本科毕业论文---铁路供水系统变频恒压控制的研究.doc

毕业设计说明书 论文题目：铁路供水系统变频恒压控制的研究学 院：专 业：自动化班 级：10自升本2姓 名：指导教师： 年 11 月 30 日摘 要随着铁路进行生产力布局调整，撤销分局、合并站段，原有精细化管理模式发生了转变；还有铁路大力发展高铁建设，新设备、新技术、新工艺、新标准的应用推广，对铁路供水的数量、质量、稳定性等提出了越来越高的要求，再加上目前能源紧缺，利用先进的自动化技术、控制技术以及通讯技术，设计高性能、高节能的恒压供水系统成为必然趋势。文章从系统论的角度着眼，以天津供电段为例，根据目前天津供电段变频恒压供水控制系统的现状，存在的各种问题，借鉴国内外先进的自动化技术经验，分析管网和水泵的运行特性曲线，阐明了供水系统的变频调速节能原理。接着分析了变频恒压供水的原理及系统的组成结构，提出不同的控制方案。变频调速恒压供水自动控制系统由可编程控制器、变频器、水泵电机组、压力传感器、工控机以及控制柜等构成。系统采用一台变频器拖动4台电动机的起动、运行与调速，其中两台大机和两台小机分别采用循环使用的方式运行。大功率电机变频转工频时存在转换电流大，容易出现烧毁熔断器或跳闸的情况。针对大功率电机变频转工频转换存在的问题在理论上作进一步的研究，根据感应电动机的等效电路和向量图分析，指出大功率电机变频转工频能否成功，关键在于变频转工频瞬时，工频电源和变频输出电源是否相位一致。引入鉴频鉴相控制器，在工频电源和变频输出电源相位一致时，PLC发出指令切断变频器输出，电机从变频器输出端断开后，马上接入工频电源，减少对电机设备的损坏和电网的冲击。其研究结论对铁路基层站段具有很好的指导意义。关键词：铁路，变频调速，恒压供水，变频工频切换AbstractAs adjusting the railway productivity layout, revoke branches, merge sections，the fine original management model has changed；also developing high-speed railway construction, application of new equipments, new technology，new process and the new standard, request higher requirements for quantity，quality and stability of railway water supply are put forward. Meanwhile, energy resources are becoming much scarce presently. So it is inevitable tendency to design constant pressure water supply system which has high function and saves on energy well, with help of advanced techniques of automation, control and communication. The article starts from the point of view of system theory, with Tianjin power supply section as an example, according to the railway variable frequency constant pressure water supply control system and all kinds of existence problems of Tianjin power supply section, reference the domestic and foreign advanced enterprises of automation techniques success experience, analyze running property curves of pipe nets and water pumps, principle of variable frequency speed regulation of water supply system is dwelt on firstly. Then, this dissertation analyzes theory of VF constant pressure water supply and construction of the system and proposes several different control schemes. Constant pressure water supply control system of variable frequency speed regulation is composed of PLC, transducer, sets of pump motors, pressure sensors, industrial control computer and control housing, etc. This system uses one transducer to propel four motors, accomplishing their starting, running and speed regulation. The two higher motors and lower ones are running respectively in an alternate mode. As for high-power motors, converting current tends to be so heavy in the course of transformation from variable frequency to work frequency that fusible cutouts are prone to be burnt out. In terms of these problems of high-power motors in course of transformation from variable frequency to work frequency, further studies areperformed theoretically. According to analyses of equivalent circuit and vector graph of the induction motor, it is the phases of work frequency power and variable frequency output power, in the instantaneous occasion of transformation from variable frequency to work frequency, that determine whether the transformation from variable frequency to work frequency can be accomplished or not. Integrating with phase-and-frequency detector, as phase of work frequency power is in accordance with that of variable frequency output power, PLC sends instructions and cuts off output of the transducer. When the motor is cut off from output interface of the transducer, it is connected to work frequency power immediately. Thus damages to the motor devices and electric nets are reduced greatly. The research conclusions have great significance in directing railway stations to active vocational trainings.Key words： railway, VF speed, constant pressure water supply, variable frequency to working frequency.目录第一章 绪论11.1 写作背景.11.2 课题来源与研究意义 .11.3 国内外的研究现状及发展趋势 .21.4 本文主要研究内容 .3第二章 变频恒压供水系统分析42.1 供水系统的基本特性和方法.42.2 常用调速方法及变频调速原理 62.3 水泵调速运行的节能原理 .102.4 变频恒压供水的特点分析 .112.5 小结 .13第三章 变频调速恒压供水控制系统研究.133.1 系统的方案设计 .133.1.1 恒压控制原理.133.1.2 系统变频恒压控制的方案及选择.143.1.3 变频恒压供水系统的组成 153.1.4 变频恒压供水系统组成分析 213.2 控制系统硬件研制 .243.2.1 主电路设计.243.2.2 控制电路设计.253.3 PLC的I/O分配及程序设计 263.4 小结 .30第四章 恒压供水变频工频切换问题研究 324.1 变频与工频切换有理论分析 .324.2 三相异步电动机的电压方程和等效电路 324.2.1 电压方程 .324.2.2 T形等效电路和相量图 .334.3 变频与工频切换问题研究 .364.4 小结 .42第五章 结论 .42参考文献.44致谢 .45第一章 绪 论1.1 写作背景自2004年全国铁路大范围的改革、转换经营机制以来，铁路系统经过了主辅分离、站段整合等一系列改革，迅速打破了以往的传统思维和管理模式，基层单位向着做大做强的目标迈出了第一步。以天津供电段为例，天津供电段由过去的天津水电段、唐山水电段、丰润供电段整合而成，现在干部职工共有三千四百人。由于供水、电设备随着铁路线走向呈线型分布，也就导致了我们线长点多、人员分散的特点，整合后我们就形成了了现在线更长、点更多、人员更分散的布局。1.2 课题来源与研究意义随着高速铁路的快速发展，铁路大力发展高铁建设，新设备、新技术、新工艺、新标准，对车站以及铁路家属楼集中供水的规模、质量、安全性及稳定性等提出了越来越高的要求。我国城市家庭人口均生活用水量也在逐年快速提高。与供水需求量不断上升相矛盾的是在全国666个城市中有330个城市存在着不同程度的缺水，其中严重缺水的城市达108个。在32个百万人口以上的特大城市中，有30个长期受到缺水的困扰，特别是位于水资源短缺地区的城市，其水的供需矛盾尤为突出。由于供水不足，城市工业每年的经济损失达2300亿元，同时也给城市居民生活造成许多困难和不便，成为城市化过程中的一大隐患。为了尽可能地满足铁路生产和人们日常生活供水需要，供水站段一般都是满负荷工作，因此，如何做好供水设备的维护和管理并有效解决电能消耗问题成了基层站段必须解决好的关键问题。水泵电机作为一种高耗能通用机械，其耗电量占全国总耗电量的21%以上，具有很大的节能潜力。据调查，供水电泵的电能消耗费用在供水企业生产成本中占了很大的比例。现有的供水系统主要是恒速控制系统并且用常规的阀门来控制供水量。恒速调控方式虽然简单，但从节约能耗的角度来看，却相当不经济。研究结果表明，水泵的轴功率与转速的三次方成正比，因而当电机采用恒速控制时，将有很大一部分电能消耗在阀门上和以额定转速运行的电机上。为了节能降耗，一种有效的方法是广泛采用电机调速技术。通过调节电动机的转速可以很好地适应水量和水压的变化，使水泵始终工作在高效区，进而大大降低水泵能耗，这对节约能源和提高供水企业的经济效益均具有极其重要的意义目前，将先进的自动化技术、控制技术、网络及通讯技术等应用到供水领域，己经成为必然的发展趋势。变频恒压供水系统集变频技术、电气技术、现代控制技术于一体，可以显著提高供水系统的稳定性和可靠性，也有利于实现供水系统的集中管理与监控。此外，变频恒压供水系统还具有良好的节能性，这在大力提倡节能降耗的今天尤为重要。本论文将围绕变频恒压控制技术开展研究工作，以期为铁路供水行业技术进步和科技应用做出贡献。1.3 国内外的研究现状及发展趋势变频恒压供水技术是在变频调速技术基础之上逐渐发展起来的。在初期阶段，变频器主要用来进行频率控制、变速控制、正反转控制、启制动控制、压频比控制等。在这个阶段，变频器仅仅用作变频恒压供水系统的执行机构。为了在供水量需求不同时，保证管网压力恒定，还需要在变频器外部增加压力传感器和压力控制器，以对压力进行闭环控制。在供水工程中，也是采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，造成投资成本很高。随着变频恒压供水系统在稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点逐渐显现出来，再加上其显著的节能效果，许多变频器生产厂家开始推出具有恒压供水功能的变频器，例如日本Sam co公司就推出了恒压供水基板，具有“变频泵固定方式”和“变频泵循环方式”两种工作模式，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，在应用时只需搭载配套的恒压供水单元，便可以直接控制多个内置的电磁接触器工作，最多可构成7台电机（泵）的供水系统。这类控制设备虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但因其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性也不高，且难以与别的监控系统和组态软件实现数据通信，限制了带负载的容量，其实际使用范围受到不小的限制。后来日本富士电机公司推出了新一代风机、水泵专用型变频器FRENIC-VP系列。VP系列变频器具备适合HVAC （ Heat Ventilation Air Conditioner）行业所需的最佳功能，节省空间，操作简便，机型丰富，全球通用。该类变频器能够适应风机、水泵等2次方递减转矩负载特性，节能、省力，充分挖掘了系统的应变能力，满足了整体成本下降的需要。国内不少公司在做变频恒压供水工程时，大多采用国外的变频器来控制水泵的转速并实现管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的还需要采用可编程控制器辅以相应的软件予以实现，有的则采用单片机及相应的软件予以实现。从使用调查情况来看，虽然取得了可喜的进步，但在系统的动态性能、稳定性能、抗干扰性能以及开放性等方面，还没有完全达到用户的要求。原深圳华为（现己更名为艾默生）电气公司和成都希望集团（森兰变频器）也推出了恒压供水专用变频器（5 . 5 kw22kw），无需外接PLC和PID调节器，可完成多达4台水泵的循环切换、定时启停及定时循环控制工作。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载的数量，也不具有数据通信功能，只适用于小容量、控制要求不高的供水场所。1.4 本文主要研究内容通过前面对供水技术现状和变频恒压供水系统的应用前景分析可知，变频调速恒压供水系统在我国己成为供水行业发展的主流趋势。变频恒压供水系统主要由变频器、可编程控制器（PLC ）、各种传感器等组成。本文将从供水系统性能分析入手，深入探讨变频恒压供水技术关键，使系统的稳定性和节能效果得到进一步提高，操作更加简捷，故障报警及时迅速，为变频恒压供水技术应用于各类型的车站供水、供热和空调循环用水系统、消防用水系统做出贡献。主要内容如下：a、通过扬程特性曲线和管阻特性曲线分析供水系统的工作特点，根据管网和水泵的运行曲线，说明供水系统的节能原理。b、分析变频恒压供水系统的组成及特点，探讨变频恒压供水系统的控制方式，并归纳实用性的控制方案。c、分析三相异步电动机的电压方程和等效电路，研究变频与工频的切换。d、设计变频恒压供水系统的硬件和软件。第二章 变频恒压供水系统分析2.1 供水系统的基本特性和方式我国是一个发展中的大国，长期以来在铁路车站供水、生产循环供水等方面一直存在着技术比较落后、自动化程度低等缺点。在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低、水供不应求的现象；而在用水低峰期，水的供给量常常高于需求量，出现水压升高、水供过于求的情况，不仅白白造成电能的浪费，有时还造成水管破裂和用水设备损坏等情况。在深入研究变频恒压供水技术之前，先将之前使用的几种主要供水方式作一总结。（1）单台恒速泵直接供水方式在这种供水方式中，水泵从蓄水池中抽水后直接送往用户，有的甚至连蓄水池也没有，直接从城市公用水网中抽水。一般情况下，抽水泵会整日不停运转，有的会在夜间用水低谷时段停止运行。其供水方式简单、造价最低，但耗电、耗水严重，供水质量很差，也会严重影响城市公用管网压力稳定性。（2）恒速泵+水塔的供水方式这种方式是由水泵先向水塔供水，再从水塔向用户供水。水塔注满后水泵停止，水塔水位低于某一位置时再启动水泵。要求水塔最低水位略高于供水系统所需要的压力。水泵工作状态是断续的。由于水泵工作在额定流量、额定扬程的条件下，水泵始终工作于高效区。这种方式显然比前一种节电，其节电率与水塔容量、水泵额定流量、用水不均匀系数、水泵的开停时间比、开停频率等有关。供水压力比较稳定。但这种供水方式基建设备投资最大，占地面积也最大；水压不能随所需流量调整，也无法兼顾近期与远期的需要：存在一些能量损失和二次污染问题。在使用过程中，如果水塔的水位监控装置损坏的话，水泵不能进行自动的开停，必须由人操作，将会出现能量的严重浪费和供水质量的严重下降。（3）恒速泵+高位水箱的供水方式这种供水方式的工作原理与水塔基本相同，只是水箱设在建筑物的顶层。高层建筑还可分层设立水箱。占地面积与设备投资与水塔供水相比有所减少，但对建筑物的造价与设计都有影响，同时水箱受建筑物的限制，容积不能过大，导致供水范围较小。如果设计时考虑不周，无法防止一些动物甚至人进入水箱造成水质污染。水箱的水位监控装置也很容易损坏。（4）恒速泵+气压罐供水方式这种方式是利用封闭的气压罐代替高位水箱蓄水，通过监测罐内压力来控制泵的开、停。罐的占地面积与水塔、水箱供水方式相比较小，而且可以放在地上，设备的成本比水塔要低得多。由于气压罐是密封的，能大大减少因异物进入造成的水质污染。气压罐供水方式也存在着许多缺点，将在介绍了变频调速供水方式后，再将二者进行比较。（5）变频调速供水方式其工作原理是：通过安装在系统中的压力传感器将系统压力信号与设定压力值作比较，再通过控制器调节变频器的输出来无级调节水泵转速，使系统水压无论流量如何变化始终稳定在一定的范围内。细分起来又有如下3种：水泵出口恒压控制、水泵出口变压控制、给水系统最不利点恒压控制。（a）出口恒压控制水泵出口恒压控制是将压力传感器安装在水泵出口处，使系统在运行过程中始终保持出口水压恒定。这种方式适用于管路的阻力损失在水泵扬程中所占比例较小的情况，即整个给水系统的压力可以看作是恒定的。当在供水面积较大的居住区中应用时，由于管路损耗较大，在低峰用水时，容易造成最不利点的流出水头高于设计值，不能得到最佳的节能效果。（b）出口变压控制在这种供水方式中，也是将压力传感器安装在水泵出口处，但其压力设定值不只有一个而是多个，即按用水曲线将每日24小时分成若干时段，计算出各个时段所需的水泵出口压力，进行全日变压，各时段恒压控制。这种控制方式其实是水泵出口恒压控制的特殊形式。它比水泵出口恒压控制方式更能节能，其节能效果取决于将全天24小时分成的时段数以及所需水泵出口压力值的精确程度。水泵出口压力计算得越符合实际情况就越节能，将全天分得越细也越节能，当然实现起来也越复杂。（c）最不利点恒压控制最不利点恒压控制是将压力传感器安装在系统最不利点处，使系统在运行过程中保持最不利点的压力恒定。这种方式的节能效果是最佳的，但由于最不利点一般距离控制台较远，压力信号的传输在实际应用中受到诸多限制，因此工程中很少采用。变频调速方式在节能效果上明显优于气压罐方式。气压罐供水方式依靠压力罐中的压缩空气送水。当气压罐配套水泵运行时，水泵在额定转速、额定流量的条件下工作。当系统所需水量下降时，供水压力将超出系统所需要的压力从而造成能量的浪费。加上水泵是工频启动，且启动频繁，又会造成一定的电能损耗。相比之下，变频恒压供水能在系统用水量下降时无级调节水泵转速，使供水压力与系统所需水压大致相等，这样就节省了许多电能，同时变频器对水泵采用软启动，启动时冲击电流小，启动能耗也比较小。另外气压罐供水需要配备一定量的钢罐，气压罐体积一般比较大，占地面积达几十平方米。在变频调速方式中，调速装置占地面积仅有几平方米，相比气压罐供水方式将节省大量占地面积。从运行效果上看，气压罐方式与调速式相比也存在着一定的差距。气压罐方式运行不太稳定，突出表现在频繁启动时。由于气压罐的调节容量仅占其总容积的1/31/6，因而每个罐的调节能力很小，只能依靠频繁的启动来保证供水稳定性，这不仅将产生较大的噪声，同时由于启动过于频繁，常常造成供水压力不稳。由于是硬启动，电气和机械冲击也较大，设备损坏很快。变频调速式的运行则十分稳定可靠，没有频繁的启动现象，加之启动方式为软启动，设备运行十分平稳，避免了电气、机械冲击。在小区供水中，由于是经水泵加压后直接送往用户的，防止了水质的二次污染，保证了饮水水质质量。通过上述比较可以看出，变频调速式供水系统具有节约能源、节省占地、节省投资、调节能力大、运行稳定可靠的优势，因而具有广阔的应用前景和明显经济效益与社会效益。2.2 常用调速方式及变频调速原理水泵多由交流异步电动机拖动。交流异步电动机的转速公式为： （2-1）式中，同步转速，；异步电动机供电电源频率；异步电动机极对数；转差率；电动机转速，单位为对r/min。改变电动机极对数P、改变转速差S及改变电源频率f都可以达到调速的目的。（1）变级对数调速在电源频率一定的情况下，电动机的同步转速与极对数成反比，改变电动机极对数，就可以改变转速。可以通过改变定子绕阻的接线方法来改变极对数，如图2-1。以电动机一相绕组为例，电流方向都是由A指向x，只要改变定子绕组的连接方法，就可以成倍地改变磁极对数P。图2-1 改变定了绕组极对数方法 如果使p =1, 2. 3等，就可以得到=3000、1500、1000 r /min等不同的同步转速，从而得到不同的转子转速。这种调控方式控制简单，投资省，节能效果显著，效率高，但需要专门的变极电机，是有级调速，而且级差比较大，只适用于特定转速的生产机器。（2）变频调速变频调速是将电网工频交流电经过变频器变为电压和频率均可调的交流电，然后供给电动机，使其可在变速的情况下运行。改变电动机定子频率可以平滑地调节同步转速，相应地也就改变了转子转速，而转差率S可保持不变或很小。但对电动机来说，定子频率改变后，其运行会受到影响。如果电压不变，频率增加时，磁通量将减少，电动机转矩会下降，严重时会使电机堵转：而当频率降低时，磁通增加，会使磁路饱和，励磁电流上升，导致铁芯损失急剧增加而发热，是不允许出现的情况。因此，在实用上，要求在调频的同时，也改变定子电压，以保持磁通基本不变，既不使铁芯发热，又保持转矩不变。实现调频调压的电路有两种：交一直一交变频器和交一交变频器，如图2-2 。 图2-2 变频器种类（a）交一直一交变频器它由三个环节组成：可控硅整流电路，其作用是将电压、定频率的交流电变为电压可调的直流电：可控硅逆变电路，其作用是将整流电路输出的直流电变换为频率可调的交流电：滤波环节，它在整流电路和逆变电路之间，一般是利用无源电容或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。在交一直一交变频器中，根据滤波方式不同，又有电压型变频器和电流型变频器。近年来，由于电力电子器件和微机控制技术的发展，脉冲宽度调制型（简称PWM）变频器技术获得了飞速的发展。PWM变频器也有电压型和电流型两种，目前以电压为主，由不可控整流电路、滤波电容及逆变电路组成。它不仅可改变逆变器输出电压，而且具有抑制谐波功能，是一种比较理想的方式。（b）交一交变频器它是由两组反并联的整流电路组成，直接将电网的交流电通过变频电路同时调节电压和频率，变成电压和频率可调的交流电输出。交一交变频器由于直接交换，减少了换流电路，损耗少，效率高，波型好，但调速范围小，控制线路复杂，功率因数低，目前较少采用。利用变频技术对水泵电动机进行调速，可以获得优良的运行特性和明显的节能效果，是目前常用的技术。（3）可控硅串级调速它是把异步电动机转子电势经过整流一逆变后回馈给电网，回收功率就是转差功率，见图2-3。当改变逆变角时，逆变电势、转差功率、转差率都将随之改变，从而达到调速的目的。图2-3 串级调速系统由图2-3可知，电动机运行时经气隙传送到转子的电磁功率，一部分成为机械功率（即），另一部分则成为转差功率。电动机正常运行时，转差率S很小，转差功率也很小，转差功率在转子回路中以热的形式损耗掉。但在调速时，随着转速的降低，转差率升高，转差功率也直线上升。可控硅串级调速就是把这部分功率取出来，然后回送到电网，从而大大提高电动机低速运行时的效率。串级凋速的最大优点是它可以回收转差功率，节能效果好，且调速性能也好。但是由于调速线路过于复杂，且还需要增加一台与电动机相匹配的变压器，增加了中间环节的电能损耗，带来了成本高、占水泵房面积大等缺点因而影响它的推广使用。2.3 水泵调速运行的节能原理在供水系统中，通常以流量为控制目标，常用的控制方法有阀门控制法和转速控制法两种。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，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，管阻将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变。这种控制方法是通过改变水的动能来改变流量。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。变频调速供水方式属于转速控制，其工作原理是根据用户用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。供水系统管网及水泵的运行特性曲线如图2-4。图2-4 管网及水泵的运行特性曲线当用阀门控制时，假设供水量高峰期水泵工作在E点，流量为Qi，扬程为H0。当供水量从Q1减小到Q2时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从移到。扬程特性曲线不变，而扬程则从Ho升到H1，运行工况点从E点移到F点，此时水泵输出功率即为（0，Q2，F，H1）围成的矩形部分，其值为： （2-2）当用调速控制时，若采用恒压（H0）、变速泵（n2）供水，管阻特性曲线为扬程特性变为曲线n2，工作点从E点移到D点。此时水泵输出功率为（0， Q2，D，H0）围成的矩形面积，其值为： （2-3）可见，改用调速控制，节能量为（Ho. D, F, Hi）围成的矩形面积，其值为：从公式可以看出，当用阀门控制流量时，有值为的功率被浪费掉。随着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力也不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，造成被浪费的功率也随之增加。根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量Q、扬程H、功率P与转速N之间关系为： (2-4)式中，Q1，H1，P1为变速前的流量、扬程、功率，Q2，H2，P2变速后的流量、扬程、功率。由公式（2-4）可以看出，水泵功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式相比阀门控制方式其供水功率要小得多，节能效果显著。2.4 变频恒压供水的特点分析变频恒压供水系统能适应生活用水、工业用水以及消防用水等多种场合，具有以下特点：（1）滞后性供水系统的控制对象是用户管网的水压，它是一个过程控制量，同其它一些过程控制量例如温度、流量、浓度等一样，对控制作用的响应具有滞后性。同时用于水泵转速控制的变频器也存在一定的滞后效应。（2）非线性用户管网中因为有管阻、水锤等因素的影响，同时又由于水泵的一些固有特性，使水泵转速的变化与管网压力的变化不成正比，因此变频调速恒压供水系统是一个非线性系统。（3）多变性变频调速恒压供水系统要具有广泛的通用性，面向各种各样的供水系统，而不同的供水系统管网结构、用水量和扬程等方面存在着较大的差异，因此其控制对象的模型具有很强的多变性。（4）容错性当出现意外的情况，例如突然断电或水泵、变频器、软启动器等出现故障时，系统能根据泵、变频器或软启动器的状态、电网状况及水源水位以及管网压力等工况自动进行投切，保证管网内压力恒定。在故障发生时，执行专门的故障程序，保证在紧急情况下的仍能进行供水。（5）可扩充性水泵的电气控制柜应该具有远程和就地控制的功能和数据通讯接口，能与控制中心相连，实时传送供水的相关数据，以便进行显示、监控以及报表打印等。（6）节能性（a）节约电能变频调速恒压供水方式与过去的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，不论在设备的投资、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，都具有其它供水方式无法比拟的优势。此外它还具有显著的节能效果。由前面分析可知，水泵的流量、扬程（压力）和轴功率分别与其转速的一次方、二次方和三次方成正比。当水泵运转速度降低以后，其轴功率随转速的三次方下降，驱动电动机所需要的功率也相应减少，从而取得明显的节电效果。（b）节约用水采用变频器进行变频恒压供水，管道保持恒压，不会出现因水压过高而造成的崩管现象，从而减少或避免事故浪费。（c）延长管道系统使用寿命利用供水专用变频器进行变频恒压供水，可保持系统水压恒定，不会出现水压过高的现象，使管道压力一直维持在合理的范围内，可延长更换周期，减少维修投入。变频调速控制的水泵在起动时，电机频率逐渐上升到工频频率，水的压力也逐渐升高，这样就避免了水流对管网、仪表、阀门、法兰等地冲击，延长了供水设备的使用寿命。当变频调速供水控制系统停止运行时，变频器输出交流电的频率逐渐降低直到停止输出，水泵的转速也逐渐降低直到停止运行，有效防止了水锤现象的产生。2.5小结本章分析了供水系统的基本特性。从扬程特性曲线和管阻特性曲线可以看出，由于水泵的功率与转速的立方成正比，在供水系统中采用变频调制方式要比阀门控制方式获得更加显著的节能效果。最后总结了变频调速恒压供水系统的主要特点。第三章 变频调速恒压供水控制系统研究3.1 系统的方案设计3.1.1 恒压控制原理从第二章变频恒压供水的主要特点分析可以看出，变频恒压供水系统的控制对象是时变的、非线性的、滞后的和模型不稳定的，对它的控制属于工业过程控制的范畴，即以供水出口管网水压为控制目标，通过控制作用实现总管网的出口实际供水压力跟随设定的供水压力。所设定的供水压力可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，即在每一个时段内是一个常数。因此，在某个特定时段内，变频恒压控制的目标就是使总管网出口的实际供水压力维持在设定的供水压力上。变频恒压控制的原理如图3-1。 图3-1 变频恒压控制的原理图从恒压控制的原理图可以看出，在运行过程中，如果实际供水压力低于设定压力，控制系统将得到正的压力差，这个差值经过计算和转换，可以得到变频器输出频率的增加值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，即为变频器当前应该输出的频率。该频率使水泵机组转速增大，从而提高供水压力。上述调节过程被重复执行，直到实际供水压力和设定压力相等为止。如果运行过程中实际供水压力高于设定压力，情况刚好相反，变频器的输出频率将会降低，水泵机组的转速也将减小，使得实际供水压力减小，直至实际供水压力和设定压力相等。3.1.2 系统变频恒压控制的方案及选择变频恒压系统主要由压力传感器、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。系统设计的主要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、水泵电机的软起动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要进行运行数据传输。根据系统的设计任务要求，结合系统的使用场所，一共有以下几种方案可供选择：（1）有供水基板的变频器+水泵机组+压力传感器这种控制系统结构简单，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器供水基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能。该方法虽然微化了电路结构，降低了设备成本，但是压力设定和压力反馈值的显示比较麻烦，无法自动实现不同时段的不同恒压要求。在调试时，PID调节参数寻优困难，调节范围小，系统的稳态、动态性能不易保证。其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，数据通信困难，并且限制了带负载的容量，因此仅适用于要求不高的小容量场合。（2）通用变频器+单片机（包括变频控制、调节器控制）+人机界面+压力传感器 这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方