变频器在污水处理厂生产实际中的应用

李东奇

摘要：污水处理厂是城市环保的重要基础设施之一，为城市污水治理发挥至关重要的作用。这就要求水厂必须具备成熟的处理工艺，出色的处理能力。然而，我厂传统进水方式是靠横速水泵供水，进水量大小不能根据实际情况进行调节，且水泵电机一直处于高速运转，造成很大的电能浪费。甚者，譬如厂区供暖系统还需要值班人员按时启动补水泵向系统注水，这些问题均亟需解决。本文主要阐述变频器在供暖补水系统以及厂区大功率设备节能方面的应用。

关键词：变频器；水泵；节能

1.我厂原供暖系统描述

从供暖公司输入我厂的供暖水在换热器处与厂自循环系统进行热交换，而后经一循环泵将热交换后的水输向综合楼及各生产工段。然而在生产实际中，管道可能存在漏点及人为放水等不可测因素。因此，在此循环系统中还需加装一台补水泵。原补水泵在工频下运行，向系统补水过多，无法达到良好的供暖效果。因此，我厂起初采用人为补水，每天于固定时间段开启补水泵。采用人工操作，一是麻烦，二是注水的精确度无法保障，补水效果也是一般。于是我们想到了利用变频器的调速性质进行技术改进。

2.变频器的基本构成及原理

变频器是建立在电力电子技术基础之上的。在低压交流电动机的传动控制中，应用最多的器件有GTO（门极可关断晶闸管）、GTR、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）它们给异步电动机提供调压调频电源。此电源输出的电压或电流及频率，由控制回路的控制指令进行控制。而控制指令则根据外部的运转指令进行运算获得。对于需要更精密速度或快速响应的场合，运算还需要包含由变频器主电路和传动系统检测出来的信号和保护电路信号，即防止因变频器主电路的过电压、过电流引起的损坏外，还应保护异步电动机及传动系统等。其主要工作电路由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的整流器，吸收在整流和逆变时产生的电压脉动的平波回路，以及将直流功率变换为交流功率的逆变器。另外，异步电动机需要制动时，有时要附加制动回路。其原理图如下：

2.1整流器

通常大量使用的是二极管的变流器。如图，把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。

2.2平波电路

在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变变流器产生的脉动电流也可使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路的构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。

2.3逆变器

同整流相反，逆变器的作用是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，根据PWM控制信号使6个开关器件导通、关断，就可以得到三相频率可变的交流输出。

2.4控制回路

给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，称为控制电路。控制电路由以下电路组成，频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压/电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”。

控制电路主要包括：

2.4.1 运算电路

将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器输出电压、频率。

2.4.2电压/电流检测电路

与主回路电位隔离、检测电压、电流等。

2.4.3 驱动电路

为驱动主电路器件的电路。它使主电路器件导通、关断。

2.4.4 速度检测电路

以装在异步电动机轴上的速度检测器（TG、PLG等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

2.4.5保护电路

检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。

3.变频器的调速原理及特性：

三相异步电动机的转速表达为

n=60fs/p*（1-s）

fs：电机定子的频率

P：电机定子的绕组极对数

S：转差率

有此式可以看出若均匀地改变定子供电频率fs，则可以平滑地改变电机的同步转速，如s的变化范围不大，则可认为，调节定子频率fs时，异步电动机的转速n大致随之成正比变化。异步电动机的主体材料为铁磁物质，为了使铁心材料得到充分利用，在工作过程中应保持磁通为额定值。这样，异步电动机在变频调速时，为了既得到所需的电磁转矩，又使铁磁材料被充分利用，则应尽可能地使气隙磁通恒定并为额定值。由关系式Vs≈4.44fsФNs可知，要使磁通恒定，在调节定子频率时，必须同时使定子电压成比例地增加，否则气隙磁通将降低；当降低定子频率时，必须同时使定子电压成比例地降低，否则将超过饱和磁密导致励磁电流过大而损坏电机。也就是说，对电机供电的变频电源一般要求兼有调压和调频两种功能，通常将这种电源称为VVVF（变压变频）型变频电源。前述GTR按PWM方式构成的逆变器恰好能满足这些要求。

综合上述可知，变频器却可在生产实际中启到调压调速的作用。而在操作实际过程中，只需知道我厂自循环供暖系统，在不失水的情况下，系统压强为多少，所以我们在回水管道处，加一压力表。而在补水系统的电机控制回路中，加装一台变频器，及在补水泵的出口处安装压力表，调节变频器使泵的出口端压强与循环系统的压强相等。这样如循环系统失水，补水泵可自行向系统补水，不再需要人工按时启动补水泵补水，大大节约了人力成本及维护成本。

4.变频器在我厂设备节能方面的应用

我厂主要设备为风机、水泵。如遇特殊情况，如夏季雨量过多，设备停产检修等，均需调节出风量、进水量，而使用变频器可以大幅度减少以往机械方式调控流量造成的能量损耗。当泵的转速在某一范围内变化时，流量、总扬程、轴功率有下列关系：

Q/Qo=N/No H1/H2=（N/No）? P1/P2=（N/No）?

可知当流量减为原来的一半时，功率变为额定功率的1/8从而大大节约了电能。

以我厂为例，日均处理量40万t，每吨水电耗0.28kwh/t。而采用變频调速节能后，每吨水电耗0.22kwh节约了近1/4的电能。以现在0.9元/kwh计算，全年将节省788.4万元，经济效益明显。

结论：

我厂使用变频器后，无论在人工成本还是生产成本上，都获得了很大降低。从而使企业利润值迈向新台阶，也为东北环保产业集团下属水厂提供了技术范本。

参考文献

[1]《变频器、可编程序控制器及触摸屏综合应用技术》/岳庆来主编.—北京：机械工业出版社，2006.4

[2]《电力电子器件及其应用》李序葆，赵永健编著.—北京：机械工业出版社，1996

（作者单位：国电东北环保产业集团有限公司仙女河污水处理厂）