自來水廠變頻循環投切恒壓供水系統

1 概述

在自來水廠的供水泵站中，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，通過人工控制水泵運行的臺數來輸出期望的水壓和流量。如供水能力4耀6 萬t/日的自來水廠，水泵的配置方案就有多種，其中一種可行的方案是3 臺160 kW 和1 臺90 kW 水泵組成。系統工作時，傳統的方法是，若供水量較大時(顯然此時流量和管網水壓已經不能滿足要求)，就需人工投入水泵，根據現場管網水壓情況由工人來決定投入160 kW 水泵還是90 kW 水泵;若供水量減小，管網水壓會升高，此時又需人工切除水泵。在深夜用水量較小時，為節能考慮用1臺90 kW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，開閥”的操作程序，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，而如果安裝的是“微阻緩閉止回閥”，則停機時基本上就不存在”水錘“效應。

2 變頻恒壓供水的控制方案

由于城市自來水的用量會隨季節的變化而變化，隨每日時段不同而變化。為使供水的水壓恒定，最常見的辦法是采用變頻恒壓供水系統，即把壓力變送器裝在主管網上檢測管網壓力信號，再將此壓力信號送到變頻器(PLC)的模擬信號輸入端口，由此構成壓力閉環控制系統，管網壓力的恒定依賴變頻器的調節控制。對于多泵情況，可以采用兩種不同的控制系統方案，一種是”順序控制方案”，系統圖如圖1 所示。另一種是“循環投切”方案，系統圖如圖2 所示。

圖1 中，BPI 是變頻器;BU2耀BU4 是軟起動器，PT是壓力變送器。由圖1 可見，變頻器連接在第1臺水泵電機上，需要加泵或減泵時，由變頻器端口輸出信號RO1~RO3 來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1 臺水泵永遠連接在變頻器上，沒有切換過程中的失壓現象;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，當變頻器故障時，可用軟起動器手動起動水泵M2耀M4，以保證供水不致中斷;每臺電機都配有起動器，所以初始投資較大。

在圖2 中，BP1 是變頻器，BU1 是軟啟動器，PT是壓力變送器，ZJ1、ZJ2用于控制系統的起動/停止和自動/手動轉換。由圖2可見，變頻器連接在第1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耀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1臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第2臺水泵上起動并運行，依此，將第2 臺水泵切換到工頻運行，變頻器連接到第3臺水泵上起動并運行;需要減泵時，系統將第1 臺水泵停止，第2 臺水泵停止，這時，變頻器連接在第3 臺水泵上。再需要加泵時，切換從第3 臺水泵開始循環。這種方式保證永遠有1 臺水泵在變頻運行，4 臺水泵中的任1 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壓力基本恒定，且各臺水泵運行的時間基本相同，這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投切方案。但此方案也有不足之處，就是在只有1 臺變頻器運行并切換到工頻過程中會造成管網短時失壓，在設計時應充分地引起重視。另外，必須設置一套備用系統，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。

3 循環投切的工作過程

眾所周知，變頻器的輸出端不能連接電源，也不能在運行中帶載脫閘，切換過程應按以下的程序進行。將循環投切恒壓供水系統投入運行時，當變頻器的輸出頻率已達到50 Hz 或52 Hz(能否將變頻器的上限頻率設為52 Hz，取決于水泵電機運行在52 Hz時是否超載)時，如果運行60 s管網水壓還未達到給定值，此時，將該臺變頻運行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勢，不能將電機立即切換到工頻，而是延時一段時間，到電機中的殘余電勢下降到較小值，這個值保證電源電壓與殘余電勢不同相時造成的切換電流沖擊較小，例如，在某水廠，160 kW水泵電機的切換時間為600 ms。連接在電機工頻回路中的空氣開關容量為400 A，經現場調試，切換過程的電流沖擊較小，每一次切換都100豫的成功。關閥后停車，水泵電機基本上處于空載運轉，到600 ms 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，電機的傳統起動方式也存在一定的電流沖擊。電機直接起動時，起動電流是額定電流的5耀7 倍，小功率的電機經常采用直接起動方式，但電機功率較大時，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%電壓時的速度，這時將60%的電壓切除，電機立即連接到100%(380 V)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，殘余電勢相對低一些，又因投切是在瞬間完成的，電流沖擊可能性較大，故為保證切換成功，回路上的空氣開關容量一般都選得比較大。循環投切時，電機從變頻切換至工頻，只要切換的延時足夠，電機由變頻切換到工頻時的電流沖擊就不大。一般殘余電勢的衰減時間為1耀2 s，切換延時也不是越長越好，延時短，殘余電壓高，速度降落少;延時長，殘余電勢低，但速度降落大。選擇延時需二者兼顧，以求得最小的沖擊電流。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，但應考慮經濟上是否合算。

4 循環投切對變頻器和電機的影響

將電機從變頻狀態切換到工頻狀態時，變頻器內的功率器件立即關閉，電機的電流不能跳變，功率器件旁的并聯二極管提供了續流通路，殘余電壓經二極管整流器和中間環節電容流通，而轉子電阻消耗能量，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，這樣，雖然在切換時仍有一定的殘余電壓，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，也就是只有轉子電阻消耗能量，所以殘余電壓的衰減比較慢。這樣，切換時，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，在做電機設計時應充分考慮這些因素。

5 應用實例

四川遂寧市自來水二廠，供水能力6 萬t/日，城市管網壓力0.4 MPa，泵組為3 臺160 kW，1 臺90 kW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器手動起動各泵。

5.1 計算機監控內容

計算機監控原理如圖3所示。監控的內容有管網壓力，流量，泵的運行狀態，閥啟閉狀態，電機溫度，各泵運行的電流，電壓，功率和功率因數，并監控水質參數，如余氯，濁

度，含鐵量，PH值等。

5.2 原理框圖

采用循環投切方式的原理框圖如圖4 所示，備用系統采用一軟起動器和相關器件構成。為保證系統的可靠性，上位機PC 用于管理，通過組態軟件做出若干工藝流程圖，實時顯示系統的運行狀況，并統計歷史數據，如需要可隨時打印報表;

還用于故障的報警和處理。PC機為研華工業計算機，PLC 為西門子S-7300，便于與總控室計算機聯網，采用帶有Profibus接口的CPU315.CP5611 通信模塊，PDM-820AC 電參數綜合分析儀用于檢測系統的用電量。水泵的起/停、切換及閥的啟/閉;電機電流，溫度的檢測，水泵使用時間的統計;壓力，流量，水質參數的采集等，均由PLC 完成。水壓的給定值由變頻器鍵盤設定。

圖4 與前述的循環投切方案基本相同，BP1為160 kW 變頻器，DZ1耀DZ6 為LG ABE403a 400 A空氣開關，FU1 500A 及FU2 600 A 為快熔，KM1耀KM10為LG GMC-400交流接觸器，PT選用的是森納斯壓力變送器，量程1 Mpa。系統調試時，水泵電機從變頻狀態切換到工頻狀態，延時從300 ms起，到500 ms時電流表顯示也無明顯的沖擊，最后定為600 ms。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800 A，但在30 s內下降到額定電流以下，查600 A熔斷器曲線，通過1 000 A 電流在60 s熔斷，所以軟起動器的熔斷器定為600A。該系統已經投產兩年，每日供水4-5萬t，運行良好。據廠家統計，電耗/t減少20%。

6 結語

多泵變頻恒壓供水系統常用的兩種方案各有優劣，采用循環投切方案的系統較多，在水泵電機從變頻狀態切換到工頻狀態時，只要嚴格遵循“先關閥，變頻器自由停車，延時后再切換;停車時，先開機，后開閥”的操作程序，就既可保證變頻器的安全運行，又無“水錘”現象發生。