一、引言
大中型自來水廠的水泵驅動電機一般是由高壓電機驅動，其供水壓力與流量的調節大多采用傳統的方式，通過控制水泵的運行臺數，輔助于閥門的開度變化的方式進行調節，由于供水時間相對集中，一日內的負荷變化較大，特別是在午夜與凌晨的時段，產生大馬拉小車的現象，這種情況在春冬兩季更為明顯，既浪費能源，又使供水管網的壓力波動。為了解決這一問題，平頂山煤炭集團自來水廠領域決定選用高壓變頻器，對原有的水泵驅動電機進行變頻節能改造。
二、系統概況
原高壓電機以工頻電源驅動時，電機定速運行，只能靠水泵出口側的閥門來調節供水流量，不僅浪費能源，而且會產生“水錘效應”和“憋泵”現象，對此，我們采用高壓變頻器內置PID功能進行節能改造。
PID功能介紹：水泵變頻調速是一個壓力閉環控制系統，設定水泵出工側壓力參數為控制對象，當實際壓力與設定壓力發生偏差±H時，高壓變頻器則根據壓力傳感器反饋的信號，自動調節變頻器的輸出頻率與電壓，從而改變水泵驅動電機的轉速，使水泵出口側的壓力維持恒定。
風機泵類負載變頻調速的節能原理
風機泵類負載一般是通過改變閥門擋板的開度進行流量、壓力調節的。圖-1為泵（風機）揚程流量特性曲線（H-Q）圖。在閥門控制的方式下，當系統流量從Qmax減少到Q1時，必須相應地關小閥門。這時，閥門的阻力變大，流體的節流損失增加，流道的阻力線從A0到A2。
泵（或風機）運行的工況點，從b點移到c點，揚程從H0上升到H2，而實際需要的工況點為d點。
根據泵（風機）的功率計算工式：
P＝ρgQH/1000η式中：
P—水泵使用工況軸功率（KW）
ρ—輸出介質的密度（kg/m3）
Q—使用工況點的流量（m3/s）
g—動力加速度（m/s2）
η—使用工況點泵的效率。
可求出運行在c點和d點泵的軸功率分別為：
Pc＝PgQ1H2/1000η;Pd＝PgQ1H1/1000η;
兩者之差為ΔP＝Pc-Pd＝PgQ(H2-H1)/1000η
上式說明，用閥門控制流量時，有ΔP的功率被損耗浪費掉了。而且，隨著閥門不斷關小，這個損耗還要增加。
用變頻調速控制時，當流量從Qmax減少到Q，由于閥門的開度沒有變化，管網的阻力曲線不變，泵的特性曲線隨轉速由n0變化到n1。泵（風機）運行的工況點，則從b點移到d點，揚程從H0下降到H1，而用轉速控制時，根據流量Q，揚程H，功率P和轉速N之間的關系：
Q1/Q2＝n1/n2; H1/H2＝(n1/n2)2; P1/P2＝(n1/n2)3
可知：流量Q與轉速N的一次方成正比；揚程H與與轉速N成平方比；而功率P與轉速N成立方比，若轉速下降20%，則軸功率對應下降49%，由此可見，采用變頻調速可以大幅降低電機的電耗，節省能源，降低企業成本。
高壓變頻器的選型：
高壓變頻器是價格不菲的傳動控制設備。因此，我們在設備的選型上要慎之又慎。國際知名的電氣公司諸如：ABB,西門子，富士都在生產6KV系列高壓變頻器，而且在國內企業均有成功應用的例子，但它們的產品一般都售價高昂，同時在技術支持及售后服務方面不及國內便捷。近年，國內企業生產的高壓變頻器，經不斷完善，其技術與十分成熟。綜合產品價格、售后服務、設備的可靠性諸方面因素，最終我們選用了國產變頻器。國產高壓變頻器在工業控制領域已廣泛應用的成熟，可靠技術，諸如移相整流技術，H橋單相逆變技術等，因而具有很高的可靠性。
變頻器的基本原理與技術特點：
電源側與逆變功率單元之間，設置了移相整流變壓器，移相變壓器邊各繞阻之間互相錯開一定的電角度，給逆變功率單元供電。
移相變壓器的多重二次繞組對電網而言，類同多相負載，它即為逆變功率單元的電壓疊加提供了條件，又解決了電源網側的諧波問題。對高壓變頻器而言，每相有6個不同的相位組，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，各功率單元在主控CPU發生的控制電平下，依次導通關斷。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板之間監控電平由光纖傳遞，使布線的雜散電感減至最少，杜絕噪聲損耗。
因為每相的逆變功率單元按一定的相位差串聯，其輸出的電壓波形是多段階梯波，且等效的開關頻率很高。因此，它沒有通用變頻器6脈波逆變電路產生的6K±1的高次諧波產生的轉矩脈動問題，避免了諧波電流引起的電機發熱，杜絕了共模電壓與dv/dt應力對電機與電纜的損害。因此，系統不需要再配置電抗器，濾波器。
實際使用情況：
系統采用2臺水泵驅動電機共用一臺高壓變頻器的形式，高壓變頻器分別控制2臺水泵驅動電機的啟動與調速及工頻/變頻的切換。主回路如圖-4所示。
高壓電機銘牌標定參數
額定電壓：UN＝6KV；額定電壓IN＝27A；額定轉速NN＝1475r/min；額定功率PN＝220KW
電機啟動平穩，消除了刺耳的啟動噪音。
原高壓電機工頻啟動時，由于起動時間短，起動沖擊電流大（IN5~7倍），電機與水泵振動較大，會產生刺耳的噪音。使用高壓變頻器后，這些現象徹底消除。使用變頻器后，電機啟動時，電機的轉速在高壓變頻器設定的范圍內，從零開如平緩上升，電機電流亦隨之平穩變化，電流表的指針平穩偏轉，杜絕了工頻啟動時對電網的沖擊。
電機啟動時，水泵出口側閥門關閉，變頻器輸出超始頻率為2Hz，電機相電流為0.6A，1分鐘以后，輸出頻率為43Hz,電機的相電流為18A。未采用變頻器時，每當用水量大，水壓低時，值班人員要及時開大水泵出口側閥門，加大出水量；而當用水量小，水壓電時，值班操作人員要及時關小水泵出口側閥門，減小出水量。采用變頻器后，網管水壓通過壓力閉環控制系統自動控制，供水壓力始終保持在0.45MPa的設定壓力上。而且，泵的啟停臺數由PLC根據工況情況自動控制，使系統由人力控制的方式上升到自動化控制的臺階。
節省電能降低企業設備運行成本
原高壓電機以工頻電源驅動時，電機定速運行，只能靠水泵出口側的閥門來調節供水流量，不僅浪費能源，而且會產生“水錘效應”和“憋泵”現象，使用高壓變頻器，不僅解決了這些問題，而且可以根據供水管網所需流量，自動調節電機轉速，從而節省電能，減少企業供水產生成本。解決了“水錘效應”“憋泵”水壓忽高忽低的問題，減少管網爆管，水的“跑、冒、滴、漏”，可見使用變頻器也利于節水。
下表為30天時內，工頻與變頻時電機的對照表，該表說明使用了變頻器后水泵的電耗降低了30%，以當地電價0.55元/KWH計算，每月可節省27000元左右。
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變頻調速
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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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原高壓電機未裝置功率因數補償電容，盤面上的功率因數表的讀數在0.85的刻度上，使用高壓變頻器后，因高壓逆變功率單元內均裝置有大的電解電容，相當于在電網側與機之間加入了一級容性隔離。使整個系數的效率大為提高。現在功率表的讀數在0.95以上。可見，高壓變頻器不僅調頻、調壓、調速，軟起動的功能，而且具有功率因數補償的功能。
結束語
我們這次裝置高壓變頻器一次調試成功，說明高壓變頻器具有很高的可靠性，高壓變頻器的成功運行，不僅為企業帶來了節能效益，減少了設備維修，而且提高了供水系統的自動化水平。可以說高壓變頻調速為企業節能降耗，提高經濟效益開掘了新途徑
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