水泵電動機專用變頻器在鐵路供水系統中的應用

石元基 上海鐵路局合肥給水公司

隨著工業化的發展，變頻器技術在工業控制領域的作用越來越大，尤其是微電腦技術的日新月異，給變頻器技術的發展帶來了飛越[3]。變頻器的應用，能提高異步電動機的效率，降低電動機的功耗。變頻器在供水系統的使用，可減輕電動機開啟停止及水量調節時對供水管網的沖擊；能在保持水泵出口閥門不變的情況下調節供水量，從而達到節能的效果。通過對變頻器的合理選型，可以得到較為理想的組網方案。

1 變頻調速

1.1 變頻調速原理

電動機轉速公式[1]為：

其中n為電動機轉速，f為電源的頻率，s為電動機的轉差率，p為電動機的電極數。從公式(1)中可以看出，電動機的速度與電源頻率成正比，也就是說，電動機的轉速n會隨著頻率的變化而相應地變化。

1.2 變頻調速節能

在轉速控制情況下，水泵的揚程Q和流量H，以及電動機功率P，三者與電動機的轉速n的關系如下[2]：

表1給出了H、Q、n、P四者之間的關系。當流量降到額定值的50%，其功率下降到額定值的12.5%，即節約了87.5%的能源，節能效果非常明顯。

從以上分析可以看出，轉速的降低，將引起水泵揚程、流量、電動機的負載功率的降低。實際應用中，我們可以根據現場管網的水壓來調節電動機的頻率，從而控制電動機的轉速，達到恒壓供水的目的。

表1 各項數據關系(%)

變頻器的節能原理如圖1所示。圖中曲線1為閥門控制水流量曲線；曲線2為閥門全開狀態水流量曲線；曲線3為額定轉速下的水流量曲線；曲線4為轉速下降后的水流量曲線。由圖1可以分析得出，若采用閥門控制水量，當水流量由Qa降到Qc時，在水泵功率不變的情況下，A、C兩點的功率損失都加到了閥門上（即AHaOQa的面積與CHcOQc的面積之差）。若改為變速控制，當水流量由Qa降到Qb時，變頻調速在閥門保持不變（全開）狀態下，揚程由Ha降到Hb，相應的水泵供水功率有較大的降低（因為水泵功率與H、Q的乘積成正比，即與圖中方框的面積成正比）。因此，在流量不大的情況下，降低泵的轉速，可以避免水泵長期工作在滿負荷狀態，造成電機過早的老化，并且具有明顯的節電效果。

圖1 使用變頻調速器節能原理示意圖

1.3 變頻軟啟動原理

采用變頻軟啟動對水泵的啟動、制動進行控制，使急扭及水錘現象得到解決，延長了設備的使用壽命。同時，減少了啟動電流對電網的沖擊。如圖2所示為某變頻啟動輸出特性示意圖，圖中U1為死區電壓，低于該電壓值系統將無法啟動。該電壓值對應一個死區頻率，一般取20Hz。之后不斷提高頻率值，直到額定功率（工頻50Hz），啟動完畢。

圖2 變頻啟動輸出特性示意圖

變頻軟停車和軟啟動類似，將電動機頻率由工頻50Hz逐步降低到0Hz，實現軟停車。可以根據負載設備的實際要求，對起始頻率進行選擇，從而得到不同的電壓、電流、功率和轉矩初始值。

2 鐵路供水系統變頻器組網方案

2.1 變頻器在系統中的連接方式

變頻器在供水系統中的連接方式比較多，可以根據實際需要進行取舍。下面簡要介紹幾種常用的連接方式及其應用場景。

2.1.1 單機軟啟動、軟停車

此連接方式多用于深井泵房的場景（如圖3所示）。在水泵后面一級有蓄水池水塔等設施，因此對于水壓的測量不敏感，只需將蓄水池或水塔的水位反饋給變頻器即可。當水位降低到下限水位時，變頻器軟啟動電動機M，直到進入工況運行，給蓄水池、水塔供水。當水位升高到上限值時，啟動軟停車過程，直到電動機進入停機狀態。

圖3 單機軟啟動、軟停車運行方式

利用變頻器的軟啟動、軟停車功能，實現對水泵電動機的自動控制，實現對泵房的無人值守。另外因為軟啟動、軟停車的作用，能減少對電網的沖擊，延長設備使用壽命。

2.1.2 單臺恒壓供水

此連接方式常用于建筑物供水（如圖4所示）。在沒有條件建蓄水池、水塔的地方，使用此方式供水可以保證供水水壓的恒定。當用戶水壓下降時，變頻調速器將升高水泵電動機的轉速，從而提高管道的水流量，隨著流量的加大，管道壓力增加；當管道中水壓升高過一定值，降低水泵電動機的轉速，降低水流量，水壓相應下降。

通過管道中水的壓力調節變頻器的輸出頻率，輸出頻率的改變最終影響管道水壓力，最終達到一個動態平衡狀態。

圖4 單機恒壓運行方式

2.1.3 一拖二方式

一臺變頻器帶兩臺電動機（如圖5所示）。該連接方式適合水源地泵房等，需要多臺大容量的電動機的場合。在最初投入運營時，由變頻器啟動電動機M1，軟啟動至正常運行狀態，保持一定時間后KM2閉合，M1電動機進入工況運行。此時如果需要更大的供水量（或者管網壓力不夠），則軟啟動電動機M2。同時M2可以根據管網運行情況進入變頻運行狀態，從而達到恒壓供水的目標。電動機M1和M2互為備用電動機，可以設置成輪換運行方式，從而保證電動機的壽命。

圖5 一拖二運行方式

一拖二方式結合了變頻軟啟動、軟停車以及變頻恒壓運行的優點。對單個水泵電動機而言，可以實現軟啟動、軟停車；對于整個泵房而言，可以根據需求運行電動機，實現電動機的高效運行。

對于鐵路供水系統來說，因其供水環境的復雜性，要求針對不同的場景選擇不同的變頻調速運行方式。做好先期準備工作，調查泵房運行的歷史數據，并作合理的估計和詳細的計算，配備合適的水泵電動機，再根據水泵電動機的容量和類型配備合適的變頻器。鐵路供水系統應該根據現場的實際環境進行選擇安裝，使得系統的整體效率得到提高。

2.2 鐵路系統供水系統的特點

鐵路供水系統的主要特點是：用戶分散并且類型復雜。既有要求等級高的車站客車上水用戶、各種消防用水用戶，又有一般的居民用水用戶；既有用水量較大的中心站用戶，也有偏遠小站的零散用戶。既要滿足不同用戶的要求，又要提高供水效率，是供水公司面臨的一個課題。要完成各種供水指標，除了在人員管理上下功夫之外，還需要從技術的層面來提高供水的效率和能力。

傳統的供水方式需要提供大量的人員，提供大量的供水設施。不僅效率低下，還增加了人員管理、設備維護的難度。新型變頻器的不斷應用，提高了供水系統的自動化水平，在減員增效、節能降耗方面起到了非常重要的作用。

2.3 組網方案

根據上海鐵路局合肥給水公司的管網運行情況，采用目前較為通行的SCADA系統對整個給水系統進行監測和控制。合肥給水公司管轄范圍內供水系統設計如下：

（1）供水站共有31個，分別為：阜陽、阜陽北、合肥、合肥東、合肥西、合肥南、蚌埠、蚌埠東、亳州、渦陽、張集、淮南西、淮南、九龍崗、青龍山、明光、安慶、蕪湖北、裕溪口、六安、葉集、巢湖、全椒、金寨等。

（2）各供水站管轄若干個泵房，每個泵房有若干個變頻器，由變頻器控制水泵電動機。

（3）系統監控通信采用鐵路公共電話網，對于各個供水站進行輪詢式數據采集和監控。對于較為偏遠的沒有公話網的給水站，采用無線傳輸。各泵房安裝無線電臺，主調度機與各控制終端機之間的數據傳輸，采用無線調頻方式，實現調度與現場隨機通信。

對變頻器運行情況的數據采集包括輸出電壓、輸出電流、輸出頻率、輸出轉矩及管網壓力反饋等。同時該系統支持對運行環境的數據采集，如對現場溫度、濕度、煙霧等的采集。變頻器作為一個單元與系統的連接方式如圖6所示。

圖6 應用變頻調速供水系統組網方案

虛線方框中是變頻器結構圖，對水泵電動機的運行參數實時監控，實時采集供水站設備的監測和控制信息，經本地初步處理后，反饋到監控中心。實時接收來自監控中心的監控命令。變頻器支持現場和遠程的參數設置，便于維護。對于系統采集的數據可以在控制中心實現報表自動生成功能。

3 應用效果分析

從2000年開始，公司著手阜陽給水站各給水所揚水系統改造，配套安裝變頻調速供水裝置。阜陽和阜陽北有6座水塔和二套75kW型號為250S39、三套135kW型號為300S58的水泵機組，承擔阜陽地區的供水任務。利用路局更新計劃安裝了四套90kW變頻器控制水泵機組的變頻恒壓供水設備，根據用水情況，停止使用4座水塔，運行管網合并為2個區，將原來的水塔的水位作為供水壓力信號，圓滿地解決出廠水壓力的問題，有效保證行車和旅客列車用水壓力，并且供水的安全性得到大大提高。通過實際使用，設計白天 8：00-20：00，0.4Mpa，其余時間為 0.36Mpa 的情況下，千噸水電耗較工頻運行時的水泵機組組成的系統降低電耗22.6%（原系統千噸水電耗190.7kWh，改造后減低為147.5kWh，一年就節約用電10萬kWh以上），取得良好效果。

合肥給水公司運行變頻調速系統以來，在節能方面收效很大。表2給出了運行變頻調速系統前后的數據月度對比。

表2 變頻器運行前后數據對比（前/后）

從表2中可以看出，采用變頻調速后，給水設備的使用效率明顯提高，由原先的71.1%上升到82.7%；設備的故障次數降低，由原先的月度平均21次降低11次。運營人員減少6名，降低了設備運營成本，經濟效益顯著。

4 總結與展望

水泵電動機的用電量占整個供水系統的用電量的90%以上，因此水泵電動機的節能非常重要。變頻器用于水泵電動機類設備驅動控制能取得十分顯著的節電效果，是一種理想的調速控制方式。既提高了設備效率，又滿足了生產工藝要求，并且可大大減少設備維護、維修費用。直接和間接經濟效益十分明顯，設備一次性投資回收很快，很有必要在鐵路建設項目中大力推廣。另外，使用變頻器，免去了許多繁瑣的人工操作，消除了許多不安全隱患因素，并使系統始終處在一種節能狀態下運行，合理地輪換使用電動機，能延長設備的使用壽命，更好地適應生產需要。隨著變頻器技術的發展，變頻調速技術必將在鐵路供水系統得到全面應用。