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变频恒压供水资讯
固态软起动器在大型变频恒压供水系统中的应用
固态软起动器在大型变频恒压供水系统中的应用

时间:2013/12/22 21:58:01

  核心提示:1引言早在1994年作者研制出了用一台变频器控制多台水泵的变频器恒压供水装置,例如图1示出了用1台变频器控制3台水泵的变频恒压供水系统。此后这种系统在中国获得推广和发展,例如把该图中的pid调节器和控...

1 引言
早在1994年作者研制出了用一台变频器控制多台水泵的变频器恒压供水装置,例如图1示出了用1台变频器控制3台水泵的变频恒压供水系统。此后这种系统在中国获得推广和发展,例如把该图中的pid调节器和控制切换用的plc等都组合在变频器中成为专用的恒压供水变频器
但是这种变频恒压供水系统在需要加泵和减泵时存在2个问题:

1.1 加泵时会产生很大的电流冲击
加泵时,先将变频器供电的泵从变频器断开,将该泵直接接到电网上,然后用变频器再去起动下一台水泵。例如变频器经过接触器kb4对电动机m1供电,需要加泵时,变频器输出必定已达到电动机的额定电压和额定频率,这时需要将电动机从变频器切换到电网上。由于通常变频器中并不具备同步切换能力,只是将kb4断开,然后将联到电网去的接触器kb1接通。此时在断开的旋转电动机中存在感应电势,它的幅值、相位和频率都与电网电压的不同,所以当kb1接通时产生很大的冲击电流,有时甚至会比电动机直接起动电流还大,只不过冲击电流的持续时间很短。

1.2 减泵时流量波动大
减泵时,变频器输出已到最低频率和电压,这时把直接接在电网上的另一台电机从电网断开,然后变频器在压力调节器的作用下,重又把它控制的电机速度调到所需流量相对应的转速。设若一台水泵的额定输出流量为qrat,需要减泵的情况是发生在从qrat+δqrat到qrat-δqrat的过渡,其中qrat为一台工频泵提供的流量,δqrat为变频泵提供的流量(δ=0~1),在减泵时,δ是接近0的分数,如果突然切除一台工频泵,系统的流量突然减少qrat,带来的流量变化是十分巨大。因此这种系统在减泵时的流量波动很大。

固态软起动器在大型变频恒压供水系统中的应用
图1 使用一台变频器控制1-5台同容量水泵的恒压供水系统电气原理图



在电机功率不大,并且又是低压的情况下,上述2个问题不会影响到整个系统的运行。但在大功率电机以及高电压的情况下,就必须采取措施予以解决。通常有2种解决方案:
(1) 变频器采用同步切换;
(2) 采用固态软起动器控制非变频运行的电机。

2 变频器采用同步切换的方案

固态软起动器在大型变频恒压供水系统中的应用
图2 变频器同步切换主电路示意图


图2是变频控制的电机采用同步切换的主电路电气原理图。每一台电动机要配二台开关k1和k2(中压电机可用真空接触器或真空断路器),一台开关k2接至变频器,另一台开关k1接至电网。假设电动机m是由变频器控制(k2闭合,k1断开),当变频器已输出额定电压使电动机工作在额定转速附近时,这时若要将电动机转为工频电网供电运行,锁相控制电路就会参与控制,它比较采样电路输入的工频电网电压和变频器输出的电压波形的相位差,通过锁相控制电路去控制变频器的输出电压频率和相位,使之与工频电网相一致。此时控制电路便发出指令使k1合闸,然后断开k2,完成切换,电机转入工频运行。同样,如要将工频运行的泵转为变频控制,先要通过锁相控制电路使变频器输出电压的幅值、频率和相位与电网工频电压一致,然后合上k2开关,再断开k1开关,则电机转入变频运行。

锁相控制电路是一个相位负反馈控制系统,它由鉴相器(pd-phase detector)、环路滤波器(lf-leap filter)和压控振荡器(vco-voltage control ocsilator)组成,如图3所示。鉴相器是一个相位比较装置,用来检测输入信号电压vi(t)的相位θi(t)与反馈信号电压vo(t)的相位θo(t)之间的相位差θer(t),其输出信号是vd(t)的相位θd(t),它是相位差θer(t)的函数。

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图3 锁相控制电路示意图


鉴相器电路通常有2类,一类是模拟电路,采用乘法器构成,另一类是数字电路,它的输出电压是输入电压和反馈电压过零点之间的时间差的函数。图4就是常用的一种数字式鉴频鉴相集成电路—异或门电路的原理图、波形和输入输出特性。

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图4 数字式鉴频器鉴相集成电路图


压控振荡器是一个电压—频率变换装置,它的输出电压vo(t)、振荡频率ωo(t)应当随输入控制电压vc(t)成线性变化,即: ωo(t)=ωo1+kvc(t)
式中:ωo(t)是压控振荡器的瞬时角频率;k是控制灵敏度(rad/s.v)。

研究图3所示锁相控制闭环系统,由于鉴相器和压控振荡器的传递函数是固定的,要改善该闭环系统的稳定性和动态性能,就必须加入校正单元,这就是环路滤波器的作用。环路滤波器是一个低通滤波器,通常可用的有rc滤波器、无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器等。选择它的参数可以校正系统的稳定性、跟踪性能和其他动态特性。
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要保证同步切换的可靠性,除了要有性能完善工作可靠的锁相控制电路外,主电路方面还要在变频器输出端附加串联一个电抗器,以防锁相环控制误差产生过大过快的电流冲击。

3 采用benshaw公司带转矩闭环的固态软起动器与变频器结合的方案
我们也可以对图1所示系统中,不采用变频器同步切换到另外的水泵电动机,而是将变频器固定控制一台水泵电动机,在需要加减泵时,用固态软起动器来起动或停止另外的水泵电动机,如图5所示。

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图5 固态软起动器与变频器结合的方案简图


在该系统中,由变频器控制m0水泵电机,变频器中的压力调节器根据压力反馈与给定压力的误差来调节变频器输出电压和频率,从而调节电机转速和水量。当需要加泵时,例如这时需要增加第2台水泵,就由软起动器ss1起动m1电动机,随着m1水泵输出流量的增加,压力调节器会自动调节m0水泵的转速,使压力保持在规定值。当m1电机达到额定转速时,旁路真空接触器ck12合闸,将电动机直接接到电网上,这时m0水泵由变频器驱动,也稳定在某一转速。因此在这个过程中,既没有大的电流冲击,也没有大的流量波动。

当需要减泵时,例如这时需要将工频运行的m1水泵切除掉,软起动器ss1便会投入运行,其可控硅处于全导通的状态,断开旁路真空接触器,然后软起动器(美国benshaw公司的mvrsm系列智能化软起动器)在trutorque转矩闭环控制软件的控制下,使水泵按水泵的机械特性曲线减速,直到停止(采用这种转矩控制方法,不会发生水锤现象)。在m1水泵减速过程中,压力调节器也会根据水系统压力的变化,调节m0水泵的速度,使之升速以保持水压恒定。因此在这个过程中,也没有大的流量波动。

4 两种方案的比较
前面对一台变频器驱动多台电动机的恒压供水系统提出了二种改进方案,一是采用变频器同步切换方法,另一是采用benshaw公司带转矩闭环的固态软起动器与变频器结合的方案,下面对两种改进方案进行比较,如附表所示。

5 结束语
二种方案在经济方面相差不多,但采用固态软起动器的方案比采用同步切换的方案在技术性能上要优越得多。因此作者主张在大功率恒压供水系统中推广采用变频器和固态软起动器相结合的方案。

参考文献
[1] 厉无咎. 变频调速恒压供水系统[a]. 1995年中国自动化学会年会[c],上海电器技术,1995,(3).
[2] 厉无咎等. Design and implementation of a variable frequency pressure regulation system[c]. 第31届国际能源变换工程会议,1996.
[3] smart pump solid state controller[z]. 美国benshaw公司技术资料.
[4] 完美无谐波系列高压变频器用户手册[z]. 美国robicon公司.
[5] 张厥盛等. 锁相技术[m]. 西安:西安电子科技大学出版社,1994.

作者简介
厉无咎 1962年毕业于北京清华大学电机系,现任上海杰诣通用电器有限公司总经理。获科技成果奖多项,是最早享受国务院专家津贴的专家。著有论文四十余篇和“可控硅串级调速系统及其应用”、“风机水泵调速节能手册”等专著,以及参与编写“电力电子设备设计和应用手册”。

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