固態(tài)軟起動(dòng)器在大型變頻恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用
內(nèi)容摘要：
本文分析了常用的一拖多變頻恒壓供水系統(tǒng)中存在的二個(gè)問(wèn)題，加泵時(shí)變頻器切換存在很大沖擊電流，減泵時(shí)則存在很大水流沖擊。在大功率水泵系統(tǒng)中必須解決這二個(gè)問(wèn)題。本文分析了解決問(wèn)題的二種方案：變頻器同步切換的方案及變頻器和固態(tài)軟起動(dòng)器聯(lián)合應(yīng)用的方案，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，作者認(rèn)為在大功率變頻恒壓供水系統(tǒng)中宜采用變頻器和固態(tài)軟起動(dòng)器相結(jié)合的方案。
There are two problems in common pressure regulation water supply system with one inverter to drive multiple motors: 1.when another pump is needed put into operation, there is a current surge while switchover the inverter; 2. When a pump is needed to turnoff, there is a water surge. It is very important to improve these two shortages in the large power water supply system. The paper present two improve schemes: 1. To adopt synchronous switchover the inverter when a pump is needed to turn on or to turn off; 2. To adopt solid state soft starters cooperate with inverter. After comparing these two schemes in the view of technology and cost, the paper recommend the second scheme.
關(guān)鍵詞：中壓變頻器，固態(tài)軟起動(dòng)器，恒壓供水系統(tǒng)，同步切換，鎖相技術(shù)
Medium Voltage Inverter, Solid State Soft Starter, Pressure Regulation Water Supply System, Synchronously Switchover, phase lock.
1．概述
早在1994年作者研制出了用一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)水泵的變頻恒壓供水裝置，例如圖1示出了用一臺(tái)變頻器控3臺(tái)水泵的變頻恒壓供水系統(tǒng)。并先后在《1995年中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)年會(huì)》和《上海電器技術(shù)》上發(fā)表。此后這種系統(tǒng)在中國(guó)獲得推廣和發(fā)展，例如把該圖中的PID調(diào)節(jié)器和控制切換用的PLC等都組合在變頻器中成為專(zhuān)用的恒壓供水變頻器。
但是這種變頻恒壓供水系統(tǒng)在需要加泵和減泵時(shí)存在二個(gè)問(wèn)題：
（1）加泵時(shí)，先將變頻器供電的泵從變頻器斷開(kāi)，將該泵直接接到電網(wǎng)上，然后用變頻器再去起動(dòng)下一臺(tái)水泵。例如變頻器經(jīng)過(guò)接觸器KB4對(duì)電動(dòng)機(jī)M1供電，需要加泵時(shí)，變頻器輸出必定已達(dá)到電動(dòng)機(jī)的額定電壓和額定頻率，這時(shí)需要將電動(dòng)機(jī)從變頻器切換到電網(wǎng)上。由于通常變頻器中并不具備同步切換能力，只是將KB4斷開(kāi)，然后將聯(lián)到電網(wǎng)去的接觸器KB1接通。此時(shí)在斷開(kāi)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)中存在感應(yīng)電勢(shì)，它的幅值、相位和頻率都與電網(wǎng)電壓的不同，所以當(dāng)KB1接通時(shí)產(chǎn)生很大的沖擊電流，有時(shí)甚至?xí)入妱?dòng)機(jī)直接起動(dòng)電流還大，只不過(guò)沖擊電流的持續(xù)時(shí)間很短。
（2）減泵時(shí)，變頻器輸出已到最低頻率和電壓，這時(shí)把直接接在電網(wǎng)上的另一臺(tái)電機(jī)從電網(wǎng)斷開(kāi)，然后變頻器在壓力調(diào)節(jié)器的作用下，重又把它控制的電機(jī)速度調(diào)到所需流量相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速。設(shè)若一臺(tái)水泵的額定輸出流量為Qrat，需要減泵的情況是發(fā)生在從Qrat+δQrat到Qrat-δQrat的過(guò)渡，其中Qrat為一臺(tái)工頻泵提供的流量，δQrat為變頻泵提供的流量（δ=0~1），在減泵時(shí)，δ是接近0的分?jǐn)?shù)，如果突然切除一臺(tái)工頻泵，系統(tǒng)的流量突然減少Q(mào)rat，帶來(lái)的流量變化是十分巨大。因此這種系統(tǒng)在減泵時(shí)的流量波動(dòng)很大。
在電機(jī)功率不大，并且又是低壓的情況下，上述二個(gè)問(wèn)題不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。但在大功率電機(jī)以及高電壓的情況下，就必須采取措施予以解決。通常有二種解決方案：（1）變頻器采用同步切換；（2）采用固態(tài)軟起動(dòng)器控制非變頻運(yùn)行的電機(jī)。
2． 變頻器采用同步切換的方案
圖2是變頻控制的電機(jī)采用同步切換的主電路電氣原理圖。每一臺(tái)電動(dòng)機(jī)要配二臺(tái)開(kāi)關(guān)K1和K2（中壓電機(jī)可用真空接觸器或真空斷路器），一臺(tái)開(kāi)關(guān)K2接至變頻器，另一臺(tái)開(kāi)關(guān)K1接至電網(wǎng)。假設(shè)電動(dòng)機(jī)M是由變頻器
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控制（K2閉合K1斷開(kāi)），當(dāng)變頻器已輸出額定電壓使電動(dòng)機(jī)工作額定轉(zhuǎn)速附近時(shí)，這時(shí)若要將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為工頻電網(wǎng)供電運(yùn)行，鎖相控制電路就會(huì)參與控制，它比較采樣電路輸入的工頻電網(wǎng)電壓和變頻器輸出的電壓波形的相位差，通過(guò)鎖相控制電路去控制變頻器的輸出電壓頻率和相位，使之與工頻電網(wǎng)相一致。此時(shí)控制電路便發(fā)出指令使K1合閘，然后斷開(kāi)K2，完成切換，電機(jī)轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)行。同樣，如要將工頻運(yùn)行的泵轉(zhuǎn)為變頻控制，先要通過(guò)鎖相控制電路使變頻器輸出電壓的幅值、頻率和相位與電網(wǎng)工頻電壓一致，然后合上K2開(kāi)關(guān)，再斷開(kāi)K1開(kāi)關(guān)，則電機(jī)轉(zhuǎn)入變頻運(yùn)行。
鎖相控制電路是一個(gè)相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，它由鑒相器（PD—Phase Detector）、環(huán)路濾波器（LF—Leap Filter）和壓控振蕩器（VCO—Voltage Control Ocsilator）？組成，如圖3所示。鑒相器是一個(gè)相位比較裝置，用來(lái)檢測(cè)輸入信號(hào)電壓Vi（t）的相位θi（t）與反饋信號(hào)電壓Vo（t）的相位θo（t）之間的相位差θer（t），其輸出信號(hào)θd（t）是相位差θer（t）的函數(shù)。
鑒相器電路通常有二類(lèi)，一類(lèi)是模擬電路，采用乘法器構(gòu)成，另一類(lèi)是數(shù)字電路，它的輸出電壓是輸入電壓和反饋電壓過(guò)零點(diǎn)之間的時(shí)間差的函數(shù)。圖4就是常用的一種數(shù)字式鑒頻鑒相集成電路——異或門(mén)電路的原理圖、波形和輸入輸出特性。
壓控振蕩器是一個(gè)電壓——頻率變換裝置，它的輸出電壓Vo（t）、振蕩頻率Wo（t）應(yīng)當(dāng)隨輸入控制電壓Vc（t）成線性變化，即
式中 是壓控振蕩器的瞬時(shí)角頻率； 是控制靈敏度（rad/s.V）。
研究圖3所示鎖相控制閉環(huán)系統(tǒng)，由于鑒相器和壓控振蕩器的傳遞函數(shù)是固定的，要改善該閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能，就必須加入校正單元，這就是環(huán)路濾波器的作用。環(huán)路濾波器是一個(gè)低通濾波器，通?？捎玫挠蠷C濾波器、無(wú)源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器等。選擇它的參數(shù)可以校正系統(tǒng)的穩(wěn)定性、跟蹤性能和其他動(dòng)態(tài)特性。
要保證同步切換的可靠性，除了要有性能完善工作可靠的鎖相控制電路外，主電路方面還要在變頻器輸出端附加串聯(lián)一個(gè)電抗器，以防鎖相環(huán)控制誤差產(chǎn)生過(guò)大過(guò)快的電流沖擊。
3．采用Benshaw公司帶轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的固態(tài)軟起動(dòng)器與變頻器結(jié)合的方案
我們也可以對(duì)圖1所示系統(tǒng)中，不采用變頻器同步切換到另外的水泵電動(dòng)機(jī)，而是將變頻器固定控制一臺(tái)水泵電動(dòng)機(jī)，在需要加減泵時(shí)，用固態(tài)軟起動(dòng)器來(lái)起動(dòng)或停止另外的水泵電動(dòng)機(jī)，如圖5所示。
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在該系統(tǒng)中，由變頻器控制M0水泵電機(jī)，變頻器中的壓力調(diào)節(jié)器根據(jù)壓力反饋與給定壓力的誤差來(lái)調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓和頻率，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和水量。當(dāng)需要加泵時(shí)，例如這時(shí)需要增加第2臺(tái)水泵，就由軟起動(dòng)器SS1起動(dòng)M1電動(dòng)機(jī)，隨著M1水泵輸出流量的增加，壓力調(diào)節(jié)器會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)M0水泵的轉(zhuǎn)速，使壓力保持在規(guī)定值。當(dāng)M1電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，旁路真空接觸器CK12合閘，將電動(dòng)機(jī)直接接到電網(wǎng)上，這時(shí)M0水泵由變頻器驅(qū)動(dòng)，也穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速。因此在這個(gè)過(guò)程中，既沒(méi)有大的電流沖擊，也沒(méi)有大的流量波動(dòng)。
當(dāng)需要減泵時(shí)，例如這時(shí)需要將工頻運(yùn)行的M1水泵切除掉，軟起動(dòng)器SS1便會(huì)投入運(yùn)行，其可控硅處于全導(dǎo)通的狀態(tài)，斷開(kāi)旁路真空接觸器，然后軟起動(dòng)器（美國(guó)Benshaw公司的MVRSM系列智能化軟起動(dòng)器）在TruTorque轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制軟件的控制下，使水泵按水泵的機(jī)械特性曲線減速，直到停止（采用這種轉(zhuǎn)矩控制方法，不會(huì)發(fā)生水錘現(xiàn)象）。在M1水泵減速過(guò)程中，壓力調(diào)節(jié)器也會(huì)根據(jù)水系統(tǒng)壓力的變化，調(diào)節(jié)M0水泵的速度，使之升速以保持水壓恒定。因此在這個(gè)過(guò)程中，也沒(méi)有大的流量波動(dòng)。
4．二種方法的比較
前面對(duì)一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的恒壓供水系統(tǒng)提出了二種改進(jìn)方案，一是采用變頻器同步切換方法，另一是采用Benshaw公司帶轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的固態(tài)軟起動(dòng)器與變頻器結(jié)合的方案，下面對(duì)二種改進(jìn)方案進(jìn)行比較如下表：
|
指標(biāo)名稱(chēng) |
同步切換方案 |
加Benshaw固態(tài)軟起動(dòng)器方案 |
|
切換和調(diào)節(jié)時(shí)間 |
長(zhǎng)達(dá)180秒以上 |
快，但與軟起動(dòng)器設(shè)定起動(dòng)時(shí)間有關(guān) |
|
流量波動(dòng) |
大 |
小 |
|
切換可靠性 |
稍差 |
非?？煽?/DIV> |
|
3臺(tái)6KV 800KW水泵系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成 |
1臺(tái)中壓進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜；1臺(tái)美國(guó)Robicon公司帶同步切換的中壓變頻器；3臺(tái)帶微機(jī)保護(hù)的雙FC回路中壓開(kāi)關(guān)柜 |
1臺(tái)中壓進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜；1臺(tái)美國(guó)Robicon公司的中壓變頻器；2臺(tái)美國(guó)Benshaw公司中壓帶旁路真空接觸器的中壓軟起動(dòng)器；1臺(tái)雙FC回路進(jìn)線開(kāi)關(guān)柜 |
|
價(jià)格 |
約269萬(wàn)元 |
約284萬(wàn)元 |
二種方案在經(jīng)濟(jì)方面相差不多，但采用固態(tài)軟起動(dòng)器的方案比采用同步切換的方案在技術(shù)性能上要優(yōu)越得多。因此作者主張?jiān)诖蠊β屎銐汗┧到y(tǒng)中推廣采用變頻器和固態(tài)軟起動(dòng)器相結(jié)合的方案。
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