增壓泵變頻控制應用及技術改進

周勁松

（國華徐州發電有限公司，江蘇 徐州 221166）

1 變頻控制系統應用背景

某電廠2×1000MW機組燃料生產系統的水沖洗系統于2012年上半年投入使用，其沖洗水由含煤廢水處理系統的噴淋泵提供。因在45m煤倉層水沖洗時水壓較低，于2012年下半年在碎煤機轉運站安裝了1臺TPG100-250A立式單級單吸式管道離心泵(電機型號Y2-200L1-2，功率30kW，額定電流55.5A，轉速2950r/min)，使用后增壓效果明顯，出口壓力可達1MPa。由于沖洗用水量不恒定以及延遲停機，增壓泵始終維持高負荷運行狀態，造成電機發熱，對沖洗水管路產生較大壓力，易導致管路故障率增加和縮短泵體、電機使用壽命，同時也浪費了大量電能。為此，該電廠于2013年8月定購安裝了1套變頻控制系統。經過1個月的運行，發現該變頻控制系統存在若干問題，經技術改造，已全部得以解決。

2 變頻控制系統電氣控制原理

變頻控制系統是為30kW增壓泵配套的控制裝置，包括1臺西門子430系列37kW變頻器，2套壓力檢測傳感器和工、變頻切換主令器件，其輸入電源為三相交流380V。變頻控制系統主要功能為:變頻恒壓供水、工頻直接啟動運行、變頻故障時自動切到工頻運行、缺水報警等。從變頻控制系統主回路電路圖(見圖1)中可以看出，輸出壓力值由可調電位器R1(帶機械鎖定功能)給定，電機工頻和變頻驅動的主回路由交流接觸器KM1和KM2進行互鎖切換，變頻器規格選型為37kW，比30kW電機高出一個功率級，以保證負荷的使用余量。變頻器控制工藝應用為“泵和風扇”(見表1)，為保證啟動時運轉平穩和減小對管路的沖擊，參數“斜坡上升時間”設為10s，“斜坡下降時間”設為30s。

圖1 變頻控制系統主回路電氣原理

DV2為出口數字壓力表，該表可顯示管路輸出水的實際壓力值，同時為變頻器提供模擬量反饋信號。DV1為進口數字壓力表，該表可顯示管路輸入水的實際壓力值，同時提供缺水報警信號。數字壓力表型號為NPXM-2011P3智能數字顯示報警儀，采樣速度100ms/次，可設置報警點及線性輸入量程，隔離的變送輸出方式，輸出量程可設置。現場設定2臺數字壓力表的參數一致(見表2)，參數HIS和HIo初次設置為1.000，是根據一開始選用的壓力變送器的量程設置的。

表2 數字壓力表主要參數設置表

3 故障現象分析及處理

3.1 調試時壓力變送器損壞

設計時，電廠提出的要求是控制出口壓力在0.85MPa，廠家提供的壓力變送器的量程為0～1MPa，輸出4～20mA。安裝調試時，變頻器報故障，增壓泵自動切換到工頻運行，水壓超過1MPa，致使出口壓力變送器損壞。后廠家換壓力變頻器量程為0～1.6MPa，輸出4～20mA的壓力變送器，其工作額定電壓為24VDC，精度為0.5級,故障消除。由此可見，選用壓力變送器時，其壓力范圍要考慮工頻工況下的壓力最大值。2臺數字壓力表的參數HIS和HIo設置改為1.600，以保證與壓力變送器的量程一致(見表2)。

3.2 變頻器故障后水泵不能停止

在使用“自動”模式的過程中，在出現變頻器故障后，增壓泵自動切換到工頻運行，但此時在停止按鈕失效，需要將“手、自”轉換開關切換到“手動”位置，水泵電機才會停止。通過對圖紙分析發現，設計上存在錯誤。一旦變頻器報故障，變頻器輸出繼電器RC3動作，控制回路電源會通過RC3和故障輔助繼電器KB3觸點轉接至停止按鈕SB1之后（見圖2），所以此時的停止按鈕失去斷開控制回路的能力。在將RC3改為與KB3觸點并聯，切斷RC3與電源的回路(401)后，即可解決上述問題。

3.3 變頻器報“過電壓”、“過電流”故障

圖2 變頻控制系統控制回路電氣原理

增壓泵變頻器運行中經常報F0001—Overcurrent(過電流)、F0002—Overvoltage(過電壓)故障。通過現場反復檢查，分析出造成變頻器報“過電壓”和“過電流”故障的原因是運行人員快速調整給定電位器R1(可調電位器R1的機械鎖定可以隨意解鎖)。這會造成2種情況：一是調整定值過高(滿量程為1.6MPa)，變頻器全速運行也無法達到給定值，始終以大增益狀態運行，最終報“過電流”故障；二是快速調整導致定值快速降低，變頻器迅速降低輸出頻率，但由于增壓泵電動機慣性作用而不能立即降速，即會導致電動機處于再生運行方式，變頻器報“過電壓”故障。

根據上述故障是由于壓力定值未鎖定使得運行人員不易操作而造成的，因此只要將定值鎖定即可。首先將參數P2253[3]—CI:PID setpoint(PID給定值)設為P2253.0=2250(PID-MOP)，即PID設定值信號源為PID-MOP。參數中的[3]表示可設置3個命令數據組，由于現場僅使用第一命令數據組，因此只需對第一命令數據組進行設置，然后將P2240[3]—Setpoint of PID-MOP(PID-MOP的給定值)設為P2240.0=53.2%，即設計增壓泵出口0.85MPa，相對于1.6MPa量程的53.13%(見表 3)。

3.4 變頻器報“無負載”故障

變頻器運行中常報F0422—No load applied to inverter(變頻器無負載)故障。經分析，這是缺水引發的故障。設計電路中對于缺水故障信號是通過進水端壓力變送器提供的，設定值為0.1MPa，出現缺水時僅發出報警信號，而不控制停機。水系統的沖洗水由含煤廢水處理系統的噴淋泵提供，噴淋泵開機時，水系統壓力可達到0.5MPa。噴淋泵停機時，水系統壓力在0.2MPa左右，此時啟動變頻器，水壓下降，“缺水報警”指示燈亮而不停止變頻器運行。變頻器在此狀態下繼續運行，水出口壓力只能在0.4MPa及以下，變頻器無法增壓至設定值，即報“變頻器無負載”故障。且故障的同時，系統自動切換到工頻工況，增壓泵繼續運行，如不及時處理，在真正缺水時可能造成增壓泵過熱燒毀。

表3 變頻器給定值和PID調節量參數設置

針對“缺水故障”不停機問題，增加了一個缺水故障繼電器KB4(見圖2)，其線圈與“缺水報警”指示燈并聯，其常閉觸點串在停止按鈕之后。這樣，當系統缺水時，整個控制回路斷開，增壓泵停止工作。為便于判斷停機原因，還加入了KB4的常開觸點，實現“缺水故障”自保持，“缺水故障”報警可通過停止按鈕復位。同時，將進水端壓力變送器下限設定值改為0.3MPa，避免旁路閥門開啟后，回流水壓產生的虛假進水信號，防止在缺水狀態下持續運行。

3.5 PID調節量設定不當

由于增壓泵電機功率較大，而出水管徑相對較細(直徑100mm)，水壓波動劇烈，造成變頻器反應敏感，系統振蕩加劇，引起過電壓保護動作。這是因PID調節量設置不當引起的。為此降低了比例系數，延長了積分時間，使變頻器動作變化的靈敏度降低，減輕了系統振蕩的強度(見表3）。

3.6 現場信號干擾問題

為解決現場信號干擾問題，在初步調試階段增加了直流信號隔離器(PARAGON PA-1187)，當模擬信號受到高頻諧波干擾時對干擾信號進行處理，保證壓力傳感信號的正常。同時增加了1臺24V直流線性開關式電源，為隔離器和壓力變送器提供穩定的24V DC電源。改進后的信號回路如圖3所示。

圖3 信號回路電氣原理

4 改進效果與后續改進設想

4.1 改進后的效果

對變頻器采取上述改進措施后經過試驗，控制方式滿足了實際需要，變頻器運轉正常。

在工頻運行方式下，電流最大為35A(額定電流為55.5A)，在現場水需求量較少的情況下，電流維持在30A。而在變頻運行方式下，啟動電流從0平穩上升，滿負荷時電流為30～35A，在現場水需求量較少的情況時，變頻器頻率下降到20Hz以下，電流下降到10A以下，且運行平穩。

假設每天增壓泵低負荷狀態為6h，每天可節約電量約為60kWh。因增壓泵每天都要使用，每年可節約電量20000kWh，節能效果明顯。

4.2 后續改進設想

變頻器運行中目前尚存在溫度過高的問題(變頻器安全運行溫度≤50℃)，尤其在夏季，由于設備安裝在碎煤機轉運站的滾軸篩層，環境溫度和濕度高，對變頻器的安全影響較大。因此，應移位到環境溫度較低的底層MCC室內(要注意輸出電纜的長度應≤100m)，或配置有現場空調裝置的單獨房間中。

如果控制電路采用可編程邏輯控制器(PLC)和觸摸屏，控制電路會更簡單，改變控制方式將更為容易，且顯示數據更加完整。如入口、出口壓力信號的模擬量直接進入PLC，PLC與變頻器間可用數據線直接通訊連接，觸摸屏可以顯示工藝流程、變頻器的輸出頻率、工作電流、運行時間、整定值、入口壓力、出口壓力、故障名稱等，能進一步提高設備的整體控制性能。

1 王兆義.變頻器應用：專業技能入門與精通[M].北京：機械工業出版社，2010.