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摘要: 分析了目前常用的單臺變頻器控制多臺泵切換恒壓供水系統控制方式的局限性及安全隱患問題，并提出改良措施.推薦了較為合理的變頻器主調、軟啟動器后備的恒壓供水控制系統方案，為改進和完善恒壓供水系統控制技術提供有益的參考.
關鍵詞: 變頻器；軟啟動器；切換；恒壓；水泵

Application of the constant pressure water supply control system by the main adjustment
of converters and the stand- by power of the soft starter
DAI Lu- ying，LI Hai-hong
（Nanchang Municipal Hydraulic Planning and Design Institute of Jiangxi Province，Nanchang 330009，China）
Abstract: The limitations and the hidden danger of the constant pressure water supply control way of single converter control and multi- pump switching now are analyze in this paper. The improving measures is presented. The reasonable constant pressure water supply control system plan by the main adjustment of converters and the stand- by power of soft starters  is  recommanded in order to  improve the control technology.
Key words: Converter；soft starter；Switching；Constant pressure；Pump
      在過去的泵站電氣設計中，我們常常采用“單臺變頻器控制多臺泵切換的控制系統”，以減少投資為目的。但是，由于這種控制系統存在明顯的缺陷，因而已逐漸被“變頻主調、軟啟動后備多臺泵切換的控制系統”所替代。本文根據多項恒壓供水控制系統設計的實踐和經驗，對“單臺變頻器控制多臺泵切換恒壓供水系統控制方式”的局限性及安全隱患問題進行了分析，并提出措施。由此推出“變頻器主調、軟啟動器后備的恒壓供水控制系統”方案，分析論證其特點及優勢，希望能對恒壓供水系統控制技術提供有益的參考。
1 單臺變頻器控制多泵切換控制系統
1.1 系統概述
      隨著變頻控制技術的發展，利用變頻器控制，實現恒壓供水已成為城市供水的一種趨勢。由于變頻器價格偏高的原因，目前較廣泛運用單臺變頻器控制多泵切換的恒壓供水系統，簡稱變頻1 控X（X 為水泵臺數）的控制方案（如圖1），其循環運行過程：首先以1M泵在變頻控制的情況下開始，當供水需求增大時，1M泵到達額定頻率，水壓不足時，切換至工頻，變頻控制2M泵；當2M泵到達額定頻率，水壓依舊不足時，切換至工頻，變頻控制3M泵；反之，當供水需求減少時，則先從1M泵，然后2M泵依次退出工作，一次泵循環啟動、停止過程完成。

1.2 系統局限性及安全隱患
      由于變頻器兼作多臺泵的啟動器，在變頻器輸出接觸器與工頻輸出接觸器之間必然有一個切換過程，而通過整流、逆變的變頻輸出與工頻輸出在頻率、幅值以及相位存在著一定的差異，所以目前在變頻器輸出與工頻輸出之間切換一般均采用異步切換的方式。以圖1中1M泵為例，在切換過程中必須是先斷開變頻接觸器1KM2，才可合上工頻接觸器1KM1。可見，在異步切換中存在著一個變頻甩負荷，電機失電的暫態過程，而這個暫態過程不可避免的給變頻器和電機帶來一定的不利影響。根據圖1、圖2 我們進行分析如下。
1.2.1 切換對變頻器的影響
      由于IGBT 技術的普及，目前常用的變頻器均為交—直—交型變換（圖2）。當接觸器1KM2 閉合，變頻器正常帶1M泵工作時，逆變功率元件V1～V6 的電流通過電動機繞組導通，利用繞組的感性濾波作用，有效地抑制電流變化率，同時電壓降也主要消耗在電機繞組上，對變頻器的功率元件無不利影響；當1KM2 斷開，異步切換發生瞬間，導通的V1～V6 中突然失去電流通路，產生極大的電流變化率，電荷大量聚集，使功率元件端電壓升高、電流增大，有可能使功率元件擊穿。即便目前采用的IGBT 功率元件擊穿電壓允許1 200 V，集電極最大飽和電流可超過1 500 A，但長期使用將會影響其使用壽命。

      同時，由于功率元件V1～V6 瞬時失去電流通路，需通過與它們并聯續流二極管VD7～VD12 續流。而大的續流電流除了會對續流二極管造成損害外，還會使直流母線電壓UD 升高，使濾波電容CF1、CF2 承受較大的充電電流，對其造成一定的損害。由此可見，異步切換過程對變頻器內部各種主要元器件都會造成不同程度的損傷。從生產的角度要求對于恒壓供水系統，保證壓力的恒定是其最終的目的，而每天的用水負荷又是經常變化的，因此變頻、工頻的切換也是頻繁的，這種長期作用勢必大大縮短變頻器的使用壽命。
1.2.2 切換對電機的影響
      在發生異步切換時，首先1KM2 斷開，此時的情況是定子開路，定子旋轉磁場消失；而轉子在慣性動能的作用下，繼續旋轉，在轉子電流衰減為零之前，旋轉的轉子磁場在定子繞組中感生出感應電動勢，其大小與轉子電流有關，隨著轉子電流的衰減而消失。而轉子的動能則消耗在負載轉矩上，爾后1KM1 合上。在這一切換過程中，若轉子仍有剩余動能將會反送到工頻電網，它以減小電機的啟動電流形式出現。這正是目前變頻器兼作啟動器的理論依據。而事實上，由于定子磁場能量以反電勢的形式出現，一旦提供放電通路，將會產生很大的瞬時電流，不放電則形成很大的反電勢，導致1KM1 合上后產生巨大的沖擊電流，最大可達額定電流的10 倍以上。轉子動能減小的啟動電流與之相比微乎其微。
      在電動機帶水泵負載時，切換發生瞬間，水泵在水壓作用下迅速停車，產生巨大的“水錘”效應，在水泵受損害的同時，因高水壓與定子反電勢疊加，電動機也將承受10 倍額定電流以上的沖擊電流，常常使工頻斷路器1QF～3QF 跳閘，導致切換失敗，甚至引起電動機損壞。由于上述系統設計的局限性，切換失敗的情況在工程實踐中經常發生。
1.3 系統的改良措施
      由上分析可知，造成設備損傷、啟動失敗的主要是由瞬間停電引起的變頻器電流通路喪失、定子反電勢增高以及水泵的“水錘”效應所引發的。以1M泵為例，改良措施如下：
      （1）切換前先關斷變頻器，即在變頻器的輸出接觸器1KM2 斷開之前，先斷開變頻器的啟停控制端子，從而停止變頻器的逆變輸出，消除功率元件的大電流、電壓的沖擊。可考慮關斷變頻器后延時0.5 s，斷開變頻器輸出繼電器。而目前在一些單變頻控制多泵循環恒壓供水控制系統電氣設計中，常常采用變頻器的輸出接觸器的輔助接點來控制變頻器的關斷，這樣簡單化的控制導致輸出接觸器與變頻器幾乎同時切斷，顯然是不合理的。
      （2）變頻器輸出繼電器1KM2 斷開后，經1～2 s 延時再合上工頻接觸器1KM1。前面已敘述電動勢是由旋轉的轉子磁場建立，隨著轉子電流的衰減而消失。而轉子電流經轉子電阻會很快衰減，大約1～2 s。此時反電動勢為零，而轉子動能若損失較小，減小啟動電流的效果明顯，轉矩沖擊也較小，基本能順利切換至工頻運行；
     （3）減輕切換時的電機負載，主要是指在切換前要求先關閉水泵的出口電動閥，切換完成后再打開出口電動閥，在恒壓供水系統控制設計中一定要將電機和相應的出口閥作為一個整體統一考慮。這樣既可以消除泵類負載的“水錘”效應，同時可減少轉子動能的損失，以減小啟動電流。
2 變頻主調、軟啟動后備多泵切換控制系統的應用
      由于變頻器作啟動器，發生異步切換時，瞬間停電是不可避免的。而這個停電過程對變頻器、電機及水泵始終是有影響的，所以即使采用了改良措施，但長期運行仍將降低電控設備的絕緣水平，縮短電機的使用壽命。從控制角度來看，采用單臺變頻作為幾臺泵的啟動設備，風險過于集中，考慮電機和變壓器容量關系，一旦變頻故障，電機無法直接啟動，幾臺泵全部癱瘓，嚴重影響生產運行。如何能使系統在正常運行時保證恒壓供水，實現同步切換；而在變頻故障時，又至少能保證生產供水，是恒壓供水控制系統電氣設計的一個關鍵技術問題。隨著軟啟動技術的普及，軟啟動器的價格相對整個系統的投資又不高，故在恒壓供水控制系統中，增加一臺軟啟動器就能很好的解決系統中存在的問題。
2.1 軟啟動器
      軟啟動器主要由3 組晶閘管橋構成。每組晶閘管橋由2 只晶閘管反并聯而成，并分別與交流電源的三相電源的各相并聯。通過改變晶閘管的觸發角，使電機三相電源電壓平穩的增加，頻率保持不變。電壓通過加速積分或電流極限參數或兩個參數共同控制。有效的限制啟動沖擊電流，增大啟動力矩。啟動結束后，軟啟動器晶閘管橋完全導通，工頻電壓全部加載在電機負載上。同時，在軟啟動結束后，軟啟動器提供一個內部繼電器無源接點，表示啟動完成。
2.2 軟啟動器系統的運行過程
      根據軟啟動器的工作原理，我們將變頻1 控X 的控制方案進行改進后形成變頻—軟啟動1 控X 方案（見圖1），改進后的系統增加了一臺軟啟動器和其出線端的接觸器（見圖3）。其運行過程：首先通過轉換開關任意選擇3 臺泵中的一臺泵作為變頻調節；當供水需求增大時，1M泵到達額定頻率，水壓不足時，2M泵通過軟啟動器啟動，啟動結束后，切換至工頻，軟啟動器退出工作，變頻仍控制1M泵；2M泵投入工頻后，1M泵到達額定頻率，水壓依舊不足時，3M泵通過軟啟動器啟動，啟動結束后，切換至工頻，軟啟動器退出工作，變頻仍控制1M泵；反之，當供水需求減少時，則先從3M泵，然后2M泵依次退出工作，一次泵循環啟動、停止過程完成。

      由次可見，在整個泵循環啟、停的過程中變頻器始終固定控制其中1 臺泵，軟啟動控制另2 臺泵。變頻與工頻之間的已沒有切換關系。
2.3 軟啟動的切換過程
      以2M泵為例，通過合上接觸器2KM3，軟啟動器投入工作，啟動完成后，此時軟啟動器的內部電路效果完全等同于開關元件，可利用軟啟動器內部啟動完成接點接通工頻接觸2KM1，而后再斷開2KM3，將軟啟動器退出工作，可供其它泵啟動時再次投入。可見軟啟動切換過程瞬間，軟啟動接觸器與工頻接觸器同時接通，屬于同步切換。
      因此，改進后的變頻器主調、軟啟動后備系統，變頻器與工頻之間不存在著異步切換的過程。軟啟動器與工頻之間是一個同步切換的過程，切換過程中電機不會瞬間停電，電機端電壓無任何擾動，與電機正常運行時相同，同時軟啟動器結構特點和工作特性保證了啟動完成后的同步切換不會對軟啟動器設備本身帶來任何不良影響。但是從確保供水可靠性的角度來看，當變頻器檢修或故障時，通過這臺軟啟動器還可用來完成變頻控制的3 臺泵的啟動，有效的保障系統供水，提高系統抗風險的能力，提高可靠性。工頻柜主要是為了軟啟動完成后切換到工頻后，使軟啟動時處于待命狀態，為下一臺泵啟動作準備。采用上述配置后，通過PLC 系統可實現隨壓力設定值變化的自動恒壓供水及多泵輪值。
3   結語
      通過實踐和運行分析可知，變頻器主調、軟啟動后備控制系統在避免單變頻系統切換固有缺陷的同時，當變頻器發生故障時又提供了一種后備啟動運行方式，使電氣控制設備及供水生產設備在安全可靠性、控制靈活性等方面都得到了提高。恒壓供水系統控制方案技術可靠、經濟合理，具有廣闊的使用前景。
參考文獻:
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