摘要：随着青草沙原水工程的实施，原来黄浦江上游饮水一期工程中的临江泵站和严桥泵站，在供水工艺上也发生了巨大的变化，但其泵房的主体设备均未发生大的变化。泵房出水量的调节主要靠三台串级调速系统的水泵。串级调速是一种高效率的交流无级调速系统。虽然串级调速被认为是落后于变频调速的调速技术，但是不同的需求有不同的标准。串级调速系统的水泵在临江泵站发挥着巨大的作用。串级调速系统的高可靠性，保障着水泵的稳定运行和水量调节，确保城市安全供水。
关键词：串级调速、水泵、PLC、远程控制、原水供应
临江泵站第一泵房主要向长桥水厂、徐泾泵站供应优质的青草沙原水，日供水量在130万吨左右。串级调速水泵作为第一泵房的主体设备，起着调节水量的重要作用。串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。临江泵站第一泵房串级调速水泵采用晶闸管串级调速。本文以临江泵站异步3号水泵为例，主要讲述对串级调速系统原理的研究和串级调速水泵的计算机远程控制系统的实现。
1 串级调速的原理
1.1 电气串级调速系统
电气串级调速系统中，直流附加电势Eβ由逆变器UI产生，改变逆变角就改变了逆变电势，相当于改变了直流附加电动势Eβ，可实现串级调速。在不考虑损耗的情况下，
电机轴输出机械功率为：
，
角速度
，
则电机输出转矩为：
。
因此，电气串级调速系统具有近似恒转矩调速的特性。
图1 电气串级调速系统原理图
在图1中的功率变换单元，UR为三相不可控整流装置，将异步电机转子相电动势SEr0整流为直流电压Ud。UI为三相可控整流装置，工作在有源逆变状态：可提供可调的直流电压Ui，作为电机调速所需的附加直流电动势；可将转差功率变换成交流功率，回馈到交流电网。
1.2 工作原理
1)起动
起动条件：对串级调速系统而言，起动应有足够大的转子电流Ir或者足够大的整流后直流电流Id，为此，转子整流电压Ud与逆变电压Ui间应有较大的差值。
起动控制：控制逆变角β，使在起动开始的瞬间，Ud与Ui的差值能产生足够大的Id，以满足所需的电磁转矩，但又不超过允许的电流值，这样电动机就可以在一定的动态转矩下加速起动。随着转速的增高，相应地增大β角以减小值Ui，从而维持加速过程中动态转矩基本恒定。
2)调速
调速原理：通过改变β角的大小来调节电动机的转速。
调速过程：
3)停车
串级调速系统没有制动停车功能，只能靠减小β角来逐渐减速，并依靠负载阻转矩的作用自由停车。
1.3 串级调速系统的效率和功率因数
1)串调系统的总效率
串调系统的总效率是指串调系统电机轴上的输出功率与从电网输入的总有功功率之比。下图是反映串调系统各部分有功和无功功率间关系的单线图。
图2 串调系统有功和无功功率间关系图
1、定子输入功率
定子输入功率P1由电网向整个串调系统提供的有功功率PW及晶闸管逆变器返回到电网的回馈功率PT构成；
2、旋转磁场传送的电磁功率
定子输入功率P1减去定子损耗ΔP1（包括定子的铜耗和铁耗）得到电磁功率P2；P2中的一部分转变为转差功率Ps，另一部分转变成机械功率PM；
3、回馈电网的功率
转差功率减去转子损耗ΔP2和转子整流器、晶闸管逆变器的损耗ΔPs，剩下部分即为回馈电网的功率PT；
4、电网向整个系统提供的有功功率：
5、电机轴上输出功率:
；
电机轴上输出功率P0则要从机械功率PM中减去机械损耗ΔPm后获得。
6、串级调速系统的总效率
由于大部分转差功率被送回电网，使串级调速系统从电网输入的总有功功率并不多，故串级调速系统的效率很高。效率可达90％以上。
2)串级调速系统的总功率因数
临江泵站第一泵房的串级调速水泵采用晶闸管串调系统，其功率因数较低，主要原因是：
1)逆变变压器和异步电机都要从电网吸收无功，故串调系统比固有特性下异步电机从电网吸收的无功增多，而串调系统把转差功率的大部分又回馈给电网，使系统从电网吸收的有功减少，这是造成串调系统功率因数低的主要原因。
2)由于串调系统接入转子整流器，不仅出现换流重叠现象，还使转子电流发生畸变，这将使异步电机本身的功率因数降低，这是造成串调系统功率因数低的另一个原因。
为了改善串调系统的功率因数，提出多种解决方法，可归为两大类：一类是利用电力电容器补偿；另一类是采用高功率因数的串级调速系统。
2 串级调速的优势
串级调速是一种高效率的交流无级调速系统，相对于现代变频调速技术，不同的需求有不同的标准。串级调速的普遍共识是：
1)效率高；
2)调速平滑即无级调速；
3)调速产生的负面影响（如谐波、功率因数等）小；
4)成本低廉。
3 串级调速水泵的远程控制
3.1 水泵辅机设备的控制逻辑
在临江第一泵房中，与水泵密切相关的辅机设备主要是风机、电加热、真空破坏阀、冷却水电磁阀。在它们之间的电气控制逻辑中，三位置转换开关起着十分重要的作用，对每个回路的控制都有一定的影响。
图3 辅机设备电气控制逻辑图
如图3所示，在电气控制系统中，三位置转换开关的控制逻辑。
1)三位置转换开关，状态显示：本地控制、中间位、PLC远控。
2)当转换开关处于就地控制（第一档）模式下，辅机设备（如风机、电加热、真空破坏阀、冷却水电磁阀）才可以在就地控制箱上通过控制开关进行开停。
3)当转换开关处于PLC远控（第三档）模式下，辅机设备（如风机、电加热、真空破坏阀、冷却水电磁阀）才可以在计算机上进行远程开停，并读取设备的状态。
3.2 串级调速水泵的控制逻辑
根据ModBus通讯协议配置设备地址，并由两芯屏蔽信号线、485接口方式与串级调速装置建立通讯，PLC系统直接读取空开状态、逆变电流、逆变电压、电机转速、以及逆变变压器温度等数据，并通过PLC指令对其远程控制，实现远程开停泵和调速。
1)串级调速水泵的开泵步骤
2)串级调速水泵的关泵步骤
3.3 串级调速水泵的控制界面
串级调速装置可以通过给定比例来对机泵进行调试，进而控制出水量。
图3-4 串级调速装置控制界面
根据实际工况，异步串级调速装置的水泵可以根据给定的百分比，来调节水泵转速，继而调节水泵出水量。异步3号机泵的调速给定与对应转速之间的关系为：
异步3号机泵调速给定：24%–45% ，对应转速：205转–295转。
结论
临江泵站第一泵房串级调速水泵采用晶闸管串级调速，其特点为：可将调速过程中的转差损耗回馈到电网上，效率较高，调速平滑：装置容量与调速范围成正比，投资省，适用于调速范围在额定转速70%～90%的水泵上；调速装置故障时可以切换至全速运行，避免原水供应的中断；晶闸管串级调速功率因数偏低，谐波影响较大。串级调速水泵及相关辅机设备的操作在实现计算机远程控制之后，水泵的自动化控制水平大幅提升，提升了原水泵站智能化管理水平，保障了城市安全供水。
参考文献
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论文作者:张建萍,朱志伟,陈珺炜
论文发表刊物:《基层建设》2018年第17期
论文发表时间:2018/8/13
标签：系统论文; 水泵论文; 功率论文; 电网论文; 临江论文; 泵站论文; 功率因数论文; 《基层建设》2018年第17期论文;