净水厂送水泵房控制系统设计及应用 - 图文(3)

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(3)改变转差率

改变电机极对数调速的调控方式控制简单，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，即变速时转速变化较大，转矩也变化大，因此只适用于特定转速的生产机器。改变转差率调速为了保证其较大的调速范围一般采用串级调速的方式，其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，但由于线路过于复杂，增加了中间环节的电能损耗，且成本高而影响它的推广价值。下面重点分析改变电源频率调速的方法及特点。

根据公式可知，当转差率变化不大时，异步电动机的转速n基本上与电源频率厂成正比。连续调节电源频率，就可以平滑地改变电动机的转速。但是，单一地调节电源频率，将导致电机运行性能恶化。因为当电源电压不变时，若频率减小，主磁通将增加，这将导致磁路过分饱和，励磁电流增大，功率因数降低，铁心损耗增加；而当频率增加时，磁通减小，电磁转矩及最大转矩下降，过载能力降低，电动机的容量也得不到充分利用。因此，为了使电动机能保持较好的调速性能，要求在调节频率的同时，改变定子电压，以维持主磁通不变，或者保持电动机的过载能力不变。电源电压随频率按什么样的规律变化最为合适呢?一般认为，在任何类型负载下变频调速时，若能保持电动机的过载能力不变，则电动机的运行性能较为理想。

2 变频装置简介

要实现异步电动机的变频调速供水，必须有能够同时改变电压和频率的供电电源。现有的交流供电电源都是恒压恒频的，所以必须通过变频装置才能获得变压变频电源。变频装置可分为间接变频和直接变频两类。间接变频装置先将工频交流电通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变成为可控频率的交流，通常称为交-直-交变频装置。直接变频装置则将工频交流一次变换成可控频率的交流，没有中间直流环节，也称为交-交变频装置。目前应用较多的还是间接变频装置。

2.1 间接变频装置(交-直-交变频装置)

图2.1绘出了间接变频装置的主要构成环节。按照不同的控制方式，它也可 分为图2-2中的(a)、(b)、(c)三种。

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图2.1 间接变频装置(交-直-交变频装置)

图2.2(a)是可控整流器变压，用逆变器变频的交-直-交变频装置。调压和调频分别在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。这种装置结构简单、控制方便，但是，由于输入环节采用可控整流器，当电压和频率调得较低时，电网端的功率因数较低；输出环节多用晶闸管组成的三相六拍逆变器(每周换流六次)，输出的谐波较大。这是此类变频装置的主要缺点。

图2.2(b)是用不控整流器整流、斩波器变压、逆变器变频的交-直-交变频装置。整流器采用二级管整流器，增设斩波器进行脉宽调压。这样虽然多了一个环节，但输入功率因数高，克服了图2—2(a)的第一个缺点。输出逆变环节不变，仍有谐波较大的问题。

图2.2(c)是用不控整流器整流、脉宽调N(PWM)逆变器同时变压变频的交-直-交变频装置。用不控整流，则输入端功率因数高；用PWM逆变，则谐波可以减少。这样可以克服图2．2(a)装置的两个缺点。

（a）

（b）

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(c)

图2.2 间接变频装置的各种结构型式

近年来，随着微机技术和电力电子技术的发展，PWM变频技术得到了飞速发展。由于它可以有效地进行谐波抑制而且动态响应好，在频率、效率诸方面有明显的优势。现在使用的大部分为电压型变频器。

2.2 直接变频装置(交一交变频装置)

直接变频装置的结构如图2.3所示，它只用一个变换环节就可以把恒压恒频的交流电源变换成变压变频电源。这种变频装置输出的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正、反两组按一定周期相互切换，在负载上就获得交变的输出电压U0。UO的幅值决定于各组整流装置的控制角，U0的频率决定于两组整流装置的切换频率。当整流器的控制角和这两组整流装置的切换频率不断变化时，即可得到变压变频的交流电源。

图2.3 直接变频装置

由于交一交变频技术只用一次变流，且使用电网换相，提高了变流效率，但接线复杂，使用的晶闸管较多，受电网频率和变流电路脉波数的限制，输出频率较低，且采用相控方式，功率因数较低。目前较少采用。主要用于大功率、低转速的交流调速装置中。

2.3供水系统对电气调速的基本要求

生活用水不比生产用水定时定量，而具有明显的时变性，具有明显的时间段，因

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此生活给水设备应具有“多用水、多耗电；少用水、少耗电\的功能。在用水高峰期，管网压力下降，此时应根据压力反馈值的结果通过PID运算，使变频器输出频率增加，水泵电机转速增加或增加投入运行的水泵台数，从而增加管网压力，保证供水能力。在用水较少时，管网压力将增加，此时压力的变化通过反馈运算使变频器输出频率下降，电机转速下降或减少运行的水泵数量，从而减小管网压力，直到管网压力等于设定值。这样，用户用水量的波动，供水装置都必须及时做出反应。供水系统对电气调速的基本要求有：

1 水泵在相同工况下调速时，其输出扬程H和水泵转速n的平方成正比，即：

H?Kn2 (2-2)

其中H是水泵扬程，K是转速系数，n是水泵转速。供水系统必须根据流量的变化调节水压，他们的关系式如下：

H?H1?H2?H1?K1Q2 (2-3)

H1是水网中最不利供水点要求流程，H2是管道水头损失，k1是流量系数，由管

网本身决定。Q是网用户要求的用水量两式联立求得：

Q2?HH1? (2-4) K1K1

从上式可看出，流量的平方与转速的平方成线性关系。还可看出，当流量为零时，水泵电机必须保持一定转速以保证管网维持一定的水压。速度的调节根据水压进行闭环控制。

2 系统启动和负载变化较大时，电流冲击较大，为保护电机及其他电气设备，应采用软启动方法。通过变频器输出频率的逐步变化使电流有一个变化过程，并通过PID调节和模糊控制相结合达到恒定水压的目的。

2.4 恒压供水节能原理

1 基本模型

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图2.4供水系统的基本原理

图2.4所示为一生活小区供水系统的基本原理。水泵将水池中的水抽出，并上扬至所需高度，以便向生活小区住户供水。

2 主要参数 1．流量

单位时间内流过管道内某一截面的水量，符号用Q表示。供水系统的基本任务就是要满足用户对流量的要求。

2．扬程

单位质量的水被水泵上扬时所获得的能量。符号为H。扬程主要包括三方面： a：提高水位所需的能量

b：克服水在管道中的流动阻力(管阻)所需的能量 C：使水流具有一定的流速所需的能量

由于在同一管路中，上述b和C是基本不变的，在数值上也相对较小。可以认为，提高水位所需的能量是扬程的主体部分。因此在同一管路内进行分析时，常简单的把水从一个位置上扬至另一个位置时，水位的变化量用来表示扬程。

3．全扬程

也叫总扬程或水泵的扬程。是表明水泵的泵水能力的物理量。在数值上等于：在管路没有阻力，也不计流速的情况下，水泵能够上扬水的最大高度。

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