变频恒压供水系统毕业设计.doc

毕
业
设
计

摘要
随着中国经济的快速发展，城市化步伐加快。现在很多人已经住进小区，所以小区必须提供给人们很好的供水质量，但也不能浪费有限的水资源。每个小区都建有自己的供水系统。小区供水系统的稳定性，可靠性，经济性直接影响到供水质量，传统的供水方式普遍存在占地面积大、可靠性差、难以维护等缺点，所以现在基本已经被淘汰了。
本文主要设计一套小区变频恒压供水系统，该系统由PLC，变频器，水泵机组，压力传感器，液位传感器，上位机，通信模块等设备组成。该系统具有生活管网和消防管网。该系统可以手动运行，也可以自动运行，同时还设计了人机界面，通过远程通信可以远程控制系统的运行。系统针对传统供水方式的缺点有了大大的改善，不仅提高了供水质量，同时也节约了水资源，投入资金较少，维护方便。
变频恒压供水系统与传统供水系统相比，节能效果非常显著。为了实现系统的恒压，本设计通过压力传感器检测压力，然后反馈给变频器的PID模块，这样就构成一个闭环控制系统。再通过变频器控制电机的转速，这就是变频调速。论文同时也讨论了消防供水的问题，在消防管网中配备了两台高功率的电机。
最后，还通过组态软件编译了人机界面，使系统更加完善。同时通过通信模块与上位机相连接，构成一个远程监控系统，通过上位机就可以实现远程监控系统的运行情况，还可以改变系统的运行参数。对于保护环节，系统设计了水位报警，变频器故障报警，软启动器保护等。

关键词：变频器；PLC；恒压供水；变频调速；监控系统

ABSTRACT
Along with the rapid development of Chinese economy, the urbanization step is quickly. Now many people have moved to communities, so the Community has to provide good water supply quality to people, but can not waste water resources. Community built their own water systems. Community water supply system must supplies water the stability, credibility of system, the economy directly influences to supply water quality .The traditional means of water supply cover big area, and low efficiency，hard maintenance etc. So it’s already been eliminated now.
This text mainly designs a cell constant pressure water supply system, which by the PLC, transducer, water pump, pressure sensors, liquid level sensors, host computer, communication modules and other equipment composition. The system has to live tube net and fire net. The system can control by hand, it also can control automatically. It still designed a man-machine interface at the same time．Passing the long range correspondence can with the movement that the long range control the system. The system has solved the problem existing in the traditional way of water supply, such as economize water resources, it are little to throw in funds, maintenance convenience.
The system compare with the traditional way of water supply, it has energy conservation effect extraordinary prominence. For carrying out system of constant pressure, this design spreads the feeling machine examination pressure through a pressure, Then the feedback give the PID mold piece of inverter. Therefore this made one cyclic control system. And then variable-frequency controls the electric machine, so this is a variable velocity variable frequency. The problem that the thesis also discussed that the fire fight supplies water at the same time took care of to provide with the electrical engineering of two set high powers in the net in the fire fight.
Finally, it also edited and translated a man-machine interface through a set of software. The system is more perfect. At the same time we Build up a conjunction between the PLC and the computer. For the protection link, the system designed water level to report to the police, the inverter breakdown reports to the police, the soft starter protects etc.
Key words：Variable-frequency; PLC; Constant pressure water-supply; Variable Velocity variable frequency; monitor and control-system
目录
摘要 2
第一章 绪论 7
1.1变频恒压供水产生的背景和意义 7
1.2变频恒压供水系统的国内研究现状 8
1.2.1各类供水系统的比较 8
1.2.2国内恒压供水系统研究状况 8
1.3几种供水系统的比较 8
1.4本课题的主要研究内容 10
第二章 变频恒压供水系统的理论以及方案确定 11
2．1 供水系统的基本模型和主要参数 12
2．2供水系统的特性曲线和工作点 13
2．3供水系统中恒压实现方式 14
2．4异步电动机调速方法 15
2．5 变频调速恒压供水系统能耗分析 16
2．6供水系统安全性讨论 18
2．7变频恒压控制的理论模型 19
2．8变频恒压供水系统的近似数学模型 20
2.9变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析 21
第三章 变频恒压供水系统的硬件设计 22
3．1 变频恒压供水系统总体控制方案的确定 22
3．2变频恒压供水系统总体结构图 24
3．3变频恒压供水系统主要器件的选型以及参数整定 26
3．3．1系统配置设备的参数计算 26
3．3．2变频器的选型 26
3．3．3 PLC及其扩展模块的选型 31
3．3．4水泵机组的选型 33
3．3．４压力传感器的选型 34
3．3．5软启动器或自耦变压器 34
3．4系统电路设计 34
3．4．1系统管网设计 34
3．4．2压力传感器的接线图 35
3．4．3变频器和ＰＬＣ控制电路设计 35
3．4．4系统控制电路的设计 39
3．5系统的I/O地址分配 39
第四章 变频恒压供水系统的软件设计 41
4．1变频恒压供水系统的工作原理 41
4．2系统的主程序流程图 42
4．3 PID调节器控制以及参数整定 44
4．3．1 PID调节器控制 44
4．3．2变频器PID参数调整流程图 46
4．3．3变频器PID参数设置及参数调整 47
第五章 系统远程监控系统的设计 49
5．1 监控系统硬件构成 49
5.2 三菱FX系列PLC通信协议 51
5.3 PLC通信程序设计 52
5.4计算机通信程序设计 53
5.5上位机监控软件设计 54
第六章 总结 56
参考文献 57
附录1：梯形图 57

第一章 绪论
1.1变频恒压供水产生的背景和意义
随着社会经济的迅速发展，水对人民生活与工业生产的影响日益加强，人民对供水的质量和供水系统可靠性的要求不断提高。把先进的自动化技术、控制技术、通讯及网络技术等应用到供水领域，成为对供水系统的新要求。
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。采用该系统进行供水可以提高供水系统的稳定性和可靠性，方便地实现供水系统的集中管理与监控；同时系统具有良好的节能效果，这在能量日益紧缺的今天尤为重要，所以研究设计该系统，对于提高企业效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的现实意义
在变频恒压供水系统中利用变频器改变电动机的电源频率，从而达到调节水泵转速，改变水泵的出口的压力的目的，这种方法比靠调节阀门控制水泵出口压力的方法，具有更高的效率和优越性。由于水泵工作在变频工况下，在其出口流量小于额定流量时，泵的转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长了泵和电动机的机械使用寿命。实现恒压供水的自动控制，不需要操作人员频繁的操作，大大降低了人员的劳动强度，节省了人力和能源的消耗。
1.2变频恒压供水系统的国内研究现状
1.2.1各类供水系统的比较
水池－水泵（恒压变频或气压罐）－管网系统－用水点是目前国内外普遍采用的方法。该系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定死。这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。
水池－水泵－高位水箱－用水点这种供水方式通过水泵抽水送至高位水箱，再由高位水箱向下供水至各用户。但是这第种二次供水方式不可避免造成二次污染，影响居民的身体健康。所以这种方案并不可取，终将淘汰。
单元水箱－单元增压泵－单元高位水箱－各单位用水点的确也达到了楼房高层的用户不因城市供水管网水压减小而用不到水的目标，但是它的投资较大，总费用比上两种方式增加一、二十万元。这些费用要在用户的水电费上来扣除，这对于居民和学校来说是巨大的压力，所以也不可取。
结合小区用水的特点和经济效益的考虑,决定采用恒压变频供水系统。
1.2.2国内恒压供水系统研究状况
从20世纪70年代起，国内的很多专家，学者就开始尝试将计算机技术应用于供水系统的模拟，优化设计及供水系统控制等方面。目前，国内供水系统采用的自动控制技术不少，其特点是变频技术与其他自动化技术相结合。如最初的恒压供水系统采用继电接触器控制电路，是与开关量逻辑控制技术结合，通过人工启动或停止水泵和调节泵出口阀开度来实现恒压供水。该系统线路复杂，操作麻烦，劳动强度大，维护困难，自动化程度低，应用前景不好。后来增加了微机和PLC监控系统，提高了自动化程度。但由于驱动电机是恒速运转，水流量靠调节泵出口阀开度来控制，浪费大量的能源，也没有很好的发展前景。转速控制法是通过改变水泵的转速来调节流量，通过变频技术调速。变频调速以其优异的调速和起、制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，得到了广泛的应用。
1.3几种供水系统的比较
1．恒速泵加压供水：这种方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。
2．重力供水：重力供水通常需要设置水箱或者水塔，系统用水是由水箱或者水塔直接供应，所以供水压力比较稳定。但它需要由位置高度所形成的压力进行供水，为此需要建造水塔或者将水箱置于建筑物顶层的最高处。在大型建筑物中，即使如此，还常常不能满足最不利供水点的供水要求。同时由于其存水比较大，在屋顶形成很大的负重，增加了结构的承重和占用楼宇的建筑面积，也妨碍美观，此外，屋顶水箱还必须高出屋面几米，建筑立面较难处理，存在投资大、周期长、能源浪费大的缺点。
3．气压供水：气压供水是采用气压罐代替水塔或高位水箱利用密闭压力罐内的空气将罐内储水压到管网中去。它的优点是灵活性大、建设快、污染少、有利于抗震、可消除管道中的水锤与噪声，缺点是体积和投资大、压力变化大、运行效率低、需要使用张力膜、维护费用高、耗费动力大。
4．变频恒压供水：变频恒压供水系统即实现水泵电机的无级调速，根据用水量的变化自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求。将变频调速技术用于更新改造传统供水设备之后，大大地推动了恒压供水技术装备的发展。这种恒压供水方式与传统的水塔或高位水箱以及气压供水方式相比，在设备的投资、运行的经济性、系统的稳定性、可靠性和自动化程度等方面具有无法比拟的优势。供水系统采用变频控制，既能大量节约能源，又能稳定供水系统的压力，保障管网系统的安全运行，是非常有实际意义的，并且供水系统的电动机相对鼓、引风机而言容量较小，投资不大，还可以在恒压供水的过程中，实现水泵电机的软启动、水泵及管路保护，并且可以节约能源、提高劳动生产率，所以非常值得推广和应用。
综上所述，传统的供水方式普遍不同程度的存在着浪费水电力资源、效率低、可靠性差、自动化程度不高等缺点，严重影响了居民的用水和工业系统中的用水。目前的供水方式朝向高效节能、自动可靠的方向发展，变频调速技术以其显著的节能效果和稳定可靠的控制方式，在风机、水泵、空气压缩机、制冷压缩机等高能耗设备上广泛应用，特别是在城乡工业用水的各级加压系统和居民生活用水的恒压供水系统中，变频调速水泵节能效果尤为突出，其优越性表现在：一是节能显著；二是在开、停机时能减小电流对电网的冲击以及供水水压对管网系统的冲击；三是能减小水泵、电机自身的机械冲击损耗。
1.4本课题的主要研究内容
通过对现有供水系统的调研和分析，依据用户对供水系统的要求，确定以可靠性高、使用简单、维护方便、编程灵活的工控设备变频器和PLC作为主要控制设备来设计变频调速恒压供水系统，并引入计算机对供水系统进行远程监控与管理，保证整个系统运行可靠，安全节能，获得最佳的技术经济性能。具体而言，
论文包括以下内容：
1． 论文在对课题对进行分析和研究的基础上，提出了系统的设计方案和思路，确定论文主要的研究内容和研究方法；
2．分析供水系统基本模型及主要参数，对恒压供水系统中采用转速调节法和阀门控制法作了比较，详细分析和论证变频调速方式在恒压供水系统中的节能原理和效果。并分析了变频调速方式对减少供水系统的水锤效应，提高系统安全性的作用。
3．论文就变频调速恒压供水控制系统的设计做了详细的分析和研究。从用户的需求入手确定设备的选型；详细分析全自动变频恒压运行方式水泵运行的各种有效状态及其转换过程，讨论PLC的程序设计方法及程序执行特点，并在此基础上提出供水系统控制程序的功能模块和设计方案；在介绍PID调节原理的基础上，分析利用PID调节原理实现恒压供水的调节过程，给出PID参数设置方法；最后还提出了保障系统可靠性的一些措施。
4． 通过计算机和PLC的通信，实现供水系统运行状态的实时远程监控是本论文的一个特色之处。论文介绍了计算机和PLC通信系统的组成和通信协议，给出了通信程序，并提出供水系统监控软件设计方法。

第二章 变频恒压供水系统的理论以及方案确定
在供水系统中，用水量处于动态变化过程之中，采取恒速泵供水方式，无法维持管压恒定，同时也影响设备寿命：若采取阀门控制调节流量来维持管压，必然造成大量的电能浪费；而且水泵电机直接工频起动与制动带来的水锤效应，对管网、阀门等也具有破坏性的影响。基于恒压、节能及安全性考虑，采取变频调速恒压供水方式是一种不错的选择。据统计采用变频调速技术调节流量实现恒压供水，可节能20—50％，节能效果相当显著。在讨论变频调速恒压供水系统节能机理与安全性之前，有必要讨论分析供水系统的一些基本概念和特性。
2．1 供水系统的基本模型和主要参数
供水系统的基本模型如图2-1所示。
泵
用户
水面 h1
吸水口
摩擦损失 流量控制
全扬程
水压
泵
实际扬程
h0
L0
h2
H
h3
（a） 图2-1 供水系统的基本模型 （b）
（a）全扬程的概念 (b)基本模型
)

图中：L0一一水泵中心位置；
h0一一吸水口水位；
h1一一水平面水位；
h2一一管道最高处水位：
h3一一在管道高度不受限制的情况下，水泵能够泵水上扬的最高位置的水位。表明水泵的泵水能力。在真实的管道系统中，这个位置并不存在。只有在h3大于管道的实际最高位置的情况下，才能正常供水。
主要参数有：
1．流量Q ：单位时间内流过管道内某一截面的水流量，常用单位是m3／min。
2．扬程H也称水头：是供水系统把水从一个位置上扬到另一位置时水位的变化量，数值上等于对应的水位差。常用单位是m。
3．实际扬程Hb：供水系统中，实际的最高水位h2与最低水位h1，之间的水位差，即供水系统实际提高的水位。即：Hb=h2一h1。
4．全扬程HT：水泵能够泵水上扬的最高水位h3与吸入口的水位ho之间的水位差。全扬程的大小说明了水泵的泵水能力。即：HT=h3—h0.
5．损失扬程HL：全扬程与实际扬程之差，即为损失扬程。Hb，HT，HL之间的关系是：HT=HL+ Hb。
供水系统为了保证供水，其全扬程必须大子实际扬程，这多余的扬程一方面
用于提高及控制水的流速，另一方面用于抵偿各部分管道内的摩擦损失；
6．管阻R：阀门和管道系统对水流的阻力。和阀门开度、流量大小、管道系统等多种因素有关，难以定量计算，常用扬程与流量间的关系曲线来描述。
7．压力p：表明供水系统中某个位置水压大小的物理量。其大小在静态时主要取决于管路的结构和所处的位置，而在动态情况下，则还与流量与扬程之间的平衡情况有关。
2．2供水系统的特性曲线和工作点
供水系统的参数表明了供水的性能。但各参数之间不是静止孤立的，相互间存在一定的内在联系和变化规律。这种联系和变化规律可用供水系统的特性曲线直观地反映，主要有扬程特性曲线和管组特性曲线，如图2—2。通过特性曲线可以掌握供水系统的性能，确定其工作点。
Q
QE QN

HT

Ho
HE
HN

HC

HB

0
A
B
N
1
2
3
4
图2-2 供水系统特性曲性

图2—2中：
曲线1一一额定转速nN时的扬程特性曲线
曲线2一一转速n1时的扬程特性曲线
曲线3一一阀门开度100％时的管阻特性曲线
曲线4一一阀门开度不足100％时的管阻特性曲线
1．扬程特性
以管路中的阀门开度不改变为前提，即截面积不变，水泵在某一转速下，全扬程与流量间的关系曲线HT=f （Q），称为扬程特性曲线。不同转速下，扬程特性曲线不同，图2．2中的曲线1、2分别对应于转速nN、n1，，且nN> n1，。
曲线表明转速一定时，用水量增大，即流量增大，管道中的管阻损耗也就越大，供水系统的全扬程就越小，反映用户的用水需求状况对全扬程的影响的。在这里，流量的大小取决于用户，是用水流量，用Qu，表示。用水量一定时，即Qu不变，转速越低，水泵的供水能力越低，供水系统的全扬程就越小。
2．管阻特性
以水泵的转速不改变为前提，阀门在某一开度下，全扬程与流量间的关系曲线HT=f （Q），称为管阻特性曲线。不同阀门开度，管阻特性曲线不同，图2-2中的曲线3对应阀门开度大于曲线4对应的阀门开度。
管阻特性表明由阀门开度来控制供水能力的特性曲线。此时转速一定，表明水泵供水能力不变，流量的大小取决于阀门的开度，即管阻的大小，是由供水侧来决定的，故管阻特性的流量可以认为是供水流量，用QG表示。
在实际的供水管道中，流量具有连续性，并不存在供水流量与用水流量的差别。这里的QG和QU是为了便于说明供水能力和用水需求之间的平衡关系而假设的量。
当供水流量QG接近于0时，所需的扬程等于实际扬程(HT=HB)。表明了如果全扬程小于实际扬程的话，将不能供水。因此，实际扬程也就是能够供水的基本扬程。
3．供水系统的工作点
扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的工作点。在这一点，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性。供水系统处于平衡状态，系统稳定运行。
图2．2中的Ⅳ点表示水泵工作于额定转速，阀门开度为100％时的供水状态，为系统的额定工作点。
4． 供水功率
供水系统向用户供水时所消耗的功率PG(kw)称为供水功率，供水功率与流量和扬程的乘积成正比：
PG=CPHTQ （2-1）
式中：CP——比例常数。
2．3供水系统中恒压实现方式
对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，而扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小是扬程大小的反映，而扬程与供水能力(由流量QG表示)和用水需求(由用水流量QU表示)之间的平衡情况有关。
若：供水能力QG>用水需求QU，则压力P上升；
若：供水能力QG<用水需求Qu，则压力P下降；
若：供水能力QG=用水需求QU，则压力P不变。
可见，流体压力P的变化反映了供水能力与用水需求Qu之间的矛盾。从而，选择压力控制来调节管道流量大小。这说明，通过恒压供水就能保证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。将来用户需求发生变化时，需要对供水系统做出调节，以适应流量的变化。这种调节就是以压力恒定为前提来实现的。常用的调节方式有阀门控制法和转速控制法两种。
(1)．阀门控制法
转速保持不变，通过调节阀门的开度大小来调节流量。
实质是水泵本身的供水能力不变，而通过改变水路中的阻力大小来强行改变流量大小，以适应用户对流量的需求。这时的管阻特性将随阀门开度的改变而改变，但扬程特性则不变。
(2)．转速控制法
阀门开度保持不变，通过改变水泵的转速来调节流量。
实质是通过改变水泵的供水能力来适应用户对流量的需求。当水泵的转速改变时，扬程特性将随之改变，而管阻特性则不变。
2．4异步电动机调速方法
通过转速控制法实现恒压供水，需要调节水泵的转速。水泵通过三相异步电动机来拖动，因此水泵转速的调节，实质就是需要调节异步电动机的转速。
由三相异步电动机的转速公式：
n=n1（1—s）=60f（1—s）∕p （2—2）
式中，n1一一异步电动机的同步转速，r／min；
n一一异步电动机转子转速，r／min；
P一一异步电动机磁极对数；
f一一异步电动机定子电压频率，即电源频率；
s一一转速差，s=1—n∕n1。
可知调速方法有；变极调速、变转差调速和变频调整。
1．变极调速
在电源频率一定的情况下，改变电动机的磁极对数，实现电机转速的改变。磁极对数的改变通过改变电机定子绕组的接线方式来实现。这种调速方式只适用于专门的变极电机，而且是有极调速，级差大，不适用于供水系统中转速的连续调节。
2，变转差调速
通过改变电动机的转差率实现电机转速的改变。三相异步电动机的转子铜损耗耗与电机的转差率成正比，又称为转差功率，以电阻发热方式消耗。电动机工作在额定状态时，转差率J很小，相应的转子铜损耗小，电机效率高。但在供水系统中由转速控制法实现恒压供水时，为适应流量的变化，电机一般难以工作于额定状态，其转速值往往远低于额定转速，此时的转差率s增大，转差功率增大，电机运行效率降低。虽然变转差调速中的串级调速法能将增加部份的转差功率通过整流、逆变装置回馈给电网，但其功率因数较低，低速时过载能力低，还需一台与电动机相匹配的变压器，成本高，且增加了中间环节的电能损耗。
因此变转差调速方法不适用于恒压供水系统中的转速控制法。
3．变频调速
通过调节电动机的电源频率来实现电机转速的调节方式。
这种调速方式需要专用的变频装置，即变频器。最常用的变频器采取的是变压变频方式的，简称为VVVF(Variable voltage Variable Frequency)。在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通Φm基本不变，其关系为：
U1／f1=常数 （2—3）
式中：U1一一变频器输出电压；
f1一一变频器输出频率：
变频调速过程的特点：
静差率小，调速范围大，调速平滑性好，而且，很关键的一点是调速过程中，其转差率不变。电机的运行效率高，适合于恒压供水方式中的转速控制法。
因此恒压供水系统中采取变频调速方式可以获得优良的运行特性和明显的节能效果。
2．5 变频调速恒压供水系统能耗分析
1．转速控制调节流量实现节能
(1)． 转速控制法与阀门控制法供水能耗分析
在图2-2中，将阀门控制法和转速控制法的特性曲线画在了同一坐标系中。假设系统原工作于额定状态N点，当所需流量减少，从额定流量QN变为QE时，在恒压前提下，采用阀门控制法时供水系统工作点将移到A点，对应的供水功率PG与面积AHEOQE成正比；采用转速控制法时供水系统工作点将移到B点，对应的供水功率PG与面积BHcOQE成正比。
两种控制方式下的面积之差△P=AHEHcB表明了采取转速控制方式相对于阀门控制方式可以实现节能。
(2)． 转速调节与恒速运行供水能耗分析
根据水泵比例定理，改变转速n，水泵流量Q、扬程H和轴功率P随之相应变化，其关系式为：
Q1∕Q=n1∕n （2—4）
H1∕H=（n1∕n）2 （2—5）
P1∕P=( n1∕n)3 (2—6)
式中，n1、Q1、H1、P1分别为调速后的水泵转速、流量、扬程和轴功率。从以上关系可知，当转速n下降时，轴功率按转速变化的3次方关系下降，可见转速对功率的影响是最大的。
一般在设计中，水泵均考虑在最不利工况下供水，水泵在选型上也是按水泵额定工作点选型和安装使用，即按额定工作点设计。但在实际运行中，管网用水量常常低于最不利工况，这时，如降低转速相对于恒速泵供水运行，能使水泵的轴功率大大减少。
可见，在供水系统中根据用水量的大小，通过变频方式调节水泵转速的方式来实现供水具有很好的节能效果。而且这种方式在用水量较少时节能效果更为明显。
2．变频调速电机运行效率高
在设计供水系统时，额定扬程和额定流量通常留有裕量，而且，实际用水流量也往往达不到额定值，电动机也常常处于轻载状态，电机恒速运行时效率和功率因数很低。采用变频调速方式变频器能够根据负载轻重调整输入电压，从而提高了电动机的工作效率。这是变频调速供水系统具有节能效果的第三个方面。
2．6供水系统安全性讨论
1． 水锤效应
在极短时间内，因水流量的急巨变化，引起在管道的压强过高或过低的冲击，并产生空化现象，使管道受压产生噪声，犹如锤子敲击管子一样，称为水锤效应。
水锤效应具有极大的破坏性。压强过高，将引起管子的破裂；压强过低又会导致管子的瘪塌。此外，水锤效应还可能损坏阀门和固定件。
2． 产生水锤效应的原因及消除办法
产生水锤效应的根本原因，是水泵在起动和制动过程中的动态转矩太大，短时间内流量的巨大变化而引起的。采用变频调速，通过减少动态转矩，可以实现彻底消除水锤效应。
水泵的动态转矩大小决定了水泵加速过程的快慢，决定了加速过程流量变化的快慢，也就决定了水锤效应的强弱。
拖动系统中，动态转矩 TJ = TM —TL （2—7）
TM ：是电动机的拖动转矩
TL ：是供水系统的制动转矩
图2—4反映了全压起动和变频起动过程中动态转矩情况。
fN

b
TN

a图：全压启动 b图：变频启动
fN

f1

f2
f3
f4
T

n
T 0
TJ
n

nN
图2—4水泵的直接起动和变频起动
a

图2— 4 b中的锯齿状线是变频起动过程中的动态转矩。
由图2—4可知，水泵在直接起动过程时，因动态转矩很大，造成了强烈的水锤效应，通过变频起动，可有效地降低动态转矩消除水锤效应。
停机过程效果类似。
3． 变频调速对供水系统安全性的作用
采用变频调速，对系统的安全性有一系列的好处：
(1) 消除了水锤效应，减少了对水泵及管道系统的冲击，可大大延长水泵及管道系统的寿命；
(2) 降低水泵平均转速，减小工作过程中的平均转矩，从而减小叶片承受的应力，减小轴承的磨损，使水泵的工作寿命将大大延长；
(3) 避免了电机和水泵的硬起动，可大大延长联轴器寿命；
(4) 减少了起动电流，也就减少了系统对电网的冲击，提高了自身系统的可靠性：
2．7变频恒压控制的理论模型
变频恒压控制系统以供水出口管网水压为控制目标，在控制上实现出口总管网的实际供水压力跟随设定的供水压力。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，在每一个时段内是一个常数。所以，在某个特定时段内，恒压控制的目标就是使出口总管网的实际供水压力维持在设定的供水压力上。
反馈参 数
实际压 力
转速
频率
给定
参数
变频器
PID
水泵
管网
压力传感器
图2—5变频恒压控制原理图

从图2—5中可以看出，在系统运行过程中，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，计算出变频器输出频率的增加值，该值就是为了减小实际供水压力与设定压力的差值，将这个增量和变频器当前的输出值相加，得出的值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，从而使实际供水压力提高，在运行过程中该过程将被重复，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，水泵机组的转速减小，实际供水压力因此而减小。同样，最后调节的结果是实际供水压力和设定压力相等。
2．8变频恒压供水系统的近似数学模型
如前文所述，由于变频调速恒压供水系统的控制对象是一个时变的、非线性的、滞后的、模型不稳定的对象，我们难以得出它的精确数学模型，只能进行近似等效。水泵由初始状态向管网进行恒压供水，供水管网从初始压力开始启动水泵运行，至管网压力达到稳定要求时经历两个过程：首先是水泵将水送到管网中，这个阶段管网压力基本保持初始压力，这是一个纯滞后的过程；其次是水泵将水充满整个管网，压力随之逐渐增加直到稳定，这是一个大时间常数的惯性过程；然而系统中其他控制和检测环节，例如变频环节、继电控制转换、压力检测等的时间常数和滞后时间与供水系统的时间常数和滞后时间相比，可忽略不计，均可等效为比例环节。因此，恒压供水系统的数学模型可以近似成一个带纯滞后的一阶惯性环节，
G(S) = Ke –τs ∕ (Ts+1) (2—8)
式中：K为系统的总增益，T为系统的惯性时间常数，τ为系统滞后时间
2.9变频恒压供水系统中加减水泵的条件分析
在上面的工作流程中，我们提到当一台调速水泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加恒速水泵来满足供水要求，达到恒压的目的。当调速水泵和恒速水泵都在运行且调速水泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少恒速水泉来减少供水流量，达到恒压的目的。那么何时进行切换，刁能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换。
尽管通用变频器的频率都可以在0-400Hz范围内进行调节，但当它用在供水系统中，其频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大和减小。当正在变频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在50Hz时进行。由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50Hz成为频率调节的上限频率。当变频器的输出频率己经到达50Hz时，即使实际供水压力仍然低于设定压力，也不能够再增加变频器的输出频率了。要增加实际供水压力，正如前面所讲的那样，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组数量来实现。另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0Hz。其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降低到0Hz。因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于0Hz,具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20Hz左右。由于在变频运行状态下，水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率。
在实际应用中，应当在确实需要机组进行切换的时候才进行机组的切换。所谓延时判别，是指系统仅满足频率和压力的判别条件是不够的，如果真的要进行机组切换，切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立并且能够维持一段时间（比如1-2分钟），如果在这一段延时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作;如果切换条件不能够维持延时时间的要求，说明判别条件的满足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作。

第三章 变频恒压供水系统的硬件设计
3．1 变频恒压供水系统总体控制方案的确定
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