一、前言

自來(lái)水廠(chǎng)的供水泵站中，供水系統一般由若干臺揚程相近的水泵組成，調節水壓和流量的傳統方法是，按期望輸出的水壓和流量用人工控制水泵運行的臺數。如供水能力4-6萬(wàn)噸/日的自來(lái)水廠(chǎng)，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90kKW水泵組成。系統工作時(shí)，傳統的方法是，若供水量較大，顯然，流量和管網(wǎng)水壓已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求，這時(shí)需人工投入水泵，根據現場(chǎng)管網(wǎng)水壓情況由工人來(lái)決定投入160kW水泵還是90kW水泵；若供水量減小，管網(wǎng)水壓會(huì )升高，此時(shí)又需人工切除水泵。在深夜用水量較小時(shí)，為節能考慮用一臺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(shí)，投入泵時(shí)應遵循“先開(kāi)機，后開(kāi)閥”、切除泵時(shí)應遵循“先關(guān)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(dòng)保證以上的操作程序，只是停機時(shí)止回閥關(guān)閉前的瞬間還是有“水錘”效應產(chǎn)生，如果安裝的是“微阻緩閉止回閥”，停機時(shí)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(lái)水的用量隨季節的變化而變化，隨每日時(shí)段不同而變化。為使供水的水壓恒定，最常見(jiàn)的辦法是采用變頻恒壓供水系統，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，管網(wǎng)壓力的恒定依賴(lài)變頻器的調節控制。對于多泵情況，可以?xún)煞N不同的控制系統方案，一種是“順序控制方案”，系統圖如圖一所示：

圖一　順序控制方案系統圖

圖中：BP1—變頻器；BU2～BU4--軟起動(dòng)器,PT—壓力變送器。由圖一可見(jiàn)，變頻器連接在第一臺水泵電機上，需要加泵或減泵時(shí)，由變頻器RO1～RO3端口輸出信號起動(dòng)或停止其他的水泵，這時(shí)水泵的起動(dòng)采用自耦降壓起動(dòng)裝置或軟起動(dòng)器。這種方案的特點(diǎn)是水泵電機不需要在變頻和工頻之間切換；第一臺水泵永遠連接在變頻器上，沒(méi)有切換過(guò)程中的失壓現象；由于變頻泵以外的泵都有軟起動(dòng)器，所以不需要再做備用系統，當變頻器故障時(shí)，可用軟起動(dòng)器手動(dòng)起動(dòng)M2～M4水泵，保證供水不致中斷；每臺電機都有起動(dòng)器，初始投資較大。另一種是“循環(huán)投切”方案，系統圖如圖二所示

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圖二  變頻恒壓供水循環(huán)投切方案系統圖

圖中：BP1—變頻器，BU1—軟啟動(dòng)器，PT－壓力變送器，ZJ1、ZJ2－用于控制系統的起動(dòng)/停止和自動(dòng)/手動(dòng)轉換。由圖二可見(jiàn)，變頻器連接在第一臺水泵電機上，需要加泵時(shí)，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(guò)程。切換開(kāi)始時(shí)，變頻器停止輸出（變頻器設置為自由停車(chē)），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(dòng)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(dòng)并運行；需要減泵時(shí)，系統將第一臺水泵停止，第二臺水泵停止，這時(shí)，變頻器連接在第三臺水泵上。再需要加泵時(shí)，切換從第三臺水泵開(kāi)始循環(huán)。這種方式保證永遠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(shí)間基本相同，給維護和檢修帶來(lái)方便，所以，大部分的供水廠(chǎng)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(guò)程中會(huì )造成管網(wǎng)短時(shí)失壓，在設計時(shí)應充分的引起重視。另外，必須設置一套備用系統，圖中的軟啟動(dòng)器就是作為備用。當變頻器或PLC故障時(shí)，可用軟起動(dòng)器手動(dòng)輪流起動(dòng)各泵運行供水。

三. 循環(huán)投切的工作過(guò)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(guò)程應按以下的程序進(jìn)行。循環(huán)投切恒壓供水系統投入運行時(shí)，當變頻器的輸出頻率已達到50Hz或52Hz時(shí)，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(shí)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(shí)，該臺水泵需切換到工頻運行。切換過(guò)程是：先關(guān)該臺水泵電動(dòng)閥，然后變頻器停車(chē)(停車(chē)方式設定為自由停車(chē))，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，而是延時(shí)一段時(shí)間，到電機中的殘余電壓下降到較小值，這個(gè)值保證電源電壓與殘余電壓不同相時(shí)造成的切換電流沖擊較小，在某水廠(chǎng)160kW水泵電機的切換時(shí)間為600ms。連接在電機工頻回路中的空氣開(kāi)關(guān)容量為400A，經(jīng)現場(chǎng)調試切換過(guò)程的電流沖擊較小，每一次切換都百分之百的成功。關(guān)閥后停車(chē)，水泵電機基本上處于空載運轉，到600ms時(shí)電機的轉速下降不是很多，使切換時(shí)電流沖擊較小。切換完成后，再打開(kāi)電動(dòng)閥；已停車(chē)的變頻器切換到另外的水泵上起動(dòng)并運行，再開(kāi)電動(dòng)閥。切除工頻泵時(shí)，先關(guān)閥，后停車(chē)，這樣無(wú)“水錘”現象產(chǎn)生。這些操作都是由PLC控制自動(dòng)完成。

實(shí)際上，電機的傳統起動(dòng)方式也存在一定的電流沖擊。對電機直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流是額定電流的5～7倍，小功率的電機經(jīng)常采用直接起動(dòng)方式。電機功率較大時(shí)，常用星—三角或自耦降壓起動(dòng)器。自耦降壓起動(dòng)器起動(dòng)電機時(shí)，首先加60%的電壓，屬恒頻調壓調速，數秒鐘或數十秒鐘后(根據電機的容量而定)，電機加速到60%電壓時(shí)的速度，將60%的電壓切除后立即連接到100%(380V)電源上。切除60%電壓時(shí)，電機的速度較變頻器投到工頻時(shí)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(kāi)關(guān)容量一般都選得比較大。循環(huán)投切時(shí)，電機從變頻往工頻切換，只要切換的延時(shí)足夠，電機由變頻切換到工頻時(shí)的電流沖擊不大。一般殘余電壓的衰減時(shí)間為1—2秒，切換延時(shí)也不是越長(cháng)越好，延時(shí)短，殘余電壓高，速度降落少；延時(shí)長(cháng)，殘余電壓低，但速度降落大。選擇延時(shí)需二者兼顧，以求得最小的沖擊電流。如果要使切換過(guò)程無(wú)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(shí)現，但考慮經(jīng)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(shí)，變頻器內的功率器件立即關(guān)閉，電機的電流不能躍變，功率器件旁的并聯(lián)二極管提供了續流通路，殘余電壓經(jīng)二極管整流器和中間環(huán)節電容流通，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(shí)仍有一定的殘余電壓，但對變頻器影響已經(jīng)很小，對電機壽命也無(wú)多大的影響。自耦降壓起動(dòng)器切換時(shí)，電機內定子的殘余電壓無(wú)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(shí)，因殘余電壓存在而形成的沖擊電流較大，對電機有一定的影響，電機設計時(shí)已充分考慮了這些因素。

      五. 應用實(shí)例

四川遂寧市自來(lái)水二廠(chǎng)，供水能力6萬(wàn)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控，變頻器或控制系統故障可由軟起動(dòng)器手動(dòng)起動(dòng)各泵。

（1）計算機監控內容

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，并監控水質(zhì)參數如余氯,濁度，含鐵量，PH值等。

（2）原理框圖

圖三　計算機監控原理圖

為保證系統的可靠性，上位機PC用于管理，用組態(tài)軟件做出若干工藝流程圖，實(shí)時(shí)顯示系統的運行狀況，并統計歷史數據，如需要可隨時(shí)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(mén)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電參數綜合分析儀用于檢測系統的用電量?？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(shí)間的統計；壓力，流量，水質(zhì)參數的采集等，均由PLC完成。水壓的給定值由變頻器鍵盤(pán)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為森蘭SB200系列160kW變頻器，DZ1—DZ6為L(cháng)G ABE403a 400A空氣開(kāi)關(guān)，FU1 500A，FU2 600A為快熔，KM1-KM10為L(cháng)G GMC-400交流接觸器，PT為森納斯壓力變送器，量程1Mpa。系統調試時(shí)，水泵電機從變頻狀態(tài)切換到工頻狀態(tài)，延時(shí)從300ms起，到500ms時(shí)電流表顯示也無(wú)明顯的沖擊，最后定為600ms。軟起動(dòng)器設定為限流起動(dòng)方式，設定為2.5倍。軟起動(dòng)器起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)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(xiàn)，通過(guò)1000A電流在60s熔斷，所以軟起動(dòng)器的熔斷器定為600A。該系統已經(jīng)投產(chǎn)兩年，每日供水4-5萬(wàn)噸，運行良好。據廠(chǎng)家統計，電耗/噸減少20%.

六. 結論

多泵變頻恒壓供水系統常用的兩種構成方案，兩種方案各有優(yōu)劣，采用循環(huán)投切方案的系統較多，在水泵電機從變頻狀態(tài)切換到工頻狀態(tài)時(shí)，只要嚴格遵循“先關(guān)閥，變頻器自由停車(chē)，延時(shí)后再切換；停車(chē)時(shí)，先開(kāi)機，后開(kāi)閥”。這樣，既可保證變頻器的安全運行，又無(wú)“水錘”現象發(fā)生。