固態軟起動器在大型變頻恒壓供水系統中的應用
內容摘要：
本文分析了常用的一拖多變頻恒壓供水系統中存在的二個問題，加泵時變頻器切換存在很大沖擊電流，減泵時則存在很大水流沖擊。在大功率水泵系統中必須解決這二個問題。本文分析了解決問題的二種方案：變頻器同步切換的方案及變頻器和固態軟起動器聯合應用的方案，通過技術經濟比較，作者認為在大功率變頻恒壓供水系統中宜采用變頻器和固態軟起動器相結合的方案。
There are two problems in common pressure regulation water supply system with one inverter to drive multiple motors: 1.when another pump is needed put into operation, there is a current surge while switchover the inverter; 2. When a pump is needed to turnoff, there is a water surge. It is very important to improve these two shortages in the large power water supply system. The paper present two improve schemes: 1. To adopt synchronous switchover the inverter when a pump is needed to turn on or to turn off; 2. To adopt solid state soft starters cooperate with inverter. After comparing these two schemes in the view of technology and cost, the paper recommend the second scheme.
關鍵詞：中壓變頻器，固態軟起動器，恒壓供水系統，同步切換，鎖相技術
Medium Voltage Inverter, Solid State Soft Starter, Pressure Regulation Water Supply System, Synchronously Switchover, phase lock.
1．概述
早在1994年作者研制出了用一臺變頻器控制多臺水泵的變頻恒壓供水裝置，例如圖1示出了用一臺變頻器控3臺水泵的變頻恒壓供水系統。并先后在《1995年中國自動化學會年會》和《上海電器技術》上發表。此后這種系統在中國獲得推廣和發展，例如把該圖中的PID調節器和控制切換用的PLC等都組合在變頻器中成為專用的恒壓供水變頻器。
但是這種變頻恒壓供水系統在需要加泵和減泵時存在二個問題：
（1）加泵時，先將變頻器供電的泵從變頻器斷開，將該泵直接接到電網上，然后用變頻器再去起動下一臺水泵。例如變頻器經過接觸器KB4對電動機M1供電，需要加泵時，變頻器輸出必定已達到電動機的額定電壓和額定頻率，這時需要將電動機從變頻器切換到電網上。由于通常變頻器中并不具備同步切換能力，只是將KB4斷開，然后將聯到電網去的接觸器KB1接通。此時在斷開的旋轉電動機中存在感應電勢，它的幅值、相位和頻率都與電網電壓的不同，所以當KB1接通時產生很大的沖擊電流，有時甚至會比電動機直接起動電流還大，只不過沖擊電流的持續時間很短。
（2）減泵時，變頻器輸出已到最低頻率和電壓，這時把直接接在電網上的另一臺電機從電網斷開，然后變頻器在壓力調節器的作用下，重又把它控制的電機速度調到所需流量相對應的轉速。設若一臺水泵的額定輸出流量為Qrat，需要減泵的情況是發生在從Qrat+δQrat到Qrat-δQrat的過渡，其中Qrat為一臺工頻泵提供的流量，δQrat為變頻泵提供的流量（δ=0~1），在減泵時，δ是接近0的分數，如果突然切除一臺工頻泵，系統的流量突然減少Qrat，帶來的流量變化是十分巨大。因此這種系統在減泵時的流量波動很大。
在電機功率不大，并且又是低壓的情況下，上述二個問題不會影響到整個系統的運行。但在大功率電機以及高電壓的情況下，就必須采取措施予以解決。通常有二種解決方案：（1）變頻器采用同步切換；（2）采用固態軟起動器控制非變頻運行的電機。
2． 變頻器采用同步切換的方案
圖2是變頻控制的電機采用同步切換的主電路電氣原理圖。每一臺電動機要配二臺開關K1和K2（中壓電機可用真空接觸器或真空斷路器），一臺開關K2接至變頻器，另一臺開關K1接至電網。假設電動機M是由變頻器
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控制（K2閉合K1斷開），當變頻器已輸出額定電壓使電動機工作額定轉速附近時，這時若要將電動機轉為工頻電網供電運行，鎖相控制電路就會參與控制，它比較采樣電路輸入的工頻電網電壓和變頻器輸出的電壓波形的相位差，通過鎖相控制電路去控制變頻器的輸出電壓頻率和相位，使之與工頻電網相一致。此時控制電路便發出指令使K1合閘，然后斷開K2，完成切換，電機轉入工頻運行。同樣，如要將工頻運行的泵轉為變頻控制，先要通過鎖相控制電路使變頻器輸出電壓的幅值、頻率和相位與電網工頻電壓一致，然后合上K2開關，再斷開K1開關，則電機轉入變頻運行。
鎖相控制電路是一個相位負反饋控制系統，它由鑒相器（PD—Phase Detector）、環路濾波器（LF—Leap Filter）和壓控振蕩器（VCO—Voltage Control Ocsilator）？組成，如圖3所示。鑒相器是一個相位比較裝置，用來檢測輸入信號電壓Vi（t）的相位θi（t）與反饋信號電壓Vo（t）的相位θo（t）之間的相位差θer（t），其輸出信號θd（t）是相位差θer（t）的函數。
鑒相器電路通常有二類，一類是模擬電路，采用乘法器構成，另一類是數字電路，它的輸出電壓是輸入電壓和反饋電壓過零點之間的時間差的函數。圖4就是常用的一種數字式鑒頻鑒相集成電路——異或門電路的原理圖、波形和輸入輸出特性。
壓控振蕩器是一個電壓——頻率變換裝置，它的輸出電壓Vo（t）、振蕩頻率Wo（t）應當隨輸入控制電壓Vc（t）成線性變化，即
式中 是壓控振蕩器的瞬時角頻率； 是控制靈敏度（rad/s.V）。
研究圖3所示鎖相控制閉環系統，由于鑒相器和壓控振蕩器的傳遞函數是固定的，要改善該閉環系統的穩定性和動態性能，就必須加入校正單元，這就是環路濾波器的作用。環路濾波器是一個低通濾波器，通常可用的有RC濾波器、無源比例積分濾波器和有源比例積分濾波器等。選擇它的參數可以校正系統的穩定性、跟蹤性能和其他動態特性。
要保證同步切換的可靠性，除了要有性能完善工作可靠的鎖相控制電路外，主電路方面還要在變頻器輸出端附加串聯一個電抗器，以防鎖相環控制誤差產生過大過快的電流沖擊。
3．采用Benshaw公司帶轉矩閉環的固態軟起動器與變頻器結合的方案
我們也可以對圖1所示系統中，不采用變頻器同步切換到另外的水泵電動機，而是將變頻器固定控制一臺水泵電動機，在需要加減泵時，用固態軟起動器來起動或停止另外的水泵電動機，如圖5所示。
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在該系統中，由變頻器控制M0水泵電機，變頻器中的壓力調節器根據壓力反饋與給定壓力的誤差來調節變頻器輸出電壓和頻率，從而調節電機轉速和水量。當需要加泵時，例如這時需要增加第2臺水泵，就由軟起動器SS1起動M1電動機，隨著M1水泵輸出流量的增加，壓力調節器會自動調節M0水泵的轉速，使壓力保持在規定值。當M1電機達到額定轉速時，旁路真空接觸器CK12合閘，將電動機直接接到電網上，這時M0水泵由變頻器驅動，也穩定在某一轉速。因此在這個過程中，既沒有大的電流沖擊，也沒有大的流量波動。
當需要減泵時，例如這時需要將工頻運行的M1水泵切除掉，軟起動器SS1便會投入運行，其可控硅處于全導通的狀態，斷開旁路真空接觸器，然后軟起動器（美國Benshaw公司的MVRSM系列智能化軟起動器）在TruTorque轉矩閉環控制軟件的控制下，使水泵按水泵的機械特性曲線減速，直到停止（采用這種轉矩控制方法，不會發生水錘現象）。在M1水泵減速過程中，壓力調節器也會根據水系統壓力的變化，調節M0水泵的速度，使之升速以保持水壓恒定。因此在這個過程中，也沒有大的流量波動。
4．二種方法的比較
前面對一臺變頻器驅動多臺電動機的恒壓供水系統提出了二種改進方案，一是采用變頻器同步切換方法，另一是采用Benshaw公司帶轉矩閉環的固態軟起動器與變頻器結合的方案，下面對二種改進方案進行比較如下表：
|
指標名稱 |
同步切換方案 |
加Benshaw固態軟起動器方案 |
|
切換和調節時間 |
長達180秒以上 |
快，但與軟起動器設定起動時間有關 |
|
流量波動 |
大 |
小 |
|
切換可靠性 |
稍差 |
非常可靠 |
|
3臺6KV 800KW水泵系統的設備構成 |
1臺中壓進線開關柜；1臺美國Robicon公司帶同步切換的中壓變頻器；3臺帶微機保護的雙FC回路中壓開關柜 |
1臺中壓進線開關柜；1臺美國Robicon公司的中壓變頻器；2臺美國Benshaw公司中壓帶旁路真空接觸器的中壓軟起動器；1臺雙FC回路進線開關柜 |
|
價格 |
約269萬元 |
約284萬元 |
二種方案在經濟方面相差不多，但采用固態軟起動器的方案比采用同步切換的方案在技術性能上要優越得多。因此作者主張在大功率恒壓供水系統中推廣采用變頻器和固態軟起動器相結合的方案。
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