張 建

（揚(yáng)州自來(lái)水有限責(zé)任公司江蘇揚(yáng)州225000）

高壓變頻器在自來(lái)水廠中的節(jié)能應(yīng)用及效果分析

張 建

（揚(yáng)州自來(lái)水有限責(zé)任公司江蘇揚(yáng)州225000）

本文著重介紹了高壓變頻器的工作原理和節(jié)能原理，分析了在揚(yáng)州自來(lái)水供水公司送水泵站中的應(yīng)用和節(jié)能方式。結(jié)果表明，采用變頻裝置調(diào)速后，不僅實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟啟動(dòng)，節(jié)約了維修費(fèi)用，同時(shí)平滑調(diào)節(jié)管網(wǎng)壓力安全生產(chǎn)，節(jié)約電費(fèi)降低制水成本，使送水泵站成為名副其實(shí)的節(jié)能型泵站

變頻器；水廠；節(jié)能應(yīng)用；技術(shù)；原理

隨著社會(huì)的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，廣大企業(yè)及個(gè)人用戶急需實(shí)現(xiàn)城市恒水壓供水。為此揚(yáng)州自來(lái)水有限責(zé)任公司對(duì)部分原有工頻中壓(6kV)電機(jī)進(jìn)行了變頻調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)改造。我廠供水泵房原有五臺(tái)水泵，全部定速運(yùn)行，正常生產(chǎn)功率總需求在380kW～1000kW之間，由于用戶用水特性的關(guān)系，日夜供水量差異較大，為保證服務(wù)水壓在規(guī)定范圍內(nèi)，需要調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度或更替大、小水泵出水，使得水泵頻繁啟、停，引起電機(jī)、水泵、閥門(mén)故障的增加，水錘效應(yīng)的產(chǎn)生，對(duì)管網(wǎng)也會(huì)頻繁產(chǎn)生沖擊，不但浪費(fèi)了能源還損害了設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)降本增效，提高供水質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)恒水壓供水，逐步達(dá)到自動(dòng)化水廠的生產(chǎn)要求，公司決定對(duì)部分機(jī)組加裝變頻調(diào)速系統(tǒng)。

1 變頻器

1.1 變頻器的概念

變頻器，指一種電力設(shè)備控制裝置，它的定義是：一種可以對(duì)電源電壓進(jìn)行調(diào)整，對(duì)電流頻率進(jìn)行改變的電氣設(shè)備。變頻器是科學(xué)發(fā)展下，變頻技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物。過(guò)去的變頻器在使用時(shí)多被包含在電動(dòng)發(fā)電機(jī)等電氣設(shè)備中，并不能獨(dú)立進(jìn)行作業(yè)，而伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及半導(dǎo)體電子設(shè)備的出現(xiàn)，今天的變頻器在使用時(shí)已經(jīng)可以完全脫離各種電氣設(shè)備，單獨(dú)進(jìn)行使用。目前，變頻器被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備和家用電氣設(shè)備中。

1.2 變頻器的應(yīng)用特點(diǎn)

變頻器的應(yīng)用范圍比較廣泛，當(dāng)其應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備或電氣設(shè)備中時(shí)，可以起到良好的節(jié)電節(jié)能作用。供水行業(yè)使用變頻器的目的是為了避免和解決供水故障，從而達(dá)到提高水廠供水質(zhì)量水平的目的。總的來(lái)說(shuō)，變頻器的應(yīng)用特點(diǎn)主要有：其對(duì)電能的耗損率極低，且還可以將某些因用量變化而浪費(fèi)的電能儲(chǔ)存與節(jié)約下來(lái)，在節(jié)約電能的同時(shí)，也提高了電能的利用率；由于其具有調(diào)整電源電壓，改變電流頻率方式的功能，因此在應(yīng)用時(shí)它可以有效提高水廠的供水效率，并且可以根據(jù)用水季節(jié)的不同而自動(dòng)調(diào)整電流頻率，實(shí)現(xiàn)平衡管網(wǎng)供水水壓的功能；此外，變頻器的使用還可在一定程度上降低供水系統(tǒng)中設(shè)備的損耗率，減少機(jī)械運(yùn)作期間的噪音，在滿足了水廠生產(chǎn)工藝要求的基礎(chǔ)上，還可有效改善生產(chǎn)車(chē)間的勞動(dòng)環(huán)境。

2 變頻調(diào)速原理

選用的是羅克韋爾PowerFlexTM 7000的高低壓變頻器，其采用了多電平串聯(lián)技術(shù)，主要由移相變壓器、功率單元和控制器組成。羅克韋爾PowerFlexTM7000采用了脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）-電流源逆變器（CSI）作為驅(qū)動(dòng)端逆變器，如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠和高性價(jià)比的功率單元，能適應(yīng)較寬的電壓和功率范圍。電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件在中壓范圍內(nèi)可以串聯(lián)使用。由于采用了母線電感器進(jìn)行電流限制，所以功率單元不需要半導(dǎo)體熔斷器。

圖1 PWM-CSI交流變頻器

變頻調(diào)速系統(tǒng)主要通過(guò)為水泵電動(dòng)機(jī)提供頻率可變的供電電源，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水泵電動(dòng)機(jī)的無(wú)極調(diào)速，最終依照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)水壓自動(dòng)化地連續(xù)變化。由三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值。

式中Eg—?dú)庀洞磐ㄔ诙ㄗ用肯嘀懈袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值（V）

f1—定子頻率（HZ）

Ns—定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；

KNs—定子基波繞組系數(shù)；

Φm—每極氣隙磁通量（Wb）

當(dāng)在實(shí)際利用變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，當(dāng)供電電壓E一定時(shí)，若f1變化則引起Φm會(huì)隨之變化。f1降低，磁通則上升，造成磁路過(guò)飽和，電流上升，使電動(dòng)機(jī)帶載能力降低，cosΦ降低，鐵損增加，電機(jī)過(guò)熱；反之，f1上升，Φm下降，在R（負(fù)載）一定時(shí)，有過(guò)流的危險(xiǎn)。因此希望Φm可以保持基本不變。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，只要控制好Eg和f1，便可達(dá)到控制磁通Φm的目的，即

則磁通Φm可保持基本不變。因此變頻的同時(shí)也要變壓，即變頻調(diào)速控制方式中的V/F控制，常用VVVF表示。常見(jiàn)的變頻調(diào)速控制方式還有轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。

3 變頻技術(shù)與變頻器在水廠供水中的應(yīng)用

交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)尤其是計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的成熟使得PLC和變頻調(diào)速結(jié)合得更加緊密，能夠?yàn)樗畯S發(fā)揮的積極作用更加明顯。水廠供水變頻調(diào)速系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、高可靠性、高抗干擾性、供水壓力恒定以及節(jié)能高效的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，借助于對(duì)該系統(tǒng)的更深入應(yīng)用，水廠可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守；另外，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)水泵的軟啟動(dòng)以及軟停車(chē)，將傳統(tǒng)操作方式容易導(dǎo)致的管網(wǎng)水錘效應(yīng)降到最低；借助于網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水泵機(jī)房的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)維護(hù)和遠(yuǎn)程控制，拓展變頻器的操作靈活性并提高其工作可靠性。

3.1 PLC控制系統(tǒng)的優(yōu)化與改善

供水變頻調(diào)速系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場(chǎng)控制層、控制主干層以及管理層三個(gè)部分。若系統(tǒng)采用DCS（分布式控制系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)難度比較低。DCS的控制模式采用“分散控制、集中管理”的多級(jí)控制模式，功能雖然分散，但是系統(tǒng)的可靠性得到了提高，水廠的控制主干層通訊利用以太網(wǎng)進(jìn)行。另外，現(xiàn)代化管理的發(fā)展趨勢(shì)也應(yīng)該是水廠當(dāng)前需要考慮的重要問(wèn)題：水廠的管理網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該包括中心控制室的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，另外，為了能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)共享，水廠采集的各種數(shù)據(jù)都被輸入到管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的服務(wù)器當(dāng)中；生產(chǎn)數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)均被存放于同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，并能夠?qū)λ畯S的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視；另外服務(wù)器采用雙硬盤(pán)配置，提高了數(shù)據(jù)安全性；客戶端和服務(wù)器采用100Mb網(wǎng)卡，提高信息的傳輸速度。

3.2 變頻技術(shù)與變頻器可在水廠供水中的應(yīng)用

變頻技術(shù)與變頻器具有非常高的節(jié)電率，其節(jié)能降耗效果顯著，不僅能夠節(jié)省水廠冗余設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的資源浪費(fèi)，而且還因?yàn)楣β室驍?shù)和調(diào)速精度高等獲得更加良好的運(yùn)行效益。變頻技術(shù)可在減低設(shè)備與物料的損耗、降低機(jī)械噪聲和損耗的同時(shí)，也能夠有效提高供水的質(zhì)量與數(shù)量，滿足生產(chǎn)工藝的動(dòng)態(tài)要求。

4 變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行情況

公司變頻調(diào)速系統(tǒng)為全天候連續(xù)不間斷運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在工頻狀態(tài)下，泵口實(shí)際壓力值遠(yuǎn)離給定值時(shí)，啟動(dòng)一臺(tái)工頻機(jī)組，滿足用水量要求。此時(shí)，通過(guò)變頻系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，出水流量滿足用水流量要求。

水泵泵口壓力給定值的設(shè)定，是根據(jù)四季用水流量需求曲線和全天用水需求曲線歷史數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生。城市供水管網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，變頻系統(tǒng)按給定值閉環(huán)運(yùn)行；當(dāng)城市管網(wǎng)出現(xiàn)異常，在上位機(jī)上可實(shí)時(shí)改變給定值，滿足供水需求。

通過(guò)變頻調(diào)速系統(tǒng)5年來(lái)的運(yùn)行，明顯的降低了千噸水電耗，經(jīng)測(cè)算(除去維修保養(yǎng)時(shí)間以年運(yùn)行340天計(jì)，每天節(jié)約1440kW/d)年節(jié)約電能約49×104kW·h，大幅減少了工頻電機(jī)的啟停次數(shù)，降低了泵房工作人員的工作強(qiáng)度，泵口壓力曲線趨于平滑，消除了因管網(wǎng)壓力過(guò)高引起的爆管，降低了管網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的漏失水量。為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)恒壓供水提供了有效的數(shù)據(jù)積累。

5 結(jié)語(yǔ)

為了滿足水廠的生產(chǎn)工藝要求，勢(shì)必要采用和推廣變頻調(diào)速技術(shù)，利用變頻器的節(jié)能功能可推動(dòng)我國(guó)供水技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展。通過(guò)變頻調(diào)速應(yīng)用前后對(duì)比，公司實(shí)現(xiàn)了恒水壓供水；變頻機(jī)組能夠柔性啟動(dòng)，降低了啟動(dòng)電流，明顯減少了千噸水電能消耗，經(jīng)統(tǒng)計(jì)較原來(lái)工頻機(jī)組降低15%左右的電耗。實(shí)踐證明高壓變頻器性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，是一種高效的水廠節(jié)能裝置，可在水廠節(jié)能工作中得以廣泛應(yīng)用。

[1]曲琳,郭洪波,張磊.PowerFlex7000高壓變頻器在水廠的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息,2012,(24):8-8.

[2]張文勇,胡令芝,郭培彬.高壓變頻器在自來(lái)水廠中的應(yīng)用[J].變頻器世界,2015,(3).