臺(tái)達(dá)變頻器多泵恒壓供水應(yīng)用及電機(jī)切換問題:在變頻技術(shù)應(yīng)用還未廣泛的時(shí)期,區(qū)域供水系統(tǒng)都是經(jīng)由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和高位水塔儲(chǔ)水池來(lái)滿足用戶對(duì)供水壓力的要求。日常供水控制通常采用水泵恒速運(yùn)行加上調(diào)整出口閥開度的方式調(diào)節(jié)供水的水量水壓。而由水泵的揚(yáng)程特性圖及管阻特性圖可知這種靠調(diào)節(jié)輸出閥門來(lái)進(jìn)行恒壓供水的方式使得大量能量消耗在出口閥門而造成浪費(fèi),而且存在水池的二次污染問題。
2 恒壓供水原理
2.1 供水原理
變頻技術(shù)通過調(diào)速節(jié)約了在改變閥門開度上造成的能量浪費(fèi),并且由于取消水塔而從原理上解決二次污染問題。閥門控制法的本質(zhì)是水泵本身的供水能力不變,通過改變水路中的管阻大小來(lái)改變流量,以適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。而轉(zhuǎn)速特性是在閥門開度不變的情況下,通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到用戶要求的水量。我們知道流量與揚(yáng)程的乘積近似為供水功率,如圖1水泵的揚(yáng)程特性及管阻特性圖所示,假定現(xiàn)在用戶用水量穩(wěn)定在E點(diǎn),我們可以看到在閥門開度不變的情況下單純調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速所需要的供水功率（面積OECD）小于轉(zhuǎn)速不變而單純調(diào)節(jié)閥門所需的供水功率（面積ABOE）,所以說(shuō)變頻技術(shù)節(jié)約了能量,并且解決了二次污染問題。（如圖1所示,面積ABCD即為節(jié)約的能量）。
現(xiàn)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(dāng)用戶用水量加大時(shí),管路壓力減小,變頻器轉(zhuǎn)速要提高以增加流量補(bǔ)充壓力。反之,用戶用水量減小時(shí),管路壓力增大,變頻器轉(zhuǎn)速要降低,使流量適當(dāng)降低以使壓力恒定。
2.2 多泵供水
多泵供水是*常見的變頻供水方案。多泵建筑供水系統(tǒng)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(jié)合復(fù)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(tái)水泵運(yùn)行,隨用水量的變化,調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)恒壓供水；當(dāng)用水量增大,變頻器達(dá)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(tái)水泵變頻軟啟動(dòng)運(yùn)行。隨用水流量增大,以后各臺(tái)水泵的軟啟動(dòng)依次類推。當(dāng)用水量減小時(shí),先停轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行的那臺(tái)水泵。系統(tǒng)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(yùn)行時(shí),變頻器不可能對(duì)電機(jī)進(jìn)行過載保護(hù),所以必須接入熱繼電器FR,用于工頻運(yùn)行時(shí)的過載保護(hù)。
我們以臺(tái)達(dá)變頻器VFD-F系列為例,其輸入,輸出端子外部接線見圖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,相互之間必須有非常可靠的機(jī)械互鎖。經(jīng)驗(yàn)表明,KM1和KM2采用有機(jī)械互鎖的接觸器是工程推薦的機(jī)電復(fù)合可靠性設(shè)計(jì)。同時(shí),電機(jī)側(cè)由KM1切離到KM2閉合之間的延遲時(shí)間也是必須的,這可通過調(diào)節(jié)F系列變頻器11-04的時(shí)間參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)在根據(jù)圖2所示簡(jiǎn)略描述工變頻切換過程。假定現(xiàn)在用戶用水流量加大,管道中的壓力減小,1號(hào)變頻泵達(dá)到11-06所設(shè)定的50HZ后仍未滿足壓力要求,此時(shí)需要加泵以補(bǔ)充管網(wǎng)壓力,KM1要等到11-05參數(shù)所設(shè)定的延遲時(shí)間后當(dāng)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,然后KM2要經(jīng)過11-04所設(shè)置的延遲時(shí)間后閉合,同時(shí)KM3閉合。
當(dāng)用戶用水量繼續(xù)加大,管道中的壓力再一次下降,需要再次加泵以補(bǔ)充管網(wǎng)壓力,頻率達(dá)到11-06所設(shè)定的參數(shù)50HZ后仍未滿足壓力要求,KM3要經(jīng)過11-05所設(shè)置的延遲時(shí)間后,當(dāng)面板顯示Pu-cH幾個(gè)字母后斷開,然后KM4要經(jīng)過11-04所設(shè)置的延遲時(shí)間后閉合,同時(shí)KM5閉合。
當(dāng)用戶用水量減小時(shí),管道中的壓力回升,需要減工頻泵,本著先起先停的原則,1號(hào)水泵先啟動(dòng)所以一號(hào)水泵先停,KM2斷開。如果用水量進(jìn)一步減小,再接著停2號(hào)水泵,KM4斷開。此時(shí)只有3號(hào)水泵在變頻運(yùn)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(dāng)變頻器檢測(cè)輸出頻率到參數(shù)11-08（休眠頻率）所設(shè)定的值后經(jīng)過參數(shù)11-07的延遲時(shí)間,開始進(jìn)入休眠狀態(tài)。為了防止在短時(shí)間內(nèi)水泵時(shí)起時(shí)停的“振蕩”現(xiàn)象,需要設(shè)置一個(gè)確認(rèn)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(dāng)超過下限頻率的時(shí)間較長(zhǎng),大于確認(rèn)時(shí)間T的時(shí)候,變頻泵才會(huì)休眠。這也就是參數(shù)11-07延遲時(shí)間的意義。
當(dāng)夜間過去后,白天到來(lái)用水量開始增大,此時(shí)間變頻器從休眠狀態(tài)喚醒（3號(hào)泵開始喚醒,喚醒頻率11-09）,當(dāng)用水量繼續(xù)增大,3號(hào)泵切為工頻,1號(hào)泵切為變頻,用水量再加大,2號(hào)泵切為變頻,3號(hào)泵切為工頻。以下不再詳述。整個(gè)反復(fù)循環(huán)的過程可以參見（表1）。我們看到參數(shù)11-02*大設(shè)定值為4,也就是說(shuō)*多可以帶四臺(tái)水泵,4臺(tái)水泵的循環(huán)過程也用表列了出來(lái),可以參見（表2）。
3 多泵變頻供水的電機(jī)切換
3.1 大電流沖擊問題
變頻泵循環(huán)運(yùn)行方式優(yōu)點(diǎn)很多,但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻較復(fù)雜,關(guān)鍵問題是變頻器輸出切換問題。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(jī)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(tái)電機(jī)為例在KM1斷開以后,定子繞組是開路的,不可能有勵(lì)磁電流。而轉(zhuǎn)子繞組是自成回路的,其電流有一個(gè)逐漸衰減的過程,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(zhuǎn)的直流磁場(chǎng)相互切割,從而產(chǎn)生出相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),即電動(dòng)機(jī)在切斷電源以后,存在著一個(gè)處于非同步發(fā)電狀態(tài)的電磁過渡過程。非同步發(fā)電狀態(tài)不同于電動(dòng)機(jī)的再**電狀態(tài),電動(dòng)機(jī)的再**電狀態(tài)是指定子繞組必須和電源相接,以得到勵(lì)磁電流。而此處所述情況是電機(jī)已經(jīng)脫離電源。
一般來(lái)說(shuō)我們?cè)诠こ虒?shí)踐應(yīng)用中,總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)是在水泵脫離變頻器后,等待一段時(shí)間（參數(shù)11-04）,待電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)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(jī)的反電動(dòng)勢(shì)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(jī)定子繞組的電動(dòng)勢(shì)同相（因?yàn)檗D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速在不斷下降,所以反電動(dòng)勢(shì)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(jī)的反電動(dòng)勢(shì)與工頻電壓的相位差正好為180度,則情況*糟糕,一般的異步電動(dòng)機(jī)將流過額定電流10倍左右的電流,對(duì)供電電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生過大的電流沖擊。
3.2 問題對(duì)策
針對(duì)這種情況可以采用監(jiān)頻監(jiān)相控制器,用來(lái)監(jiān)視切換時(shí)變頻器輸出的頻率和相位,當(dāng)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(jī)的額定電流,基本實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shù)變頻器循環(huán)運(yùn)行的供水方式多采用延長(zhǎng)切換時(shí)間的方法,來(lái)避開相位不一致造成的電勢(shì)疊加。這也就是參數(shù)11-04的意義。
4 結(jié)束語(yǔ)
隨著變頻供水技術(shù)的普及應(yīng)用，人們對(duì)于工變頻電機(jī)切換電流沖擊的認(rèn)識(shí)愈加深入。現(xiàn)在已經(jīng)可以輕松的選購(gòu)到供水工程專用變頻器。專用變頻器針對(duì)多泵供水行業(yè)的一系列特殊問題設(shè)計(jì)提供相應(yīng)得解決方案，除了可以解決電流沖擊問題，甚至可以解決水泵等壽命均衡負(fù)荷分配運(yùn)行的智能化問題。自動(dòng)化變頻恒壓供水工程師應(yīng)該在工程設(shè)計(jì)中充分發(fā)揮專業(yè)變頻器的功能，為用戶提供即節(jié)能又可靠穩(wěn)定運(yùn)行的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。
在變頻技術(shù)應(yīng)用還未廣泛的時(shí)期,區(qū)域供水系統(tǒng)都是經(jīng)由市政管網(wǎng)經(jīng)過二次加壓和高位水塔儲(chǔ)水池來(lái)滿足用戶對(duì)供水壓力的要求。日常供水控制通常采用水泵恒速運(yùn)行加上調(diào)整出口閥開度的方式調(diào)節(jié)供水的水量水壓。而由水泵的揚(yáng)程特性圖及管阻特性圖可知這種靠調(diào)節(jié)輸出閥門來(lái)進(jìn)行恒壓供水的方式使得大量能量消耗在出口閥門而造成浪費(fèi),而且存在水池的二次污染問題。
2 恒壓供水原理
2.1 供水原理
變頻技術(shù)通過調(diào)速節(jié)約了在改變閥門開度上造成的能量浪費(fèi),并且由于取消水塔而從原理上解決二次污染問題。閥門控制法的本質(zhì)是水泵本身的供水能力不變,通過改變水路中的管阻大小來(lái)改變流量,以適應(yīng)用戶對(duì)流量的需求。而轉(zhuǎn)速特性是在閥門開度不變的情況下,通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到用戶要求的水量。我們知道流量與揚(yáng)程的乘積近似為供水功率,如圖1水泵的揚(yáng)程特性及管阻特性圖所示,假定現(xiàn)在用戶用水量穩(wěn)定在E點(diǎn),我們可以看到在閥門開度不變的情況下單純調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速所需要的供水功率（面積OECD）小于轉(zhuǎn)速不變而單純調(diào)節(jié)閥門所需的供水功率（面積ABOE）,所以說(shuō)變頻技術(shù)節(jié)約了能量,并且解決了二次污染問題。（如圖1所示,面積ABCD即為節(jié)約的能量）。
現(xiàn)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(dāng)用戶用水量加大時(shí),管路壓力減小,變頻器轉(zhuǎn)速要提高以增加流量補(bǔ)充壓力。反之,用戶用水量減小時(shí),管路壓力增大,變頻器轉(zhuǎn)速要降低,使流量適當(dāng)降低以使壓力恒定。
2.2 多泵供水
多泵供水是*常見的變頻供水方案。多泵建筑供水系統(tǒng)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(jié)合復(fù)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(tái)水泵運(yùn)行,隨用水量的變化,調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)恒壓供水；當(dāng)用水量增大,變頻器達(dá)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(tái)水泵變頻軟啟動(dòng)運(yùn)行。隨用水流量增大,以后各臺(tái)水泵的軟啟動(dòng)依次類推。當(dāng)用水量減小時(shí),先停轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行的那臺(tái)水泵。系統(tǒng)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(yùn)行時(shí),變頻器不可能對(duì)電機(jī)進(jìn)行過載保護(hù),所以必須接入熱繼電器FR,用于工頻運(yùn)行時(shí)的過載保護(hù)。
我們以臺(tái)達(dá)變頻器VFD-F系列為例,其輸入,輸出端子外部接線見圖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,相互之間必須有非常可靠的機(jī)械互鎖。經(jīng)驗(yàn)表明,KM1和KM2采用有機(jī)械互鎖的接觸器是工程推薦的機(jī)電復(fù)合可靠性設(shè)計(jì)。同時(shí),電機(jī)側(cè)由KM1切離到KM2閉合之間的延遲時(shí)間也是必須的,這可通過調(diào)節(jié)F系列變頻器11-04的時(shí)間參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)在根據(jù)圖2所示簡(jiǎn)略描述工變頻切換過程。假定現(xiàn)在用戶用水流量加大,管道中的壓力減小,1號(hào)變頻泵達(dá)到11-06所設(shè)定的50HZ后仍未滿足壓力要求,此時(shí)需要加泵以補(bǔ)充管網(wǎng)壓力,KM1要等到11-05參數(shù)所設(shè)定的延遲時(shí)間后當(dāng)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,然后KM2要經(jīng)過11-04所設(shè)置的延遲時(shí)間后閉合,同時(shí)KM3閉合。
當(dāng)用戶用水量繼續(xù)加大,管道中的壓力再一次下降,需要再次加泵以補(bǔ)充管網(wǎng)壓力,頻率達(dá)到11-06所設(shè)定的參數(shù)50HZ后仍未滿足壓力要求,KM3要經(jīng)過11-05所設(shè)置的延遲時(shí)間后,當(dāng)面板顯示Pu-cH幾個(gè)字母后斷開,然后KM4要經(jīng)過11-04所設(shè)置的延遲時(shí)間后閉合,同時(shí)KM5閉合。
當(dāng)用戶用水量減小時(shí),管道中的壓力回升,需要減工頻泵,本著先起先停的原則,1號(hào)水泵先啟動(dòng)所以一號(hào)水泵先停,KM2斷開。如果用水量進(jìn)一步減小,再接著停2號(hào)水泵,KM4斷開。此時(shí)只有3號(hào)水泵在變頻運(yùn)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(dāng)變頻器檢測(cè)輸出頻率到參數(shù)11-08（休眠頻率）所設(shè)定的值后經(jīng)過參數(shù)11-07的延遲時(shí)間,開始進(jìn)入休眠狀態(tài)。為了防止在短時(shí)間內(nèi)水泵時(shí)起時(shí)停的“振蕩”現(xiàn)象,需要設(shè)置一個(gè)確認(rèn)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(dāng)超過下限頻率的時(shí)間較長(zhǎng),大于確認(rèn)時(shí)間T的時(shí)候,變頻泵才會(huì)休眠。這也就是參數(shù)11-07延遲時(shí)間的意義。
當(dāng)夜間過去后,白天到來(lái)用水量開始增大,此時(shí)間變頻器從休眠狀態(tài)喚醒（3號(hào)泵開始喚醒,喚醒頻率11-09）,當(dāng)用水量繼續(xù)增大,3號(hào)泵切為工頻,1號(hào)泵切為變頻,用水量再加大,2號(hào)泵切為變頻,3號(hào)泵切為工頻。以下不再詳述。整個(gè)反復(fù)循環(huán)的過程可以參見（表1）。我們看到參數(shù)11-02*大設(shè)定值為4,也就是說(shuō)*多可以帶四臺(tái)水泵,4臺(tái)水泵的循環(huán)過程也用表列了出來(lái),可以參見（表2）。
3 多泵變頻供水的電機(jī)切換
3.1 大電流沖擊問題
變頻泵循環(huán)運(yùn)行方式優(yōu)點(diǎn)很多,但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻較復(fù)雜,關(guān)鍵問題是變頻器輸出切換問題。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(jī)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(tái)電機(jī)為例在KM1斷開以后,定子繞組是開路的,不可能有勵(lì)磁電流。而轉(zhuǎn)子繞組是自成回路的,其電流有一個(gè)逐漸衰減的過程,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(zhuǎn)的直流磁場(chǎng)相互切割,從而產(chǎn)生出相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),即電動(dòng)機(jī)在切斷電源以后,存在著一個(gè)處于非同步發(fā)電狀態(tài)的電磁過渡過程。非同步發(fā)電狀態(tài)不同于電動(dòng)機(jī)的再**電狀態(tài),電動(dòng)機(jī)的再**電狀態(tài)是指定子繞組必須和電源相接,以得到勵(lì)磁電流。而此處所述情況是電機(jī)已經(jīng)脫離電源。
一般來(lái)說(shuō)我們?cè)诠こ虒?shí)踐應(yīng)用中,總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)是在水泵脫離變頻器后,等待一段時(shí)間（參數(shù)11-04）,待電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)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(jī)的反電動(dòng)勢(shì)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(jī)定子繞組的電動(dòng)勢(shì)同相（因?yàn)檗D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速在不斷下降,所以反電動(dòng)勢(shì)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(jī)的反電動(dòng)勢(shì)與工頻電壓的相位差正好為180度,則情況*糟糕,一般的異步電動(dòng)機(jī)將流過額定電流10倍左右的電流,對(duì)供電電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生過大的電流沖擊。
3.2 問題對(duì)策
針對(duì)這種情況可以采用監(jiān)頻監(jiān)相控制器,用來(lái)監(jiān)視切換時(shí)變頻器輸出的頻率和相位,當(dāng)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(jī)的額定電流,基本實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shù)變頻器循環(huán)運(yùn)行的供水方式多采用延長(zhǎng)切換時(shí)間的方法,來(lái)避開相位不一致造成的電勢(shì)疊加。這也就是參數(shù)11-04的意義。
4 結(jié)束語(yǔ)
隨著變頻供水技術(shù)的普及應(yīng)用，人們對(duì)于工變頻電機(jī)切換電流沖擊的認(rèn)識(shí)愈加深入。現(xiàn)在已經(jīng)可以輕松的選購(gòu)到供水工程專用變頻器。專用變頻器針對(duì)多泵供水行業(yè)的一系列特殊問題設(shè)計(jì)提供相應(yīng)得解決方案，除了可以解決電流沖擊問題，甚至可以解決水泵等壽命均衡負(fù)荷分配運(yùn)行的智能化問題。自動(dòng)化變頻恒壓供水工程師應(yīng)該在工程設(shè)計(jì)中充分發(fā)揮專業(yè)變頻器的功能，為用戶提供即節(jié)能又可靠穩(wěn)定運(yùn)行的項(xiàng)目設(shè)計(jì)。