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论变频器、软启动在大中型供水设备中的应用

摘要:由变频器 、 软启动及可编程控制器为主组成的高性能控制系统具有运行稳定 、 高效节能 、 自动化程度高易于操作等优点。由于采用了软启动,设备启、停过程平稳,避免了“水垂”效应,此控制系统只需增加较少的投资,就能较大幅度的提高设备性能,此项技术在大中型水泵站中很有推广应用价值。
关键词:恒压供水,变频调速,软启动,供水泵站,节能,水垂效应。

    通常供水设备的控制系统是由变频器、控制器、低压电器及压力传感器组成,可完成对供水压力闭环控制,当供水管网流量变化时,通过调整变频泵的转速和改变投入运行的水泵台数,可达到稳定供水管网出口压力的目的。
图 1 自动恒压供水系统原理图
    定压力信号进行比较,其差值进入 CPU 进行 PID 运算,运算结果控制变频器的输出频率及输出电压,使水泵转速能随着供水管网压力的波动而不断的变化 , 从而使管网出口压力稳定。如果管网流量变化大 , 当只调整变频泵的转速不能满足管网出口压力稳定要求时 , 则由控制器发出指令,通过改变投入运行的水泵台数来满足稳定管网出口压力要求。
    在上述过程中 , 当变频泵达到最高设定转速时,说明管网用水量大 , 只靠调整变频泵的转速已不能使管网出口压力稳定,在经过一定延时后,如果此泵仍然在最高设定转速运行,控制系统就要启动一台水泵,在水泵容量较大的供水系统中,往往采用一项叫作“循环软启动”的技术,即将变频器带动的正在全速运转的电机交给电网,变频器再带动下一台电机变频启动,目的是减少启动过程中的机械和电气冲击。这项被称为“循环软启动”的技术存在着一个致命弱点,因为在此过程中刚脱离变频器的水泵在惯性作用下高速旋转,电机转子中还有较大的电流,由此电流形成的磁场在电机定子中感应出较高的电压,此电压与电网电压不同频率、不同相位,因而此时不能立即将此电机合到电网上,一般方法是根据电机容量大小,确定一个延时,要等转子电流衰减到一定值以后,才能将此电机合到电网上,然后变频器带动下一台电机运行。如在上述,从变频器脱开的电机要经过一定延时后才能并入电网,对于中型电机此延时大约是 1-2 秒钟,在此期间,水泵失去了动力,并且水的位能阻止水泵继续旋转,水泵转速下降很快,当此水泵电机并入电网时,电机转速已降的很低,当将此电机并入电网时将产生较大的电气和机械冲击。如果电机从变频到工频切换过程处理不当,会给电网及供水管网造成重大事故,所以许多专家在大中型供水设备中不主张采用这项“循环软启动”技术。变频与工频平稳切换,已成为大中型供水设备中迫切需要解决的问题。
    为解决以上问题,现采用另一项电力电子产品“软启动”器,它基本原理是改变晶闸管的导通角改变输出电压,使电机在启动和停机过程中,端电压可以按照预先设定的方式逐渐变化,从而使启动和停机过程平稳。如果是启动一台电机,软启动将逐渐增大晶闸管的导通角,使电动机端电压逐渐升高,水泵平稳升速完成启动过程。如果是关闭一台电机,软启动内的晶闸管的导通角将由大逐渐减小,逐渐降低输出电压,使正在运转的电机平稳停机。

    高性能的软启动及控制系统允许用一台软启动顺序带动多台电机完成软启、软停操作(图 2 )。比如启动 1# 电机 , 软启动晶闸管的起始导通角为零 , 将 KM11 闭合,然后软启动晶闸管的导通角由小变大,电机端电压逐渐升高到电网电压,
 
图 2 一台软启动实现多台电机软启、软停控制主电路图
     电机可较平稳升速完成启动过程。此时电机的端电压与电网电压同频率,同相位 , 软启动器的晶闸管完全导通 , 其输出电压接近电网电压 , 这样 , 可将 KM21 闭合,使软启器旁路 , 然后 KM11 断开,软启动退出运行。此过程中电机端子上始终保持着较稳定的电压,所以整个启动过程平稳,无冲击。软启动退出运行以后准备接受下一次启动或停机操作指令。如果下一次操作指令是再启动一台电机,软启动将关闭软启动器上晶闸管,然后使相应的接触器闭合,再重复上述过程。如果下一次操作是关闭一台电机,比如 1# 电机停机,软启动先使晶闸管全导通,输出电压接近电网电压,然后 KM11 闭合将软启动并入正在运行的 1# 电机上,再断开 1# 电机直接和电网相联接的接触器 KM21 ,这时就由软启动单独带动 1# 电机运行,软启动逐步降低输出电压,电机速度逐渐下降,直到停机,完成软停操作后, KM11 断开。
    在上述过程中,控制系统适时的将软启动接入或退出运行电路。使用一台软启动顺序带动多台电机完成软启、软停操作的软启动器应具有“级联”功能,“级联”功能的主要作用是,在每一次操作前,软启动都要进行状态准备,在完成操作之后发出信号使软启动及时退出运行。比如启动电机,软启动晶闸管必须是关闭状态,输出电压为零,然后进入启动操作,如果是执行停机操作,软启动晶闸管必须是导通状态,逐渐降低输出电压,完成停机操作,每一次操作之后软启动都要退出运行线路。
    软启动本身保护功能齐全,但是当一台软启动带多台电机时,软启动完成启停操作后要退出运行,所以电机保护要另外设置,软启动只在启停过程中起保护。
     一个由变频器、软启动器、可编程序控制器及低压电器组成的供水控制具有良好的运行性能如图 3 ,
图 3 变频器、软启动组成的自动恒压供水系统原理图
    它由变频器带动一台泵变速运行,由一台软启动器完成其余各泵开、停泵操作,变频泵可定时轮换使各泵运行时间均衡。此控制系统除能根据管网出口压力调整变频泵转速外,还能适时的将软启动接入或退出运行电路,完成开停泵操作。此系统克服了变频器控制系统中,变频泵由变频向工频切换过程中所产生的电气和机械冲击,此控制系统具有软启软停功能,可以避免开停机时水泵突然变化而产生的“水垂”效应,保证了设备和管网的安全,此性能对大中型供水泵站尤为重要。
     综上所述,在大中型泵站采用由变频器,软启动及可编程控制器为主组成的控制系统,集现代电力电子技术,微电子技术及控制技术为一体,组成了适应大中型供水泵站需求的高性能控制系统。此系统具有运行稳定,高效节能,自动化程度高易于操作等优点。由于采用了软启动,设备启停过程平稳,避免了“水垂”效应。与普通变频控制系统相比,此控制系统增加了软启动,软启动成本相对较低,此控制系统只增加了较少的投资,就能较大幅度的提高设备性能,此项技术在大中型水泵站中很有推广应用价值。
参考文献
•  符锡理 . 变频恒压给水设备变频固定运行方式与循环运行方式的对比分析 . 变频器世界, 2000 ,( 12 )
•  艾建维 . 软启动功能及应用 . 变频器世界 .2001 ,( 12 )
•  张燕宾 . 低压供水系统变频与工频的切换问题 . 变频器世界 .2003 , (8) 


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