兩臺水泵變頻調速恒壓供水電路的應用

周進兵

1 變頻調速恒壓供水的目的和意義

近年來我國城市集中用水量急劇增加。以變頻器為主體構成的恒壓供水系統克服了采用單純手動控制系統進行控制帶來的控制不方便、控制系統對供水管網中壓力和水位變化反應遲鈍的問題。變頻調速恒壓供水是通過改變水泵電機的供電頻率,調節水泵轉速,通過儀表檢測出供水壓力并加以控制,保證在用水量變化時供水量也隨之變化,實現供水量與用水量的匹配,保護供水的壓力恒定即恒壓供水。降低能源消耗和資源浪費,延長系統壽命、節約能源,也提高整個系統的效率。

2 生活給水設備的形式

生活給水設備分為非匹配式和匹配式兩種形式。變頻調速恒壓供水就屬于一種匹配式的供水方式,它是通過改變水泵電機的供電頻率,調節水泵轉速,通過儀表檢測出供水壓力并加以控制,保證在用水量變化時供水量也隨之變化,實現供水量與用水量的匹配,保護供水的壓力恒定即恒壓供水。

3 兩臺泵變頻調速恒壓供水電路的構成和原理

采用兩臺水泵,一臺是由變頻器VVVF供電的變速泵M1,另外一臺是由普通交流電壓供電的定速泵M2。水泵供水控制系統原理如圖1,圖2所示,圖1為主電路;圖2為控制電路,由水位信號控制回路、水泵電動機M1,M2控制回路組成。圖中KGS為恒壓供水控制器。當系統用水量較小時只用變頻器供電的M1,當變頻器供電的頻率達到最大時,表明一臺水泵已不能滿足系統用水要求,此時需要啟動M2,由M1與M2同時工作。當系統用水量減小到使變頻器的輸出頻率低于某一設定值時,此時控制系統就將M2停運,只使用M1。這時又回到原先的狀態,如此循環往復,以滿足系統用水的需要。

4 變頻器的選擇

4.1 變頻器容量的選擇

4.1.1 變頻器容量選擇的步驟

1)了解負載性質和變化規律,計算出負載電流的大小或做出負載電流圖I=f(t)。2)預選變頻器容量及其他。3)校驗預選變頻器。

4.1.2 基于不用電動機負載電流下變頻器容量的選擇

一般地說,變頻器的容量有三種表示方法:額定電流、適配電動機的額定功率和額定視在功率。不管是哪一種表示方法,都是對變頻器額定電流的選擇,應結合實際情況根據電動機有可能向變頻器吸收的電流來決定。

4.1.3 根據電動機負載電流的情況來選擇變頻器的容量

1)一臺變頻器只供一臺電動機使用。在計算出負載電流后,還應考慮這些因素:用變頻器供電時電動機電流的脈動相對工頻供電時要大些;電動機的起動要求是由低頻低壓起動還是額定電壓額定頻率直接起動;變頻器使用說明書中的相關數據是用生產廠家的標準電機測試出來的,要注意按常規設計生產的電機在性能上可能有差異,故計算變頻器的容量時要留適當余量。2)周期性變化負載連續運行時變頻器容量的計算。變頻器的容量可在最大負載與最小負載之間適當選擇,以便變頻器得到充分利用而又不到過載。首先作出電動機負載電流圖n=Φ(t)及 I=f(t),然后求出平均負載電流 Iav,再預選變頻器的容量,關于 Iav的計算采用公式:Iav=(I1t1+I2t2+…+Ijtj+…)÷(t1+t2+…+tj+…),考慮到過渡過程中,電動機從變頻器吸收的電流要比穩定運行時大,而上述Iav沒有反映過渡過程中的情況。因此,變頻器的容量按 IFN≥(1.1～1.2)Iav修正后預選(Ij為第j段運行狀態下的平均電流,tj為第j段運行狀態下對應的時間),若過渡過程在整個工作過程中占較大比重,則系數1.1～1.2選偏大的值。

4.2 變頻器起動加速能力的校驗

在電動機起動加速的過程中電動機不僅要負擔穩速運行的負載轉矩,還要負擔加速轉矩,變頻器的允許電流與過程時間成反時限關系。如果電動機起動加速時,其電流小于變頻器的過載能力,則預選容量通過,如果電動機起動(加速)時,其電流已達到變頻器的過載能力,而要求的加速時間又與變頻器過載能力規定的時限發生沖突,這時,變頻器的容量應在預選容量的基礎上增容。

5 控制線路的工作過程

5.1 用水量較小時M1工作

合上自動開關 QF1,QF2,將轉換開關SA轉至“自動”擋,其觸頭 3—4,5—6閉合,恒壓供水KGS和時間繼電器KT1同時通電,經預定的時間延時后,KT1延時閉合的動合觸頭閉合,接通105—107點,使接觸器KM1線圈得電,KM1的主觸頭動作閉合,使M1啟動運轉,恒壓供水。水壓信號經水壓變送器送到KGS,由KGS控制VVVF的輸出頻率,達到控制水泵轉速。當系統用水量增大時,水壓欲下降,KGS使VVVF的輸出頻率提高,水泵加速運轉,以實現需水量與供水量的匹配。當系統用水量少時,水壓欲上升,KGS使VVVF的輸出頻率降低,水泵減速運轉。

5.2 M1故障狀態

當M1在工作過程中出現故障時,VVVF中的電接點ARM閉合,接通5—7點,使中間繼電器KA2線圈通電吸合并自鎖,1—9點接通,警鈴HA響,同時時間繼電器KT3通電,經過預定的時間延時后,KT3的動合觸頭延時閉合,接通211—207點,使接觸器KM2線圈得電,KM2的主觸頭動作閉合,M2啟動運轉。

5.3 用水量大時M1和M2同時運行

當M1啟動后,隨著用水量增加,VVVF的輸出頻率增大,水泵不斷加速運轉,當變頻器供電的頻率達到最大,仍無法滿足用水量要求時,KGS使2號泵控制回路中的211號與217號線接通,使時間繼電器KT2線圈得電,經預定時間延時后,KT2的動合觸點(即219—215點)延時閉合,使時間繼電器KT4得電,KT4延時斷開的常開觸頭瞬時閉合,接通211—207點,于是接觸器KM2線圈得電動作,其主觸頭閉合,M2啟動運轉,以滿足系統用水量大增的需要。

5.4 用水量減小M2停轉

當系統用水量減小到使變頻器的輸出頻率低于某一設定值時,KGS使2號泵控制回路中的211號與217號線斷開,時間繼電器KT2線圈失電釋放,隨后KT4線圈也失電,KT4斷電延時的常開觸頭延時斷開,即211—207點斷開,使KM2線圈失電,其主觸頭斷開,M2停止運轉,使供水量與用水量匹配。

6 結語

本文結合實際中可能遇到的幾種情況,總結了在不同電動機負載電流下變頻器容量的選擇方法,從而為變頻器容量的合理選擇提供了一些有益的參考。

[1] JGJ 16-2008,民用建筑電氣設計規范[S].

[2] 陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京:機械工業出版社,2000.

[3] 宋序彤.我國城市供水發展有關問題分析[J].城鎮供水,2001(2):22-26.

[4] 高新陵,宋曉平.變頻調速恒壓供水系統研制[J].河海大學學報,2001,29(1):115-118.

[5] 陳 虹,史旺旺,唐鴻儒,等.中小型水廠自動化技術的實現方法[J].給水排水,2001,27(11):86-90.