变频技术在引调水工程中的应用

张红斌

（西安迪飞科技有限责任公司 陕西 西安 710018）

定边供水续建工程是陕甘宁盐环定扬黄续建陕西专用工程，主要解决革命老区定边县县城及周边9个乡镇29万人、20万头牲畜用水问题，并为榆林能源化工工业供水。续建工程中涉及省外三座旧泵站的升级改造工作，为了能够达到节约能源，降低运行成本，提高运行效率，降低人员劳动强度的目的，三座泵站分别增加一套变频机组设备，希望在实际运行中利用成熟的变频技术实现恒流量供水，减少频繁启停其他机组产生的水锤对输水管道的冲击。

1 系统简介

定边供水续建工程中的三座老旧泵站的系统改造中，均是在原有泵站机组配置的基础上，拆除一套老旧机组，并在原有位置安装变频机组，实现工频机组和变频机组在抽水过程中的配套使用。未改造前是五台机组轮流启动，根据前池水位的变化启动或者停止相应的水泵机组，保证前池水位基本稳定。系统根据前池水位的采集数据自动的改变变频器机组的频率输出，从而达到泵站的恒流量送水。

2 系统工作原理

2.1 工作原理

正常的电机转动时电压和频率是很定不变的，因此输出功率也是恒定不变的，但是变频器的作用就是将作用在电机上的电压、频率转换成可以在运行过程中改变的装置。要想改变频率，就必须将交流电转换成直流电，然后再把直流电转换成电机运行所需要的交流电，在这个工程中改变输出交流电的频率，使电机运行曲线平行下移。因此变频器可以使电机初始状态时以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。

由于变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能，因此广泛的应用到各个领域。随着技术的发展，为了降低生产成本，节约能源，提高生产效率，变频器的应用将在这些方面逐渐体现出它的优势。

2.2 变频器的主要作用

变频器广泛应用于水利、电力、煤矿、化工等多种场合，但是总结下来，变频器在各种应用环境下主要还是起到以下几方面的作用：

(1)保护设备。正常情况下当电机直接工频启动时，将会产生很大的电流，这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量，从而降低电机的寿命。而变频调速则可以在零速零电压状态下启动，减少电机绕组电应力，电机可以从0赫兹的频率慢慢启动到所需要的频率状态下工作，降低瞬间电流冲击，保护电机，延长电机使用寿命。

(2)保护供电线路。当电机工频启动时，瞬间电流将会很大，线路电压也会大幅度波动，电压波动的幅度取决于启动电机的额定功率大小和配电线路的容量。电压波动将会导致同一供电网络中的其它设备故障跳闸或工作异常，如站用计算机、其它电机、交流接触器等出现异常故障，导致设备停机等事故。而采用变频调速后，由于电机可以从零频零压时根据需求逐步启动到合适的频率位置，则能最大程度上消除电压下降

(3)高效节能。变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行均匀地加速，用户可运用变频调速能优化工艺过程，并能根据工艺过程迅速改变，还能通过P L C等远程控制设备实现P I D控制，根据工艺需求更加合理的控制电机的转速及频率，从而有效的降低能耗，提高生产效率。

3 变频器在引调水工程中的应用及作用

图1 变频器调节原理图

本次工程共涉及三座泵站的改造工作，均完成老旧抽水机组的拆除及新的变频机组的安装调试。变频机组安装主要分为两个部分：变频电机安装和变频器控制柜安装。变频电机安装：首先将老旧工频水泵电机拆除，并根据新的变频电机的安装要求重新处理安装基座，将新的变频电机与水泵校对安装，使电机转轴与水泵叶轮在同一水平线上。变频器控制柜安装：安装于值班室，由变频器和辅助元器件完成控制回路的功能，变频电机的调频调速功能就是通过变频控制柜完成。

变频电机和变频器控制柜共同完成变频机组的调频调速功能，本次泵站的变频机组安装完成后，主要完成功能如下：

泵站前池安装的超声波液位计实时监测前池液位数据，并将数据传输给变频器，变频器通过前池当前液位与设定液位的作差比较，通过P I D调节方式，改变变频器的输出频率，从而控制变频电机的转速，以此改变水泵的抽水能力。根据变频机组的这种功能，工作人员可以设定前池液位期望值，变频机组将自动根据前池当前液位和设定期望值不断比较，调节输出频率，从而控制实际液位快速达到设定液位值，并实时调节，保证前池水位的稳定，保证输水过程中的稳定安全。

根据本次泵站工艺流程，变频机组的工作方式主要分为以下几部分：

（1）变频器实时采集泵站前池液位的变化（P V）。

（2）变频器根据工程运行需求设定液位（S V）。

（3）变频器通过采集的前池液位数据和设定液位数据作差比较，通过P I D调节技术改变变频器当前输出频率，从而改变变频机组设备的运行频率，达到改变水泵转速的功能。

（4）当前池液位大于设定液位时，变频器通过P I D调节技术增大变频机组频率输出，从而增加变频机组抽水能力，使当前水位（P V）尽快降低至设定液位（S V）附近。当前池液位大于设定液位时，变频器通过P I D调节技术减小变频机组频率输出，从而降低变频机组抽水能力，使当前水位（P V）尽快上升至设定液位（S V）附近。

不管是降低变频机组输出频率还是增加变频机组输出频率，目的都是通过改变变频机组的输出频率来调节变频机组的输水能力，从而调节前池液位的相对稳定。

变频器调节原理图如图1所示。

变频机组的安装一定程度上保证了整个系统的稳定供水，在节能、恒定供水等方面发挥了很大的作用。

但是，在整个系统运行的过程中发现，由于上一级泵站通过泵扬程将水送往下一级泵站，泵站之间的高程落差一般在三四十米，水流在这种斜坡向上的管道中不进则退，因此，在变频机组运行时，变频机组必须用一部分的转速频率去克服水流倒流，这样本来是0～50Hz的调节范围，就会因为克服水流自重而消耗大部分的频率，用于调节的频率就很少了。而且，如果频率过低，将有可能导致管道不上水，电机毫无意义的转动，导致能源的浪费！综上原因，对于变频器的应用，还是应该从各个方面考虑实际的应用场合，在充分发挥变频的各种优势的同时要更多的考虑泵后有很高扬程管道的这种复杂环境的应用，在实际工程中充分发挥变频技术的优越性和先进性。

4 结语

本次系统改造完成后的机组配置，结构合理，技术先进，实现了各个泵站抽水过程中的自动调节功能，降低了运行成本，达到了本次改造的设计要求。

随着变频技术的不断发展，更多的变频设备将应用于水利行业的各种工业环境，不同的生产工艺对变频的应用将提出更高要求，因此在变频选择时需要我们更加详细的分析所选择的变频设备如何能够在实际生产中发挥最大的作用。