試論變頻器在供水泵站節(jié)能降耗中的應(yīng)用

梁躍施

（佛山水業(yè)三水供水有限公司，廣東 三水 528100）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，許多城市不得不限水限電，因此，國家每年出巨資進(jìn)行大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。對(duì)于供水泵站而言，目前絕大多數(shù)存在設(shè)備陳舊，工藝及供電設(shè)備老化，自動(dòng)化水平低下，水耗、藥耗、材耗嚴(yán)重等情況。為此，供水泵站的降耗節(jié)能工作已到了刻不容緩的地步。變頻調(diào)節(jié)是現(xiàn)代一種先進(jìn)的高效節(jié)能技術(shù)，它集電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一身，可以很好的在供水泵站中實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

1 變頻器的組成

一般家用或工廠電氣設(shè)備多采用交流電源，但這些設(shè)備的控制部分也少不了要采用直流電。把交流變?yōu)橹绷鞣Q為整流，把直流變?yōu)榻涣鞣Q為逆變，用于逆變的裝置稱為逆變器，逆變器是變頻器的核心部件，如圖1。

變頻器是由主回路和控制回路兩部分組成的。

主回路由整流器（整流模塊）、濾波器（濾波電容）和逆變器（大功率晶體管模塊）三個(gè)主要部件構(gòu)成。控制回路由單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電路和光隔離電路組成。主回路各點(diǎn)的波形，除輸入電壓外，均不是光滑的正弦波。輸入電流為雙脈沖波，輸出電壓為方波，輸出電流為含有多種高次諧波的正弦波。

目前新型變頻器一般都帶有通信接口，可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)變頻器的通信功能，可將上位機(jī)的運(yùn)行指令下達(dá)，也可將變頻器的運(yùn)行狀態(tài)上傳。在需要高精度控制時(shí)，可將反饋信號(hào)反饋到變頻器，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。

2 變頻器的控制

在風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)械的節(jié)能運(yùn)轉(zhuǎn)中應(yīng)用的變頻器采用VVVF控制即恒U/f控制。就是在改變頻率的同時(shí)控制變頻器的輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)的磁通保持一定，在較寬的范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、效率、功率因數(shù)不下降。因?yàn)槭强刂齐妷篣和頻率f的比所以稱為恒U/f控制。變頻器與電動(dòng)機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見圖2。

在進(jìn)行電機(jī)調(diào)速時(shí)，通常要考慮的一個(gè)重要因素是希望保持電機(jī)中每極磁通量為額定值，并保持不變。在交流異步電動(dòng)機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子磁勢合成產(chǎn)生的。三相異步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢有效值是Eg=4.4f1N1K1Φm，其中Eg是氣隙磁通在定子繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢，單位是V；f1為定子頻率，單位是Hz；N1是定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；K1為繞組系數(shù)；Φm為每極氣隙磁通，單位是Wb。由此可知，只要控制好Eg和f1，便可以達(dá)到控制磁通Φm的目的。若忽略定子壓降，則繞 組 外 電 壓 U1 ≈Eg，U1/f1=4.4N1K1Φm，因此，變頻器要維持磁通只要使U1與f1成比例即可。

3 變頻器在供水泵站節(jié)能降耗中的應(yīng)用

在自來水供應(yīng)中，由于用戶對(duì)水量需求的變化，管道中自來水的流量和壓力是在不斷變化的，如果壓力過高會(huì)導(dǎo)致管線設(shè)備的負(fù)荷過重，甚至引起爆管事故；如壓力太低則會(huì)導(dǎo)致部分用戶水量不足甚至大面積停水。為了將壓力維持在一定的范圍內(nèi)，自來水公司所屬的泵站和水廠大都在調(diào)度中心的指揮下采用開啟或關(guān)閉水泵的方法來調(diào)節(jié)管道壓力。但對(duì)于有些需要恒定水壓的地區(qū)，如居民小區(qū)的增壓泵站等，供水量隨時(shí)間的變化很大，采用該方法來調(diào)節(jié)水壓就顯得比較費(fèi)力。為實(shí)現(xiàn)恒壓供水，這些泵站均采用了變頻器。

下面以某小區(qū)的泵站為例，簡述變頻器的應(yīng)用。

該泵站共有4臺(tái)水泵，每臺(tái)電機(jī)的容量為50kW，其中3臺(tái)工作，1臺(tái)備用。具體要求如下：

3臺(tái)水泵分別可以調(diào)速和定速運(yùn)行，變頻器只能作1臺(tái)電機(jī)的變頻電源。故各臺(tái)電機(jī)的啟動(dòng)、停止必須互相聯(lián)鎖，以保證可靠切換。

兩臺(tái)以上的水泵工作時(shí)，1臺(tái)由變頻器供電，其余由工頻供電，其運(yùn)行有互鎖控制。

當(dāng)水壓低于設(shè)定值（目前設(shè)為250kPa）時(shí)，1臺(tái)水泵啟動(dòng)采用變頻器調(diào)速，直至達(dá)到定值，如1臺(tái)電動(dòng)機(jī)全速運(yùn)行（工頻狀態(tài)）壓力仍然達(dá)不到要求，則該水泵切換至工頻供電，第二臺(tái)水泵啟動(dòng)，由變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，直至達(dá)到要求，如還達(dá)不到要求則啟動(dòng)第三臺(tái)水泵。壓力高時(shí)則反之。

該泵站采用日本富士公司生產(chǎn)的FRENIC5000系列變頻器，主回路采用大功率晶體管模塊，用單片計(jì)算機(jī)控制。

采用變頻器后，啟動(dòng)電流小于1.5倍額定電流，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，電機(jī)的啟動(dòng)特性得到明顯改善。通過變頻器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，由于在正常情況下無須人工干預(yù)水泵運(yùn)行，可大大降低值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至可實(shí)現(xiàn)無人值守。

變頻器還可用于泵站的二次加氯設(shè)備。以浦威泵站管理所托管的北區(qū)泵站為例，該泵站采用德國普羅明特公司生產(chǎn)的計(jì)量泵進(jìn)行次氯酸鈉的加注。該計(jì)量泵通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋紐來實(shí)現(xiàn)加注量的控制，調(diào)節(jié)加注量十分麻煩。經(jīng)過改造，加裝了1臺(tái)施耐德公司生產(chǎn)的PLC和富士公司生產(chǎn)的變頻器。控制原理如下：余氯儀將水中的余氯值轉(zhuǎn)換為4～20mA模擬量信號(hào)傳遞給PLC，PLC據(jù)此通過變頻器來控制次氯酸鈉的加注量，形成閉環(huán)控制。目前浦威泵站管理所共有7個(gè)泵站裝有類似的計(jì)量泵，都采用人工至現(xiàn)場調(diào)節(jié)，如采用新型帶有模擬量控制的計(jì)量泵則需要很高的費(fèi)用，如采用變頻器控制則只需較少的費(fèi)用即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。

變頻器的合理運(yùn)用，還可降低能耗。以某泵站的3#機(jī)組為例，2007年使用變頻器改造后在平均揚(yáng)程為39kPa的情況下，平均電耗由原來的59.69kWh降到39.86kWh；2008年度運(yùn)行4266小時(shí)，節(jié)約電量 84595kWh；2009年度運(yùn)行4280小時(shí)，節(jié)約電量84872kWh；2010年度運(yùn)行4270小時(shí)，節(jié)約電量84674kWh。

由此可見，水泵采用交流變頻調(diào)速技術(shù)后，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性明顯提高，控制偏差小于1%，各參數(shù)波動(dòng)幅值小，泵的出口壓力降低，揚(yáng)程下降，節(jié)能效果明顯。

4 變頻器的維護(hù)

為使變頻器能長期可靠的連續(xù)運(yùn)行，防患于未然，應(yīng)進(jìn)行日常檢查和定期檢查維護(hù)。

日常檢查可不卸下外蓋，通電和啟動(dòng)后，目測變頻器的運(yùn)行狀況，確認(rèn)無異常情況。通常應(yīng)注意：鍵盤面板顯示是否正常；有無異常的噪聲、振動(dòng)和氣味；有沒有過熱或變色等異常情況；周圍環(huán)境是否符合規(guī)范。

定期檢查要切斷電源，停止運(yùn)行并卸下變頻器的外蓋。由于變頻器內(nèi)有較大容量的電容器，必須充分放電后才能開始檢查工作。主要檢查維護(hù)項(xiàng)目有：①周圍環(huán)境是否符合規(guī)范；②主電路、控制電路電壓是否正常；③顯示面板是否清楚，有無缺少字符；④框架結(jié)構(gòu)件有無松動(dòng)，導(dǎo)體、導(dǎo)線是否破損；⑤濾波電容器是否漏液，電容量是否降低；⑥電阻、電抗、繼電器、接觸器等接線是否松動(dòng)或斷線；⑦電路板有無銹蝕、斷裂等；⑧冷卻風(fēng)扇是否正常和通風(fēng)口是否通暢。

結(jié)語

總之，變頻器的優(yōu)點(diǎn)十分明顯，在供水泵站上運(yùn)行不僅安全可靠，還滿足用水量隨時(shí)變化的需要，具有明顯的節(jié)能降耗作用。只要加強(qiáng)日常的維護(hù)保養(yǎng)，變頻器在供水泵站節(jié)能降耗中的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益還是十分顯著的。

[1]陳運(yùn)真.變頻器在水工業(yè)節(jié)能降耗中的作用[J].電機(jī)與控制應(yīng)用.2007(05)

[2]姜延柏;郗安民;劉穎;吳太國.變頻器在給水工程中節(jié)能降耗的分析[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新.2004(06).