一臺變頻器對多臺電動泵的循環(huán)切換

1 引言
在過去幾年中，許多工廠常用一臺變頻器切換控制多臺電動泵的方案。多臺電動泵并網(wǎng)供水，在用水量小時，由變頻器給電動泵供電(圖1中，觸頭1、2、閉合)，根據(jù)用水量大小調(diào)頻、送水;當用水量增加，變頻泵已達到額定轉(zhuǎn)速后，將第一臺電動泵切換到工頻，變頻器對第二臺電動泵供電(圖1中觸頭3、1、4、閉合)。這樣，隨著用水量不同，一臺工頻泵與一臺變頻泵并網(wǎng)供水。進一步可用多臺容量不同的工頻泵及變頻泵不同轉(zhuǎn)速來適應水量變化并保持網(wǎng)壓。

這種方案意味著只要一臺變頻器，既對泵作變頻調(diào)速，又可作電動機軟起動器限流啟動的作用。但運行經(jīng)驗告訴我們，這種方案雖然看起來似乎節(jié)省了初次投資，但實際上有許多問題，影響安全運行，不能保證網(wǎng)管水壓，降低運行效率。不但不能達到節(jié)電節(jié)能的目的，而且會損壞設備。下面將對這些問題進行討論。

2 損害變頻器、電動機及切換電器
嚴重的情況產(chǎn)生在電動機由變頻供電向工頻供電切換時，一般是由變頻器先封鎖功率開關管，再人工斷開變頻器的電動機供電開關。此時斷開電流不大，但變頻器突然卸載，過大的di/dt會損傷功率開關管或減少其壽命，對電動機突然失電的沖擊大小與負載有關，水泵及壓縮機等停車過猛沖擊將影響電機及機械電子部件壽命，特別對新型電機，大容量電機等設計余量較小的電機，損害較大[1]。

當將該已斷電的電動機接入工頻時，強大的沖擊電流將嚴重損害開關及電動機，該電流分二部分:第一部分為電磁瞬態(tài)電流，此時電機已完全斷開，但轉(zhuǎn)子電流還會保持一定時間，它產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的速度(即轉(zhuǎn)子速度)及幅值要逐漸衰減，它在定子中感應的電勢也逐步降頻降幅，如果合閘瞬間感應電勢與電源電壓正好反相，其沖擊電流巨大;第二部分為穩(wěn)態(tài)電流，就是電動機合閘的直接起動電流，它決定于電動機轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速愈低，電流愈大。這兩部分電流沖擊對電機及泵產(chǎn)生機械損害。大量“一拖幾”運行的開關及電機的損壞證實了這一點。

圖1 一臺變頻器循環(huán)切換兩臺電動泵

當電動機由工頻向變頻器切換時，開關斷開的是電動機滿載電流，其沖擊大小也與負載有關，但合閘時沖擊不大。因為變頻器有捕捉起動功能，它先以很小的電壓u由高頻向低頻掃，當變頻器頻率與電動機滑行的速度相對應時，再逐步升高電壓及頻率，再次起動電動機，由于變頻器以較低電壓在較小電流下使變頻器與電動機同步起來，因而同時減少了電磁瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)電流。

3 變頻泵與工頻泵并網(wǎng)的運行效率
常見的配置中各泵的容量是相等的。泵的型號、特性也完全相同，在此情況下并網(wǎng)分兩類。

3.1 h/q特性較平坦且不加控制閥門的泵
由于網(wǎng)管中壓力是統(tǒng)一的，所以將降低轉(zhuǎn)速的變頻泵與工頻泵并在一個網(wǎng)上，變頻泵由于壓力低，很難送出水去。如圖2中同一虛線網(wǎng)壓hn時變頻泵可以送不出水或只送出很少水。眾所周知，變頻泵壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比。

圖2 具平坦特性泵的并網(wǎng)

因此變頻器調(diào)頻為90%，其壓力就降為81%，按圖2的特性，已無法送水出去，即使壓力降到90%(調(diào)頻為95%)以上，也只能送很少水，此時變頻泵的效率很低。

3.2 h(q)特性較陡的泵，或泵經(jīng)控制閥門連到網(wǎng)管
對于較陡的泵特性，并網(wǎng)工作時調(diào)頻泵的可調(diào)頻范圍要寬些，在同樣的流量調(diào)節(jié)時常其運行效率較特性平坦的泵為高，因為在較低速時，泵的高效區(qū)向小流量偏移。由圖3(b)可見，較低轉(zhuǎn)速n3的最大效率ηmax點向左移[2]。

圖2 具平坦特性泵的并網(wǎng)


圖4 特性較陡的泵并網(wǎng)

圖4中，設一臺工頻泵與調(diào)頻泵并網(wǎng)均在50hz，hn點1工作時，總流量為2倍qn，如果將調(diào)頻泵轉(zhuǎn)速降為n2時，則h1總流量為q2+qn<2qn，壓力恒定水量減少;但當調(diào)頻泵工作在n≤n3時，則在恒壓hn條件下調(diào)頻泵將無法供水。降低水壓到h2=hn'，變頻泵才可以出水，總流量為q3+qn(點3、2)。不過此時網(wǎng)管水壓已不能恒定，且工頻泵已過載，兩泵都工作在低效率工作區(qū)(泵的最高效率點在額定工作點及其相似的工況點，能耗增加。

對于特性平坦的泵，如果泵經(jīng)控制閥連到網(wǎng)管上，則網(wǎng)管壓力與泵流量的關系就不平坦了。如圖5中代表網(wǎng)管壓力與泵流量的關系，圖中原平坦的泵口特性h1，經(jīng)閥門降壓后變?yōu)閔2，代表管網(wǎng)壓力特性h2(q)就變陡了(圖5中管阻特性中，設靜揚程為零)。這樣原來的泵特性平坦，通過關小閥門控制使特性變陡，調(diào)頻泵的可調(diào)速范圍變大，但閥門上的能量損失將更大。圖5中，h1特性到h2特性間的壓力損失與相應流量的乘積，即損失在閥門上的能耗。

圖5 閥門使網(wǎng)口特性變陡

綜上所述，“一拖幾”控制方案有損于變頻器、電動機、切換電器以及浪費能源等缺點，但不少地方已用了“一拖幾”該怎么辦？

4 已有“一拖幾”方案如何用好
(1) 減少接觸器觸點的故障
如第1節(jié)所述，主要的開關故障產(chǎn)生在變頻供電向工頻供電的合閘過程，為了減少電磁瞬態(tài)及穩(wěn)態(tài)電流，可以將變頻泵升到50hz以上，再在降低給定頻率過程中斷開變頻器對電動機供電。(當給定頻率低于電動機對應轉(zhuǎn)速時,電動機由電動狀態(tài)向發(fā)電狀態(tài)過渡,經(jīng)過零有功電流時，電流最小，此時斷開接觸器,其觸點負擔最輕)，斷電后的電動機滑行一段時間，讓電機內(nèi)磁通衰減得小一些(最好為零，但那樣電機轉(zhuǎn)速可能過低)，然后再合上工頻電源，使電磁瞬態(tài)電流盡可能減少;同時，由于電動機的速度還低于50hz不多，合閘后轉(zhuǎn)差率小，穩(wěn)態(tài)的電流也不大，(如在50hz合閘，理論上穩(wěn)態(tài)電流為電機空載電流)。這樣可最大限度減少接觸器的觸點損耗。

(2) h(q)特性平坦、特性相同的工頻泵與變頻泵并網(wǎng)
如網(wǎng)管要求恒壓力控制，則變頻泵只能在50hz附近運行，否則就很難供水，其節(jié)能效果就不大。

(3) h(q)特性較平坦，泵壓相同的泵
如變頻泵容量較工頻泵大，在網(wǎng)管恒壓供水情況下，變頻泵有比圖2中曲線2稍大的調(diào)速范圍，在此范圍內(nèi)變頻泵可以供水，但供水量愈小，變頻泵效率愈低。

(4) h(q)特性比較陡的泵
對于h(q)特性比較陡的泵，變頻泵的調(diào)速范圍可以較大，特別是在不要求恒定網(wǎng)管壓力時。(圖4中n3，工作在hn′時)。

5 并網(wǎng)供水較為合理的泵配置
(1) 為了減少開關切換，增加接觸器的壽命，最好是變頻器固定在一臺泵上使用。
(2) 工頻泵配置壓力相同但流量不同的多臺泵，其中最小流量的工頻泵對應網(wǎng)管最小的負荷，基本固定在網(wǎng)管上，其他不同容量的工頻泵在較長期負荷變化時選擇相應容量的泵并網(wǎng)。
(3) 對于頻繁變化的供水量變化，由變頻器調(diào)頻供給，以免頻繁切換工頻泵，為了增加變頻泵的可調(diào)供水量又使變頻泵工作在較高效率區(qū)，變頻泵的壓力應選得高于網(wǎng)管壓30%～50%[2]，其流量最好是幾臺泵中最大的，以增加調(diào)節(jié)范圍(見圖6)。

圖6 變頻泵＞工頻泵

(4) 用一臺軟起動進行循環(huán)的軟起動操作，因軟起動器的輸入與輸出均為50hz且同相位，故輸入輸出可以短接，沒有切換電流沖擊。

6 結(jié)束語
用一臺變頻器循環(huán)起動多臺電動機方案在由變頻器向工頻切換合閘時會引起電流及轉(zhuǎn)矩沖擊，對變頻器，電動機及切換電器均不利，改進操作方式如文中4(1)中所述，可減少運行沖擊，但難以避免。

相同特性的變頻泵與工頻泵并網(wǎng)，在原特性較平坦時，變頻泵很難降頻供水，如工頻泵原來已人為加上閥門特性變陡后并網(wǎng)，雖然可以降頻減少送水，但網(wǎng)管不能穩(wěn)壓且變頻泵調(diào)速所節(jié)能不一定能補償閥門增加的損失。解決的方法是提高變頻泵的壓力及容量以增加可調(diào)節(jié)供水量，提高效率并保持管網(wǎng)恒壓。

最好不用“一拖幾”的供電方式，而代之以一個大容量、壓力較高的變頻泵和多臺壓力相同容量各異的工頻泵并網(wǎng)，由一臺軟起動器循環(huán)起動電動機，可靈活地在變供水情況下恒壓供水(如圖6)。

參考文獻
[1] 徐甫榮. 再論變頻器輸出切換控制[j]. 變頻器世界,2002(5).
[2] 嚴學高. 變頻器配置提高泵(風機)效率的分析探討[j]. 變頻器世界,2003(3).

作者簡介
嚴學高 現(xiàn)任南京康泰控制技術有限公司技術總監(jiān)，東南大學自控系教授。