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    自来水厂变频循环投切恒压供水系统

    自来水厂变频循环投切恒压供水系统

    1 概述
    在自来水厂的供水泵站中,供水系统一般由若干台扬程相近的水泵组成,调节水压和流量的传统方法是,通过人工控制水泵运行的台数来输出期望的水压和流量。如供水能力4耀6 万t/日的自来水厂,水泵的配置方案就有多种,其中一种可行的方案是3 台160 kW 和1 台90 kW 水泵组成。系统工作时,传统的方法是,若供水量较大时(显然此时流量和管网水压已经不能满足要求),就需人工投入水泵,根据现场管网水压情况由工人来决定投入160 kW 水泵还是90 kW 水泵;若供水量减小,管网水压会升高,此时又需人工切除水泵。在深夜用水量较小时,为节能考虑用1台90 kW水泵供水。由于水泵的流量较大,为避免“水锤”效应,人工投切时,投入泵应遵循“先开机,开阀”的操作程序,切除泵应遵循“先关阀,后停机”的操作程序。若是小功率的水泵,水泵的出水侧都装有普通止回阀,其本上能自动保证以上的操作程序,只是停机时止回阀关闭前的瞬间还是有“水锤”效应产生,而如果安装的是“微阻缓闭止回阀”,则停机时基本上就不存在”水锤“效应。
    2 变频恒压供水的控制方案
    由于城市自来水的用量会随季节的变化而变化,随每日时段不同而变化。为使供水的水压恒定,最常见的办法是采用变频恒压供水系统,即把压力变送器装在主管网上检测管网压力信号,再将此压力信号送到变频器(PLC)的模拟信号输入端口,由此构成压力闭环控制系统,管网压力的恒定依赖变频器的调节控制。图 中,VVVF 是变频器;变频器通过接触器的转换启动运行两台水泵电机,需要加泵时,变频器停止运行,由PLC控制切换过程。切换开始时,变频器停止输出(变频器设置为自由停车),利用水泵的惯性将第1台水泵切换到工频运行,变频器连接到第2台水泵上起动并运行,依此,将第2 台水泵切换到工频运行,变频器连接到第3台水泵上起动并运行;需要减泵时,系统将第1 台水泵停止,第2 台水泵停止,这时,变频器连接在第3 台水泵上。再需要加泵时,切换从第3 台水泵开始循环。这种方式保证永远有1 台水泵在变频运行,4 台水泵中的任1 台都可能变频运行。这样,才能做到不论用水量如何改变都可保持管网压力基本恒定,且各台水泵运行的时间基本相同,这给维护和检修带来方便,所以,大部分的供水厂家都钟情于循环投切方案。但此方案也有不足之处,就是在只有1 台变频器运行并切换到工频过程中会造成管网短时失压,在设计时应充分地引起重视。另外,如需要可设置一套备用系统,图中的软启动器就是作为备用。当变频器或PLC 故障时,可用软起动器手动轮流起动各泵运行供水。
    3 循环投切的工作过程
    众所周知,变频器的输出端不能连接电源,也不能在运行中带载脱闸,切换过程应按以下的程序进行。将循环投切恒压供水系统投入运行时,当变频器的输出频率已达到50 Hz 或52 Hz(能否将变频器的上限频率设为52 Hz,取决于水泵电机运行在52 Hz时是否超载)时,如果运行60 s管网水压还未达到给定值,此时,将该台变频运行水泵需切换到工频运行。切换过程是,变频器停车(停车方式设定为自由停车),水泵电机惯性运转,考虑到电机中的残余电势,不能将电机立即切换到工频,而是延时一段时间,到电机中的残余电势下降到较小值,这个值保证电源电压与残余电势不同相时造成的切换电流冲击较小,例如,在某水厂,160 kW水泵电机的切换时间为600 ms。连接在电机工频回路中的空气开关容量为400 A,经现场调试,切换过程的电流冲击较小,每一次切换都100豫的成功。关阀后停车,水泵电机基本上处于空载运转,到600 ms 时电机的转速下降不是很多,使切换时电流冲击较小。切换完成后,已停车的变频器切换到另外的水泵上起动并运行。这些操作都是由PLC 控制自动完成。
    实际上,电机的传统起动方式也存在一定的电流冲击。电机直接起动时,起动电流是额定电流的5耀7 倍,小功率的电机经常采用直接起动方式,但电机功率较大时,常用星—三角或自耦减压起动器。自耦减压起动器起动电机时,首先加60%的电压,属恒频调压调速,数秒钟或数十秒钟后(根据电机的容量而定),电机加速到60%电压时的速度,这时将60%的电压切除,电机立即连接到100%(380 V)电源上。切除60%电压时,电机的速度较变频器投到工频时电机的速度要低,残余电势相对低一些,又因投切是在瞬间完成的,电流冲击可能性较大,故为保证切换成功,回路上的空气开关容量一般都选得比较大。循环投切时,电机从变频切换至工频,只要切换的延时足够,电机由变频切换到工频时的电流冲击就不大。一般残余电势的衰减时间为1耀2 s,切换延时也不是越长越好,延时短,残余电压高,速度降落少;延时长,残余电势低,但速度降落大。选择延时需二者兼顾,以求得最小的冲击电流。如果要使切换过程无电流冲击,需采用同步切换方式,加入一些控制手段和控制元件就可实现,但应考虑经济上是否合算。
    4 循环投切对变频器和电机的影响
    将电机从变频状态切换到工频状态时,变频器内的功率器件立即关闭,电机的电流不能跳变,功率器件旁的并联二极管提供了续流通路,残余电压经二极管整流器和中间环节电容流通,而转子电阻消耗能量,电机的定子也能消耗部分能量,因此,残余电压的衰减比较快,这样,虽然在切换时仍有一定的残余电压,但对变频器影响已经很小,对电机寿命也无多大的影响。自耦减压起动器切换时,电机内定子的残余电压无通路流通,只有转子回路是闭合回路,也就是只有转子电阻消耗能量,所以残余电压的衰减比较慢。这样,切换时,因残余电压存在而形成的冲击电流较大,对电机有一定的影响,在做电机设计时应充分考虑这些因素。
    5.1 人机界面监控内容
    人机界面监控的内容有管网压力,流量,泵的运行状态,变频器频率、故障状况等。

    5.2 原理框图
    采用循环投切方式的原理框图如图4 所示,为保证系统的可靠性,人机触摸屏用于管理,通过组态软件做出若干工艺流程图,实时显示系统的运行状况,并统计历史数据,如需要可随时打印报表;
    还用于故障的报警和处理。触摸屏采用台达DOP-B07S200,PLC 为欧姆龙CP1E-N30 PLC,在自动状态下由PLC自动控制水泵的切换和运行。水压的给定值由变频器键盘设定。<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /> <?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

    6 结语
    多泵变频恒压供水系统常用的方案各有优劣,采用循环投切方案的系统较多,在水泵电机从变频状态切换到工频状态时,只要严格遵循“先变频器自由停车,延时后再切换”的操作程序,就既可保证变频器的安全运行,又无“水锤”现象发生。

    点击次数:  发布日期:2012-07-26  【打印此页】  【关闭
    
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