基于PLC的消防给水泵控制系统设计
3.3.3 变频调速
从公式(3.3)可知，当极对数p不变时，电机转子转速n与定子电源频率f成正比，因此连续调节异步电机供电电源的频率，就可以连续平滑地调节电机的同步转速，从而调节其转子的转速。
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
?m基本不变，其关系为：
U1/f1=常数
式中：U1为变频器输出电压； f1为变频器输出频率。
变频调速方式时，电动机的机械特性表达式： T?m1pU12r2'/s???r2'?22?f1??r1????x1?x2'??s??????2 （3.5）
式中：m1为电机相数；r1为定子电阻；
X1为定子漏电抗；x2’为转子漏电抗折算值。 频率f从额定值fn往下调时，电机机械特性的变化情况，如图3.2所示。图中
Fn>f1>f2>f3>f3>f4。
nfNf1f2f3f40T
图3.2 变频调速机械特性
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3.4 水泵调速运行节能原理
在给水系统中，通常以流量为控制目的，常用的控制方法为阀门控制法和转速控制法。阀门控制法是通过调节阀门开度来调节流量，水泵电机转速保持不变。其实质是通过改变水路中的阻力大小来改变流量，因此，管阻将随着阀门开度的改变而改变，但其扬程特性不变。由于实际用水中，需水量是变化的，若阀门的开度在一段时间内保持不变，必然要造成超压或欠压现象的出现。转速控制法是通过改变水泵电机的转速来调节流量，而阀门开度保持不变，是通过改变水的动能改变流量[。因此，扬程特性将随水泵转速的改变而改变，但管阻的特性不变。变频调速给水方式属于转速控制。其工作原理是根据消防用水量的变化自动地调整水泵电机的转速，使管网压力始终保持恒定，当用水量增大时电机加速，用水量减小时电机减速。
H(m/s)H2H1FH0β1β2DEn1β3n20Q2Q1Q(m3/s)
图3.3 管网及水泵的运行特征曲线
用阀门控制时，若给水量高峰期水泵工作在E点，流量为Q1，扬程为H0，当给水量从Q1减小到Q2时，必须关小阀门，这时阀门的摩擦阻力变大，阻力曲线从β3移到β1，扬程特性曲线不变。而扬程则从H0上升到H!，运行的工况点从E点移到F点，此时水泵输出功率用图形表示为(0,Q1 ,F ,H1)围成矩形部分，其值为:
Pd??H1Q2 （3.6） 102?12
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用调速控制时，若采用恒压(H0)、变速泵(n2)给水，管阻特性曲线为β2，扬程特性变为曲线n2，工作点从E点移到D点。此时水泵输出功率用图形表示为(0,Q2 ,D ,H0)围成的矩形面积，其值为： Pf??H0Q2 （3.7） 102?可见，改用调速控制，节能量为(H0,D ,F ,H1)围成的矩形面积，
其值为：
?HQ?HQ?(H1?H0)Q2 ?P?Pf?Pd?12?02? （3.8）
102?102?102?所以，当用阀门控制流量时，有功率
?(H1?H0)Q2被浪费掉。并且随
102?着阀门的不断关小，阀门的摩擦阻力不断变大，管阻特性曲线上移，运行工况点也随之上移，于是H1增大，而被浪费的功率要随之增加。 根据水泵变速运行的相似定律，变速前后流量Q、扬程H、功率P与转
速N之间关系为：
?N2?HP2?N2?QN???? 2?2； 2?? ； （3.9） ????PNHNQ1N111?1??1?23式中，Q1、H1、P1为变速前的流量、扬程、功率，Q2、H2、P2为变速
后的流量、扬程、功率。
由公式(3.9)可以看出，功率与转速的立方成正比，流量与转速成正比，损耗功率与流量成正比，所以调速控制方式要比阀门控制方式给水功率要小得多，节能效果显著。
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4 给水泵组及控制要求及控制系统
4.1 变频给水泵组
变频给水泵组通常由2~4台相同功率及类型相同的水泵并联运行，为维修、安装及减振需要，每台泵的进出水管上必须装有阀门、止回阀、橡胶接头等配件。由4台水泵构成的变频泵组实例如 下图：
图4.1 变频给水泵组
1、自来水进水阀 2、液压水位控制阀 3、浮球阀 4、储水箱 5、阀门 6、橡胶接头7、水泵 8、橡胶接头 9、止回阀 10、阀门 11、出水总管
4.2 泵组的控制要求
对变频给水泵组的控制要求是PLC程序设计的依据，因此在设计控制系统及程序之前必须确定具体的控制要求。
为节省控制成本，可采用一台变频器对4台水泵进行变频控制。常规的变频器均集成有PID闭环控制功能，如使用变频器的PID功能，则PLC就仅负责控制水泵的切换。
控制系统为闭环控制系统，通过压力传感器对消防管网压力进行实时采样，并与设定压力值比较，根据压力偏差来控制变频泵的速度及定
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量泵的启、停，实现恒压、变量的供水，以达到节能、恒压的目的。
其控制要求是：
当消防管网压力低于设定压力时，控制器通过压力传感器检测，输出控制信号启动其中一台水泵作变频运行，通过控制变频泵使消防管网压力与设定压力值相等。如消防用水量较大，变频器输出频率达到50Hz , 变频泵达到最高转速，而消防管网压力仍然低于设定压力，控制器将变频泵切换成工频运行，待变频器输出频率下降至最低值时再变频软启动另一台水泵，由一台工频泵和一台变量泵同时供水。经过变量泵的切换调节，如管网压力仍低于设定值，控制器则以同样的方式将运行频率为50Hz的变频泵切换成工频运行，而后继续软启动另外一台水泵作变频运行，直至满足消防用水要求为止。
当消防用水量较少，变量泵转速降到一定程度时，控制器自动停止最先运行的定量泵，并根据管网压力调整变量泵转速，使管网压力始终保持恒定。这样，每台水泵的启动均经变频器控制，全部机组实现循环软启动，即每台泵的启动频率都从设定的最低频率开始逐渐上升。停机时遵循“先开的泵先停，先停的泵先开”的原则。各泵循环轮换工作，使水泵均衡运行。设备还可以通过时控器控制水泵的强行切换。
4.3 控制系统设计 4.3.1 系统主回路
图4.2 变频控制系统主回路
图中：QL：空气开关；1KM、3KM、5KM、7KM:工频交流接触器；
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