高压变频器在水泵改造中的应用

彭学超　潘　彬

荆门市供水总公司

高压变频器在水泵改造中的应用

彭学超潘彬

荆门市供水总公司

介绍了高压变频器在恒速水泵节能改造中的应用。改造后能够满足全天供水量的频繁变化与调节，可确保恒压供水。通过与改造之前的运行单耗比较，证实变频改造的节能效果显著，同时提高了设备和系统的安全可靠性。

高压变频；恒压供水；节能降耗

荆门市供水总公司第三水厂是城区主供水厂，日供水10万t。拥有三台500 kVA的大型送水泵机。1号机组额定电压690 V，通过ACS 600变频柜实现变频运转，最大供水能力3 800 m³/h。2号和3号机组额定电压10 kV，工频恒速运行，供水能力为单台4 000 m³/h。正常运行过程中，为了控制供水管网压力，防止爆管，采用变频泵加工频泵配合使用的方式进行恒压供水。

由于现有1号变频设备已运行18年，元器件老化，且部分零配件调货周期较长，可靠性严重下降。若出现意外故障，水厂将无备用变频机组对供水流量进行精确调节，只能通过手动调节输水管蝶阀开启程度的方式来控制出水流量，这样势必造成能量损失，在实际运行中浪费大量能源。为避免影响供水安全，同时考虑到节能降耗的问题，我司决定对2号工频泵机组进行变频改造，使设备优化运行，降低维护成本，减少电能消耗。

1　可行性分析

根据交流异步电动机的转速表达式：

式中：s为转差；p电机极对数；ƒ——电机运行频率。

可知，对于我司现有设备而言，转差和极对数均为电机的固有属性，不易改变。若需实现电机转速可调，达到节能降耗目的，从电机运行频率上着手较为容易。考虑到设备的实际运行需求，频率值在35～50 Hz范围内调节比较合适。

根据流体动力学的基本定律，在管网阻力特性不变的情况下，离心式水泵属于平方转矩负载，其转速n与流量Q、压力（扬程）H以及轴功率P满足如下关系：

也就是说，当转速下降至50%时，流量Q将随之下降至50%，扬程H将下降至25%，功率P将下降至12.5%，理论上的节能效果是非常可观的。

图1　水泵的运行曲线图

现从水泵的运行曲线图（图1）来分析不采用变阀调节，而采用变频调速后的节能效果。

当水泵运行在工况点A时，流量为Q1，压力为H1，其轴功率P1与面积Q1×H1成正比，如果水泵速度不变，采用变阀调节，则管网阻力增加，管网特性曲线上移，水泵的运行工况点从A点移到B点，所需轴功率P2与面积Q2×H2成正比。同时也可以看到Q1×H1与Q2×H2相比，其所需轴功率并无太大的变化；如果改用调节转速的方式，水泵转速由n1下降到n2，其管网特性并不发生改变，但水泵的特性曲线将下移，因此其运行工况点由A点移至C点。此时所需轴功率P3与面积Q2×H3成正比。从理论上分析，所节约的轴功率Δ(P)与（H2-H3）×Q2的面积成正比。

经过几种变频模式的综合调研比较，我司选用了基于功率单元串联多电平拓扑结构的变频系统。它采用内部接线，在现场只需串联在原有的高压开关柜和高压电机之间即可，避免了对高压电机的二次投资改造。该变频系统输出为单元串联移相式PWM方式，每相由8个功率模块串联组成，具有17个电平等级，经过波形叠加，无需滤波装置即可输出畸变较小的正弦电流和电压波形，对原有的异步电机和连接电缆没有特殊的要求，具有软起动功能，可确保电机安全、稳定运行。

2　系统介绍

本次改造的系统主回路控制如图2所示，由3个高压隔离开关QS1、QS2和QS3和高压开关QF、电动机M组成。要求QS2和QS3之间存在机械互锁逻辑，不能同时闭合。变频运行时，QS3断开，QS1和QS2闭合；工频运行时，QS1和QS2断开，QS3闭合。高压开关QF、电动机M为现场原有2号工频电机。

改造时，将高压变频器U串联进现有高压开关柜（输出母线）与高压电机之间，正常工作时采用变频回路，QS1和QS2闭合，QS3断开；工频运行时，QS1和QS2断开，QS3闭合，采用原有的工频启动方式。

高压变频器U则由变压器柜、功率单元柜及控制柜组成。示意如图2（图中n表示模块串联的级数）。

变压器柜将输入的10 kV工频电通过移相变压器的多组抽头转换成独立的低压工频电输出，每个功率单元模块分别由移相变压器的一组副边进行供电。功率柜中各功率单元模块为基本的交-直-交单相低压变频器，由二极管三相全桥进行全波整流，并通过模块内部4个IGBT的开关完成逆变工作。每个单元模块的U、V输出端子相互串联成星型接法，通过对各个单元的PWM波形进行叠加重组，获得畸变较小的正弦波输出。控制柜内的主控箱则从人机界面或PLC接收控制指令，产生24个功率单元中IGBT的触发脉冲信号，同时在人机界面上进行状态显示，通知PLC实施系统保护。

图2　系统主回路

3　改造过程中涉及的问题及改善措施

（1）在准备阶段，考虑到水厂配电室内有部分空闲场地，但空间尺寸稍偏窄。于是我方向厂家提出能否将柜体长度减少0.5 m的要求。经过厂家评估，对变频柜内的设备布局进行了优化调整。满足了我方要求，节省了二次基建的相关费用。

（2）设备在运行过程中曾报光纤通讯故障，导致设备停运。后分析原因为出厂时将光纤头绑扎过紧，弯角的曲率半径太小，导致通讯故障。厂家技术人员随后将所有光纤进行了更换。

（3）在夏季供水高峰时期，干式变压器温度较高。为安全稳定运行，在原风道开放式散热方式的基础上，增加了一台5P空调辅助降温。

图3　高压变频器结构示意图

4　变频改造效果分析

（1）降低了启动冲击电流

原2号泵机未添加软启动器，额定电流为35 A，采用直接启动的方式。启动瞬时冲击电流可达320A，厂内电网瞬时波动和转轴本身承受的机械冲击较大。而变频启动从0 Hz开始运行，且启动加速时间可自行调节，启动过程中基本无冲击电流出现。该运行工况的改善，有效减轻了对电机主轴、叶轮的机械应力，可适当延长部分零配件的使用寿命。

（2）节能降耗效果显著

以下为3水厂2号水泵变频改造前后的能耗数据对比（6个月的平均值）

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根据近12个月该泵机实际运行时间计算（累计6 310 h），改造后的设备节省电耗744580kWh。按0.723元/kWh计算，一年可节约电费53.8万元。

（3）减轻了操作工的工作强度

由于该变频系统使用Modbus Tcp协议实现了与上位机的互联通讯，操作工在接到调度指令后，可直接在值班室的触摸屏上设置管网压力值，由变频器本身来对转速进行闭环调节。改进了以往必须到机旁调节阀门开度的操作方式。大大缩短了反应时间，降低了劳动强度，提高了工作效率。

6　结语

经过近两年的实际运行效果证实，这次高压工频水泵的节能改造达成了预期的效果。不仅可与原1号变频机组互为备用，灵活调度，确保了恒压稳定供水，还改善了泵机的运行工况，极大的降低了水厂的日常运行费用，保障了安全优质供水需求。

INFORMATION AND DYNAMIC

节能信息与动态

青浦新材料产业基地发展成果显著

《第18届中国国际工业博览会新材料产业展》组织的新材料产业发展论坛传出信息，自2015年2月，青浦区获批国家工信部“新材料国家新型工业化产业示范基地”后，经多方共同努力，基地已初步形成六个新材料特色产业链：以上海金发科技发展有限公司为代表的有机高分子新材料研发及制造；以美国英威达纤维为代表的功能性纤维新材料研发及制造；以上海华源复合新材料有限公司为代表的金属功能性结构性新材料研发及制造；以上海晶盟硅材料有限公司为代表的光电、电子新材料研发及制造；以上海西氏医药包装材料有限公司为代表的生物材料和节能环保材料产业；以力诺太阳能为代表的新能源材料产业。“十三五”期间，基地将从主导产业集群阶段向创新发展、绿色发展阶段迈进，重点推进新型纤维材料和功能纺织面料的研发及应用，加快推进纳米材料、生物材料、智能材料（智能服装）、超导材料等前沿产业的发展；着力将改性塑料联盟和高分子新材料创新热点培育为国际先进的高分子新材料评测和转化基地。

（徐君）

High Voltage Frequency Converter Application in Pumps Renovation

Peng Xuechao, Pan Bin
Jingmen Water Supply Head Office

The article introduces high voltage frequency converter application in pumps energy conservation renovation. Pumps could meet frequent changes and adjustment of all day water supply quantity and ensure constant pressure water supply after renovation. Comparing with energy consumption before and after renovation, the results shows that frequency converter renovation has outstanding energy conservation effect and improve safe stability of equipment and system.

High Voltage Frequency Converter, Constant Pressure Water Supply, Energy Saving and Consumption Reducing

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.11.009

彭学超：男，计算机专业，本科，副总工程师。

潘彬：男，控制工程硕士，助理工程师。