河南工业职业技术学院毕业设计(论文) 第 32 页
位移，位移导致电容量的变化。
图4.2单只变极距型电容压力传感器
水泵在运行中普遍存在以下三个问题：单机效率低，系统运行效率低，多数风机、水泵都要靠阀门来节流、增压，浪费大量的电能另外，在节能调节方式中，电动机、水泵等长期处于高速、大负载下运行，造成维护工作量大，设备寿命低，并且运行现场噪声大，污染环境。
出于节能的迫切需要和对产品质量不断提高的要求，加之采用变频调速器易操作、免维修、控制精度高，并且可以实现高功能优化等特点，设计人员采用变频器驱动的方案逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q，压力H以及轴功率P具有如下关系：
Q?n, H?n2, P?n3,
即，流量与转速成正比，压力与转速平方成正比，轴功率与转速立方成正比。
以一台水泵为例，它的出口压头为H0(出口压头即泵入口和管路出口的静压力差)。额定转速n0，阀门全开时的管阻特性为r0，额定工况下与之对应的压力为H1，出口流量为Q1。流量——转速——压力关系曲线如图1.1所示。在现场控制中，要求管网压力不得低于H3，在此范围内调节系统供水流量。通常采用水泵定速运行，调节出口阀门开度控制流量。当流量从Q1减小到50%至Q2时，阀门开度减小使管网阻力特性由r0变为
r1，系统工作点沿方向?由原来的A点移至B点，受其节流作用使得泵口压力由H1变为H2，管网压力则因为节能原因降至H3。
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4.4变频器的基本控制原理
根据电机学可知，交流电动机的转速公式为：
n?60f1(1?s) (4.1) p式中：f1——定子供电频率；p——极对数；s——转差率。
由上式可知，若均匀地改变定子供电频率f1，则可以平滑地改变电动机转速。然而，只调节f1是不行的，因为：
E1?4.44f1N1kN1?m?U1 (4.2)
式中：E1——定子每项由气隙磁通感应的电动势的均方根值(V)；f1——定子频率(Hz)；N1——定子绕组有效匝数；kN1——与电动机绕组结构有关的常数；?m——每极磁通量(Wb)；U1——定子相电压(V)。
当定子电压U1不变时，?m与f1成反比，f1的升高或降低，会导致磁通?m的减小或增大，从而使电动机最大转矩减小，严重时将导致电动机堵转，或者使磁路饱和，铁耗急剧增加。为此，在调节电源频率的同时，要调节电压的大小，以维持磁通的恒定，使最大转矩不变。根据U1和f1不同的比例关系，变频器有以下几种调速方式。
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1.恒比例控制方式。这种控制方式是在调频的同时调节电压，维持
U1?const(恒f1值)。当频率较高时，定子电阻压降可忽略不计，这时有U1?E1，
?m?EU11?1??1?cont(恒值)，磁通近似不变。根据异步电动机的
4.44N1kN1f14.44N1kn1f1转矩表达式
'T?Cm?mI2cos?2 (4.3)
式中：Cm——电磁转矩系数；I2'——转子电流；cos?2——转子功率因数。 当转子电流I2'额定，?m?const(恒值)时，电动机的转矩不变，因此，这种恒比例控制方式属于恒转矩调速性质。但当频率较低时，定子电阻压降不可忽略，E1与U1相差较大，即使
U1E?const，1也不再近似为常数，最大转矩将随频率f1的降低而减小，f1f1起动转矩也减小，甚至不能带动负载。所以，恒比例控制方式只适用于调速范围不大(即
f1不会进入低频段)，或者转矩随转速下降而减小的负载(如风机、水泵等)。本文中即采用该控制方式。
2.恒磁通控制方式。由公式(4.3)可知，要在整个调速范围内实现恒磁通控制，必须按来进行控制。公式(4.4)是维持恒磁通，即维持最大转矩变频调速的协助控制条件。
E1?const (4.4) f1具体做法是：当频率较高时，采用恒比例控制方式，当频率较低时，引入低频补偿，也就是通过控制环节，适当提高变频电源输出电压，以补偿低频时定子电阻上的压降，维持磁通不变实现恒转矩控制。
3.恒功率控制方式。它的特点是输出功率不变，适用于负载随转速的升高而变轻的场合。
4.恒电流控制方式。在变频调速时，保持三相异步电动机定子电流I1为恒值的控制方式叫恒流控制。但由于恒流控制限制了I1，所以恒流控制时的最大转矩Tm要比恒磁通控制时小得多，且过载能力小，因此，这种方式只适用于负载变化不大的场合。
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5 PLC、变频恒压供水系统设计方案
5.1 系统组成
恒压供水控制系统的基本控制策略是采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统进行控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制。在管网流量发生变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。
本供水系统是由主供水回路、备用回路、一个清水池及泵房组成。其中，泵房装有
1#~3#共3台泵机，还有多个电动闸阀或电动蝶阀控制各供水回路和水流量。控制系统
采用了以具有丰富功能的PLC为核心的多功能高可靠性控制系统。在本系统的管网系统中，由于管网是封闭式的，泵站供水的流量是由用户用水量决定的。泵站供水的压力以满足管网中压力最不利点的压力损失?H和流量Q为基本出发点，它们之间存在着如下关系：
?H?KQ2 (5.1)
式中：K为系数。
设HL为压力最不利点所需要的最低压力，则泵站出口总管压力H应按下式关系供水，则可满足用户用水的要求压力值，又有最佳的节能效果。
H?HL??H?HL?KQ2 (5.2)
因此供水系统的设定压力应该根据流量的变化而不断修正设定值，这种恒压供水技术称为变流量恒压供水，即供水系统最不利点的供水压力为恒值而泵站出口总管压力连续可调。
本系统由SIEMENS S7-200的CPU224，ABB ACS 400系列7.5kW变频器和具有压力显示的PID调节器组成。利用变频器的两个可编程继电器输出端口RO1和RO2进行功能设定。当变频器达到最高频率时，RO1的常开触点RO1B-RO1C闭合。可以此作为CPU224的输入信号，判断是否进行加泵和切泵。采用SIEMENS的EM235扩展模块，具有模拟量输入和模拟量输出的PID调节器。
如图5.1在供水系统总出水管上安装压力变送器检测出水压力，再将压力传感压力信号(4~20mA或0~5V)送给调节器；在与设定压力信号进行PID运算后，调节器再将模
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