CF20变频器在大功率锅炉恒压供水系统中的应用＊

单乃军，吴艳萍

（1.中国联合工程公司，浙江杭州 310001；2.杭州华光电气有限公司，浙江杭州 310001）

0 引言

给水设备是锅炉房的关键设备，锅炉运行时，必须由给水设备连续或间断地向锅炉供水，使锅炉在正常水位范围内安全运行。对于大部分锅炉给水泵供水系统来说，供水量会随着锅炉的运行情况而有所变化，供水情况为有时连续有时间断，使锅炉在正常水位范围内安全运行。为了保证管网压力恒定，一般操作人员要定时观察泵的出口压力，根据水量的需求变化调节出口阀的开度以控制出口压力。这种控制方式操作频繁，使泵出口阀和支路调节阀门存在较大压损，特别是电机以额定转速旋转，效率低、能耗大。此外，其水泵电机启动电流大，尤其是过大的启动转矩对电机及其传动机械产生巨大的冲击，使泵和电机故障率高，检修频繁，增加了设备的维修成本。

根据锅炉给水泵的以上运行特点，可采用CF20系列变频器对锅炉给水泵系统进行闭环控制，实现供水系统的恒压自动调节，达到管网压力基本稳定，使锅炉正常运行。这样既省去了操作人员的繁琐操作，又可通过变频器的控制来达到节能的目的。

本文以某合成材料厂锅炉给水系统为例，阐述一套大功率锅炉给水泵的恒压供水控制系统方案。

1 系统控制方案

该恒压供水系统由3台供水泵组成，采用华光CF20系列变频器160kW 1台，华光ICM2软起动器160kW 1台，与西门子PLC模块来完成对此系统的恒压供水控制。三泵循环主回路原理图如图1所示。使用华光变频器不仅很好地保护了水泵和电机，也很好地节约了能源。另外变频器具有软起动功能，并能够根据负载变化情况自动调节水泵的转速，从而避免了电机在起动过程中对电网的冲击和对机械设备的冲击，另外也简化了人工调节转速操作的工作量。

变频器恒压供水系统，采用出口管道所采集的压力信号作为控制目标，通过比较和计算压力预先设定值与采集的压力信号值，利用PLC模块调节输出控制出口管道的压力，从而达到恒压供水的目的。由图1可见，系统中1台通过变频转换开关选择的电机水泵变频运行，1台通过工频转换开关选择的电机水泵工频运行，还有1台作为备用泵。

图1 三泵循环主回路原理图Fig.1 Principle of three－pump main circuit

变频恒压供水系统主要由西门子PLC模块、华光变频器、华光软起动器、压力变送器、低压电器设备、动力控制线路、系统安装柜（双面操作）以及3台电机水泵等组成。用户可以通过PLC内置的PID模块来进行需求压力值的设定，另外可以通过控制柜面板上的电流表、电压表、控制按钮、状态指示灯以及选择开关来监视和控制此变频恒压供水系统的运行状态。PLC模块采集各开关状态信号、接触器状态信号以及启停控制信号、选择状态信号后进行控制动作的判断输出，PLC回路的控制原理图如图2所示。

变频器输出频率的确定。首先，通过安装在出口管道上的压力变送器，将采集到的出口压力信号（DC 4～20mA的模拟量信号）接入PLC模块，然后经过PID运算，将压力设定值与压力反馈值进行比较计算后，PLC输出一个模拟量作为变频器的频率给定值，由变频器控制电机水泵的转速，调节出口管道上的供水压力，达到恒压供水的目的，同时也实现了系统的自动调节控制。PID系统控制原理图如图3所示。

图2 三泵循环PLC回路控制原理图Fig.2 Control principle of three－circulation－pump PLC loop

图3 PID系统控制原理图Fig.3 Control principle of PID system

图3a为恒压供水系统PID控制原理图，图3b为具体的设备接线图。当系统检测到压力设定值大于压力变送器采集的压力实际值时，将通过增加PLC模拟量输出值来增加变频器的输出频率，从而使水泵电机加速运行；当系统检测到压力设定值小于压力变送器采集的压力实际值时，将通过减小PLC模拟量输出值来降低变频器的输出频率，从而使水泵电机减速运行，达到供水系统管网压力恒定的目的。

自动方式下，通过转换开关选择要变频、工频运行的电机（此处工频、变频不能选择同一电机，否则系统会报错误，无法运行）。按下自动启动按钮，首先启动工频电机：合上相应电机的软起动输出接触器，然后启动软起动器，待启动完成，合上相应的旁路接触器。经过一定时间后，断开软起动输出接触器，工频电机启动完成；然后合上变频电机的输出接触器，启动变频器，此时开始PID闭环调节，通过调节PLC的模拟量输出值来调节变频器频率，使其达到并稳定在设定压力值。当PLC的模拟量输出值达到最大且管网压力仍处于压力下限状态时，系统发出报警；当PLC的模拟量输出值达到最小且管网压力仍处于压力上限状态时（这里变频器需要设置一个最低输出频率下限的参数，一般取15～20Hz，这样做是为了避免电机在低频状态下可能的失速现象和电机长时间低频运行产生的温升问题），系统发出报警。

2 控制功能和工作原理

2.1 手动工频方式

如图2所示，系统设计了手动工频的操作方式，将转换开关打到“手动”档位，操作人员可以根据需要自己决定起动或停止任意一台泵的运行。由于在该操作方式下变频器等均不参加控制，因此，从技术角度上来说，该方式无法保障出水管网压力值的恒定，所以必须有人监守。该方式主要供变频器、压力变送器等设备故障检修时使用。

2.2 变频自动方式

将转换开关打到“X号电机变频”档位，按下自动起动按钮，系统将转换开关所选择的泵作为变频运行泵，进入自动运行。

（1）当变频器出现故障时，控制系统将采用工频驱动方式控制泵的运行与停止，来保证供水的压力在一定的范围内，但系统无法达到压力值的恒定，同时发出报警指示，通知操作人员进行处理。

（2）当无水接点信号来临时，PLC将关断所有变频和工频输出，直到无水接点信号消失，PLC将自动恢复控制输出。

3 系统优势

本系统的优势可以归纳为以下几个方面。

（1）系统投资成本降低。由于采用“一拖多”的控制方式，与“一控一”方式相比较，硬件的投资成本降低。

（2）系统构造简单、维护方便。系统由功能独立的各控制设备构成，如变频器、软起动器设备具有显示面板，故障显示直观，方便日常维护、保养以及检修。

（3）自动化程度高。系统无需人工控制，在参数设定好后系统可自动控制调节出水管网压力，自动控制，减少了人工的繁琐控制，同时也减少了系统停机断水现象。

（4）解决了大电机工频切换的电流冲击问题。由于工频直接启动时的启动电流一般很大，容易造成在工频启动时的电流冲击现象。为避免这一现象，系统采用通过软起动器驱动各个需工频运转的电机的方案，来解决多泵大电流冲击问题。

4 结束语

系统使用华光CF20变频器以及ICM2软起动器以后，大大降低了电机启动时对电网的冲击和对电网中其他设备的影响，同时延长了电机及其他机械设备的使用寿命，也减轻了对管道的冲击，从而降低了系统设备的机械维护成本。通过变频恒压控制，实现了系统的自动调节控制，减少了人工维护控制成本，同时又达到了很好的节能效果，得到了用户的好评。

［1］ 邱阿瑞.电机与电力拖动［M］.北京：电子工业出版社，2002.

［2］ 周鹗.电机学［M］.3版.北京：水利电力出版社，1995.

［3］ 孙余凯，吴鸣山，项绮明.电动机基础与技能实训教程［M］.北京：电子工业出版社，2007.

［4］ 王玉梅.电动机控制与变频调速［M］.北京：中国电力出版社，2011.

［5］ 严俊，邓缬.变频器应用技术实践［M］.北京：中国电力出版社，2011.