摘要: 分析了目前常用的單臺變頻器控制多臺泵切換恒壓供水系統(tǒng)控制方式的局限性及安全隱患問題，并提出改良措施.推薦了較為合理的變頻器主調(diào)、軟啟動(dòng)器后備的恒壓供水控制系統(tǒng)方案，為改進(jìn)和完善恒壓供水系統(tǒng)控制技術(shù)提供有益的參考. 關(guān)鍵詞: 變頻器；軟啟動(dòng)器；切換；恒壓；水泵 [b][align=center]Application of the constant pressure water supply control system by the main adjustment of converters and the stand- by power of the soft starter DAI Lu- ying，LI Hai-hong[/align][/b]（Nanchang Municipal Hydraulic Planning and Design Institute of Jiangxi Province，Nanchang 330009，China） Abstract: The limitations and the hidden danger of the constant pressure water supply control way of single converter control and multi- pump switching now are analyze in this paper. The improving measures is presented. The reasonable constant pressure water supply control system plan by the main adjustment of converters and the stand- by power of soft starters is recommanded in order to improve the control technology. Key words: Converter；soft starter；Switching；Constant pressure；Pump 在過去的泵站電氣設(shè)計(jì)中，我們常常采用“單臺變頻器控制多臺泵切換的控制系統(tǒng)”，以減少投資為目的。但是，由于這種控制系統(tǒng)存在明顯的缺陷，因而已逐漸被“變頻主調(diào)、軟啟動(dòng)后備多臺泵切換的控制系統(tǒng)”所替代。本文根據(jù)多項(xiàng)恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)，對“單臺變頻器控制多臺泵切換恒壓供水系統(tǒng)控制方式”的局限性及安全隱患問題進(jìn)行了分析，并提出措施。由此推出“變頻器主調(diào)、軟啟動(dòng)器后備的恒壓供水控制系統(tǒng)”方案，分析論證其特點(diǎn)及優(yōu)勢，希望能對恒壓供水系統(tǒng)控制技術(shù)提供有益的參考。 [b]1 單臺變頻器控制多泵切換控制系統(tǒng) 1.1 系統(tǒng)概述[/b] 隨著變頻控制技術(shù)的發(fā)展，利用變頻器控制，實(shí)現(xiàn)恒壓供水已成為城市供水的一種趨勢。由于變頻器價(jià)格偏高的原因，目前較廣泛運(yùn)用單臺變頻器控制多泵切換的恒壓供水系統(tǒng)，簡稱變頻1 控X（X 為水泵臺數(shù)）的控制方案（如圖1），其循環(huán)運(yùn)行過程：首先以1M泵在變頻控制的情況下開始，當(dāng)供水需求增大時(shí)，1M泵到達(dá)額定頻率，水壓不足時(shí)，切換至工頻，變頻控制2M泵；當(dāng)2M泵到達(dá)額定頻率，水壓依舊不足時(shí)，切換至工頻，變頻控制3M泵；反之，當(dāng)供水需求減少時(shí)，則先從1M泵，然后2M泵依次退出工作，一次泵循環(huán)啟動(dòng)、停止過程完成。 1.2 系統(tǒng)局限性及安全隱患 由于變頻器兼作多臺泵的啟動(dòng)器，在變頻器輸出接觸器與工頻輸出接觸器之間必然有一個(gè)切換過程，而通過整流、逆變的變頻輸出與工頻輸出在頻率、幅值以及相位存在著一定的差異，所以目前在變頻器輸出與工頻輸出之間切換一般均采用異步切換的方式。以圖1中1M泵為例，在切換過程中必須是先斷開變頻接觸器1KM2，才可合上工頻接觸器1KM1?？梢姡诋惒角袚Q中存在著一個(gè)變頻甩負(fù)荷，電機(jī)失電的暫態(tài)過程，而這個(gè)暫態(tài)過程不可避免的給變頻器和電機(jī)帶來一定的不利影響。根據(jù)圖1、圖2 我們進(jìn)行分析如下。 1.2.1 切換對變頻器的影響 由于IGBT 技術(shù)的普及，目前常用的變頻器均為交—直—交型變換（圖2）。當(dāng)接觸器1KM2 閉合，變頻器正常帶1M泵工作時(shí)，逆變功率元件V1～V6 的電流通過電動(dòng)機(jī)繞組導(dǎo)通，利用繞組的感性濾波作用，有效地抑制電流變化率，同時(shí)電壓降也主要消耗在電機(jī)繞組上，對變頻器的功率元件無不利影響；當(dāng)1KM2 斷開，異步切換發(fā)生瞬間，導(dǎo)通的V1～V6 中突然失去電流通路，產(chǎn)生極大的電流變化率，電荷大量聚集，使功率元件端電壓升高、電流增大，有可能使功率元件擊穿。即便目前采用的IGBT 功率元件擊穿電壓允許1 200 V，集電極最大飽和電流可超過1 500 A，但長期使用將會(huì)影響其使用壽命。 同時(shí)，由于功率元件V1～V6 瞬時(shí)失去電流通路，需通過與它們并聯(lián)續(xù)流二極管VD7～VD12 續(xù)流。而大的續(xù)流電流除了會(huì)對續(xù)流二極管造成損害外，還會(huì)使直流母線電壓UD 升高，使濾波電容CF1、CF2 承受較大的充電電流，對其造成一定的損害。由此可見，異步切換過程對變頻器內(nèi)部各種主要元器件都會(huì)造成不同程度的損傷。從生產(chǎn)的角度要求對于恒壓供水系統(tǒng)，保證壓力的恒定是其最終的目的，而每天的用水負(fù)荷又是經(jīng)常變化的，因此變頻、工頻的切換也是頻繁的，這種長期作用勢必大大縮短變頻器的使用壽命。 1.2.2 切換對電機(jī)的影響 在發(fā)生異步切換時(shí)，首先1KM2 斷開，此時(shí)的情況是定子開路，定子旋轉(zhuǎn)磁場消失；而轉(zhuǎn)子在慣性動(dòng)能的作用下，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子電流衰減為零之前，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場在定子繞組中感生出感應(yīng)電動(dòng)勢，其大小與轉(zhuǎn)子電流有關(guān)，隨著轉(zhuǎn)子電流的衰減而消失。而轉(zhuǎn)子的動(dòng)能則消耗在負(fù)載轉(zhuǎn)矩上，爾后1KM1 合上。在這一切換過程中，若轉(zhuǎn)子仍有剩余動(dòng)能將會(huì)反送到工頻電網(wǎng)，它以減小電機(jī)的啟動(dòng)電流形式出現(xiàn)。這正是目前變頻器兼作啟動(dòng)器的理論依據(jù)。而事實(shí)上，由于定子磁場能量以反電勢的形式出現(xiàn)，一旦提供放電通路，將會(huì)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)電流，不放電則形成很大的反電勢，導(dǎo)致1KM1 合上后產(chǎn)生巨大的沖擊電流，最大可達(dá)額定電流的10 倍以上。轉(zhuǎn)子動(dòng)能減小的啟動(dòng)電流與之相比微乎其微。 在電動(dòng)機(jī)帶水泵負(fù)載時(shí)，切換發(fā)生瞬間，水泵在水壓作用下迅速停車，產(chǎn)生巨大的“水錘”效應(yīng)，在水泵受損害的同時(shí)，因高水壓與定子反電勢疊加，電動(dòng)機(jī)也將承受10 倍額定電流以上的沖擊電流，常常使工頻斷路器1QF～3QF 跳閘，導(dǎo)致切換失敗，甚至引起電動(dòng)機(jī)損壞。由于上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)的局限性，切換失敗的情況在工程實(shí)踐中經(jīng)常發(fā)生。 1.3 系統(tǒng)的改良措施 由上分析可知，造成設(shè)備損傷、啟動(dòng)失敗的主要是由瞬間停電引起的變頻器電流通路喪失、定子反電勢增高以及水泵的“水錘”效應(yīng)所引發(fā)的。以1M泵為例，改良措施如下： （1）切換前先關(guān)斷變頻器，即在變頻器的輸出接觸器1KM2 斷開之前，先斷開變頻器的啟?？刂贫俗?，從而停止變頻器的逆變輸出，消除功率元件的大電流、電壓的沖擊?？煽紤]關(guān)斷變頻器后延時(shí)0.5 s，斷開變頻器輸出繼電器。而目前在一些單變頻控制多泵循環(huán)恒壓供水控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)中，常常采用變頻器的輸出接觸器的輔助接點(diǎn)來控制變頻器的關(guān)斷，這樣簡單化的控制導(dǎo)致輸出接觸器與變頻器幾乎同時(shí)切斷，顯然是不合理的。 （2）變頻器輸出繼電器1KM2 斷開后，經(jīng)1～2 s 延時(shí)再合上工頻接觸器1KM1。前面已敘述電動(dòng)勢是由旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場建立，隨著轉(zhuǎn)子電流的衰減而消失。而轉(zhuǎn)子電流經(jīng)轉(zhuǎn)子電阻會(huì)很快衰減，大約1～2 s。此時(shí)反電動(dòng)勢為零，而轉(zhuǎn)子動(dòng)能若損失較小，減小啟動(dòng)電流的效果明顯，轉(zhuǎn)矩沖擊也較小，基本能順利切換至工頻運(yùn)行； （3）減輕切換時(shí)的電機(jī)負(fù)載，主要是指在切換前要求先關(guān)閉水泵的出口電動(dòng)閥，切換完成后再打開出口電動(dòng)閥，在恒壓供水系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)中一定要將電機(jī)和相應(yīng)的出口閥作為一個(gè)整體統(tǒng)一考慮。這樣既可以消除泵類負(fù)載的“水錘”效應(yīng)，同時(shí)可減少轉(zhuǎn)子動(dòng)能的損失，以減小啟動(dòng)電流。 2 變頻主調(diào)、軟啟動(dòng)后備多泵切換控制系統(tǒng)的應(yīng)用 由于變頻器作啟動(dòng)器，發(fā)生異步切換時(shí)，瞬間停電是不可避免的。而這個(gè)停電過程對變頻器、電機(jī)及水泵始終是有影響的，所以即使采用了改良措施，但長期運(yùn)行仍將降低電控設(shè)備的絕緣水平，縮短電機(jī)的使用壽命。從控制角度來看，采用單臺變頻作為幾臺泵的啟動(dòng)設(shè)備，風(fēng)險(xiǎn)過于集中，考慮電機(jī)和變壓器容量關(guān)系，一旦變頻故障，電機(jī)無法直接啟動(dòng)，幾臺泵全部癱瘓，嚴(yán)重影響生產(chǎn)運(yùn)行。如何能使系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)保證恒壓供水，實(shí)現(xiàn)同步切換；而在變頻故障時(shí)，又至少能保證生產(chǎn)供水，是恒壓供水控制系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。隨著軟啟動(dòng)技術(shù)的普及，軟啟動(dòng)器的價(jià)格相對整個(gè)系統(tǒng)的投資又不高，故在恒壓供水控制系統(tǒng)中，增加一臺軟啟動(dòng)器就能很好的解決系統(tǒng)中存在的問題。 2.1 軟啟動(dòng)器 軟啟動(dòng)器主要由3 組晶閘管橋構(gòu)成。每組晶閘管橋由2 只晶閘管反并聯(lián)而成，并分別與交流電源的三相電源的各相并聯(lián)。通過改變晶閘管的觸發(fā)角，使電機(jī)三相電源電壓平穩(wěn)的增加，頻率保持不變。電壓通過加速積分或電流極限參數(shù)或兩個(gè)參數(shù)共同控制。有效的限制啟動(dòng)沖擊電流，增大啟動(dòng)力矩。啟動(dòng)結(jié)束后，軟啟動(dòng)器晶閘管橋完全導(dǎo)通，工頻電壓全部加載在電機(jī)負(fù)載上。同時(shí)，在軟啟動(dòng)結(jié)束后，軟啟動(dòng)器提供一個(gè)內(nèi)部繼電器無源接點(diǎn)，表示啟動(dòng)完成。 2.2 軟啟動(dòng)器系統(tǒng)的運(yùn)行過程 根據(jù)軟啟動(dòng)器的工作原理，我們將變頻1 控X 的控制方案進(jìn)行改進(jìn)后形成變頻—軟啟動(dòng)1 控X 方案（見圖1），改進(jìn)后的系統(tǒng)增加了一臺軟啟動(dòng)器和其出線端的接觸器（見圖3）。其運(yùn)行過程：首先通過轉(zhuǎn)換開關(guān)任意選擇3 臺泵中的一臺泵作為變頻調(diào)節(jié)；當(dāng)供水需求增大時(shí)，1M泵到達(dá)額定頻率，水壓不足時(shí)，2M泵通過軟啟動(dòng)器啟動(dòng)，啟動(dòng)結(jié)束后，切換至工頻，軟啟動(dòng)器退出工作，變頻仍控制1M泵；2M泵投入工頻后，1M泵到達(dá)額定頻率，水壓依舊不足時(shí)，3M泵通過軟啟動(dòng)器啟動(dòng)，啟動(dòng)結(jié)束后，切換至工頻，軟啟動(dòng)器退出工作，變頻仍控制1M泵；反之，當(dāng)供水需求減少時(shí)，則先從3M泵，然后2M泵依次退出工作，一次泵循環(huán)啟動(dòng)、停止過程完成。 由次可見，在整個(gè)泵循環(huán)啟、停的過程中變頻器始終固定控制其中1 臺泵，軟啟動(dòng)控制另2 臺泵。變頻與工頻之間的已沒有切換關(guān)系。 2.3 軟啟動(dòng)的切換過程 以2M泵為例，通過合上接觸器2KM3，軟啟動(dòng)器投入工作，啟動(dòng)完成后，此時(shí)軟啟動(dòng)器的內(nèi)部電路效果完全等同于開關(guān)元件，可利用軟啟動(dòng)器內(nèi)部啟動(dòng)完成接點(diǎn)接通工頻接觸2KM1，而后再斷開2KM3，將軟啟動(dòng)器退出工作，可供其它泵啟動(dòng)時(shí)再次投入?？梢娷泦?dòng)切換過程瞬間，軟啟動(dòng)接觸器與工頻接觸器同時(shí)接通，屬于同步切換。 因此，改進(jìn)后的變頻器主調(diào)、軟啟動(dòng)后備系統(tǒng)，變頻器與工頻之間不存在著異步切換的過程。軟啟動(dòng)器與工頻之間是一個(gè)同步切換的過程，切換過程中電機(jī)不會(huì)瞬間停電，電機(jī)端電壓無任何擾動(dòng)，與電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)相同，同時(shí)軟啟動(dòng)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特性保證了啟動(dòng)完成后的同步切換不會(huì)對軟啟動(dòng)器設(shè)備本身帶來任何不良影響。但是從確保供水可靠性的角度來看，當(dāng)變頻器檢修或故障時(shí)，通過這臺軟啟動(dòng)器還可用來完成變頻控制的3 臺泵的啟動(dòng)，有效的保障系統(tǒng)供水，提高系統(tǒng)抗風(fēng)險(xiǎn)的能力，提高可靠性。工頻柜主要是為了軟啟動(dòng)完成后切換到工頻后，使軟啟動(dòng)時(shí)處于待命狀態(tài)，為下一臺泵啟動(dòng)作準(zhǔn)備。采用上述配置后，通過PLC 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)隨壓力設(shè)定值變化的自動(dòng)恒壓供水及多泵輪值。 3 結(jié)語 通過實(shí)踐和運(yùn)行分析可知，變頻器主調(diào)、軟啟動(dòng)后備控制系統(tǒng)在避免單變頻系統(tǒng)切換固有缺陷的同時(shí)，當(dāng)變頻器發(fā)生故障時(shí)又提供了一種后備啟動(dòng)運(yùn)行方式，使電氣控制設(shè)備及供水生產(chǎn)設(shè)備在安全可靠性、控制靈活性等方面都得到了提高。恒壓供水系統(tǒng)控制方案技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理，具有廣闊的使用前景。 參考文獻(xiàn): [1] 崔福義，彭永臻.給水排水工程儀表與控制［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.11. [2] 北京ABB 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司.ACS800 變頻器標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用［S］.2002.7. 編輯：黃令軍