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　一.前言

　　自來水廠的供水泵站中,，供水系統(tǒng)一般由若干臺揚程相近的水泵組成,，調節(jié)水壓和流量的傳統(tǒng)方法是,，按期望輸出的水壓和流量用人工控制水泵運行的臺數(shù)。如供水能力4-6萬噸/日的自來水廠,，水泵的配置方案有多種,，其中一種可行的方案是三臺160KW和一臺90KW水泵組成,。系統(tǒng)工作時，傳統(tǒng)的方法是,，若供水量較大,，顯然，流量和管網(wǎng)水壓已經不能滿足要求,，這時需人工投入水泵,，根據(jù)現(xiàn)場管網(wǎng)水壓情況由工人來決定投入160KW水泵還是90KW水泵；若供水量減小,，管網(wǎng)水壓會升高,，此時又需人工切除水泵。在深夜用水量較小時,，為節(jié)能考慮用一臺90KW水泵供水。由于水泵的流量較大,，為避免“水錘”效應,，人工投切時，投入泵應遵循“先開機,，后開閥”切除泵應遵循“先關閥,，后停機”的操作程序。若是小功率的水泵,，水泵的出水側都裝有普通止回閥,，其本上能自動保證以上的操作程序，只是停機時止回閥關閉前的瞬間還是有“水錘”效應產生,，如果安裝的是“微阻緩閉止回閥”,，停機時基本上也不存在”水錘“效應。

二.變頻恒壓供水的控制方案

　　由于城市自來水的用量隨季節(jié)的變化而變化,，隨每日時段不同而變化,。為使供水的水壓恒定，較常見的辦法是采用變頻恒壓供水系統(tǒng),，即壓力變送器裝在主管網(wǎng)上檢測管網(wǎng)壓力信號,，再將此壓力信號送到變頻器（PLC）的模擬信號輸入端口，由此構成壓力閉環(huán)控制系統(tǒng),，管網(wǎng)壓力的恒定依賴變頻器的調節(jié)控制,。對于多泵情況，可以兩種不同的控制系統(tǒng)方案,，一種是”順序控制方案”,，系統(tǒng)圖如圖一所示

圖一　順序控制方案系統(tǒng)圖

　　圖中：BP1—變頻器；BU1～BU4--軟起動器,PT—壓力變送器,。由圖一可見,，變頻器連接在第，一臺水泵電機上，需要加泵或減泵時,，由變頻器RO1～RO3端口輸出信號起動或停止其他的水泵,，這時水泵的起動采用自耦減壓起動裝置或軟起動器。這種方案的特點是水泵電機不需要在變頻和工頻之間切換,；第,，一臺水泵 連接在變頻器上，沒有切換過程中的失壓現(xiàn)象,；由于變頻泵以外的泵都有軟起動器,，所以不需要再做備用系統(tǒng)，當變頻器故障時,，可用軟起動器手動起動M2～M4水泵,，保證供水不致中斷；每臺電機都有起動器,，初始投資較大,。另一種是“循環(huán)投切”方案，系統(tǒng)圖如圖二所示

圖二　變頻恒壓供水循環(huán)投切方案系統(tǒng)圖

　　圖中：BP1—變頻器,，BU1—軟啟動器,，PT－壓力變送器，ZJ1,、ZJ2－用于控制系統(tǒng)的起動/停止和自動/手動轉換,。由圖二可見，變頻器連接在第,，一臺水泵電機上,，需要加泵時，變頻器停止運行,，并由變頻器的輸出端口RO1～RO3輸出信號到PLC,，由PLC控制切換過程。切換開始時,，變頻器停止輸出（變頻器設置為自由停車）,，利用水泵的慣性將第，一臺水泵切換到工頻運行,，變頻器連接到第,，二臺水泵上起動并運行，照此,，將第,，二臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第,，三臺水泵上起動并運行,；需要減泵時,，系統(tǒng)將第，一臺水泵停止,，第,，二臺水泵停止，這時,，變頻器連接在第,，三臺水泵上。再需要加泵時,，切換從第,，三臺水泵開始循環(huán)。這種方式保證 有一臺水泵在變頻運行,，四臺水泵中的任一臺都可能變頻運行,。這樣，才能做到不論用水量如何改變都可保持管網(wǎng)壓力基本恒定,，且各臺水泵運行的時間基本相同,，給維護和檢修帶來方便，所以,，大部分的供水廠家都鐘情于循環(huán)投切方案。但此方案也有不足之處,，就是在只有一臺變頻器運行并切換到工頻過程中會造成管網(wǎng)短時失壓,，在設計時應充分的引起重視。另外,，須設置一套備用系統(tǒng),，圖中的軟啟動器就是作為備用。當變頻器或PLC故障時,，可用軟起動器手動輪流起動各泵運行供水,。

三.循環(huán)投切的工作過程

　　眾所周知，變頻器的輸出端不能連接電源,，也不能運行中帶載脫閘,，切換過程應按以下的程序進行。循環(huán)投切恒壓供水系統(tǒng)投入運行時,，當變頻器的輸出頻率已達到50Hz或52Hz時,，能否將變頻器的上限頻率設為52Hz，取決于水泵電機運行在52Hz時是否超載,。在50Hz頻率下運行60S管網(wǎng)水壓未達到給定值,，此時，該臺水泵需切換到工頻運行,。切換過程是：先關該臺水泵電動閥,，然后變頻器停車(停車方式設定為自由停車),，水泵電機慣性運轉，考慮到電機中的殘余電壓,，不能將電機立即切換到工頻,，而是延長時間一段時間，到電機中的殘余電壓下降到較小值,，這個值保證電源電壓與殘余電壓不同相時造成的切換電流沖擊較小,，在某水廠160KW水泵電機的切換時間為600ms。連接在電機工頻回路中的空氣開關容量為400A,，經現(xiàn)場調試切換過程的電流沖擊較小,，每一次切換都比較的成功。關閥后停車,，水泵電機基本上處于空載運轉,，到600ms時電機的轉速下降不是很多，使切換時電流沖擊較小,。切換完成后,，再打開電動閥；已停車的變頻器切換到另外的水泵上起動并運行,，再開電動閥,。切除工頻泵時，先關閥,，后停車,，這樣無“水錘“現(xiàn)象產生。這些操作都是由PLC控制自動完成,。

　　實際上,，電機的傳統(tǒng)起動方式也存在 的電流沖擊。對電機直接時,，起動電流是額定電流的5～7倍,，小功率的電機經常采用直接起動方式。電機功率較大時,，常用星—三角或自耦減壓起動器,。自耦減壓起動器起動電機時，首先加60%的電壓,，屬恒頻調壓調速,，數(shù)秒鐘或數(shù)十秒鐘后(根據(jù)電機的容量而定)，電機加速到60%電壓時的速度,，將60%的電壓切除后立即連接到99%(380V)電源上,。切除60%電壓時，電機的速度較變頻器投到工頻時電機的速度要低,，殘余電壓相對低一些,，投切是在瞬間完成的,，電流沖擊可能性較大，為保證切換成功,，回路上的空氣開關容量一般都選得比較大,。循環(huán)投切時，電機從變頻往工頻切換,，只要切換的延長時間足夠,，電機由變頻切換到工頻時的電流沖擊不大。一般殘余電壓的衰減時間為1—2秒,，切換延長時間也不是越長越好,，延長時間短，殘余電壓高,，速度降落少,；延長時間長，殘余電壓低,，但速度降落大,。選擇延長時間需二者兼顧，以求得較小的沖擊電流,。如果要使切換過程無電流沖擊,，需采用同步切換方式，加入一些控制手段和控制元件就可實現(xiàn),，但考慮經濟上是否合算,。

四.循環(huán)投切對變頻器和電機的影響

　　將電機從變頻狀態(tài)切換到工頻狀態(tài)時，變頻器內的功率器件立即關閉,，電機的電流不能躍變,，功率器件旁的并聯(lián)二極管提供了續(xù)流通路,，殘余電壓經二極管整流器和中間環(huán)節(jié)電容流通,，轉子電阻消耗能量，電機的定子也能消耗部分能量,，因此,，殘余電壓的衰減比較快，雖然在切換時仍有 的殘余電壓,，但對變頻器影響已經很小,，對電機壽命也無多大的影響。自耦減壓起動器切換時,，電機內定子的殘余電壓無通路流通,，只有轉子回路是閉合回路，也只有轉子電阻消耗能量,，殘余電壓的衰減比較慢,。切換時,，因殘余電壓存在而形成的沖擊電流較大，對電機有 的影響,，電機設計時已充分考慮了這些因素,。

五.應用實例

　　四川遂寧市自來水二廠，供水能力6萬噸/日,，城市管網(wǎng)壓力0.4MPa,，泵組為3臺160KW，1臺90KW水泵,，要求恒壓供水并采用計算機監(jiān)控,，變頻器或控制系統(tǒng)故障可由軟起動器手動起動各泵。

（1）計算機監(jiān)控內容

　　管網(wǎng)壓力,，流量,，泵的運行狀態(tài)，閥啟閉狀態(tài),，電機溫度,，各泵運行的電流，電壓,，功率和功率因素,，并監(jiān)控水質參數(shù)如余氯,濁度，含鐵量,，PH值等,。

（2）原理框圖

　　采用循環(huán)投切方式，備用系統(tǒng)用一軟起動器和相關器件構成,。

圖三　計算機監(jiān)控原理圖

　　為保證系統(tǒng)的可靠性,，上位機PC用于管理，用組態(tài)軟件做出若干工藝流程圖,，實時顯示系統(tǒng)的運行狀況,，并統(tǒng)計歷史數(shù)據(jù)，如需要可隨時打印報表,；還用于故障的報警和處理,。PC機為研華工業(yè)計算機，PLC為西門子S-7300,便于與總控室計算機聯(lián)網(wǎng),，采用帶有Profibus接口的CPU315.CP5611是通信模塊,，PDM-820AC電參數(shù)綜合分析儀用于檢測系統(tǒng)的用電量?？刂扑玫钠?停,，切換，閥的啟/閉；電機電流,，溫度的檢測,，水泵使用時間的統(tǒng)計；壓力,，流量,，水質參數(shù)的采集等，均由PLC完成,。水壓的給定值由變頻器鍵盤設定,。

圖四　變頻恒壓供水電氣原理圖

　　如圖四所示，與前述的循環(huán)投切方案基本相同,，BP1為160KW變頻器,，DZ1—DZ6為LG ABE403a 400A空氣開關，F(xiàn)U1 500A,FU2 600A為快熔,，KM1-KM10位LG GMC-400交流接觸器,，PT為森納斯壓力變送器，量程1Mpa.系統(tǒng)調試時,，水泵電機從變頻狀態(tài)切換到工頻狀態(tài),，延長時間從300ms起，到500ms時電流表顯示也無明顯的沖擊,，較后定為600ms.軟起動器設定為限流起動方式,，設定為2.5倍。軟起動器起動時,，起動電流接近800A,但在30S內下降到額定電流以下,，查600A熔斷器曲線,通過1000A電流在60S熔斷，所以軟起動器的熔斷器定為600A,。該系統(tǒng)已經投產兩年,，每日供水4-5萬噸，運行良好,。據(jù)廠家統(tǒng)計,，電耗/噸減少20%.

六.結論：

　　多泵變頻恒壓供水系統(tǒng)常用的兩種構成方案，兩種方案各有優(yōu)劣,，采用循環(huán)投切方案的系統(tǒng)較多,，在水泵電機從變頻狀態(tài)切換到工頻狀態(tài)時,，只要嚴格遵循“先關閥,，變頻器自由停車，延長時間后再切換,；停車時,，先開機，后開閥“,。這樣,，既可保證變頻器的安全運行,，又無“水錘”現(xiàn)象發(fā)生。