變頻微控調速裝置在恒壓供水系統中的應用

戴劍飛

（勝利油田技術檢測中心能源監測站，山東 東營 257000）

一、概述

近年來，低壓變頻調速器在油田生產、生活等許多領域已得到了廣泛的應用。

恒壓變量供水是典型的負載經常變動的場合，在一天的不同時段，會出現用水的高峰段和低谷段。為了保證供水質量，即保證在不同的供水時段都能提供一定的供水揚程，就必須保證供水系統的出口壓力恒定，并且有效避免在用水低谷時設備空轉或打回流時所造成的能源浪費和設備磨損。在這種負載（用水量）經常變動的場合，變頻微控調速系統的應用顯示出良好的適應性和明顯的節能效果。

二、節電原理

根據交流異步電動機工作原理中的轉速基本關系

式中：n──電機轉速，r/min；

n0──磁場轉速即同步轉速，r/min；

p──電機磁極對數；

f1──電機定子電源頻率，Hz；

s──轉差率；

Δn──轉速降，r/min。

通過變頻裝置改變電機定子電源頻率f1，可改變電機同步轉速n1，從而使電機n2轉速變化，這種調速方式即為變頻調速。

同時，根據水泵（離心泵）相似定律，如果改變水泵的轉速n，則水泵的排量Q和揚程H以及P功率都會發生相應的改變，其關系式為：

由以上關系式可以看出：當用水量低于水泵的額定排量時，降低泵的轉速，軸功率呈三次方關系下降。因此，采用變頻調速來調節泵的排量，可以有效降低水泵的功率消耗，節能效果非常顯著。

但水泵的轉速降低時，其揚程也會相應降低，影響供水質量。所以，應采取措施使水泵工作在既能滿足當前用水量又能保持設定揚程的最佳工作點上，即采取恒壓變量供水方式。由于用水量是隨時變化的，所以只有采用微機自動控制系統，才能達到這個目的。

恒壓變量自動控制供水系統的給水原理見圖1。

圖1中給出的HAA為恒速泵的H─Q曲線，A為泵的工作點，在這一點上水泵達到最大排量。H1A為設定的恒壓線，HBB、HCC……為水泵變頻調速后，在n1、n2……等各種轉速下相應的H─Q曲線。

當流量由QA變小到QB時，恒速泵揚程必定會上升至B1處。而在恒壓變量系統中，計算機通過壓力傳感器檢測出壓力上升的信號，并將當前壓力值與設定值進行比較計算，根據計算結果向變頻調速器發出調速指令，使水泵減速至n1，從而使壓力穩定在H1處。這樣，在恒壓變量工作方式下就比恒速泵節能BB1段。

同理，如果水泵流量繼續降低到QC、QD……，通過上述控制過程，就可以使水泵的轉速為n2、n3……，而壓力依然保持在H1值，則節能值分別為CC1、DD1……可以看出，通過變頻微控裝置控制的恒壓變量供水系統比恒速泵供水所節省的能耗為圖1中的H1AHA,而系統的供水壓力始終保持不變。

三、變頻微控調速系統的組成及作用

變頻微控調速系統主要由主控制器、變頻調速器和變量控制器等所組成。

主控制器是整個控制系統的心臟，它自動地全面管理協調整個系統。主控制器根據現場需要決定電機是否開啟，開啟幾臺電機、哪一臺變頻運行、哪一臺工頻運行，并根據需要自動切換工頻和變頻運行狀態。

變頻調速器是系統的主要執行機構，它是在主控制器和變量控制器的指揮協調下工作的。它具有調節電機轉速、使電機以各種斜率平穩啟動或停止、電機的電氣保護等多種功能。根據主控制器的指令使相應的電機無沖擊啟動和停止、變速運行，使系統的運行參數穩定在設定值上。

變量控制器根據傳感器輸入參數和主控制器的控制指令，可以對變頻器進行各種調節，以使系統運行平穩、參數穩定。同時將系統設定值和當前值顯示出來。

變頻微控調節系統見圖2。

在水泵運行中干線（管網）壓力變化時，由壓力變送器和調節器將信號反饋至變頻器，使泵作相應調速（增或減），保持干線（管網）壓力穩定，實現閉環自動調節。

四、節能效果測試

為了搞清變頻微控調速裝置在恒壓變量供水方式下的節能效果，為進一步擴大推廣應用提供科學依據，進行了變頻微控調速裝置在恒壓變量供水方式下的現場節能效果測試。

被試泵是河口河旭小區供水泵房的3#外輸泵，泵型號為80DL×3型，配套電機功率為15kW，Y160L—4型。選用BWK系列變頻微控裝置，測試方法是在保持一定的供水揚程即保持泵出口壓力一定的前提下，分別測出系統在工頻和變頻狀態下的電機的輸入功率，計算出變頻調速裝置在恒壓變量供水方式下的節電率。測試結果見表1。

表1 水泵變頻節電效果對比測試數據表

從測試結果可以看出：變頻狀態下的有功節電率為39.5%，綜合節電率為41.2%。表明在恒壓供水系統中應用變頻微控調速裝置，既保證了變工況下的供水質量，同時節電效果比較顯著。變頻微控調速裝置在恒壓供水系統中的應用，顯示出良好的適應性和明顯的節能效果。

五、應注意的問題

1.從節能的角度看，一般變頻調速的最佳流量變化適用范圍為50%～90%，而油田供水系統當中流量變化范圍有其特殊性，要求0～100%全范圍調速，因此清水泵的拖動電機應配備專用調速電機，以解決水泵效率下降和電機的散熱問題。

2.變頻調速器的接地問題如果處理不好，會減弱抗干擾能力，甚至會造成變頻器故障。因此，應使變頻調速器單獨接地，不與電機、配電柜接在一點，提高其抗干擾能力。

3.電磁干擾對自控信號的影響問題。變頻調速器的輸出配線至電機之間，存在著較大的高次諧波干擾電流，為了避免或減弱其對自控信號的影響，應采取以下對策：（1） 信號電纜采用屏蔽電纜，屏蔽層在傳感器附近同傳感器外殼接地；（2） 信號電纜和動力電纜不在同一個電纜溝敷設。（3） 24V電源外殼接地不同于變頻器接地，應采用隔離電源，避免直接傳導干擾。（4） 變頻控制柜內布線時，信號電纜應遠離動力電纜，至少保持10～15cm以上。

4.在多電機組成的運行系統中，為每臺電機配置一臺變頻器是不經濟的，所以應采取一對多的方案，即變頻器的群控，根據主控制器的指令使相應的電機無沖擊地啟動和停止以及變速運行。

5.在進行變頻測試時，為避免高次諧波對測試儀器的干擾，應從變頻器輸入端進行測試，并且儀器要使用外接電源供電。

六、結束語

恒壓變量供水系統中水泵的變工況運行，是油田生產、生活供水系統的客觀要求。變頻微控調速裝置的應用，不僅可以取得顯著的節電效果，而且保證了穩定的供水質量。

[1]戴超仁.油田電網優化與節能技術 [M].石油工業出版社，1995.

[2]趙海培.變頻調速技術現場使用注意事項 [J].油田節能，1997（4）.