供水泵房電機變頻改造應用研究

　　 摘 要：變頻調速技術使得電氣傳動控制領域發生了巨大的變革，是國際上一項應用最廣的高新技術。本文對水泵變頻節能原理及變頻調速方案進行了分析，結合工程應用實例分析了供水泵房電機變頻改造后的效果，為以后變頻改造提供了借鑒。
　　關鍵詞：供水泵 變頻加速 變頻改造 電機變頻
　　中圖分類號：TH3文獻標識碼：A文章編號：1672-3791(2011)06(c)-0000-00
　　
　　能源消耗是一個企業發展的重要指標，人口多、資源相對不足、環境承載能力弱，是中國的基本國情。為貫徹落實節約資源的理念，提高能源的利用率與節約能源受到廣泛的關注。因此，水泵房電機需進行變頻改造，實現發展與節能同步。全國泵類電機耗電相當全國電力消耗的1/5，其中，水泵的效率很低，能量浪費很嚴重。
　　因為用水隨時間與生產情況而變化，存在壓力不穩，能量消耗高等問題。為保證兩清水池水量平衡，操作人員與通過閥門調節水量的平衡。其缺陷是增加了勞動量，并且很難保持供水壓力的恒定。為了解決以上問題，本文采用變頻改造，變頻調速供水系統具有高供水質量，強靈活性，小耗電量，電機起制動平穩，無水錘效應，占地面積小，節約能源，原材料消耗小，降低系統的維護工作量和故障率等優點。經過改造可以解決以上問題的同時，也達到節約能源的目的。2008年，巴陵石化有限公司對其供水車間成功的進行了變頻改造，實現了工作效率高、故障少、節能等目標。因此，對供水泵電機變頻改造探討是具有很大的實際意義和現實意義。
　　
　　1 變頻節能原理分析
　　1.1變頻器工作原理
　　變頻器是一種將電網電源整流后再逆變成頻率、電壓可變的交流電供三相交流電動機專用的電源裝置，主要由功率模塊、超大規模專用單片機等構成。不同品牌的變頻器由于采用不同的功率模塊、單片機以及控制方式，其性能、功能等分別適用于不同的場合。在變頻調速時，電動機最大轉矩T=Cm（U/f）2，式中Cm-電動機常數，U-電源電壓，f-電源頻率，如果在改變電源頻率f的同時，同步的改變電源電壓U，可實現轉矩T不變的調速特性。
　　1.2供水泵調速節能原理
　　變頻調速是改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉速的調速方法。變頻調速系統主要設備是由提供變頻電源的變頻器所組成，變頻器通常可以分成交流--直流--交流變頻器和交流--交流變頻器兩大類，目前國內大多數所使用的變頻器主要為交--直--交變頻器。鑒于工程實踐經驗，本供述泵房電機變頻工程同樣采用交--直--交變頻器。
　　在各種變頻調速的應用中，最節能的方式是用調節轉速來調節流量。流量Q壓力H、軸功率Ps為泵的基本參數。如圖1為水泵調速時的Q-H曲線。水泵在A點的效率最高，輸出的流量為100%，軸功率Ps1與Q1、H1的乘積成正比。調節閥門可以調節流量從100%-50%，但是，此時管網阻力增加了，即使流量雖然降低了，壓力卻也增加了，而且水泵軸功率Ps2與BH2OQ3的面積的比，降低很少。但是如果采用變頻調速，如圖1所示，水泵的轉速會從n1降低至n2。從圖1可清晰地發現，在滿足相同流量Q2的前提下，水壓降至H3時，軸功率與CH3OQ2的比值明顯地降低了，這意味著軸功率得到了明顯的節約，從而達到了節能的目的。
　　
　　
　　
　　圖1變頻調速H-Q曲線
　　1.3變頻改造優點
　　控制方式通過采用變頻控制以取代原先的交流恒壓恒速控制，這種通過采用變頻控制的控制系統，并根據實際情況制定供水流程，分段設置變頻頻率，進而控制供水泵房電機的運行速度，從而在達到充分高效排泥的同時節省水耗和能耗。較多工程實踐表明，供水泵房電機的控制方式通過改造后可有效地的延長供水周期；減少了10%的用電量；提高了濾前水質，而且有相當顯著的節能降耗效果。
　　
　　2 改造方案
　　2.1常見泵類調速方法比較
　　變頻調速。這種調速方法主要原理是通過改變供電電源頻率，機械性能最好，功率因素一般優，節能效果顯著，調速范圍廣平滑，投資高，對電網有污染。
　　電磁調速，這種調速方法的電磁調速電動機由籠型電動機、電磁轉差離合器和直流勵磁電源（控制器）三部分組成。直流勵磁電源功率較小，通常由單相半波或全波晶閘管整流器組成，改變晶閘管的導通角，可以改變勵磁電流的大小。其主要原理是調節磚差耦合器的勵磁電流。機械性能差，功率因素良好，有節點效果，調速范圍一般平滑，投資一般，轉差損耗較大。
　　液力耦合器調速，這種調速方法的液力耦合器是一種液力傳動裝置，一般由泵輪和渦輪組成，它們統稱工作輪，放在密封殼體中。主要原理是控制耦合泵液體流量，機械性能差，功率系數良好，有節點效果，調速范圍一般平滑，投資一般，舊設備改造困難。
　　串級調速，這種調速方法的串級調速是指繞線式電動機轉子回路中串入可調節的附加電勢來改變電動機的轉差，達到調速的目的。大部分轉差功率被串入的附加電勢所吸收，再利用產生附加的裝置，把吸收的轉差功率返回電網或轉換能量加以利用。其主要功能是改變轉子反動勢，機械性能一般，功率因素差，有較好的節電效果，調速范圍平滑較寬，投機較高，只能使用在繞組型電動機。
　　調壓調速，這種調速方法的主要功能是改變電機端電壓，機械性能較差，功率因素良好，有節電效果，調速一般平滑，投資一般，調速效率低。當改變電動機的定子電壓時，可以得到一組不同的機械特性曲線，從而獲得不同轉速。由于電動機的轉矩與電壓平方成正比，因此最大轉矩下降很多，其調速范圍較小，使一般籠型電動機難以應用只適合與小型鼠籠電機。
　　通過以上的五種方案比較表明，顯然變頻調速方案優勢顯著，有很好的機械性能、最好的功率因素、節能效果顯著，調速平滑，其缺點就是造價高，產生高次諧波對電網有污染。
　　2.2常見供水變頻方案
　　變頻泵固定方式。在整個系統中只有一臺變頻器，其工作原理是變頻器連接第一臺水泵，其他水泵通過軟啟動器和PLC鏈接，由變頻器控制加泵減泵。其優點是不會出現失壓的現象，加入變頻器壞死，可以用軟啟動器手動啟動水泵，所以備用啟動不需要做。其缺點是投資較大。
　　變頻泵循環法方式。由PLC控制切換，變頻器控制輸出端口信號。變頻器鏈接在第一臺水泵上，當需要加泵時，變頻器鏈接在第二臺，第一臺照常工作，還需加泵，變頻器鏈接在第三臺，一二臺照常工作，依照此原理進行循環。當需要減泵時，系統關掉第一臺，還需減泵，系統再關掉第二臺，依次循環。其優點是可以保證一臺水泵變頻，無論用水量如何變化都可以保證管內壓力恒定。其缺點是變頻切換過程當中，變頻器需停止1s，可能造成短時失壓現象。
　　
　　3 工程實例
　　3.1項目簡介
　　廠區供水水泵采用降低電機同步轉速的高效率變頻調速裝置進行節能改造。項目完成時間：2011年7月至2011年12月。目的：一方面可以降低電機電流而保證電機安全運行；另一方面可以讓電機與水泵自適應地合理匹配，從而使系統達到最佳運行效果。預計投資：總容量400 kW/套高效率變頻調速裝置大概報價是200萬元人民幣，保守估計，整個工程總投入約230萬元人民幣。
　　 3.2改造后的效果分析
　　 表1對改造前年用電量與改造后年用電量做了對比，得出改造后年節電量高達473040 kWh 。除此之外，表1電機功率與實際功率做了分析對比，從表1的分析結果表明，水泵電機采用降低電機同步轉速的高效率變頻調速裝置后有15%節能。
　　采用降低電機同步轉速的高效率變頻調速裝置可以對電機軟啟動軟停止，有效地保護了電機，延長了水泵電機的壽命；同時電機停止啟動出現的水錘想象得到了消除。
　　不同水泵運行時間基本相同，設備的綜合利用率提高了。同時，消除了同時無壓力的現象，水泵在流量臨界點工作時切換頻繁的現象得到消除，給設備的維護帶來了方便。
　　
　　4 結語
　　隨著變頻技術的發展，變頻調速已經是國際高新技術，但是由于其成本較高，一直沒有得到廣泛的應用。所以，研究一種新型的、廉價優質和高性能的變頻器是重點。本文對供水泵房的電機變頻節能原理及變頻調速方案進行了分析，結合工程應用實例分析了供水泵房電機變頻改造后的效果。工程實踐表明，經改造后的變頻供水系統具有很好的經濟效益和社會效益，其節能效果明顯，優點顯著，具有很大的使用價值，可為今后變頻改造提供了借鑒。
　　
　　參考文獻
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