试论变频器在供水泵站节能降耗中的应用

2013-05-12梁跃施

中国新技术新产品 2013年7期

梁跃施

（佛山水业三水供水有限公司，广东三水 528100）

近年来，随着经济建设的不断发展，许多城市不得不限水限电，因此，国家每年出巨资进行大规模基础设施建设。对于供水泵站而言，目前绝大多数存在设备陈旧，工艺及供电设备老化，自动化水平低下，水耗、药耗、材耗严重等情况。为此，供水泵站的降耗节能工作已到了刻不容缓的地步。变频调节是现代一种先进的高效节能技术，它集电力电子技术和计算机技术于一身，可以很好的在供水泵站中实现节能降耗的目标。

1 变频器的组成

一般家用或工厂电气设备多采用交流电源，但这些设备的控制部分也少不了要采用直流电。把交流变为直流称为整流，把直流变为交流称为逆变，用于逆变的装置称为逆变器，逆变器是变频器的核心部件，如图1。

变频器是由主回路和控制回路两部分组成的。

主回路由整流器（整流模块）、滤波器（滤波电容）和逆变器（大功率晶体管模块）三个主要部件构成。控制回路由单片机、驱动电路和光隔离电路组成。主回路各点的波形，除输入电压外，均不是光滑的正弦波。输入电流为双脉冲波，输出电压为方波，输出电流为含有多种高次谐波的正弦波。

目前新型变频器一般都带有通信接口，可以实现上位机对变频器的通信功能，可将上位机的运行指令下达，也可将变频器的运行状态上传。在需要高精度控制时，可将反馈信号反馈到变频器，构成闭环系统。

2 变频器的控制

在风机、水泵等机械的节能运转中应用的变频器采用VVVF控制即恒U/f控制。就是在改变频率的同时控制变频器的输出电压，使电动机的磁通保持一定，在较宽的范围内电动机的转矩、效率、功率因数不下降。因为是控制电压U和频率f的比所以称为恒U/f控制。变频器与电动机的对应关系见图2。

在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。在交流异步电动机中，磁通是定子和转子磁势合成产生的。三相异步电动机的电动势有效值是Eg=4.4f1N1K1Φm，其中Eg是气隙磁通在定子绕组的感应电动势，单位是V；f1为定子频率，单位是Hz；N1是定子每相绕组串联匝数；K1为绕组系数；Φm为每极气隙磁通，单位是Wb。由此可知，只要控制好Eg和f1，便可以达到控制磁通Φm的目的。若忽略定子压降，则绕组外电压 U1 ≈Eg，U1/f1=4.4N1K1Φm，因此，变频器要维持磁通只要使U1与f1成比例即可。

3 变频器在供水泵站节能降耗中的应用

在自来水供应中，由于用户对水量需求的变化，管道中自来水的流量和压力是在不断变化的，如果压力过高会导致管线设备的负荷过重，甚至引起爆管事故；如压力太低则会导致部分用户水量不足甚至大面积停水。为了将压力维持在一定的范围内，自来水公司所属的泵站和水厂大都在调度中心的指挥下采用开启或关闭水泵的方法来调节管道压力。但对于有些需要恒定水压的地区，如居民小区的增压泵站等，供水量随时间的变化很大，采用该方法来调节水压就显得比较费力。为实现恒压供水，这些泵站均采用了变频器。

下面以某小区的泵站为例，简述变频器的应用。

该泵站共有4台水泵，每台电机的容量为50kW，其中3台工作，1台备用。具体要求如下：

3台水泵分别可以调速和定速运行，变频器只能作1台电机的变频电源。故各台电机的启动、停止必须互相联锁，以保证可靠切换。

两台以上的水泵工作时，1台由变频器供电，其余由工频供电，其运行有互锁控制。

当水压低于设定值（目前设为250kPa）时，1台水泵启动采用变频器调速，直至达到定值，如1台电动机全速运行（工频状态）压力仍然达不到要求，则该水泵切换至工频供电，第二台水泵启动，由变频器调节转速，直至达到要求，如还达不到要求则启动第三台水泵。压力高时则反之。

该泵站采用日本富士公司生产的FRENIC5000系列变频器，主回路采用大功率晶体管模块，用单片计算机控制。

采用变频器后，启动电流小于1.5倍额定电流，实现软启动，电机的启动特性得到明显改善。通过变频器实现闭环控制，由于在正常情况下无须人工干预水泵运行，可大大降低值班人员的劳动强度，甚至可实现无人值守。

变频器还可用于泵站的二次加氯设备。以浦威泵站管理所托管的北区泵站为例，该泵站采用德国普罗明特公司生产的计量泵进行次氯酸钠的加注。该计量泵通过手动旋转调节旋纽来实现加注量的控制，调节加注量十分麻烦。经过改造，加装了1台施耐德公司生产的PLC和富士公司生产的变频器。控制原理如下：余氯仪将水中的余氯值转换为4～20mA模拟量信号传递给PLC，PLC据此通过变频器来控制次氯酸钠的加注量，形成闭环控制。目前浦威泵站管理所共有7个泵站装有类似的计量泵，都采用人工至现场调节，如采用新型带有模拟量控制的计量泵则需要很高的费用，如采用变频器控制则只需较少的费用即可实现远距离控制。

变频器的合理运用，还可降低能耗。以某泵站的3#机组为例，2007年使用变频器改造后在平均扬程为39kPa的情况下，平均电耗由原来的59.69kWh降到39.86kWh；2008年度运行4266小时，节约电量 84595kWh；2009年度运行4280小时，节约电量84872kWh；2010年度运行4270小时，节约电量84674kWh。

由此可见，水泵采用交流变频调速技术后，控制系统的稳定性、经济性和可靠性明显提高，控制偏差小于1%，各参数波动幅值小，泵的出口压力降低，扬程下降，节能效果明显。

4 变频器的维护

为使变频器能长期可靠的连续运行，防患于未然，应进行日常检查和定期检查维护。

日常检查可不卸下外盖，通电和启动后，目测变频器的运行状况，确认无异常情况。通常应注意：键盘面板显示是否正常；有无异常的噪声、振动和气味；有没有过热或变色等异常情况；周围环境是否符合规范。

定期检查要切断电源，停止运行并卸下变频器的外盖。由于变频器内有较大容量的电容器，必须充分放电后才能开始检查工作。主要检查维护项目有：①周围环境是否符合规范；②主电路、控制电路电压是否正常；③显示面板是否清楚，有无缺少字符；④框架结构件有无松动，导体、导线是否破损；⑤滤波电容器是否漏液，电容量是否降低；⑥电阻、电抗、继电器、接触器等接线是否松动或断线；⑦电路板有无锈蚀、断裂等；⑧冷却风扇是否正常和通风口是否通畅。