變頻器多泵恒壓供水系統應用及電機切換問(wèn)題

1、引言

      在變頻技術(shù)應用還未廣泛的時(shí)期,區域供水系統都是經(jīng)由市政管網(wǎng)經(jīng)過(guò)二次加壓和高位水塔儲水池來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)對供水壓力的要求。日常供水控制通常采用水泵恒速運行加上調整出口閥開(kāi)度的方式調節供水的水量水壓。而由水泵的揚程特性圖及管阻特性圖可知這種靠調節輸出閥門(mén)來(lái)進(jìn)行恒壓供水的方式使得大量能量消耗在出口閥門(mén)而造成浪費,而且存在水池的二次污染問(wèn)題。

2、多泵恒壓供水系統原理

2.1 供水原理

      變頻技術(shù)通過(guò)調速節約了在改變閥門(mén)開(kāi)度上造成的能量浪費,并且由于取消水塔而從原理上解決二次污染問(wèn)題。閥門(mén)控制法的本質(zhì)是水泵本身的供水能力不變,通過(guò)改變水路中的管阻大小來(lái)改變流量,以適應用戶(hù)對流量的需求。而轉速特性是在閥門(mén)開(kāi)度不變的情況下,通過(guò)調節轉速來(lái)達到用戶(hù)要求的水量。我們知道流量與揚程的乘積近似為供水功率,如圖1水泵的揚程特性及管阻特性圖所示,假定現在用戶(hù)用水量穩定在E點(diǎn),我們可以看到在閥門(mén)開(kāi)度不變的情況下單純調節轉速所需要的供水功率(面積OECD)小于轉速不變而單純調節閥門(mén)所需的供水功率(面積ABOE),所以說(shuō)變頻技術(shù)節約了能量,并且解決了二次污染問(wèn)題。(如圖1所示,面積ABCD即為節約的能量)。

      現有的變頻水泵恒壓供水方式基于PID控制原理,簡(jiǎn)單概括就是:維持管路供水壓力的恒定。當用戶(hù)用水量加大時(shí),管路壓力減小,變頻器轉速要提高以增加流量補充壓力。反之,用戶(hù)用水量減小時(shí),管路壓力增大,變頻器轉速要降低,使流量適當降低以使壓力恒定。

2.2 多泵恒壓供水系統供水方案

      多泵供水是最常見(jiàn)的變頻供水方案。多泵建筑供水系統普遍采用變頻器循環(huán)控制方式。多泵控制思路是一拖多工變頻結合復合式變流量變頻供水。在小流量用水時(shí)工況，變頻器帶一臺水泵運行,隨用水量的變化,調整水泵的轉速,實(shí)現恒壓供水；當用水量增大,變頻器達到50HZ時(shí),變頻器發(fā)出指令,使該變頻泵切換到工頻,同時(shí)使變頻器帶動(dòng)下一臺水泵變頻軟啟動(dòng)運行。隨用水流量增大,以后各臺水泵的軟啟動(dòng)依次類(lèi)推。當用水量減小時(shí),先停轉為工頻運行的那臺水泵。系統主電路如圖1所示。有一點(diǎn)需要說(shuō)明,由于水泵在工頻運行時(shí),變頻器不可能對電機進(jìn)行過(guò)載保護,所以必須接入熱繼電器FR,用于工頻運行時(shí)的過(guò)載保護。

      我們以臺達變頻器VFD-F系列為例,其輸入,輸出端子外部接線(xiàn)見(jiàn)圖2,RA1至RA8為多功能繼電器輸出端子,其中RA3至RA8為選件RY00所提供。為便于理解，把圖1控制電路圖進(jìn)行簡(jiǎn)化,簡(jiǎn)化后的圖省略了斷路器,熱繼電器。在這之前我們要先注意到由于在變頻器的輸出端是不允許與電源相連接的,因此接觸器KM1和KM2絕對不允許同時(shí)接通,相互之間必須有非?？煽康臋C械互鎖。經(jīng)驗表明,KM1和KM2采用有機械互鎖的接觸器是工程推薦的機電復合可靠性設計。同時(shí),電機側由KM1切離到KM2閉合之間的延遲時(shí)間也是必須的,這可通過(guò)調節F系列變頻器11-04的時(shí)間參數來(lái)實(shí)現。

      現在根據圖2所示簡(jiǎn)略描述工變頻切換過(guò)程。假定現在用戶(hù)用水流量加大控制工程網(wǎng)版權所有,管道中的壓力減小,1號變頻泵達到11-06所設定的50HZ后仍未滿(mǎn)足壓力要求,此時(shí)需要加泵以補充管網(wǎng)壓力,KM1要等到11-05參數所設定的延遲時(shí)間后當面板顯示Pu-cH幾個(gè)字母后(變頻器完全停止輸出以后)斷開(kāi),然后KM2要經(jīng)過(guò)11-04所設置的延遲時(shí)間后閉合控制工程網(wǎng)版權所有,同時(shí)KM3閉合。

      當用戶(hù)用水量繼續加大,管道中的壓力再一次下降,需要再次加泵以補充管網(wǎng)壓力,頻率達到11-06所設定的參數50HZ后仍未滿(mǎn)足壓力要求,KM3要經(jīng)過(guò)11-05所設置的延遲時(shí)間后,當面板顯示Pu-cH幾個(gè)字母后斷開(kāi),然后KM4要經(jīng)過(guò)11-04所設置的延遲時(shí)間后閉合控制工程網(wǎng)版權所有,同時(shí)KM5閉合。

      當用戶(hù)用水量減小時(shí),管道中的壓力回升,需要減工頻泵,本著(zhù)先起先停的原則,1號水泵先啟動(dòng)所以一號水泵先停,KM2斷開(kāi)。如果用水量進(jìn)一步減小,再接著(zhù)停2號水泵,KM4斷開(kāi)。此時(shí)只有3號水泵在變頻運行,如果用水量再次減小(比如說(shuō)深夜無(wú)人或很少人用水的情況下)，輸出頻率減小,當變頻器檢測輸出頻率到參數11-08(休眠頻率)所設定的值后經(jīng)過(guò)參數11-07的延遲時(shí)間,開(kāi)始進(jìn)入休眠狀態(tài)。為了防止在短時(shí)間內水泵時(shí)起時(shí)停的“振蕩”現象,需要設置一個(gè)確認時(shí)間T,如果低于下限頻率的時(shí)間小于T,變頻器可以不必理會(huì )；只有當超過(guò)下限頻率的時(shí)間較長(cháng),大于確認時(shí)間T的時(shí)候,變頻泵才會(huì )休眠。這也就是參數11-07延遲時(shí)間的意義。

      當夜間過(guò)去后,白天到來(lái)用水量開(kāi)始增大,此時(shí)間變頻器從休眠狀態(tài)喚醒(3號泵開(kāi)始喚醒,喚醒頻率11-09),當用水量繼續增大,3號泵切為工頻,1號泵切為變頻,用水量再加大,2號泵切為變頻,3號泵切為工頻。以下不再詳述。整個(gè)反復循環(huán)的過(guò)程可以參見(jiàn)(表1)。我們看到參數11-02最大設定值為4,也就是說(shuō)最多可以帶四臺水泵,4臺水泵的循環(huán)過(guò)程也用表列了出來(lái),可以參見(jiàn)(表2)。 3 多泵變頻供水的電機切換

3.1 大電流沖擊問(wèn)題

      變頻泵循環(huán)運行方式優(yōu)點(diǎn)很多,但是實(shí)現起來(lái)卻較復雜,關(guān)鍵問(wèn)題是變頻器輸出切換問(wèn)題。在非同步控制下,即變頻器的頻率和相位與共頻電源的頻率和相位不一致時(shí),將水泵電動(dòng)機從變頻器供電切換到工頻電網(wǎng)供電,將可能遇到很大的電流沖擊。

      如圖2所示,以第1臺電機為例在KM1斷開(kāi)以后,定子繞組是開(kāi)路的,不可能有勵磁電流。而轉子繞組是自成回路的,其電流有一個(gè)逐漸衰減的過(guò)程,它將產(chǎn)生一個(gè)逐漸衰減的直流磁場(chǎng),而定子三相繞組將和此旋轉的直流磁場(chǎng)相互切割,從而產(chǎn)生出相應的感應電動(dòng)勢,即電動(dòng)機在切斷電源以后,存在著(zhù)一個(gè)處于非同步發(fā)電狀態(tài)的電磁過(guò)渡過(guò)程。非同步發(fā)電狀態(tài)不同于電動(dòng)機的再生發(fā)電狀態(tài),電動(dòng)機的再生發(fā)電狀態(tài)是指定子繞組必須和電源相接,以得到勵磁電流。而此處所述情況是電機已經(jīng)脫離電源。

      一般來(lái)說(shuō)我們在工程實(shí)踐應用中,總結出來(lái)的經(jīng)驗是在水泵脫離變頻器后,等待一段時(shí)間(參數11-04),待電動(dòng)機的反電動(dòng)勢降下來(lái)以后再接到工頻電源。如果不等待切換,即KM2在閉合的瞬間,即在電動(dòng)機的反電動(dòng)勢比較高時(shí)切換,會(huì )發(fā)生兩種情況,①電源電壓恰好與電動(dòng)機定子繞組的電動(dòng)勢同相(因為轉子的轉速在不斷下降,所以反電動(dòng)勢的周期略大于工頻電壓的周期),此時(shí)切換無(wú)附加的沖擊電流。②若電動(dòng)機的反電動(dòng)勢與工頻電壓的相位差正好為180度,則情況最糟糕,一般的異步電動(dòng)機將流過(guò)額定電流10倍左右的電流,對供電電網(wǎng)和電動(dòng)機會(huì )產(chǎn)生過(guò)大的電流沖擊。

3.2 問(wèn)題對策

      針對這種情況可以采用監頻監相控制器,用來(lái)監視切換時(shí)變頻器輸出的頻率和相位,當其于工頻電源的頻率和相位一致時(shí),再完成水泵由變頻器到電源的切換。使切換后電流大致等于電動(dòng)機的額定電流,基本實(shí)現對生產(chǎn)和電網(wǎng)無(wú)任何影響的無(wú)擾動(dòng)切換。目前多數變頻器循環(huán)運行的供水方式多采用延長(cháng)切換時(shí)間的方法,來(lái)避開(kāi)相位不一致造成的電勢疊加。這也就是參數11-04的意義。

4、結束語(yǔ)

      隨著(zhù)變頻供水技術(shù)的普及應用，人們對于工變頻電機切換電流沖擊的認識愈加深入?，F在已經(jīng)可以輕松的選購到供水工程專(zhuān)用變頻器。專(zhuān)用變頻器針對多泵供水行業(yè)的一系列特殊問(wèn)題設計提供相應得解決方案，除了可以解決電流沖擊問(wèn)題，甚至可以解決水泵等壽命均衡負荷分配運行的智能化問(wèn)題。自動(dòng)化變頻恒壓供水工程師應該在工程設計中充分發(fā)揮專(zhuān)業(yè)變頻器的功能，為用戶(hù)提供即節能又可靠穩定運行的項目設計。