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。对于多泵情况，可以采用两种不同的控制系统方案，一种是”顺序控制方案”，系统图如图1 所示。另一种是“循环投切”方案，系统图如图2 所示。

图1 中，BPI 是变频器;BU2耀BU4 是软起动器，PT是压力变送器。由图1 可见，变频器连接在第1台水泵电机上，需要加泵或减泵时，由变频器端口输出信号RO1~RO3 来起动或停止其他的水泵，这时水泵的起动采用自耦减压起动装置或软起动器。这种方案的特点是水泵电机不需要在变频和工频之间切换;第1 台水泵永远连接在变频器上，没有切换过程中的失压现象;由于变频泵以外的泵都有软起动器，所以不需要再做备用系统，当变频器故障时，可用软起动器手动起动水泵M2耀M4，以保证供水不致中断;每台电机都配有起动器，所以初始投资较大。

在图2 中，BP1 是变频器，BU1 是软启动器，PT是压力变送器，ZJ1、ZJ2用于控制系统的起动/停止和自动/手动转换。由图2可见，变频器连接在第1台水泵电机上，需要加泵时，变频器停止运行，并由变频器的输出端口RO1耀RO3 输出信号到PLC，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，必须设置一套备用系统，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，先关该台水泵电动阀，然后变频器停车(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，再打开电动阀;已停车的变频器切换到另外的水泵上起动并运行，再开电动阀。切除工频泵时，先关阀，后停车，这样无“水锤“现象产生。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 应用实例

四川遂宁市自来水二厂，供水能力6 万t/日，城市管网压力0.4 MPa，泵组为3 台160 kW，1 台90 kW水泵，要求恒压供水并采用计算机监控，变频器或控制系统故障可由软起动器手动起动各泵。

5.1 计算机监控内容

计算机监控原理如图3所示。监控的内容有管网压力，流量，泵的运行状态，阀启闭状态，电机温度，各泵运行的电流，电压，功率和功率因数，并监控水质参数，如余氯，浊

度，含铁量，PH值等。

5.2 原理框图

采用循环投切方式的原理框图如图4 所示，备用系统采用一软起动器和相关器件构成。为保证系统的可靠性，上位机PC 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。PC机为研华工业计算机，PLC 为西门子S-7300，便于与总控室计算机联网，采用带有Profibus接口的CPU315.CP5611 通信模块，PDM-820AC 电参数综合分析仪用于检测系统的用电量。水泵的起/停、切换及阀的启/闭;电机电流，温度的检测，水泵使用时间的统计;压力，流量，水质参数的采集等，均由PLC 完成。水压的给定值由变频器键盘设定。

图4 与前述的循环投切方案基本相同，BP1为160 kW 变频器，DZ1耀DZ6 为LG ABE403a 400 A空气开关，FU1 500A 及FU2 600 A 为快熔，KM1耀KM10为LG GMC-400交流接触器，PT选用的是森纳斯压力变送器，量程1 Mpa。系统调试时，水泵电机从变频状态切换到工频状态，延时从300 ms起，到500 ms时电流表显示也无明显的冲击，最后定为600 ms。软起动器设定为限流起动方式，设定为2.5倍。软起动器起动时，起动电流接近800 A，但在30 s内下降到额定电流以下，查600 A熔断器曲线，通过1 000 A 电流在60 s熔断，所以软起动器的熔断器定为600A。该系统已经投产两年，每日供水4-5万t，运行良好。据厂家统计，电耗/t减少20%。

6 结语

多泵变频恒压供水系统常用的两种方案各有优劣，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“先关阀，变频器自由停车，延时后再切换;停车时，先开机，后开阀”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。