摘要:近年來,從各行業(yè)所使用的調(diào)速裝置的情況看,高壓大功率變頻器的應(yīng)用在不斷的深入到各種行業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)及設(shè)備上。高壓大功率變頻器一方面具有調(diào)速精度高、功率因數(shù)高等特點(diǎn),而且可以降低和減少機(jī)械設(shè)備的磨損和噪音,改善勞動(dòng)條件,滿足生產(chǎn)工藝的要求;另一方面,高壓大功率變頻器也是一種有效的節(jié)能降耗設(shè)備,能將因設(shè)計(jì)余量、節(jié)流損耗及用量變化等而浪費(fèi)的電能節(jié)省下來,為各行業(yè)的企業(yè)的發(fā)展帶來無限的生機(jī)。
關(guān)鍵詞:高壓大功率變頻器 “高—低—高”電流型變頻器 “水捶” 爆管 恒壓(變壓)供水 驅(qū)動(dòng)拖動(dòng)方式 PLC 觸摸屏 PID調(diào)節(jié)
一、 概述
城市供水系統(tǒng)是現(xiàn)代生活和生產(chǎn)過程中不可缺少的重要的公共設(shè)施之一,因其供水范圍大容量大,供水水泵的功率大,牽扯到的問題廣,故可直接影響到人們的工作和生活,提高供水系統(tǒng)的安全可靠性及供水質(zhì)量等也是個(gè)急需解決問題。
城市供水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間長,在使用過程中還存在著供水壓力不穩(wěn)、爆管故障及耗電量等等問題。據(jù)有關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì),供水系統(tǒng)能耗不僅給能源、城市建設(shè)及環(huán)境保護(hù)帶來巨大壓力,也給經(jīng)營的單位帶來較沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。既要保障供水系統(tǒng)的安全可靠性提高供水質(zhì)量,又能降低供水系統(tǒng)的能源消耗,迫使設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)的專家們不斷的改造舊系統(tǒng),開發(fā)使用現(xiàn)代化的可靠性高的能耗低的高科技新產(chǎn)品。
二、 傳統(tǒng)的城市供水系統(tǒng)狀況
城市供水系統(tǒng)通常由水廠(一般含取水泵、水處理系統(tǒng)、供水泵等)、增壓系統(tǒng)及其供水管網(wǎng)系統(tǒng)等組成。
城市供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其供水水泵的配置通常是按城市在一個(gè)時(shí)期的發(fā)展的最大供水量來考慮的,并由此配備帶有一定余量的水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī),對(duì)于較大規(guī)模的水廠通常是采用高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
城市供水系統(tǒng)實(shí)際使用過程中出現(xiàn)最大(高峰)供水負(fù)荷的時(shí)間較少,根據(jù)一些資料統(tǒng)計(jì),城市供水系統(tǒng)的水泵會(huì)經(jīng)常在低負(fù)荷下運(yùn)行,因而會(huì)出現(xiàn)人們常用來形容大電機(jī)帶小負(fù)載所出現(xiàn)的“大馬拉小車”的現(xiàn)象,這樣日積月累的同樣會(huì)造成大量的能源損耗,以及使長期處在工頻額定狀態(tài)下的水泵的機(jī)械磨損嚴(yán)重,設(shè)備故障增加,使用壽命縮短等。
傳統(tǒng)的城市供水系統(tǒng)是對(duì)水泵的出口閥采用全開閥半開閥及開停泵控制方法,這種控制方式存在以下幾個(gè)問題:
1、城市供水系統(tǒng)的水泵配套的大功率電機(jī)在啟動(dòng)和停止時(shí)對(duì)配電系統(tǒng)的沖擊大,不利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行。低負(fù)荷時(shí)電機(jī)的功率因素低、空載損耗大,占用配電系統(tǒng)的相對(duì)補(bǔ)償容量大。
2、節(jié)流損失大,使供水系統(tǒng)長期在低效率狀態(tài)下運(yùn)行,會(huì)增加供水系統(tǒng)相應(yīng)的能源消耗。
3、供水壓力呈階段性的的變化,在工頻狀態(tài)下啟停大功率的水泵,也會(huì)沖擊供水管網(wǎng),同時(shí)易產(chǎn)生“水錘”現(xiàn)象,增加管網(wǎng)的跑冒滴漏現(xiàn)象以至于爆管,很不利于管網(wǎng)的安全運(yùn)行。
三、高壓大功率變頻器
隨著近十幾年電力電子技術(shù)和微電腦技術(shù)的不斷發(fā)展、完善,高壓大功率變頻器性能也日趨完美,已被不同學(xué)科、不同行業(yè)的工程技術(shù)人員廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域,且出現(xiàn)了很多的精品應(yīng)用設(shè)計(jì)。為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益,推動(dòng)了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化進(jìn)程。
高壓大功率變頻調(diào)速器通常采用IGBT為逆變功率器件,經(jīng)過多年的使用和研發(fā),其可靠性、可用性能不斷的得到提高,作為核心器件為高性能的高壓大功率的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了可靠的基礎(chǔ)保證。
高壓大功率變頻器按其變頻的方式可分為“交—交”型和“交—直—交”型,“交—交”型一般用于低速重轉(zhuǎn)矩的場合(如軋鋼機(jī)等),在此不去討論。
在水泵及風(fēng)機(jī)上所使用的大功率變頻器一般都是“交—直—交”型的,根據(jù)所驅(qū)動(dòng)設(shè)備的具體情況決定是選用“交—直—交”電壓型或“交—直—交”電流型。電壓型變頻器:中間耦合電路電容較大,使逆變輸入端直流電壓保持恒定,不受負(fù)載變化的影響,則逆變器的輸入端可以看成是一個(gè)電壓源(如深圳市梅林水廠安裝的四套1000 kW SIEMENS電壓型變頻器)。電流型變頻器:中間耦合電路電感較大,則逆變器輸入端就可以看成是一個(gè)電流源(如東莞梨川二水廠裝有一套800KW SIEMENS電流型變頻器)。
從整個(gè)高壓大功率變頻器系統(tǒng)的電壓變換的情況來看,高壓大功率變頻器系統(tǒng)還可分為“高—高”型、“高—低(中)—高”型(如東莞梨川二水廠裝設(shè)的為 SIEMENS“高—低—高”型變頻器)及“高—低”型(如深圳市梅林水廠安裝的為SIEMENS“高—低”型變頻器)。
因?yàn)楦邏汗β誓K的價(jià)格昂貴,也使得使用“高—高”型高壓變頻器比使用“高—低(中)—高”型高壓變頻器貴很多的情況,再者對(duì)于功率在200KW~500KW的高壓電機(jī)來說,如首先需考慮的是被控系統(tǒng)的工藝質(zhì)量,則高壓大功率變頻系統(tǒng)可通過低壓大功率變頻器與兩臺(tái)變壓器(一降一升)組態(tài)來實(shí)現(xiàn),其中變頻器還可采用國產(chǎn)的,這種組態(tài)的“高—低—高”型變頻器系統(tǒng)要比“高—高”型高壓變頻器經(jīng)濟(jì)很多。
圖一所示SIEMENS公司的800KW“高—低—高”型變頻器的組態(tài)系統(tǒng),這種型式的變頻系統(tǒng)在有些地方是使用國產(chǎn)化的產(chǎn)品組態(tài)完成。
這種組態(tài)的高壓變頻器系統(tǒng)因通過變壓器三角接線方式接入電網(wǎng),故對(duì)電網(wǎng)的諧波污染小。中間的變頻器因可選用電流型的,又可達(dá)到大電流的輸出目的。
組態(tài)的“高—低—高”型變頻器系統(tǒng)雖然經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,但在實(shí)際使用時(shí)還需考慮其中變壓器的特殊性、變壓器的保護(hù)設(shè)計(jì)以及高電壓系統(tǒng)等因素。
組態(tài)的高—低—高電流型變頻器優(yōu)點(diǎn):
1)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,輸出電流穩(wěn)定,負(fù)載能力強(qiáng),可靠性高,可適配的高壓電動(dòng)機(jī)種類多。
2)因輸入、輸出變壓器均有濾波作用,故電流諧波小,且對(duì)其也無須考慮功率因數(shù)補(bǔ)償及加裝諧波抑制裝置。
3)維護(hù)簡單,適應(yīng)現(xiàn)場多變需求。
4)高壓主回路與主控制板(器)之間進(jìn)行強(qiáng)弱電隔離,安全性好。
5)故障檢測完善,各種智能化保護(hù)齊全,可故障顯示和報(bào)警。
6)控制電源與高壓電相互獨(dú)立,檢測方便,便于現(xiàn)場調(diào)試。
7)可接收和輸出多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),調(diào)節(jié)控制簡單,易組成多種應(yīng)用系統(tǒng)。
8)相對(duì)投資少,經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
三、高壓變頻恒壓(變壓)供水
變頻節(jié)電原理:
高低壓變頻調(diào)速的節(jié)電原理就變頻系統(tǒng)(從整流到逆變輸出)本身而言都相同,即水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速(變頻器輸出頻率)與其功率的三次方成正比,著方面的論述目前在各種刊物、網(wǎng)絡(luò)等上已有很多,在此就不再重復(fù)。
關(guān)于變頻驅(qū)動(dòng)的拖動(dòng)方式:
高低變頻器及系統(tǒng)的單位投資高于低壓變頻器及系統(tǒng),再因?yàn)楣β蚀笠鸬目偼顿Y就更大了,這樣就需要從節(jié)省投資上多下功夫,盡量做到即能得到變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟(jì)效益,又節(jié)省投資額度。與低壓變頻器及系統(tǒng)相同的是可以從高低變頻器及系統(tǒng)拖動(dòng)方式上做文章。
關(guān)于變頻驅(qū)動(dòng)的拖動(dòng)方式牽扯到的問題較廣,在此特做如下介紹:
1、根據(jù)電氣邏輯可知:變頻器驅(qū)動(dòng)的拖動(dòng)方式理論上可實(shí)現(xiàn)n拖n,n=1、2、3...n,實(shí)際應(yīng)用時(shí),一般最多做成“1拖4”到“2拖4”,再多無意義且反使投資因控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)過于復(fù)雜而急速上升。
2、拖動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)的辦法:有些國內(nèi)品牌的變頻器生產(chǎn)商,將驅(qū)動(dòng)多臺(tái)水泵的功能設(shè)置在變頻器內(nèi),這種做法會(huì)不會(huì)出現(xiàn):如變頻器出現(xiàn)故障就會(huì)使得整個(gè)自控系統(tǒng)癱瘓?如要使自控系統(tǒng)在變頻器出現(xiàn)故障時(shí)能繼續(xù)使用,則需另設(shè)電路并加控制設(shè)備,這反使系統(tǒng)變得更為復(fù)雜。
據(jù)經(jīng)驗(yàn):簡單的PID調(diào)節(jié)功能可設(shè)置在變頻器內(nèi)部,復(fù)雜的調(diào)節(jié)方式則最好通過專用調(diào)節(jié)器或PLC來實(shí)現(xiàn),對(duì)于投切驅(qū)動(dòng)的自控功能二臺(tái)以上最好由電氣電路或PLC來實(shí)現(xiàn)。
3、切換拖動(dòng)的安全:在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在單機(jī)的工頻與變頻間及多機(jī)的變頻與變頻間設(shè)置軟件和硬件(電氣、機(jī)械)聯(lián)鎖;在變頻與工頻的輸出端間還可增設(shè)雙向刀閘箱(低壓)或是三工位隔離刀閘柜(高壓)可進(jìn)一步加強(qiáng)其安全可靠性。
關(guān)于自動(dòng)調(diào)節(jié)方式
一般是采用PID的閉環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)方式,其基本過程是:用壓力傳感器對(duì)供水系統(tǒng)母管出口的水壓進(jìn)行采樣,轉(zhuǎn)換成電量信號(hào)(一般為4—20mA、0—10V等)后送至PID調(diào)節(jié)器或PLC(變頻器內(nèi)置PID功能的可直接送至變頻器)等,將該信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算后,送至變頻器,并用來調(diào)節(jié)變頻器(系統(tǒng))的輸出頻率,從而改變了水泵轉(zhuǎn)速并調(diào)節(jié)供水壓力(供水量)以達(dá)到恒壓供水的目的。
近年來,隨著模糊控制理論的不斷發(fā)展,其控制算法也在應(yīng)用到實(shí)際中。它不僅能實(shí)現(xiàn)控制,從理論上講還能模擬人的思維方式,對(duì)一些無法構(gòu)造數(shù)學(xué)模型的被控對(duì)象進(jìn)行有效的控制。模糊智能控制能消除超調(diào)現(xiàn)象,能更快速地響應(yīng)外部擾動(dòng),因此模糊控制方式的抗干擾能力更強(qiáng)。另外還有高智能型的自適應(yīng)控制方式等等,如條件允許應(yīng)使其在變頻供水系統(tǒng)中得到應(yīng)用。
一般的設(shè)計(jì)方式:
改造舊系統(tǒng)的高壓變頻恒壓供水系統(tǒng)是在保留原工頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝。對(duì)新系統(tǒng)是設(shè)計(jì)成純變頻回路,為節(jié)省投資也可采用“一拖多”等雙回路(工頻-變頻)系統(tǒng),但要設(shè)置相應(yīng)的安全聯(lián)鎖以確保系統(tǒng)的工作安全。變頻系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制功能與工頻系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制功能相同。
關(guān)于供水壓力的保障:
供水系統(tǒng)的變頻節(jié)能系統(tǒng)在實(shí)際使用中要考慮水泵的轉(zhuǎn)速與揚(yáng)程的平方成正比的關(guān)系及水泵的轉(zhuǎn)速與管損平方成正比的關(guān)系:在水泵的揚(yáng)程隨轉(zhuǎn)速的降低而降低的同時(shí)管道損失也在降低,因此,系統(tǒng)對(duì)水泵揚(yáng)程的實(shí)際需求一樣要降低;而通過設(shè)定變頻器下限頻率的方法又可保證系統(tǒng)對(duì)水泵揚(yáng)程的最低需求。
四、自動(dòng)化控制的高壓大功率變頻恒壓(變壓)供水系統(tǒng)案例
在城市供水中,高壓大功率變頻器一般是應(yīng)用在水泵上,并進(jìn)行開環(huán)或閉環(huán)的調(diào)速控制,使水泵的轉(zhuǎn)速隨著外界用水情況的變化而變化,使水泵能始終運(yùn)行在其特性曲線的高效區(qū)。
本人于1998年有機(jī)會(huì)設(shè)計(jì)并調(diào)試了東莞梨川二水廠二級(jí)泵房的〈自動(dòng)控制的高壓變頻恒壓(變壓)供水系統(tǒng)〉的全套軟硬件系統(tǒng),現(xiàn)簡介如下:
1、梨川二水廠二級(jí)泵房裝機(jī)概況:
裝機(jī)數(shù)量及容量:共5臺(tái)泵,2×710KW+3×500KW+1×250KW,每臺(tái)泵均由高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng),其出口均設(shè)重錘式電控液壓驅(qū)動(dòng)閥(該閥可停懸50%開度位置)。
其調(diào)節(jié)方式:根據(jù)供水情況開停泵及閥開50%。各泵均不調(diào)速,利用出口閥門來控制水流量和管網(wǎng)壓力。
2、變頻應(yīng)用系統(tǒng)主要設(shè)備:
高壓變頻器:6KV/800KW SIEMENS“高—低—高”型電流型變頻器。
PLC:SIEMENS S7-300一個(gè)整機(jī)架配置,10A電源1PC,314CPU 1PC,32點(diǎn)DI模塊2PC,16點(diǎn)DO模塊4PC,8AI模塊1PC,2AO模塊1PC。主要用來完成正個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制,模擬量整合處理并與PID調(diào)節(jié)儀表組態(tài)。
調(diào)節(jié)及顯示儀表:共6臺(tái),特別定做。其中一臺(tái)用來顯示高壓輸入端電流, 其它均為調(diào)節(jié)用表。
壓力傳感器:2PC,0~1MP量程,4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)
流量傳感器:2PC,4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(實(shí)際是借用水廠的流量表輸出信號(hào))。
電量變送器:5A/4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 2PC 10VDC/4~20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào) 2PC
壓力開關(guān):7PC(后用電接點(diǎn)壓力表代替)。
集中控制柜:一臺(tái)
10KV進(jìn)線柜:一臺(tái)帶反時(shí)
10KV出線柜:二臺(tái)
3、設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)控制及保護(hù)方式等:
設(shè)計(jì)原則:按電力系統(tǒng)有關(guān)10KV配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)高壓一次系統(tǒng)、二次控制及保護(hù)系統(tǒng)。保留所有的原工頻驅(qū)動(dòng)控制方式,再并入變頻控制系統(tǒng)。因?yàn)樵摳邏鹤冾l系統(tǒng)是東莞地區(qū)的供水系統(tǒng)首次使用,在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能的要保障整個(gè)系統(tǒng)的安全,對(duì)各大設(shè)備及系統(tǒng)的延伸所影響到的系統(tǒng)和設(shè)備盡可能的進(jìn)行全面監(jiān)控。
變頻動(dòng)力拖動(dòng)方式:一拖二
集中控制:一步化自動(dòng)開停機(jī),全自動(dòng)控制,手動(dòng)控制(可將自控邏輯甩開),輸入端電源給定,輸出端拖動(dòng)選擇,自/手動(dòng)切換,變頻啟停,變頻器監(jiān)視等。
現(xiàn)場控制:水泵就地啟停,進(jìn)線柜及出線柜就地操作,變頻器就地操作等等。
調(diào)節(jié)方式:考慮到水廠的規(guī)模較大,送水距離遠(yuǎn),為確保有效的調(diào)節(jié),將調(diào)節(jié)儀表及PLC的調(diào)節(jié)方式分配如下:兩臺(tái)為分時(shí)段PID調(diào)節(jié)器(恒壓調(diào)節(jié)),兩臺(tái)組成串級(jí)PID調(diào)節(jié)器(變壓調(diào)節(jié))并與PLC組態(tài),一臺(tái)與PLC組態(tài)成串級(jí)PID調(diào)節(jié)器(流量調(diào)節(jié)),PLC調(diào)節(jié)方式。
變頻器啟??刂疲荷想姾?,先進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)再啟動(dòng),停機(jī)時(shí)斷開啟動(dòng)與準(zhǔn)備狀態(tài)。
變頻器監(jiān)控:對(duì)所有的狀態(tài)、錯(cuò)誤、故障信號(hào)進(jìn)行采樣,輸入PLC,并分類處理。
PLC程序設(shè)計(jì):對(duì)所有的輸入開關(guān)量進(jìn)行采樣,編輯邏輯程序,驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的輸出。對(duì)流量、壓力信號(hào)處理后送到儀表及變頻器。
PLC硬件設(shè)計(jì)方式:可繼續(xù)擴(kuò)展I/O和AI/AO模快,可加裝人機(jī)介面或監(jiān)控微機(jī)。
自動(dòng)補(bǔ)壓減壓控制:可按投入待運(yùn)行的補(bǔ)壓方式自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)壓。
聯(lián)鎖方式:1、2號(hào)變頻出線柜聯(lián)鎖,1號(hào)變頻出線柜和1號(hào)工頻出線柜聯(lián)鎖,2號(hào)變頻出線柜和2號(hào)工頻出線柜聯(lián)鎖。
高壓柜控方式:以電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)控制為基礎(chǔ),再引如變頻系統(tǒng)及PLC的有關(guān)控制信號(hào)。
降壓變壓器保護(hù):采用電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)反時(shí)限保護(hù)。
升壓變壓器保護(hù):因當(dāng)時(shí)無合適的采樣元件及保護(hù)裝置,故將其交變頻器保護(hù)。
6KV電源側(cè)防雷保護(hù):按有關(guān)高壓配電柜防雷電入侵波過壓保護(hù)方式設(shè)計(jì)。
5、所解決的主要問題
大大提高了整個(gè)二級(jí)泵房的自動(dòng)化控制程度。
糾正并完善了原工頻系統(tǒng)自動(dòng)一步化開停機(jī)的缺點(diǎn)和不足。
可以使水泵隨著負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)供水流量,達(dá)到節(jié)約能源的目的,同時(shí)對(duì)水泵進(jìn)行的是軟啟動(dòng),減小對(duì)配電系統(tǒng)及供水管網(wǎng)的沖擊。
改善了水泵運(yùn)行工況
5、存在的主要問題
1)多次燒壞電源輸入端的400A保險(xiǎn),以后雖根據(jù)其原因設(shè)想并推敲了多種解決方法,但因多種原因而不能實(shí)施。
2)原計(jì)劃第二步實(shí)現(xiàn)人機(jī)介面控制,以完善現(xiàn)代PLC的控制方式,因多種原因而未能實(shí)施。
3)設(shè)計(jì)中的全自動(dòng)化控制按無人控制方式設(shè)計(jì)編程,但因多種原因只進(jìn)行了部分在線調(diào)試而不能得知完全的實(shí)用功能使用情況,故不能完全交與用戶使用。
6、設(shè)計(jì)調(diào)試總結(jié)
1)該系統(tǒng)好象是東莞的首套高壓變頻器系統(tǒng)(在西門子聽說),故在設(shè)計(jì)時(shí)為確保該系統(tǒng)的成功,考慮的方方面面很多,最后雖經(jīng)壓縮,但整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來后仍感到挺復(fù)雜。
2)就當(dāng)時(shí)的情況而言,用方和供方均對(duì)該系統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)的復(fù)雜程度及牽扯的范圍之廣缺乏了解,沒能提供足夠的在線調(diào)試次數(shù)及修改軟件的機(jī)會(huì),以致留下一些遺憾。
3)高壓變頻器運(yùn)行情況介紹
設(shè)備改造工程于1998年11月完成,高壓變頻器投運(yùn)后,頻率運(yùn)行在40Hz~48Hz,保證了供水的正常進(jìn)行。
結(jié)束語
不管是科技還是應(yīng)用技術(shù),在其發(fā)展的過程中總會(huì)遇到重重的阻力和各種各樣的困難,特別是在情況不明朗時(shí),總會(huì)走些彎路,付出一定的代價(jià)交一定的學(xué)費(fèi),但這阻礙不了人們對(duì)新事物的追求和對(duì)未知領(lǐng)域的探索。