一、引言 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器恒壓供水裝置，例如圖1示出了用1臺變頻器控制3臺水泵的變頻恒壓供水系統(tǒng)。此后這種系統(tǒng)在中國獲得推廣和發(fā)展，例如把該圖中的PID調(diào)節(jié)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(tǒng)在需要加泵和減泵時(shí)存在2個(gè)問題:1.1 加泵時(shí)會產(chǎn)生很大的電流沖擊 加泵時(shí)，先將變頻器供電的泵從變頻器斷開，將該泵直接接到電網(wǎng)上，然后用變頻器再去起動下一臺水泵。例如變頻器經(jīng)過接觸器KB4對電動機(jī)M1供電，需要加泵時(shí)，變頻器輸出必定已達(dá)到電動機(jī)的額定電壓和額定頻率，這時(shí)需要將電動機(jī)從變頻器切換到電網(wǎng)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(lián)到電網(wǎng)去的接觸器KB1接通。此時(shí)在斷開的旋轉(zhuǎn)電動機(jī)中存在感應(yīng)電勢，它的幅值、相位和頻率都與電網(wǎng)電壓的不同，所以當(dāng)KB1接通時(shí)產(chǎn)生很大的沖擊電流，有時(shí)甚至?xí)入妱訖C(jī)直接起動電流還大，只不過沖擊電流的持續(xù)時(shí)間很短。 減泵時(shí)，變頻器輸出已到最低頻率和電壓，這時(shí)把直接接在電網(wǎng)上的另一臺電機(jī)從電網(wǎng)斷開，然后變頻器在壓力調(diào)節(jié)器的作用下，重又把它控制的電機(jī)速度調(diào)到所需流量相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速。設(shè)若一臺水泵的額定輸出流量為Qrat，需要減泵的情況是發(fā)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(shí)，δ是接近0的分?jǐn)?shù)，如果突然切除一臺工頻泵，系統(tǒng)的流量突然減少Q(mào)rat，帶來的流量變化是十分巨大。因此這種系統(tǒng)在減泵時(shí)的流量波動很大。 在電機(jī)功率不大，并且又是低壓的情況下，上述2個(gè)問題不會影響到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。但在大功率電機(jī)以及高電壓的情況下，就必須采取措施予以解決。通常有2種解決方案:（1） 變頻器采用同步切換;（2） 采用固態(tài)軟起動器控制非變頻運(yùn)行的電機(jī)。 二、變頻器采用同步切換的方案 圖2是變頻控制的電機(jī)采用同步切換的主電路電氣原理圖。每一臺電動機(jī)要配二臺開關(guān)K1和K2（中壓電機(jī)可用真空接觸器或真空斷路器），一臺開關(guān)K2接至變頻器，另一臺開關(guān)K1接至電網(wǎng)。假設(shè)電動機(jī)M是由變頻器控制（K2閉合，K1斷開），當(dāng)變頻器已輸出額定電壓使電動機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速附近時(shí)，這時(shí)若要將電動機(jī)轉(zhuǎn)為工頻電網(wǎng)供電運(yùn)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(wǎng)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(wǎng)相一致。此時(shí)控制電路便發(fā)出指令使K1合閘，然后斷開K2，完成切換，電機(jī)轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)行。同樣，如要將工頻運(yùn)行的泵轉(zhuǎn)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(wǎng)工頻電壓一致，然后合上K2開關(guān)，再斷開K1開關(guān)，則電機(jī)轉(zhuǎn)入變頻運(yùn)行。 鎖相控制電路是一個(gè)相位負(fù)反饋控制系統(tǒng)，它由鑒相器（PD-Phase Detector）、環(huán)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(gè)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），其輸出信號是Vd（t）的相位θd（t），它是相位差θer（t）的函數(shù)。 鑒相器電路通常有2類，一類是模擬電路，采用乘法器構(gòu)成，另一類是數(shù)字電路，它的輸出電壓是輸入電壓和反饋電壓過零點(diǎn)之間的時(shí)間差的函數(shù)。圖4就是常用的一種數(shù)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(gè)電壓—頻率變換裝置，它的輸出電壓Vo（t）、振蕩頻率ωo（t）應(yīng)當(dāng)隨輸入控制電壓Vc（t）成線性變化，即: ωo（t）=ωo1+KVc（t） 式中:ωo（t）是壓控振蕩器的瞬時(shí)角頻率;K是控制靈敏度（rad/s.V）。 研究圖3所示鎖相控制閉環(huán)系統(tǒng)，由于鑒相器和壓控振蕩器的傳遞函數(shù)是固定的，要改善該閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，就必須加入校正單元，這就是環(huán)路濾波器的作用。環(huán)路濾波器是一個(gè)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(shù)可以校正系統(tǒng)的穩(wěn)定性、跟蹤性能和其他動態(tài)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(lián)一個(gè)電抗器，以防鎖相環(huán)控制誤差產(chǎn)生過大過快的電流沖擊。 三、采用Benshaw公司帶轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的固態(tài)軟起動器與變頻器結(jié)合的方案 我們也可以對圖1所示系統(tǒng)中，不采用變頻器同步切換到另外的水泵電動機(jī)，而是將變頻器固定控制一臺水泵電動機(jī)，在需要加減泵時(shí)，用固態(tài)軟起動器來起動或停止另外的水泵電動機(jī)，如圖5所示。 在該系統(tǒng)中，由變頻器控制M0水泵電機(jī)，變頻器中的壓力調(diào)節(jié)器根據(jù)壓力反饋與給定壓力的誤差來調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓和頻率，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速和水量。當(dāng)需要加泵時(shí)，例如這時(shí)需要增加第2臺水泵，就由軟起動器SS1起動M1電動機(jī)，隨著M1水泵輸出流量的增加，壓力調(diào)節(jié)器會自動調(diào)節(jié)M0水泵的轉(zhuǎn)速，使壓力保持在規(guī)定值。當(dāng)M1電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，旁路真空接觸器CK12合閘，將電動機(jī)直接接到電網(wǎng)上，這時(shí)M0水泵由變頻器驅(qū)動，也穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速。因此在這個(gè)過程中，既沒有大的電流沖擊，也沒有大的流量波動。 當(dāng)需要減泵時(shí)，例如這時(shí)需要將工頻運(yùn)行的M1水泵切除掉，軟起動器SS1便會投入運(yùn)行，其可控硅處于全導(dǎo)通的狀態(tài)，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(zhuǎn)矩閉環(huán)控制軟件的控制下，使水泵按水泵的機(jī)械特性曲線減速，直到停止（采用這種轉(zhuǎn)矩控制方法，不會發(fā)生水錘現(xiàn)象）。在M1水泵減速過程中，壓力調(diào)節(jié)器也會根據(jù)水系統(tǒng)壓力的變化，調(diào)節(jié)M0水泵的速度，使之升速以保持水壓恒定。因此在這個(gè)過程中，也沒有大的流量波動。 四、兩種方案的比較 前面對一臺變頻器驅(qū)動多臺電動機(jī)的恒壓供水系統(tǒng)提出了二種改進(jìn)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(zhuǎn)矩閉環(huán)的固態(tài)軟起動器與變頻器結(jié)合的方案，下面對兩種改進(jìn)方案進(jìn)行比較，如附表所示。 五、結(jié)束語 二種方案在經(jīng)濟(jì)方面相差不多，但采用固態(tài)軟起動器的方案比采用同步切換的方案在技術(shù)性能上要優(yōu)越得多。因此作者主張?jiān)诖蠊β屎銐汗┧到y(tǒng)中推廣采用變頻器和固態(tài)軟起動器相結(jié)合的方案。