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一、四用一備水泵機(jī)組及其變頻柜應(yīng)用概況
用戶用水的多少是經(jīng)常變動(dòng)的，而用水和供水之間的不平衡集中反映在供水的壓力上，即用水多而供水少，則壓力低；用水少而供水多，則壓力大。保持供水壓力的恒定，可使供水和用水之間保持平衡，即用水多時(shí)供水也多，用水少時(shí)供水也少，從而提高了供水的質(zhì)量。
所使用的水泵機(jī)組供水系統(tǒng)中，共有5臺(tái)75KW水泵，四用一備。采用PLC可編程控制器自動(dòng)控制水泵機(jī)組的工作。
圖一 水泵機(jī)組變頻恒壓供水系統(tǒng)原理圖
1、變頻控制柜有兩組由交流接觸器組成的切換線變頻/頻切換電路，使水泵1和水泵2既可以切換到變頻運(yùn)行控制，也可以切換到工頻運(yùn)行控制。變頻柜中還有五套星三角啟動(dòng)電路，這是因?yàn)樗须妱?dòng)機(jī)均為75KW電機(jī)，不能直接啟動(dòng)，而變頻器又不允許帶載切換。具體有五個(gè)交流接觸器、五個(gè)熱繼電器、五個(gè)時(shí)間繼電器、五個(gè)手動(dòng)啟動(dòng)按鈕和五個(gè)手動(dòng)停止按鈕。
在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，所有交流接觸器的工作，都是根據(jù)按鈕開(kāi)關(guān)信號(hào)和網(wǎng)管壓力情況，由PLC自動(dòng)控制運(yùn)行的。
2、通常四臺(tái)水泵投入運(yùn)行，一臺(tái)作備用。當(dāng)運(yùn)行中的一臺(tái)水泵有故障時(shí)就退出系統(tǒng)，而由備用水泵接替工作。
3、四臺(tái)投入運(yùn)行的水泵，由變頻控制柜根據(jù)壓力反饋信號(hào)，通過(guò)智能運(yùn)算自動(dòng)控制切換成一臺(tái)調(diào)速、另幾臺(tái)或全速或停止的方式，調(diào)速的那一臺(tái)由PID運(yùn)算自動(dòng)調(diào)整出頻率，改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，最終達(dá)到管網(wǎng)恒壓的目的。
具體的算法是通過(guò)計(jì)算判定目前是否已經(jīng)達(dá)到設(shè)定壓力，決定是否增加（投入）或減少（撤出）水泵。即當(dāng)一臺(tái)水泵工作頻率達(dá)到最高頻率時(shí)，若網(wǎng)管水壓力仍達(dá)不到預(yù)設(shè)水壓，則控制柜自動(dòng)啟動(dòng)第二臺(tái)水泵投入運(yùn)行，工作的兩臺(tái)水泵一臺(tái)工頻一臺(tái)變頻運(yùn)行；在兩臺(tái)運(yùn)行時(shí)，如果變頻控制的那一臺(tái)已經(jīng)達(dá)到最高頻率，若網(wǎng)管水壓力仍達(dá)不到預(yù)設(shè)水壓，則控制柜自動(dòng)啟動(dòng)第三臺(tái)水泵投入運(yùn)行，工作的三臺(tái)水泵兩臺(tái)工頻一臺(tái)變頻運(yùn)行；同樣的，在三臺(tái)運(yùn)行時(shí)，如果變頻控制的那一臺(tái)已經(jīng)達(dá)到最高頻率，若網(wǎng)管水壓力仍達(dá)不到預(yù)設(shè)水壓，則控制柜自動(dòng)啟動(dòng)第四臺(tái)水泵投入運(yùn)行，工作的四臺(tái)水泵兩臺(tái)工頻一臺(tái)變頻運(yùn)行。反之，若管網(wǎng)水壓天于預(yù)設(shè)水壓，控制柜控制變頻運(yùn)行的那一臺(tái)頻率降低，當(dāng)頻率低于下限時(shí)自動(dòng)切掉一臺(tái)工頻泵；和增加時(shí)的情況一樣，根據(jù)壓力情況依次撤出，極限情況只剩一臺(tái)變頻控制的水泵在運(yùn)行。
4、采用一個(gè)三位開(kāi)關(guān)，用戶可以將其打到“自動(dòng)/停止/手動(dòng)”三個(gè)位置中的任意一個(gè)位置。打到“手動(dòng)”檔時(shí)，所有投入運(yùn)行的水泵都處在工頻運(yùn)行狀態(tài)，流量則由原有的調(diào)節(jié)閥控制，這一功能是為了萬(wàn)一變頻控制有故障時(shí)，保證用戶仍能正常供水，不影響用戶的正常使用。
二、變頻控制柜在水泵機(jī)組中的應(yīng)用特征
水泵是平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，當(dāng)改變水泵的轉(zhuǎn)速，由額定轉(zhuǎn)速n1調(diào)整到某一轉(zhuǎn)速n2時(shí)，由流體學(xué)可知，理論上水泵的流量(Q)、揚(yáng)程(H)及軸功率(P)的變化關(guān)系如下：
Q2 = Q1 (n2 / n1)
H2 = H1 (n2 / n1)2
P2 = P1 (n2 / n1)3
也即流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。由以上公式可以看出當(dāng)水泵轉(zhuǎn)速由n1降到n2，在滿足同樣流量的情況下，揚(yáng)程H2幅度降低，功率P2明顯減小。
圖二 一種型號(hào)水泵的流量——負(fù)載曲線
上面的一條曲線是閥門(mén)控制時(shí)電動(dòng)機(jī)功率和流量的關(guān)系，下面一條是調(diào)速控制時(shí)的電動(dòng)機(jī)功率和流量的關(guān)系，在同一流量的垂直線上兩條曲線的差值就是可以節(jié)能的數(shù)量，從兩條曲線明顯可以看出，在流量接近100%也就是接近滿載時(shí)，采用調(diào)速控制并不能節(jié)能，甚至有可能還因?yàn)檎{(diào)速設(shè)備的用電而多耗能；而當(dāng)流量在滿載的90%以下時(shí)明顯可以節(jié)能，流量越小節(jié)能越明顯。
三、變頻控制柜一拖多應(yīng)用特征
在水泵多機(jī)應(yīng)用中，傳統(tǒng)控制壓力或液位的方法是將多臺(tái)水泵全部運(yùn)行，并通過(guò)調(diào)節(jié)閥、檔板之類來(lái)調(diào)節(jié)，最終達(dá)到壓力或液位的控制要求。由于所有的水泵都是全速運(yùn)行，耗電嚴(yán)重且控制頻繁，尤其是在加一臺(tái)太多、減一臺(tái)太少的情況下。因此，對(duì)于多臺(tái)水泵使用一拖多變頻控制是非常理想的。具體示意圖如下。
圖三 變頻控制柜一拖四運(yùn)行示意圖
四、使用變頻控制柜后的優(yōu)點(diǎn)
1、節(jié)能：控制品質(zhì)大為提高，節(jié)能效果明顯。
2、節(jié)水：根據(jù)用水情況設(shè)定管網(wǎng)壓力，自動(dòng)控制水泵出水量，減少了水的跑、漏現(xiàn)象。
3、 運(yùn)行可靠：軟起動(dòng)，使水泵實(shí)現(xiàn)由工頻到變頻的無(wú)沖擊切換，防止管網(wǎng)沖擊、避免管網(wǎng)壓力超限，管道破裂。
4、 控制靈活：變頻/工頻工作方式選擇，自動(dòng)控制成一臺(tái)調(diào)速、另幾臺(tái)或全速或停止的方式。
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