大，管网压力低于设定压力时，变频调速的输出频率将增大，水泵转速提高，供水量加大，当达到设定压力时，电动机水泵的转速不再变化，使管网压力恒定在设定压力上，反之亦然。从而达到智能调压的目的。

2 恒压供水的基本原理

2.1 变频调速的介绍

变频调速系统由电力半导体变流器、电动机、控制、检测四部分组成。这四部分相互依存, 共同作用, 实现变频调速的高精度、使用方便、低转矩脉动、低噪音、无传感器、小型化等性能指标。在变频调速系统中, 为了进行转矩、电流、磁通、电压、转速、位置等的控制, 需要对这些被控制量进行检测。利用现代控制理论、不采用传感器, 尤其是不采用机械传感器进行状态观测或估算, 可以为系统提供所需信息。超大规模集成电路技术的发展为变频调速提供所需微电脑和各种专用集成电路, 从而有可能利用现代控制理论实现全数字控制、智能化控制。]13[

变频调速技术是通过改变供电的频率从而改变电机的转速。变频器的基本工作原理是：三相异步电动机转速为n =60f( 1 - S )\P （其中n为电机的转速，f为电网的频率，S为电机的转差率，P为电机的极对数。）从式中得知, 改变电源效率f , 就可以改变转速n, 从而达到调速的目的。]8[

近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。。变频器作为节能应用与转速工艺控制中越来越重要的自动化设备，得到了快速的发展和广泛的应用。]7[他可以提高产品的质量、改善工艺的流程、节约资源、保护

环境甚至可能会对推动技术的进步做出巨大的贡献。

2.2变频调速的基本原理

在变频调速恒压供水系统中，通过变频调速来改变水泵的转速从而改变供水流量的大小以满足供水需求。其外部表现为供水管网压力的恒定。水泵工作点反应了水泵的运行状态，它是指水泵在确定的管网压力中，实际工作当中所具有的扬程、流量、效率和功率等的参数。因为水泵转速的调节是一个动态过程，则恒压供水系统的一个核心工作就是做到水泵工况点的连续调节。

水泵在实际工作中的工况点取决于三个方面的因素：管路阻力、水泵性能和所需要的实际扬程。这三者密切相关即这三种因素中的任意一项发生变化，水泵的工况就会随之发生变化。因此要从这三个因素出发来确定水泵的工况点和工况的调节。

所谓恒压供水, 就是在供水管网中由于用水量发生变化, 使管网压力随之变化, 为使管网供水压力基本恒定, 从而采取增减水泵供水流量及压力(即调节水泵转速和运行台数)的措施, 跟踪、补偿这种变化的工作过程。目前水泵电机大部分是三相异步电机，根据交流电机的转速特性，电机的转速n为：n=60f(1-s)/p

式中p为电机的极对数，s为电机的转差率，f为电源的频率。

当水泵电机选定后，上式中的电机转差率s和电机极对数p是固定的。则电机的转速只与电源频率f成正比，频率越低，转速越慢；频率越高，转速越快，变频调速的无极调速就是利用这一公式来体现的。

根据流体机械力学流量Q、压力P、功率N的关系:N=PQ可知: 流量与转速成正比; 压力与转速的平方成正比; 功率与转速的立方成正比。因此在满足工艺要求前提下, 利用变频调速器调节电动机交流电源的频率来改变电动机运行转速, 使电动机实际消耗的功率随转速呈三次方关系下降, 节电效果就十分显著。]11[

恒压供水系统使用最多的就是离心式水泵，离心式水泵属于平方律负载。水泵最主要的参数是流量和扬程，供水功率与流量和扬程的乘积成正比。我们先了解下扬程特性和管阻特性。扬程特性反应了用水流量的大小对扬程的影响，即用水量越大，则供水系统的扬程将越小；水泵的转速下降，其供水能力也会下降，扬程特性将下移。而管阻特性就是为了在管路内得到一定的流量所需要的扬程；管阻特性与管道粗细、长短及阀门开度有关。调节流量的方法主要有两种，第一种是阀门控制的方法，其实质是水泵自身的供水能力不变，而是通过改变管道中的阻力来改变供水的能力（即供水流量），以适应用户对流量的需求。这时，管阻特性将随阀门开度的改变而改变，而扬程特性不变。如图2.2所示：

图2.2 转速与流量的关系图

在图2.2中，曲线１表示水泵在额定功率状态下的扬程特性曲线，曲线２表示水泵在低功率状态下的扬程特性曲线，曲线表示所有楼层中的阀门全打开时管阻特性，曲线４表示管道中的阀门关小时的管阻特性。

设用户所需流量从Ｑａ减小为Ｑｂ，当通过关小阀门来实现时，管阻特性将改变为曲线４，而扬程特性则仍为曲线１，故供水系统的工作点由ａ点移至ｂ点。这时：流量减少了但扬程却从Ｈｔａ增大为Ｈｔｂ；由公式P g＝Ｃp＊Ｈt＊Ｑ可知供水功率Ｐg 与面积oｄｂｆ成正比。

第二种调节流量的方式就是转速控制法。即通过改变水泵的转速来调节流量，而阀门开度不变，保持为最大。当水泵的转速改变时，扬程特性也随之改变，而管阻特性不变。仍以用户所需流量从Ｑａ减小为Ｑｂ为例，当转速下降时，扬程特性下降为曲线２，管阻特性则仍为曲线３，故工作点移动至点ｃ。所以，在流量减小为Ｑｂ的同时，扬程减小为Ｈｔｃ；供水功率Ｐｇ与面积ｏｄｃｈ成正比。

比较上述两种调节流量的方法，可以看出：调节阀门控制流量的方法，只能调节水管中管阻特性，水泵的扬程特性不变，因此泵的工作点在图２中的曲线ａｂ上；而采用变频调节水泵速度的流量控制方法，管阻和水泵的扬程都会发生变化，因此采用变频调节水泵速度的流量控制方法其水泵的工作点是在多边形ａｂｃ上。由图2.2可以看出，多边形ａｂｃ是在曲线ａｂ的下方，因此可以得出变频调节水泵流量的方法比调节阀门的方法节省能量。

图2.3效率与相对流量的关系图

从工作效率上分析，当关小阀门来改变流量时，由于水泵转速不变，用户所需流量Ｑ*降低为６０％Ｑ时，水泵工作点降至Ｂ点，如图2.3所示。可见，随着流量的减小，水泵工作效率的降低是十分显著的。而在转速控制下，由于在阀门开度不变的情况下，实际流量Ｑ*与实际转速Ｎ*是成正比的，在Ｎ*＝６０％Ｎ和Ｎ*＝Ｎ时效率是相等的，此时水泵的工作点在Ｃ点。就是说，采用转速控制方式时，水泵的工作效率是处于最佳状态。

另外，由于厂家在生产水泵时对用户的管路情况无法预测，所以对用户的需求留有足够的余量，所以在实际运行过程中即使用水量很大，电动机也常常处于不满载的状态，其效率和功率因数都较低。采用了转速控制方式后，由于电动机在低频运行时，变频器的输出电压也下降，从而提高了电动机的工作效率。

综合起来水泵功率与流量间的关系如图2.4所示。

图４变频与工频效率图

在图2.4中，曲线１是调节阀门开度的功率曲线，当流量Ｑ*／Ｑ100%＝６０％时，所消耗的功率由Ｂ点决定。曲线２是调节转速的功率曲线，当Ｑ*／Ｑ＝０．６时，

所消耗的功率由Ｃ点决定。由图2.4可知，与调节阀门开度相比，调节水泵转速所节约的功率是相当可观的。

变量泵的实际功率Ｐ1供水量Ｑ*与泵转速Ｎ*三者的关系如下式：

Ｐ1/Ｐ＝（Ｎ*/Ｎ）3

Ｑ*/Ｑ＝Ｎ*/Ｎ

式中：Ｑ为额定流量，Ｑ*为实际流量，Ｑ*＜Ｑ；Ｐ为额定流量Ｑ时的轴功率；Ｎ为水泵的额定转速，Ｎ*为实际转速。当Ｑ*＝９０％Ｑ时Ｎ*＝９０％Ｎ，Ｐ１＝７２.９％Ｐ，即可节电２７.１％。当Ｑ１＝８０％Ｑ时Ｎ*＝８０％Ｎ，Ｐ１＝５１．２％Ｐ，即可节电４８.８％。一般系统可节电３０％～５０％之间。]3[通过以上的分析我们知道，控制参数应选择供水系统中最不利点所允许的最低压力值，利用压力传感器采集管网中的实际压力，反馈给单片机，进而对电机转速进行调节，组成单闭环系统，使水泵管网最不利点的压力与初始时所设定的控制压力值保持一致，实现变频调速和自动控制，最终达到正常供水和最佳节能效果。

2.4供水系统的工作过程

根据生活的实际情况，本系统采用两个水泵联合供水。A机组，可变频；B机组，只能工频运行，并且A机组的容量约是B机组的三分之二。自动控制系统可以根据不同的用水情况来选择水泵的运行方式。

本系统水泵的工作方式有以下三种：一、A机组变频运行，二、B机组工频运行，三、B组工频运行，A组变频运行。

水泵工作切换过程如下：

切换过程1、A组电机变频启动，频率接近50HZ时，当用水量增加时，B组电机

频启动，A组电机频率降低，直至停止。

切换过程2、当在用水高峰期，B组电机工频运行时，仍不能满足供水需要时，A组电机变频运行。

切换过程3、B组电机工频运行即可满足用户需求。

切换过程4、A组电机变频启动，B组电机停止工作。

如此循环往复，即可满足恒压供水的需求。