調頻調速裝置在交口灌區泵站中的應用

禹新立

（陜西省交口抽渭灌溉管理局 陜西 渭南 714000）

交口抽渭灌區位于陜西省關中平原東部，渭河下游，是一個灌排并舉的大型電力提水灌區，現有抽、排水站31座，共安裝調頻調速裝置20臺。原設施灌溉面積119.73萬畝，現有效灌溉面積80多萬畝。

1 采用調頻調速裝置的必要性

近年來，由于受農村體制變化的影響,農民自立耕作,種植結構復雜,需水時效差異大,導致灌季引用流量變化頻繁。為了解決灌區各級泵站水量調配難題，提高水量對口率、降低能耗,減少維修費用，曾多次采用壓閥或調整葉片角度來改變水泵的出流。然而，經實踐證明這些方法均達不到理想的效果。因此，結合單位實際，經多方面考察，最終選用調頻調速裝置來改變電動機的轉速，使水泵出水流量滿足實際供需要求。所謂調頻調速，即調整電動機輸入頻率，使電動機從零速啟動，逐漸增加頻率，最終使電動機達到額定轉速，在轉速調整的過程中，水泵流量將按轉速以正比例方式變化，從而達到水量調配自如，避免棄排倒水現象，降低能耗，減少水量損失。

2 安裝調頻調速裝置機組的選型

根據調頻調速裝置的特點，安裝調頻調速的機組，必須滿足全站任意時段需水量的要求，使該站流量在零到最大之間任意變化，且不發生棄排倒水現象，具體選擇調頻調速機組的方法如下：

（1）根據需調頻機組容量，按調頻裝置的規格選擇容量相近的調頻柜。

（2）當該泵站擁有出流相同的多臺機組時，任選其中一臺安裝調頻調速裝置。

（3）當擁有出流大小不同的多臺機組時，如果兩臺小機組同時開啟時的出水流量可以達到一臺大機組開啟時的出水流量時,則選擇容量小的機組安裝調頻調速裝置；否則，則選擇容量大的機組安裝調頻調速裝置，這樣既可滿足配水要求，又可最大程度的節約電能。

（4）對同時擁有兩座出水池(高、低池)的泵站,選擇容量較大的一臺機組安裝調頻調速裝置，這樣可得到較大的流量調節范圍，以滿足高、低池的用水量。

3 調頻調速技術分析

灌區目前采用西門子MM440系列，交～直～交電流型變頻調速系統，采用脈寬調制（PWM）通斷方案，轉矩控制原理，其中采用的功率通斷管IGCT已廣泛應用于各行各業開關控制中。該器件通斷能力強，反應速度快，工作頻率高，調寬波形好，效果穩定，使調頻器得以廣泛推廣使用。

脈寬調制變頻器的主要優點是：①中間直流電壓不變，故其強迫換流線路可較為簡單；②調頻調壓均在逆變器內部實現，可不受直流濾波回路參數的影響而實現快速的調節；③電源側的功率因數較高；④可以將輸出電壓調制成正波，減少諧波分量。

該技術配以微處理器管理控制，可以實現全自動化控制，具有過流、過/欠壓、過熱、輸入缺相、短路、過載、堵轉等多種保護功能，保證了安全可靠運行，其調速范圍較寬（約0～110%），整流輸出參數優，完全滿足泵站調速需要，并且無功自動補償，功率因數高，對異步電動機來說，轉差小，節能效果明顯。

4 典型故障及解決措施

陜西省交口抽渭灌溉管理局采用的西安重型機械研究所制造生產的抽水站變頻調速裝置，通過近幾年使用，該裝置在冬、春灌的抽水運行過程中，由于環境溫度低、系統電壓正常，其運行情況良好；但在夏灌運行過程中，由于環境溫度過高、系統電壓偏低，調頻裝置經常發生過流以及變頻器過熱兩類故障，導致變頻器跳閘，不能正常運行，失去應有的作用。針對系統電壓偏低而造成變頻器過流跳閘的站，采取相應的措施，在夏灌前期先將各站主變分接開關進行調整，使其略高于變頻器的額定電壓，待夏灌運行結束后，再將分接開關調回到原來的檔位；對于裝機容量較大，變頻器夏灌期間經常發生過熱跳閘的站，采取了重新安裝更換柜頂冷卻風機、增大冷卻風量的方法，徹底解決了變頻器過熱跳閘問題。

采取以上措施后，2005年夏灌運行期間，全局20臺低壓變頻調速裝置，無1臺發生過流和過溫跳閘故障，運行工況均正常良好，充分發揮了新技術新設備的巨大作用，取得了極佳的使用效果。

5 安裝調頻調速裝置后的特點

5.1 安裝調頻裝置后的優點

改善設備運行條件、增強安全可靠性，機組安裝調頻調速裝置后,避免了手動壓閘限流及頻繁開、停機調節水量等設備操作，從而有效地減少了設備配件的損耗，大大延長了大修周期和設備的使用壽命，從根本上降低了職工的勞動強度。尤其在大、中型軸流泵站中尤為明顯。安裝調頻器后均采用平滑調節，開機從零起步，降低了啟動沖擊電流對電氣設備及電動機的影響，提高了設備的運行性能，極大地改善了職工的工作環境，有效地降低了設備運行過程中的噪音和振動。具體表現在以下幾方面：

（1）采用變頻器控制電機的轉速，取消了擋板或閥門開度的調節，降低了設備的故障率，節電效果顯著。

（2）具有軟啟動和制動功能，能夠自動平穩地加速和減速，延長了設備的使用壽命，避免了對電網的沖擊。

（3）在低于額定轉速的狀態下運行，減少了噪音對環境的影響。

（4）技術性能高，工作安全可靠，具有欠壓、失速、過熱等自動保護功能。

（5）安裝時可不破壞原有的配電設施及環境，且不影響正常生產。

（6）使用時，只需調節電位器旋鈕既可調整水泵出水流量，操作簡單、方便。

（7）頻率數字顯示，可直觀地顯示變頻調速水泵運行頻率、轉速等參數。

5.2 安裝調頻裝置后的缺點

（1）安裝調頻裝置后，設備內部存在逆變環節，會產生高次諧波，對電網以及外圍設備干擾較強。

（2）目前采用開環控制，未采用閉環形式，水位與裝置無相關聯系，屬于半自動化裝置，還需人工調節來控制機組出水流量。

（3）建議采用屏蔽電纜、電抗器以及液位裝置，從而避免對電網以及外圍設備的干擾，并可根據前池水位高低對水泵出水流量進行自動調節。

6 經濟效益分析

以交口局固市抽水站為例，從節能角度分析，該站季節平均引用流量在200 L/s～250L/s，未安裝調頻裝置前，機組長年滿載運行，需用功率25kW左右；而安裝調頻裝置后，只需在f=35-37.5Hz下運行，即可滿足用水要求。以f=37.5Hz計，其需用功率僅為10.6kW，節能效果達57.6%。以該站2007年抽水用電量為例，總電量達8.27萬kW·h，電費支出1.68萬元，安裝調頻裝置后，全年可節約電費1.68×57.6%=0.968萬元，節約電能8.27×57.6%=4.76萬kW·h。

從降低機組維修費用來看，安裝調頻裝置后，機組的磨蝕將大幅下降，初步估算，水泵三大配件的更換周期將提高到4000h以上，較安裝調頻裝置前1980h延長一個周期，年可節約維修費用0.4萬元。

由上分析可知，該站安裝調頻裝置后，年可節約電費及機組維修費用兩項合計約0.968+0.4=1.368萬元，機組設備包括組成部件的使用壽命將會大大增加，為社會節約電能4.76萬kW·h，其產生的經濟效益較為顯著。

7 結語

異步電動機是灌溉系統最主要的動力設備，作為高能耗設備，其輸出功率不能隨負荷按比例變化，大部分只能通過擋板或閥門的開度來調節，而電動機消耗的能量變化不大，從而造成很大的能量損耗。因此，使用變頻器對電動機電源進行技術改造成為灌溉系統節能降耗、提高效率的重要手段。陜西水利