天津科技大学2011届本科生毕业设计（论文）
第四节 供水系统中的水锤效应
一、 水锤效应
在极短时间内，因水流量的急剧变化，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。
二、 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。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。
通过水泵电动机的软起动，可减少动态转矩，因此，选择好的起动方式和速度调节方法，可以减小或彻底消除水锤效应，提高供水系统运行的安全性。
第三章 供水系统恒压控制与硬件设计
第一节 异步电动机调速方法及选择
转速控制法实现恒压供水，供水质量好、能耗低、效率高，并可延长设备的使用寿命，提高系统的安全性。通过转速控制法实现恒压供水，需要调节水泵的转速。水泵通过联轴器由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[5]：
n=n1(1-s)=60f(1-s) （3-1） p式中， n1—异步电动机的同步转速，r/min； n —异步电动机转子转速，r/min； p —异步电动机磁极对数；
7
天津科技大学2011届本科生毕业设计（论文）
f —异步电动机定子电压频率，即电源频率； s —转速差，s=
n1-n?100%; n1可知调速方法有：变极调速、变转差调速和变频调整。 一、 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。
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为:
'2'PCU2=3I2r2=sPem (3-2)
该损耗和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，转差率很小，相应的转子铜损耗小，电机效率高。但适应流量的变化，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。 二、变频调速 1、变频调速机械特性
最常用的变频器采取的是变压变频方式的。在改变输出频率的同时也改变输出电压，以保证电机磁通基本不变，其关系为：
U1=常数 f1式中： U1—变频器输出电压、f1 —变频器输出频率
频率f从额定值fN往下调时，电机机械特性变化情况如图3-1 a）所示[5]，图中
fN?f1?f2?f3?f4
8
天津科技大学2011届本科生毕业设计（论文）
a)变频调速机械特性 b)全压起动
图3-1 电动机机械特性
2、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。
3、变频调速对供水系统安全性的作用
（1） 可消除水锤效应，减少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。
拖动系统中，动态转矩TJ=TM-TL TM ：是电动机的拖动转矩 TL：是供水系统的制动转矩
图3-1中 b）反映了全压起动和变频起动过程中动态转矩情况。图中，曲线①是异步电动机的机械特性，曲线②是水泵的机械特性。
（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。
9
天津科技大学2011届本科生毕业设计（论文）
第二节 供水系统的方案确定
一、供水系统的流量类型
根据用户的用水时段特点，可将用户用水量变化类型分为连续型、间歇型两大类，根据流量的变化特点，还可进一步细分为高流量变化型，低流量变化型，全流量变化型等。不同季节、不同月份，流量变化类型也会改变。
连续型是指一天内很少有流量为零的时候，或本身管网的正常泄漏就保持有一定的流量。
间歇型指一天内有多段用水低谷时间，流量很小或为零。 二、总体设计方案确定 1、调速方式
如今的变频器调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、功率因数高、操作方便并且便于同其他设备接口等一系列优点，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，是实现恒压供水转速控制最佳方案。
2、泵水方式
多泵并联代替一、二台特大泵单独供水不会增加投资，而其好处是多方面的。首先是节能，每台泵都可以较高效率运行，长期运行费用少；其二，供水可靠性好，一台泵故障时，一般并不影响系统供水，小泵的维修更换也方便；其三，小泵起动电流小，不要求增加电源容量；其四，只须按单台泵来配置变频器容量，减少投资。处于供水低谷小流量或夜间小流量时，为进一步减少功耗，采用一台小流量泵来维持正常的泄漏和水压。供水系统如图3-2所示。
10
天津科技大学2011届本科生毕业设计（论文）
图3-2供水系统图
l一水位上限检测 2一水位下限检测 3一闸阀 4-止回阀 5一压力检测 3、控制方式
多泵变频循环工作方式的可靠切换，是实现多泵分级调节的关键，可选用编程灵活、可靠性高、抗干扰能力强、调试方便、维护工作量小的PLC通过编程来实现。
供水系统的恒压是通过压力变送器、PID调节器和变频器组成的闭环调节系统控制的。根据水压的变化，由变频器调节电机转速来实现恒压。
三、恒压供水电控系统组成
（1） 主电路：通过接触器、断路器等电气设备为主水泵及辅泵拖动电动机提供工频及变频电源。
（2） 电气控制电路：成对主电路的继电控制，实现手动或自动控制的切换。 （3） 变频控制电路：根据压力设定及压力传感器的压力检测信号，由变频器输出变频电源；提供最高频率、上下限频率及启动频率等信号；并能实现PID调节。
（4）PLC 控制系统：包括硬件线路和软件控制程序，完成对恒压供水系统压力设定、顺序控制、信号指示报警等。
恒压供水系统构成及控制方案如图3-3所示。
11