變頻－工頻切換技術(shù)在供水設(shè)備中的應(yīng)用*

王丁磊， 郭 濤

(安陽師范學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南安陽 455000)

0 引言

變頻供水設(shè)備一般由水泵機(jī)組、變頻控制柜、平衡壓力罐、壓力傳感器和一些輔件構(gòu)成。由于不同的應(yīng)用目的，也會使用一些特殊的部件，如:無負(fù)壓變頻供水設(shè)備會用到無負(fù)壓穩(wěn)流罐;無塔變頻供水設(shè)備會用到液位傳感器，但電機(jī)都會有變頻和工頻之間的切換。變頻供水設(shè)備一般串接在市政自來水管網(wǎng)壓力不足的地方，通過壓力傳感器檢測出口壓力，根據(jù)需要確定水泵投入的臺數(shù)和變頻器輸出頻率。設(shè)備由多臺小功率水泵并聯(lián)運(yùn)行，根據(jù)供水的實(shí)際情況，如果采用一臺變頻器拖動多臺電機(jī)的控制方案，不但可以滿足用水量高峰、低谷、平峰的恒壓供水要求，還可以避免選用大功率變頻器及水泵機(jī)組，從而可以節(jié)約投資;同時，在一臺電機(jī)或水泵損壞時，可以直接將其切除進(jìn)行維修，不影響其他電機(jī)或水泵的正常運(yùn)行。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于變頻－工頻切換時間設(shè)定不當(dāng)，容易產(chǎn)生諸如電流沖擊、跳閘和電機(jī)轉(zhuǎn)速過渡不平穩(wěn)等一系列問題。文獻(xiàn)［1］只是對可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)如何通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對多變頻器的控制進(jìn)行了介紹，對單變頻器如何實(shí)現(xiàn)多電動機(jī)控制沒有提及。文獻(xiàn)［2］只是對硬件部分做了描述，沒有對變頻－工頻切換時間進(jìn)行說明。文獻(xiàn)［3］只是對變頻器和多電動機(jī)的接線和多電動機(jī)的轉(zhuǎn)速匹配進(jìn)行了討論，沒有提及單變頻器對多電動機(jī)的控制。文獻(xiàn)［4］只是列出了切換的步驟，并沒有對產(chǎn)生原因做深層次的分析。文獻(xiàn)［5］從變頻器設(shè)計(jì)角度，從理論上提出了用bang-bang控制器和變結(jié)構(gòu)控制器的方法，但在實(shí)際工程中難以應(yīng)用。文獻(xiàn)［6］對軟切換技術(shù)進(jìn)行了理論上的分析，從理論上找到了切換的最佳時間點(diǎn)，但沒有進(jìn)行工程應(yīng)用分析。文獻(xiàn)［7］和［8］對轉(zhuǎn)換的電壓、頻率的變化進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，對產(chǎn)生沖擊的原因也進(jìn)行了分析。但文中提到的“差頻同相”技術(shù)在工程中難以實(shí)現(xiàn)。

1 變頻和工頻切換的原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)用戶用水量變化自動調(diào)節(jié)運(yùn)行水泵臺數(shù)和一臺水泵轉(zhuǎn)速，使水泵出口壓力保持恒定。變頻恒壓供水系統(tǒng)當(dāng)用戶用水量小于一臺水泵工頻工作的出水量時，控制系統(tǒng)根據(jù)用水量的變化對一臺水泵電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速運(yùn)行，當(dāng)用水量增加時管道系統(tǒng)內(nèi)壓力下降，這時壓力傳感器把檢測到的信號傳送給微機(jī)控制單元，通過微機(jī)運(yùn)行判斷，給變頻器發(fā)出信號，提高水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，以保證系統(tǒng)壓力不變，反之當(dāng)用水量減少時，使水泵轉(zhuǎn)速減慢，以保持恒壓;當(dāng)用水量大于一臺泵出水時，第一臺泵切換到工頻運(yùn)行，同時第二臺泵開始變頻調(diào)速運(yùn)行，增加供水量，保證用水壓力恒定;當(dāng)用水量大于兩臺泵出水量時，第三臺泵開始變頻調(diào)速運(yùn)行，保證供水壓力的恒定;最終可能三臺泵全部進(jìn)入工頻運(yùn)行，達(dá)到最大供水量。反之，當(dāng)用水量減少時，整個過程和上述情況相反。在整個運(yùn)行過程中，變頻恒壓供水系統(tǒng)始終保持供水系統(tǒng)壓力不變，使水泵始終工作在高效區(qū)，既保證用戶恒壓供水，又節(jié)省電能。其切換過程如表1、表2所示，工作原理如圖1所示。

2 電流沖擊產(chǎn)生原因的分析

在切換過程中有兩個問題要考慮:首先從電動機(jī)停車所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢角度來看，希望切換時間應(yīng)盡量延長，這樣可減小切換時電動機(jī)自

表2 用水量減少時泵的運(yùn)行狀態(tài)切換表

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

式中:E——定子繞組電動勢的有效值;

Ei——定子繞組電動勢初始有效值;

τE——電磁時間常數(shù)。

由文獻(xiàn)［9］可知，供水設(shè)備上采用的電機(jī)功率一般為4.0～15.0 kW，其電磁時間常數(shù) τE為125～532 ms，利用式(1)可以計(jì)算出不同時間常數(shù)的電動機(jī)在不同時刻的感應(yīng)電動勢E和初始時刻的電動勢Ei之比(E/Ei)，如表3所示。由停車所產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢和工頻電壓因相位不同而

造成的電流沖擊，三相異步電動機(jī)斷電瞬間，定子中的電動勢E和電源電壓Ei非常接近，在電磁過渡過程中定子繞組電動勢的衰減方程為

表3 感應(yīng)電動勢E和初始時刻的電動勢Ei之比 %

根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，只要剩余的感應(yīng)電動勢E和初始時刻的電動勢 Eo之比(E/Eo)小于50%，切換過程的電流沖擊就不會太大。定子電動勢的衰減曲線如圖2所示。

圖2 電動機(jī)自由停車時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢

隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，感應(yīng)電動勢的振幅和頻率都在下降，圖2不能表達(dá)出頻率的下降，圖3不但可以描述振幅的下降，也能描述頻率的下降。

圖3 感應(yīng)電動勢振幅和頻率隨時間的變化曲線

另一個要考慮的問題是從電動機(jī)即將按照工頻電源進(jìn)行工作這個角度來看，希望切換時間盡量縮短，這樣可以保證工頻電源切入后不會造成過大的起動電流。自由停車狀態(tài)下電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變化取決于電動機(jī)和水泵構(gòu)成系統(tǒng)的機(jī)械時間常數(shù)，其表達(dá)式如下:

式中:nt——電動機(jī)轉(zhuǎn)速;

nMN——電動機(jī)斷電后的初始轉(zhuǎn)速;

τM——機(jī)械時間常數(shù)。

電動機(jī)和水泵組成的系統(tǒng)中，當(dāng)水泵切斷電源時，由于水的勢能很大，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速下降較快，為防止電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降過多(一般控制在額定轉(zhuǎn)速的75%以上［7］)，應(yīng)將切換時間盡量縮短，這樣可以保證工頻電源切入后不會造成過大的起動電流。根據(jù)式(2)可以求得電動機(jī)帶負(fù)載水泵后不同時刻的轉(zhuǎn)速占額定轉(zhuǎn)速的百分比，如表4所示。

表4 不同切換時間電動機(jī)轉(zhuǎn)速的百分?jǐn)?shù) %

上述兩個問題是相互矛盾的，如何找到一個合適的切換時機(jī)就成為切換過程能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵問題。

3 防止切換過程電流過大的方法

設(shè)工頻電源信號:

式中:Ui——工頻信號幅度，一般可認(rèn)為是常數(shù);

ωi——變頻器輸出信號的頻率，一般可認(rèn)為是常數(shù);

θi(t)——變頻器輸出信號的瞬時相位，一般可認(rèn)為是常數(shù)。

設(shè)電動機(jī)的感應(yīng)電動勢:

式中:Uo——電動機(jī)感應(yīng)電動勢的幅度;

ωo(t)——電動機(jī)感應(yīng)電動勢的頻率;

θo(t)——電動機(jī)感應(yīng)電動勢的瞬時相位。

工頻電源電壓幅值和頻率都不變，初始相位可認(rèn)為是個常數(shù)，電動機(jī)的感應(yīng)電動勢電壓呈指數(shù)衰減，頻率也呈指數(shù)衰減，這兩個信號先后加在電動機(jī)上，這兩個信號的幅值和相位差可以表示為如果假設(shè)兩個電壓的初始相位相等，就可以認(rèn)為轉(zhuǎn)換初期幅值和相位差較小，隨后逐漸加大，最后趨于工頻。整個過程如圖4所示。

圖4 ΔE隨時間的變化

但上面這個假設(shè)是不可控的，兩個電壓的初始相位在實(shí)際工程中往往是隨機(jī)的，如果按照文獻(xiàn)［7］提出的“差頻同相”方案去控制相差，在實(shí)際工作中不但要增加硬件開銷，而且對于毫秒級的時間來說，無論是PLC還是接觸器的執(zhí)行時間都大于這個毫秒級，在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)。通過在實(shí)際工作中反復(fù)試驗(yàn)和分析，以及對上百臺供水設(shè)備的跟蹤調(diào)查及故障分析，可知:

(1)當(dāng)供水需求確定后，最好選用多臺小功率電機(jī)的驅(qū)動方案，這樣做的好處是避開了大功率電動機(jī)容易出現(xiàn)電機(jī)還沒有完全脫離變頻器(例如電弧還沒有熄滅)，工頻過早完成切換，形成工頻短路;這樣做的另外一個好處就是當(dāng)一臺電機(jī)或水泵損壞時，可以直接將其切除后進(jìn)行維修，不至于影響其他電機(jī)或水泵的正常運(yùn)行;

(2)變頻－工頻切換時，出現(xiàn)的變頻器損壞和空氣開關(guān)跳閘，往往都是由于變頻器的輸出端與工頻電源短接造成的，只要能保證變頻器的輸出端與工頻不短接，就能保證平穩(wěn)切換。在實(shí)際工作中采用的方法是:通過PLC中的軟互鎖和接觸器的電氣互鎖加上機(jī)械互鎖等多重互鎖方式保證不會出現(xiàn)短路;

(3)切換過程迅速準(zhǔn)確，即電機(jī)脫離電源慣性運(yùn)行的時間越短，轉(zhuǎn)速下降越少，越不存在“沖擊”，最好能在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行切換，為此在實(shí)際工作中將切換頻率設(shè)定在大于工頻2%～5%的范圍內(nèi)，即51.0～52.5 Hz范圍內(nèi)，這樣即使切換過程中轉(zhuǎn)速略有下降，也能保證在電動機(jī)的額定電流下切換;

(4)當(dāng)用水量下降需要工頻切換到變頻運(yùn)行時，應(yīng)該使變頻器輸出在低于工頻2% ～5%的范圍內(nèi)，即47.5～49.0 Hz范圍內(nèi)，這樣可以保證當(dāng)變頻器切換時沖擊電流最小;

(5)電機(jī)轉(zhuǎn)換之初，電機(jī)內(nèi)只有弱小的剩磁電勢，其能量較小且衰減很快，在切換后很快就被新切入的電壓所平衡;

(6)變頻與工頻的切換用PLC控制切換過程時，通過反復(fù)試驗(yàn)得出最佳的切換時間是:變頻自由停車到切除電機(jī)要有0.1 s的延時，由電機(jī)從變頻切除到工頻接通要有0.2～0.4 s的延時，這個時間可以現(xiàn)場根據(jù)電動機(jī)的機(jī)械時間常數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

4 切換過程試驗(yàn)及分析

根據(jù)以上分析，采用以下條件進(jìn)行切換過程的測試:電機(jī)型號為 Y132S1－2，共 3臺，3臺5.5 kW電機(jī)，穩(wěn)流罐容量為100 L，設(shè)定揚(yáng)程70 m變頻器自由停車的控制方式，延時時間為變頻器自由停車到切除電機(jī)0.1 s，電機(jī)從變頻切除到工頻接通要有0.32 s。

測試過程首先將設(shè)備起動，將出口閥門關(guān)閉，模擬用戶用水量為0的情況，等供水壓力達(dá)到設(shè)定揚(yáng)程并自動停機(jī)進(jìn)入保壓狀態(tài)后進(jìn)入測試狀態(tài)。打開出水閥門，水壓下降，第一臺電機(jī)進(jìn)入變頻工作狀態(tài)，模擬小流量供水，實(shí)時記錄流量、出水口壓力及設(shè)備電流情況，然后增大出水閥門開度，模擬用戶用水量增加狀態(tài)，使第一臺電機(jī)切換到工頻工作，繼續(xù)增大出水閥門開度，使第二臺電機(jī)進(jìn)入變頻工作，以此類推直到3臺電機(jī)全部進(jìn)入工頻工作達(dá)到最大供水流量;然后逐漸減小出水閥門開度直至完全關(guān)閉，模擬用戶用水量減少狀態(tài)，直至3臺電機(jī)全部停車。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。

試驗(yàn)結(jié)果分析如下:

(1)設(shè)備能夠根據(jù)用戶用水量的變化自動實(shí)現(xiàn)跟蹤設(shè)定壓力，壓力波動小于7%，滿足供水質(zhì)量的要求;

(2)電機(jī)切換過程平穩(wěn)，無水錘及噪聲等現(xiàn)象出現(xiàn);

圖5 切換過程測試曲線

(3)無論在用戶用水量增加或者減少過程中，電機(jī)切換過程電流變化平穩(wěn)，沒有發(fā)現(xiàn)電流沖擊現(xiàn)象。

綜上所述，采用合適的電機(jī)變頻－工頻切換時間是保證切換過程平穩(wěn)進(jìn)行的關(guān)鍵;保持較小的電動機(jī)切換前和切換后的轉(zhuǎn)速差是保證切換過程平穩(wěn)的重要條件;多重互鎖是保證切換安全的重要保證;通過試驗(yàn)證明了電機(jī)轉(zhuǎn)換之初電機(jī)內(nèi)弱小的剩磁電勢能量較小，在切換后很快就被新切入的電源所平衡，在切換過程中不必過多考慮。

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