摘要: 分析了目前常用的单台变频器控制多台泵切换恒压供水系统控制方式的局限性及安全隐患问题，并提出改良措施.推荐了较为合理的变频器主调、软启动器后备的恒压供水控制系统方案，为改进和完善恒压供水系统控制技术提供有益的参考.
关键词: 变频器；软启动器；切换；恒压；水泵
Application of the constant pressure water supply control system by the main adjustment
of converters and the stand- by power of the soft starter
DAI Lu- ying，LI Hai-hong（Nanchang Municipal Hydraulic Planning and Design Institute of Jiangxi Province，Nanchang 330009，China）
Abstract: The limitations and the hidden danger of the constant pressure water supply control way of single converter control and multi- pump switching now are analyze in this paper. The improving measures is presented. The reasonable constant pressure water supply control system plan by the main adjustment of converters and the stand- by power of soft starters is recommanded in order to improve the control technology.
Key words: Converter；soft starter；Switching；Constant pressure；Pump
在过去的泵站电气设计中，我们常常采用“单台变频器控制多台泵切换的控制系统”，以减少投资为目的。但是，由于这种控制系统存在明显的缺陷，因而已逐渐被“变频主调、软启动后备多台泵切换的控制系统”所替代。本文根据多项恒压供水控制系统设计的实践和经验，对“单台变频器控制多台泵切换恒压供水系统控制方式”的局限性及安全隐患问题进行了分析，并提出措施。由此推出“变频器主调、软启动器后备的恒压供水控制系统”方案，分析论证其特点及优势，希望能对恒压供水系统控制技术提供有益的参考。
1 单台变频器控制多泵切换控制系统
1.1 系统概述
随着变频控制技术的发展，利用变频器控制，实现恒压供水已成为城市供水的一种趋势。由于变频器价格偏高的原因，目前较广泛运用单台变频器控制多泵切换的恒压供水系统，简称变频1 控X（X 为水泵台数）的控制方案（如图1），其循环运行过程：首先以1M泵在变频控制的情况下开始，当供水需求增大时，1M泵到达额定频率，水压不足时，切换至工频，变频控制2M泵；当2M泵到达额定频率，水压依旧不足时，切换至工频，变频控制3M泵；反之，当供水需求减少时，则先从1M泵，然后2M泵依次退出工作，一次泵循环启动、停止过程完成。
1.2 系统局限性及安全隐患
由于变频器兼作多台泵的启动器，在变频器输出接触器与工频输出接触器之间必然有一个切换过程，而通过整流、逆变的变频输出与工频输出在频率、幅值以及相位存在着一定的差异，所以目前在变频器输出与工频输出之间切换一般均采用异步切换的方式。以图1中1M泵为例，在切换过程中必须是先断开变频接触器1KM2，才可合上工频接触器1KM1。可见，在异步切换中存在着一个变频甩负荷，电机失电的暂态过程，而这个暂态过程不可避免的给变频器和电机带来一定的不利影响。根据图1、图2 我们进行分析如下。
1.2.1 切换对变频器的影响
由于IGBT 技术的普及，目前常用的变频器均为交—直—交型变换（图2）。当接触器1KM2 闭合，变频器正常带1M泵工作时，逆变功率元件V1～V6 的电流通过电动机绕组导通，利用绕组的感性滤波作用，有效地抑制电流变化率，同时电压降也主要消耗在电机绕组上，对变频器的功率元件无不利影响；当1KM2 断开，异步切换发生瞬间，导通的V1～V6 中突然失去电流通路，产生极大的电流变化率，电荷大量聚集，使功率元件端电压升高、电流增大，有可能使功率元件击穿。即便目前采用的IGBT 功率元件击穿电压允许1 200 V，集电极最大饱和电流可超过1 500 A，但长期使用将会影响其使用寿命。
同时，由于功率元件V1～V6 瞬时失去电流通路，需通过与它们并联续流二极管VD7～VD12 续流。而大的续流电流除了会对续流二极管造成损害外，还会使直流母线电压UD 升高，使滤波电容CF1、CF2 承受较大的充电电流，对其造成一定的损害。由此可见，异步切换过程对变频器内部各种主要元器件都会造成不同程度的损伤。从生产的角度要求对于恒压供水系统，保证压力的恒定是其最终的目的，而每天的用水负荷又是经常变化的，因此变频、工频的切换也是频繁的，这种长期作用势必大大缩短变频器的使用寿命。
1.2.2 切换对电机的影响
在发生异步切换时，首先1KM2 断开，此时的情况是定子开路，定子旋转磁场消失；而转子在惯性动能的作用下，继续旋转，在转子电流衰减为零之前，旋转的转子磁场在定子绕组中感生出感应电动势，其大小与转子电流有关，随着转子电流的衰减而消失。而转子的动能则消耗在负载转矩上，尔后1KM1 合上。在这一切换过程中，若转子仍有剩余动能将会反送到工频电网，它以减小电机的启动电流形式出现。这正是目前变频器兼作启动器的理论依据。而事实上，由于定子磁场能量以反电势的形式出现，一旦提供放电通路，将会产生很大的瞬时电流，不放电则形成很大的反电势，导致1KM1 合上后产生巨大的冲击电流，最大可达额定电流的10 倍以上。转子动能减小的启动电流与之相比微乎其微。
在电动机带水泵负载时，切换发生瞬间，水泵在水压作用下迅速停车，产生巨大的“水锤”效应，在水泵受损害的同时，因高水压与定子反电势叠加，电动机也将承受10 倍额定电流以上的冲击电流，常常使工频断路器1QF～3QF 跳闸，导致切换失败，甚至引起电动机损坏。由于上述系统设计的局限性，切换失败的情况在工程实践中经常发生。
1.3 系统的改良措施
由上分析可知，造成设备损伤、启动失败的主要是由瞬间停电引起的变频器电流通路丧失、定子反电势增高以及水泵的“水锤”效应所引发的。以1M泵为例，改良措施如下：
（1）切换前先关断变频器，即在变频器的输出接触器1KM2 断开之前，先断开变频器的启停控制端子，从而停止变频器的逆变输出，消除功率元件的大电流、电压的冲击。可考虑关断变频器后延时0.5 s，断开变频器输出继电器。而目前在一些单变频控制多泵循环恒压供水控制系统电气设计中，常常采用变频器的输出接触器的辅助接点来控制变频器的关断，这样简单化的控制导致输出接触器与变频器几乎同时切断，显然是不合理的。
（2）变频器输出继电器1KM2 断开后，经1～2 s 延时再合上工频接触器1KM1。前面已叙述电动势是由旋转的转子磁场建立，随着转子电流的衰减而消失。而转子电流经转子电阻会很快衰减，大约1～2 s。此时反电动势为零，而转子动能若损失较小，减小启动电流的效果明显，转矩冲击也较小，基本能顺利切换至工频运行；
（3）减轻切换时的电机负载，主要是指在切换前要求先关闭水泵的出口电动阀，切换完成后再打开出口电动阀，在恒压供水系统控制设计中一定要将电机和相应的出口阀作为一个整体统一考虑。这样既可以消除泵类负载的“水锤”效应，同时可减少转子动能的损失，以减小启动电流。
2 变频主调、软启动后备多泵切换控制系统的应用
由于变频器作启动器，发生异步切换时，瞬间停电是不可避免的。而这个停电过程对变频器、电机及水泵始终是有影响的，所以即使采用了改良措施，但长期运行仍将降低电控设备的绝缘水平，缩短电机的使用寿命。从控制角度来看，采用单台变频作为几台泵的启动设备，风险过于集中，考虑电机和变压器容量关系，一旦变频故障，电机无法直接启动，几台泵全部瘫痪，严重影响生产运行。如何能使系统在正常运行时保证恒压供水，实现同步切换；而在变频故障时，又至少能保证生产供水，是恒压供水控制系统电气设计的一个关键技术问题。随着软启动技术的普及，软启动器的价格相对整个系统的投资又不高，故在恒压供水控制系统中，增加一台软启动器就能很好的解决系统中存在的问题。
2.1 软启动器
软启动器主要由3 组晶闸管桥构成。每组晶闸管桥由2 只晶闸管反并联而成，并分别与交流电源的三相电源的各相并联。通过改变晶闸管的触发角，使电机三相电源电压平稳的增加，频率保持不变。电压通过加速积分或电流极限参数或两个参数共同控制。有效的限制启动冲击电流，增大启动力矩。启动结束后，软启动器晶闸管桥完全导通，工频电压全部加载在电机负载上。同时，在软启动结束后，软启动器提供一个内部继电器无源接点，表示启动完成。
2.2 软启动器系统的运行过程
根据软启动器的工作原理，我们将变频1 控X 的控制方案进行改进后形成变频—软启动1 控X 方案（见图1），改进后的系统增加了一台软启动器和其出线端的接触器（见图3）。其运行过程：首先通过转换开关任意选择3 台泵中的一台泵作为变频调节；当供水需求增大时，1M泵到达额定频率，水压不足时，2M泵通过软启动器启动，启动结束后，切换至工频，软启动器退出工作，变频仍控制1M泵；2M泵投入工频后，1M泵到达额定频率，水压依旧不足时，3M泵通过软启动器启动，启动结束后，切换至工频，软启动器退出工作，变频仍控制1M泵；反之，当供水需求减少时，则先从3M泵，然后2M泵依次退出工作，一次泵循环启动、停止过程完成。
由次可见，在整个泵循环启、停的过程中变频器始终固定控制其中1 台泵，软启动控制另2 台泵。变频与工频之间的已没有切换关系。
2.3 软启动的切换过程
以2M泵为例，通过合上接触器2KM3，软启动器投入工作，启动完成后，此时软启动器的内部电路效果完全等同于开关元件，可利用软启动器内部启动完成接点接通工频接触2KM1，而后再断开2KM3，将软启动器退出工作，可供其它泵启动时再次投入。可见软启动切换过程瞬间，软启动接触器与工频接触器同时接通，属于同步切换。
因此，改进后的变频器主调、软启动后备系统，变频器与工频之间不存在着异步切换的过程。软启动器与工频之间是一个同步切换的过程，切换过程中电机不会瞬间停电，电机端电压无任何扰动，与电机正常运行时相同，同时软启动器结构特点和工作特性保证了启动完成后的同步切换不会对软启动器设备本身带来任何不良影响。但是从确保供水可靠性的角度来看，当变频器检修或故障时，通过这台软启动器还可用来完成变频控制的3 台泵的启动，有效的保障系统供水，提高系统抗风险的能力，提高可靠性。工频柜主要是为了软启动完成后切换到工频后，使软启动时处于待命状态，为下一台泵启动作准备。采用上述配置后，通过PLC 系统可实现随压力设定值变化的自动恒压供水及多泵轮值。
3 结语
通过实践和运行分析可知，变频器主调、软启动后备控制系统在避免单变频系统切换固有缺陷的同时，当变频器发生故障时又提供了一种后备启动运行方式，使电气控制设备及供水生产设备在安全可靠性、控制灵活性等方面都得到了提高。恒压供水系统控制方案技术可靠、经济合理，具有广阔的使用前景。
参考文献:
[1] 崔福义，彭永臻.给水排水工程仪表与控制［M］.北京：中国建筑工业出版社，2004.11.
[2] 北京ABB 电气传动系统有限公司.ACS800 变频器标准应用［S］.2002.7.
