一、引言
大中型自來(lái)水廠(chǎng)的水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般是由高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其供水壓力與流量的調(diào)節(jié)大多采用傳統(tǒng)的方式，通過(guò)控制水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，輔助于閥門(mén)的開(kāi)度變化的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于供水時(shí)間相對(duì)集中，一日內(nèi)的負(fù)荷變化較大，特別是在午夜與凌晨的時(shí)段，產(chǎn)生大馬拉小車(chē)的現(xiàn)象，這種情況在春冬兩季更為明顯，既浪費(fèi)能源，又使供水管網(wǎng)的壓力波動(dòng)。為了解決這一問(wèn)題，平頂山煤炭集團(tuán)自來(lái)水廠(chǎng)領(lǐng)域決定選用高壓變頻器，對(duì)原有的水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造。
二、系統(tǒng)概況
原高壓電機(jī)以工頻電源驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)定速運(yùn)行，只能靠水泵出口側(cè)的閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)供水流量，不僅浪費(fèi)能源，而且會(huì)產(chǎn)生“水錘效應(yīng)”和“憋泵”現(xiàn)象，對(duì)此，我們采用高壓變頻器內(nèi)置PID功能進(jìn)行節(jié)能改造。
PID功能介紹：水泵變頻調(diào)速是一個(gè)壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)定水泵出工側(cè)壓力參數(shù)為控制對(duì)象，當(dāng)實(shí)際壓力與設(shè)定壓力發(fā)生偏差±H時(shí)，高壓變頻器則根據(jù)壓力傳感器反饋的信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率與電壓，從而改變水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使水泵出口側(cè)的壓力維持恒定。
風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載變頻調(diào)速的節(jié)能原理
風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載一般是通過(guò)改變閥門(mén)擋板的開(kāi)度進(jìn)行流量、壓力調(diào)節(jié)的。圖-1為泵（風(fēng)機(jī)）揚(yáng)程流量特性曲線(xiàn)（H-Q）圖。在閥門(mén)控制的方式下，當(dāng)系統(tǒng)流量從Qmax減少到Q1時(shí)，必須相應(yīng)地關(guān)小閥門(mén)。這時(shí)，閥門(mén)的阻力變大，流體的節(jié)流損失增加，流道的阻力線(xiàn)從A0到A2。
泵（或風(fēng)機(jī)）運(yùn)行的工況點(diǎn)，從b點(diǎn)移到c點(diǎn)，揚(yáng)程從H0上升到H2，而實(shí)際需要的工況點(diǎn)為d點(diǎn)。
根據(jù)泵（風(fēng)機(jī)）的功率計(jì)算工式：
P＝ρgQH/1000η式中：
P—水泵使用工況軸功率（KW）
ρ—輸出介質(zhì)的密度（kg/m3）
Q—使用工況點(diǎn)的流量（m3/s）
g—動(dòng)力加速度（m/s2）
η—使用工況點(diǎn)泵的效率。
可求出運(yùn)行在c點(diǎn)和d點(diǎn)泵的軸功率分別為：
Pc＝PgQ1H2/1000η;Pd＝PgQ1H1/1000η;
兩者之差為ΔP＝Pc-Pd＝PgQ(H2-H1)/1000η
上式說(shuō)明，用閥門(mén)控制流量時(shí)，有ΔP的功率被損耗浪費(fèi)掉了。而且，隨著閥門(mén)不斷關(guān)小，這個(gè)損耗還要增加。
用變頻調(diào)速控制時(shí)，當(dāng)流量從Qmax減少到Q，由于閥門(mén)的開(kāi)度沒(méi)有變化，管網(wǎng)的阻力曲線(xiàn)不變，泵的特性曲線(xiàn)隨轉(zhuǎn)速由n0變化到n1。泵（風(fēng)機(jī)）運(yùn)行的工況點(diǎn)，則從b點(diǎn)移到d點(diǎn)，揚(yáng)程從H0下降到H1，而用轉(zhuǎn)速控制時(shí)，根據(jù)流量Q，揚(yáng)程H，功率P和轉(zhuǎn)速N之間的關(guān)系：
Q1/Q2＝n1/n2; H1/H2＝(n1/n2)2; P1/P2＝(n1/n2)3
可知：流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比；揚(yáng)程H與與轉(zhuǎn)速N成平方比；而功率P與轉(zhuǎn)速N成立方比，若轉(zhuǎn)速下降20%，則軸功率對(duì)應(yīng)下降49%，由此可見(jiàn)，采用變頻調(diào)速可以大幅降低電機(jī)的電耗，節(jié)省能源，降低企業(yè)成本。
高壓變頻器的選型：
高壓變頻器是價(jià)格不菲的傳動(dòng)控制設(shè)備。因此，我們?cè)谠O(shè)備的選型上要慎之又慎。國(guó)際知名的電氣公司諸如：ABB,西門(mén)子，富士都在生產(chǎn)6KV系列高壓變頻器，而且在國(guó)內(nèi)企業(yè)均有成功應(yīng)用的例子，但它們的產(chǎn)品一般都售價(jià)高昂，同時(shí)在技術(shù)支持及售后服務(wù)方面不及國(guó)內(nèi)便捷。近年，國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的高壓變頻器，經(jīng)不斷完善，其技術(shù)與十分成熟。綜合產(chǎn)品價(jià)格、售后服務(wù)、設(shè)備的可靠性諸方面因素，最終我們選用了國(guó)產(chǎn)變頻器。國(guó)產(chǎn)高壓變頻器在工業(yè)控制領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用的成熟，可靠技術(shù)，諸如移相整流技術(shù)，H橋單相逆變技術(shù)等，因而具有很高的可靠性。
變頻器的基本原理與技術(shù)特點(diǎn)：
電源側(cè)與逆變功率單元之間，設(shè)置了移相整流變壓器，移相變壓器邊各繞阻之間互相錯(cuò)開(kāi)一定的電角度，給逆變功率單元供電。
移相變壓器的多重二次繞組對(duì)電網(wǎng)而言，類(lèi)同多相負(fù)載，它即為逆變功率單元的電壓疊加提供了條件，又解決了電源網(wǎng)側(cè)的諧波問(wèn)題。對(duì)高壓變頻器而言，每相有6個(gè)不同的相位組，形成了36脈沖的二極管整流電路。因此，它的基波電流值高，理論上講35次以下的諧波可以消除電流的畸變率THPi＜190.
高壓變頻器采用載波移相技術(shù)，各功率單元在主控CPU發(fā)生的控制電平下，依次導(dǎo)通關(guān)斷。各功率單元輸出的1，0，-1電平疊加后，形成了頻率電壓可調(diào)的多重化階梯形，得到了幾近完美的正弦波形。逆變功率單元由整流電路，電解電容濾波電路，H橋逆變路構(gòu)成。
各功率單元的輸入電壓為590V，功率模塊為低飽合壓降，耐壓為1700V的IGBT，功率單元與控CPU板之間監(jiān)控電平由光纖傳遞，使布線(xiàn)的雜散電感減至最少，杜絕噪聲損耗。
因?yàn)槊肯嗟哪孀児β蕟卧匆欢ǖ南辔徊畲?lián)，其輸出的電壓波形是多段階梯波，且等效的開(kāi)關(guān)頻率很高。因此，它沒(méi)有通用變頻器6脈波逆變電路產(chǎn)生的6K±1的高次諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題，避免了諧波電流引起的電機(jī)發(fā)熱，杜絕了共模電壓與dv/dt應(yīng)力對(duì)電機(jī)與電纜的損害。因此，系統(tǒng)不需要再配置電抗器，濾波器。
實(shí)際使用情況：
系統(tǒng)采用2臺(tái)水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)共用一臺(tái)高壓變頻器的形式，高壓變頻器分別控制2臺(tái)水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)與調(diào)速及工頻/變頻的切換。主回路如圖-4所示。
高壓電機(jī)銘牌標(biāo)定參數(shù)
額定電壓：UN＝6KV；額定電壓IN＝27A；額定轉(zhuǎn)速NN＝1475r/min；額定功率PN＝220KW
電機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)，消除了刺耳的啟動(dòng)噪音。
原高壓電機(jī)工頻啟動(dòng)時(shí)，由于起動(dòng)時(shí)間短，起動(dòng)沖擊電流大（IN5~7倍），電機(jī)與水泵振動(dòng)較大，會(huì)產(chǎn)生刺耳的噪音。使用高壓變頻器后，這些現(xiàn)象徹底消除。使用變頻器后，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速在高壓變頻器設(shè)定的范圍內(nèi)，從零開(kāi)如平緩上升，電機(jī)電流亦隨之平穩(wěn)變化，電流表的指針平穩(wěn)偏轉(zhuǎn)，杜絕了工頻啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，水泵出口側(cè)閥門(mén)關(guān)閉，變頻器輸出超始頻率為2Hz，電機(jī)相電流為0.6A，1分鐘以后，輸出頻率為43Hz,電機(jī)的相電流為18A。未采用變頻器時(shí)，每當(dāng)用水量大，水壓低時(shí)，值班人員要及時(shí)開(kāi)大水泵出口側(cè)閥門(mén)，加大出水量；而當(dāng)用水量小，水壓電時(shí)，值班操作人員要及時(shí)關(guān)小水泵出口側(cè)閥門(mén)，減小出水量。采用變頻器后，網(wǎng)管水壓通過(guò)壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)自動(dòng)控制，供水壓力始終保持在0.45MPa的設(shè)定壓力上。而且，泵的啟停臺(tái)數(shù)由PLC根據(jù)工況情況自動(dòng)控制，使系統(tǒng)由人力控制的方式上升到自動(dòng)化控制的臺(tái)階。
節(jié)省電能降低企業(yè)設(shè)備運(yùn)行成本
原高壓電機(jī)以工頻電源驅(qū)動(dòng)時(shí)，電機(jī)定速運(yùn)行，只能靠水泵出口側(cè)的閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)供水流量，不僅浪費(fèi)能源，而且會(huì)產(chǎn)生“水錘效應(yīng)”和“憋泵”現(xiàn)象，使用高壓變頻器，不僅解決了這些問(wèn)題，而且可以根據(jù)供水管網(wǎng)所需流量，自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而節(jié)省電能，減少企業(yè)供水產(chǎn)生成本。解決了“水錘效應(yīng)”“憋泵”水壓忽高忽低的問(wèn)題，減少管網(wǎng)爆管，水的“跑、冒、滴、漏”，可見(jiàn)使用變頻器也利于節(jié)水。
下表為30天時(shí)內(nèi)，工頻與變頻時(shí)電機(jī)的對(duì)照表，該表說(shuō)明使用了變頻器后水泵的電耗降低了30%，以當(dāng)?shù)仉妰r(jià)0.55元/KWH計(jì)算，每月可節(jié)省27000元左右。
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變頻調(diào)速
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工頻定速
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頻率（Hz）
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變化
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50
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轉(zhuǎn)速(r/min)
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變化
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1475
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電流(A)
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變化
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25A(窄幅變化)
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時(shí)間(H)
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30
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30
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電耗(KW/H)
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51200
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101304
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原高壓電機(jī)未裝置功率因數(shù)補(bǔ)償電容，盤(pán)面上的功率因數(shù)表的讀數(shù)在0.85的刻度上，使用高壓變頻器后，因高壓逆變功率單元內(nèi)均裝置有大的電解電容，相當(dāng)于在電網(wǎng)側(cè)與機(jī)之間加入了一級(jí)容性隔離。使整個(gè)系數(shù)的效率大為提高。現(xiàn)在功率表的讀數(shù)在0.95以上。可見(jiàn)，高壓變頻器不僅調(diào)頻、調(diào)壓、調(diào)速，軟起動(dòng)的功能，而且具有功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/div>
結(jié)束語(yǔ)
我們這次裝置高壓變頻器一次調(diào)試成功，說(shuō)明高壓變頻器具有很高的可靠性，高壓變頻器的成功運(yùn)行，不僅為企業(yè)帶來(lái)了節(jié)能效益，減少了設(shè)備維修，而且提高了供水系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。可以說(shuō)高壓變頻調(diào)速為企業(yè)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益開(kāi)掘了新途徑
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