變頻器多泵疊壓給水設備恒壓供水應用及電機切換問(wèn)題

1 引言 

      在變頻技術(shù)應用還未廣泛的時(shí)期,區域疊壓給水設備供水系統都是經(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 疊壓給水設備恒壓供水原理 

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)。 

      現有的變頻水泵疊壓給水設備恒壓供水方式基于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 多泵供水 

      疊壓給水設備多泵供水是較常見(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 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 不允許同時(shí)接通,相互之間 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,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 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,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,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較大設定值為4,也就是說(shuō)至多可以帶四臺水泵,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 疊壓給水設備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 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,則情況較糟糕,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。

 

疊壓給水設備概述

      中贏(yíng)系列一種新型變頻疊壓給水設備。分為箱式無(wú)負壓變頻設備和罐式變頻無(wú)負壓設備。系統串接在市政自來(lái)水管網(wǎng)壓力不足的地方，通過(guò)傳感器檢測出口壓力并與設定值進(jìn)行比較，運算出需要增加的壓力值，確定水泵投入運行臺數和電機轉速。該設備較大限度地利用了市政自來(lái)水管網(wǎng)的原有壓力，對市政管網(wǎng)不產(chǎn)生負壓，用不銹鋼水箱或無(wú)負壓罐取代老式水池，減少了用水二次污染。是供水領(lǐng)域新一代節能型產(chǎn)品。

 

疊壓給水設備技術(shù)特點(diǎn)：

1、設備全密封運行，不與空氣接觸，水接觸過(guò)流部分均為食品級不銹鋼材質(zhì)，避免二次污染，保證飲用水的良好水質(zhì)；

2、 較先進(jìn)的水利模型，獨特加工制作工藝和外表面處理，提高系統使用效率和使用壽命；

3、系統結構設計緊湊，安裝與維護快捷方便，同時(shí)節省設備占地面積，節省大量土建投資；

4、充分利用管網(wǎng)壓力，疊加增壓，節省電能，密閉管道運行，避免跑，冒，滴，滲，漏等水資源流失；

5、通過(guò)自主研發(fā)的控制模塊進(jìn)行智能化控制，提高系統使用的穩定性，同時(shí)可以選配遠程監控模塊輕松通過(guò)新號傳輸第，一時(shí)間掌握系統運行情況。

 

疊壓給水設備產(chǎn)品特點(diǎn)

（1）高效節能：充分利用市政水源本身具有的壓力熱能，差多少補多少，切實(shí)有效地、較大限度地發(fā)揮了變頻調速的節能效果。

（2）潔凈衛生：構成連續密閉的增壓供水方式， 保持了市政水源的國家水質(zhì)衛生標準，從根本上避免了增壓系統造成的水質(zhì)標準降低和各種水源污染問(wèn)題。

（3）避免浪費：不僅淘汰了高位水箱，還取消了地面（地下）水池水箱，避免了水箱溢流，定期清洗造成的水源浪費。

（4）運行噪聲低：系列產(chǎn)品采用全變頻調整方案時(shí)，大部分時(shí)間特別在夜間處于低噪聲運行工況。

（5）設計了全密閉的、兼有緩沖作用和動(dòng)態(tài)補償作用的水源箱罐，與目前市場(chǎng)所謂無(wú)負壓罐相比，更具有實(shí)際意義，并使控制系統得以簡(jiǎn)化。

（6）該系列產(chǎn)品控制系統充分總結了本及國內外變頻變頻給水設備設計制造經(jīng)驗，采用規范通用的控制系統技術(shù)方案，可換用任意廠(chǎng)商的變頻器、調節器、PLC和其他元器件，調試維修特別方便，為產(chǎn)品的終身售后服務(wù)奠定了良好基礎，不會(huì )因技術(shù)進(jìn)步而導致售后服務(wù)問(wèn)題。

（7）該系列產(chǎn)品控制系統具有較高智能性，設計中充分考慮了機、電、儀協(xié)調配合，具有欲速則不達的檢測監視和簡(jiǎn)單方便的人機交互功能。具有全面的故障保護功能和對策，變頻器故障保護時(shí)，自動(dòng)降級運行（成為工頻自動(dòng)供水設備廠(chǎng)），自動(dòng)系統故障時(shí)，還可手動(dòng)操作應急備用，贏(yíng)得維修時(shí)間。

（8）可按要求選配各種通訊接口、協(xié)議，從而可連接各種人機界面、監控計算機，可與各種控制網(wǎng)絡(luò )，通信網(wǎng)絡(luò )相接，適用于復雜的運行控制和聯(lián)網(wǎng)監控要求?？蔀橛脩?hù)開(kāi)發(fā)配套監控軟件。

 

疊壓給水設備應用范圍

◆新建住宅小區或樓宇等生活用水。

◆已建有水池、水箱的供水方式為了改善水質(zhì)污染的 改造。

◆工礦企業(yè)的生產(chǎn)、生活用水。

◆城鎮供水系統長(cháng)距離供水中間加壓站，區域供水管網(wǎng)加壓站，高位地域集中供水加壓站。