變頻器多泵疊壓給水設(shè)備恒壓供水應(yīng)用及電機(jī)切換問(wèn)題
變頻器多泵疊壓給水設(shè)備恒壓供水應(yīng)用及電機(jī)切換問(wèn)題
1 引言
在變頻技術(shù)應(yīng)用還未廣泛的時(shí)期,區(qū)域疊壓給水設(shè)備供水系統(tǒng)都是經(jīng)由市政管網(wǎng)經(jīng)過(guò)二次加壓和高位水塔儲(chǔ)水池來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)供水壓力的要求。日常供水控制通常采用水泵恒速運(yùn)行加上調(diào)整出口閥開(kāi)度的方式調(diào)節(jié)供水的水量水壓。而由水泵的揚(yáng)程特性圖及管阻特性圖可知這種靠調(diào)節(jié)輸出閥門(mén)來(lái)進(jìn)行恒壓供水的方式使得大量能量消耗在出口閥門(mén)而造成浪費(fèi),而且存在水池的二次污染問(wèn)題。
2 疊壓給水設(shè)備恒壓供水原理
2.1 供水原理
變頻技術(shù)通過(guò)調(diào)速節(jié)約了在改變閥門(mén)開(kāi)度上造成的能量浪費(fèi),并且由于取消水塔而從原理上解決二次污染問(wèn)題。閥門(mén)控制法的本質(zhì)是水泵本身的供水能力不變,通過(guò)改變水路中的管阻大小來(lái)改變流量,以適應(yīng)用戶(hù)對(duì)流量的需求。而轉(zhuǎn)速特性是在閥門(mén)開(kāi)度不變的情況下,通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到用戶(hù)要求的水量。我們知道流量與揚(yáng)程的乘積近似為供水功率,如圖1水泵的揚(yáng)程特性及管阻特性圖所示,假定現(xiàn)在用戶(hù)用水量穩(wěn)定在E點(diǎn),我們可以看到在閥門(mén)開(kāi)度不變的情況下單純調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速所需要的供水功率(面積OECD)小于轉(zhuǎn)速不變而單純調(diào)節(jié)閥門(mén)所需的供水功率(面積ABOE),所以說(shuō)變頻技術(shù)節(jié)約了能量,并且解決了二次污染問(wèn)題。(如圖1所示,面積ABCD即為節(jié)約的能量)。
現(xiàn)有的變頻水泵疊壓給水設(shè)備恒壓供水方式基于PID控制原理,簡(jiǎn)單概括就是:維持管路供水壓力的恒定。當(dāng)用戶(hù)用水量加大時(shí),管路壓力減小,變頻器轉(zhuǎn)速要提高以增加流量補(bǔ)充壓力。反之,用戶(hù)用水量減小時(shí),管路壓力增大,變頻器轉(zhuǎn)速要降低,使流量適當(dāng)降低以使壓力恒定。
2.2 多泵供水
疊壓給水設(shè)備多泵供水是較常見(jiàn)的變頻供水方案。多泵建筑供水系統(tǒng)普遍采用變頻器循環(huán)控制方式。多泵控制思路是一拖多工變頻結(jié)合復(fù)合式變流量變頻供水。在小流量用水時(shí)工況，變頻器帶一臺(tái)水泵運(yùn)行,隨用水量的變化,調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)恒壓供水；當(dāng)用水量增大,變頻器達(dá)到50HZ時(shí),變頻器發(fā)出指令,使該變頻泵切換到工頻,同時(shí)使變頻器帶動(dòng)下一臺(tái)水泵變頻軟啟動(dòng)運(yùn)行。隨用水流量增大,以后各臺(tái)水泵的軟啟動(dòng)依次類(lèi)推。當(dāng)用水量減小時(shí),先停轉(zhuǎn)為工頻運(yùn)行的那臺(tái)水泵。系統(tǒng)主電路如圖1所示。有一點(diǎn)需要說(shuō)明,由于水泵在工頻運(yùn)行時(shí),變頻器不可能對(duì)電機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù),所以 須接入熱繼電器FR,用于工頻運(yùn)行時(shí)的過(guò)載保護(hù)。
我們以臺(tái)達(dá)變頻器VFD-F系列為例,其輸入,輸出端子外部接線(xiàn)見(jiàn)圖2,RA1至RA8為多功能繼電器輸出端子,其中RA3至RA8為選件RY00所提供。為便于理解，把圖1控制電路圖進(jìn)行簡(jiǎn)化,簡(jiǎn)化后的圖省略了斷路器,熱繼電器。在這之前我們要先注意到由于在變頻器的輸出端是不允許與電源相連接的,因此接觸器KM1和KM2 不允許同時(shí)接通,相互之間 須有非?？煽康臋C(jī)械互鎖。經(jīng)驗(yàn)表明,KM1和KM2采用有機(jī)械互鎖的接觸器是工程推薦的機(jī)電復(fù)合可靠性設(shè)計(jì)。同時(shí),電機(jī)側(cè)由KM1切離到KM2閉合之間的延遲時(shí)間也是 必須的,這可通過(guò)調(diào)節(jié)F系列變頻器11-04的時(shí)間參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)在根據(jù)圖2所示簡(jiǎn)略描述工變頻切換過(guò)程。假定現(xiàn)在用戶(hù)用水流量加大,管道中的壓力減小,1號(hào)變頻泵達(dá)到11-06所設(shè)定的50HZ后仍未滿(mǎn)足壓力要求,此時(shí)需要加泵以補(bǔ)充管網(wǎng)壓力,KM1要等到11-05參數(shù)所設(shè)定的延遲時(shí)間后當(dāng)面板顯示Pu-cH幾個(gè)字母后(變頻器 停止輸出以后)斷開(kāi),然后KM2要經(jīng)過(guò)11-04所設(shè)置的延遲時(shí)間后閉合,同時(shí)KM3閉合。
當(dāng)用戶(hù)用水量繼續(xù)加大,管道中的壓力再一次下降,需要再次加泵以補(bǔ)充管網(wǎng)壓力,頻率達(dá)到11-06所設(shè)定的參數(shù)50HZ后仍未滿(mǎn)足壓力要求,KM3要經(jīng)過(guò)11-05所設(shè)置的延遲時(shí)間后,當(dāng)面板顯示Pu-cH幾個(gè)字母后斷開(kāi),然后KM4要經(jīng)過(guò)11-04所設(shè)置的延遲時(shí)間后閉合,同時(shí)KM5閉合。
當(dāng)用戶(hù)用水量減小時(shí),管道中的壓力回升,需要減工頻泵,本著先起先停的原則,1號(hào)水泵先啟動(dòng)所以一號(hào)水泵先停,KM2斷開(kāi)。如果用水量進(jìn)一步減小,再接著停2號(hào)水泵,KM4斷開(kāi)。此時(shí)只有3號(hào)水泵在變頻運(yùn)行,如果用水量再次減小(比如說(shuō)深夜無(wú)人或很少人用水的情況下)，輸出頻率減小,當(dāng)變頻器檢測(cè)輸出頻率到參數(shù)11-08(休眠頻率)所設(shè)定的值后經(jīng)過(guò)參數(shù)11-07的延遲時(shí)間,開(kāi)始進(jìn)入休眠狀態(tài)。為了防止在短時(shí)間內(nèi)水泵時(shí)起時(shí)停的“振蕩”現(xiàn)象,需要設(shè)置一個(gè)確認(rèn)時(shí)間T,如果低于下限頻率的時(shí)間小于T,變頻器可以不必理會(huì)；只有當(dāng)超過(guò)下限頻率的時(shí)間較長(zhǎng),大于確認(rèn)時(shí)間T的時(shí)候,變頻泵才會(huì)休眠。這也就是參數(shù)11-07延遲時(shí)間的意義。
當(dāng)夜間過(guò)去后,白天到來(lái)用水量開(kāi)始增大,此時(shí)間變頻器從休眠狀態(tài)喚醒(3號(hào)泵開(kāi)始喚醒,喚醒頻率11-09),當(dāng)用水量繼續(xù)增大,3號(hào)泵切為工頻,1號(hào)泵切為變頻,用水量再加大,2號(hào)泵切為變頻,3號(hào)泵切為工頻。以下不再詳述。整個(gè)反復(fù)循環(huán)的過(guò)程可以參見(jiàn)(表1)。我們看到參數(shù)11-02較大設(shè)定值為4,也就是說(shuō)至多可以帶四臺(tái)水泵,4臺(tái)水泵的循環(huán)過(guò)程也用表列了出來(lái),可以參見(jiàn)(表2)。
3 疊壓給水設(shè)備多泵變頻供水的電機(jī)切換
3.1 大電流沖擊問(wèn)題
變頻泵循環(huán)運(yùn)行方式優(yōu)點(diǎn)很多,但是實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻較復(fù)雜,關(guān)鍵問(wèn)題是變頻器輸出切換問(wèn)題。在非同步控制下,即變頻器的頻率和相位與共頻電源的頻率和相位不一致時(shí),將水泵電動(dòng)機(jī)從變頻器供電切換到工頻電網(wǎng)供電,將可能遇到很大的電流沖擊。
如圖2所示,以第（1）臺(tái)電機(jī)為例在KM1斷開(kāi)以后,定子繞組是開(kāi)路的,不可能有勵(lì)磁電流。而轉(zhuǎn)子繞組是自成回路的,其電流有一個(gè)逐漸衰減的過(guò)程,它將產(chǎn)生一個(gè)逐漸衰減的直流磁場(chǎng),而定子三相繞組將和此旋轉(zhuǎn)的直流磁場(chǎng)相互切割,從而產(chǎn)生出相應(yīng)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),即電動(dòng)機(jī)在切斷電源以后,存在著一個(gè)處于非同步發(fā)電狀態(tài)的電磁過(guò)渡過(guò)程。非同步發(fā)電狀態(tài)不同于電動(dòng)機(jī)的再生發(fā)電狀態(tài),電動(dòng)機(jī)的再生發(fā)電狀態(tài)是指定子繞組 須和電源相接,以得到勵(lì)磁電流。而此處所述情況是電機(jī)已經(jīng)脫離電源。
一般來(lái)說(shuō)我們?cè)诠こ虒?shí)踐應(yīng)用中,總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)是在水泵脫離變頻器后,等待一段時(shí)間(參數(shù)11-04),待電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)降下來(lái)以后再接到工頻電源。如果不等待切換,即KM2在閉合的瞬間,即在電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)比較高時(shí)切換,會(huì)發(fā)生兩種情況,①電源電壓恰好與電動(dòng)機(jī)定子繞組的電動(dòng)勢(shì)同相(因?yàn)檗D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速在不斷下降,所以反電動(dòng)勢(shì)的周期略大于工頻電壓的周期),此時(shí)切換無(wú)附加的沖擊電流。②若電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)與工頻電壓的相位差正好為180度,則情況較糟糕,一般的異步電動(dòng)機(jī)將流過(guò)額定電流10倍左右的電流,對(duì)供電電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的電流沖擊。
疊壓給水設(shè)備概述
中贏系列一種新型變頻疊壓給水設(shè)備。分為箱式無(wú)負(fù)壓變頻設(shè)備和罐式變頻無(wú)負(fù)壓設(shè)備。系統(tǒng)串接在市政自來(lái)水管網(wǎng)壓力不足的地方，通過(guò)傳感器檢測(cè)出口壓力并與設(shè)定值進(jìn)行比較，運(yùn)算出需要增加的壓力值，確定水泵投入運(yùn)行臺(tái)數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速。該設(shè)備較大限度地利用了市政自來(lái)水管網(wǎng)的原有壓力，對(duì)市政管網(wǎng)不產(chǎn)生負(fù)壓，用不銹鋼水箱或無(wú)負(fù)壓罐取代老式水池，減少了用水二次污染。是供水領(lǐng)域新一代節(jié)能型產(chǎn)品。
疊壓給水設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)：
1、設(shè)備全密封運(yùn)行，不與空氣接觸，水接觸過(guò)流部分均為食品級(jí)不銹鋼材質(zhì)，避免二次污染，保證飲用水的良好水質(zhì)；
2、 較先進(jìn)的水利模型，獨(dú)特加工制作工藝和外表面處理，提高系統(tǒng)使用效率和使用壽命；
3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，安裝與維護(hù)快捷方便，同時(shí)節(jié)省設(shè)備占地面積，節(jié)省大量土建投資；
4、充分利用管網(wǎng)壓力，疊加增壓，節(jié)省電能，密閉管道運(yùn)行，避免跑，冒，滴，滲，漏等水資源流失；
5、通過(guò)自主研發(fā)的控制模塊進(jìn)行智能化控制，提高系統(tǒng)使用的穩(wěn)定性，同時(shí)可以選配遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊輕松通過(guò)新號(hào)傳輸?shù)?，一時(shí)間掌握系統(tǒng)運(yùn)行情況。
疊壓給水設(shè)備產(chǎn)品特點(diǎn)
（1）高效節(jié)能：充分利用市政水源本身具有的壓力熱能，差多少補(bǔ)多少，切實(shí)有效地、較大限度地發(fā)揮了變頻調(diào)速的節(jié)能效果。
（2）潔凈衛(wèi)生：構(gòu)成連續(xù)密閉的增壓供水方式， 保持了市政水源的國(guó)家水質(zhì)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，從根本上避免了增壓系統(tǒng)造成的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)降低和各種水源污染問(wèn)題。
（3）避免浪費(fèi)：不僅淘汰了高位水箱，還取消了地面（地下）水池水箱，避免了水箱溢流，定期清洗造成的水源浪費(fèi)。
（4）運(yùn)行噪聲低：系列產(chǎn)品采用全變頻調(diào)整方案時(shí)，大部分時(shí)間特別在夜間處于低噪聲運(yùn)行工況。
（5）設(shè)計(jì)了全密閉的、兼有緩沖作用和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償作用的水源箱罐，與目前市場(chǎng)所謂無(wú)負(fù)壓罐相比，更具有實(shí)際意義，并使控制系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化。
（6）該系列產(chǎn)品控制系統(tǒng)充分總結(jié)了本及國(guó)內(nèi)外變頻變頻給水設(shè)備設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，采用規(guī)范通用的控制系統(tǒng)技術(shù)方案，可換用任意廠商的變頻器、調(diào)節(jié)器、PLC和其他元器件，調(diào)試維修特別方便，為產(chǎn)品的終身售后服務(wù)奠定了良好基礎(chǔ)，不會(huì)因技術(shù)進(jìn)步而導(dǎo)致售后服務(wù)問(wèn)題。
（7）該系列產(chǎn)品控制系統(tǒng)具有較高智能性，設(shè)計(jì)中充分考慮了機(jī)、電、儀協(xié)調(diào)配合，具有欲速則不達(dá)的檢測(cè)監(jiān)視和簡(jiǎn)單方便的人機(jī)交互功能。具有全面的故障保護(hù)功能和對(duì)策，變頻器故障保護(hù)時(shí)，自動(dòng)降級(jí)運(yùn)行（成為工頻自動(dòng)供水設(shè)備廠），自動(dòng)系統(tǒng)故障時(shí)，還可手動(dòng)操作應(yīng)急備用，贏得維修時(shí)間。
（8）可按要求選配各種通訊接口、協(xié)議，從而可連接各種人機(jī)界面、監(jiān)控計(jì)算機(jī)，可與各種控制網(wǎng)絡(luò)，通信網(wǎng)絡(luò)相接，適用于復(fù)雜的運(yùn)行控制和聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控要求?？蔀橛脩?hù)開(kāi)發(fā)配套監(jiān)控軟件。
疊壓給水設(shè)備應(yīng)用范圍
◆新建住宅小區(qū)或樓宇等生活用水。
◆已建有水池、水箱的供水方式為了改善水質(zhì)污染的 改造。
◆工礦企業(yè)的生產(chǎn)、生活用水。
◆城鎮(zhèn)供水系統(tǒng)長(zhǎng)距離供水中間加壓站，區(qū)域供水管網(wǎng)加壓站，高位地域集中供水加壓站。
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