高壓變頻器在自來水廠中的節能應用及效果分析

張 建

（揚州自來水有限責任公司江蘇揚州225000）

高壓變頻器在自來水廠中的節能應用及效果分析

張 建

（揚州自來水有限責任公司江蘇揚州225000）

本文著重介紹了高壓變頻器的工作原理和節能原理，分析了在揚州自來水供水公司送水泵站中的應用和節能方式。結果表明，采用變頻裝置調速后，不僅實現了電機的軟啟動，節約了維修費用，同時平滑調節管網壓力安全生產，節約電費降低制水成本，使送水泵站成為名副其實的節能型泵站

變頻器；水廠；節能應用；技術；原理

隨著社會的發展，技術的進步，廣大企業及個人用戶急需實現城市恒水壓供水。為此揚州自來水有限責任公司對部分原有工頻中壓(6kV)電機進行了變頻調速系統的技術改造。我廠供水泵房原有五臺水泵，全部定速運行，正常生產功率總需求在380kW～1000kW之間，由于用戶用水特性的關系，日夜供水量差異較大，為保證服務水壓在規定范圍內，需要調節閥門開度或更替大、小水泵出水，使得水泵頻繁啟、停，引起電機、水泵、閥門故障的增加，水錘效應的產生，對管網也會頻繁產生沖擊，不但浪費了能源還損害了設備。為實現降本增效，提高供水質量，實現恒水壓供水，逐步達到自動化水廠的生產要求，公司決定對部分機組加裝變頻調速系統。

1 變頻器

1.1 變頻器的概念

變頻器，指一種電力設備控制裝置，它的定義是：一種可以對電源電壓進行調整，對電流頻率進行改變的電氣設備。變頻器是科學發展下，變頻技術與電子技術的結合產物。過去的變頻器在使用時多被包含在電動發電機等電氣設備中，并不能獨立進行作業，而伴隨著科學技術的發展以及半導體電子設備的出現，今天的變頻器在使用時已經可以完全脫離各種電氣設備，單獨進行使用。目前，變頻器被廣泛應用于工業設備和家用電氣設備中。

1.2 變頻器的應用特點

變頻器的應用范圍比較廣泛，當其應用于工業設備或電氣設備中時，可以起到良好的節電節能作用。供水行業使用變頻器的目的是為了避免和解決供水故障，從而達到提高水廠供水質量水平的目的。總的來說，變頻器的應用特點主要有：其對電能的耗損率極低，且還可以將某些因用量變化而浪費的電能儲存與節約下來，在節約電能的同時，也提高了電能的利用率；由于其具有調整電源電壓，改變電流頻率方式的功能，因此在應用時它可以有效提高水廠的供水效率，并且可以根據用水季節的不同而自動調整電流頻率，實現平衡管網供水水壓的功能；此外，變頻器的使用還可在一定程度上降低供水系統中設備的損耗率，減少機械運作期間的噪音，在滿足了水廠生產工藝要求的基礎上，還可有效改善生產車間的勞動環境。

2 變頻調速原理

選用的是羅克韋爾PowerFlexTM 7000的高低壓變頻器，其采用了多電平串聯技術，主要由移相變壓器、功率單元和控制器組成。羅克韋爾PowerFlexTM7000采用了脈寬調制技術（PWM）-電流源逆變器（CSI）作為驅動端逆變器，如圖1所示。這種結構簡單、可靠和高性價比的功率單元，能適應較寬的電壓和功率范圍。電力半導體開關器件在中壓范圍內可以串聯使用。由于采用了母線電感器進行電流限制，所以功率單元不需要半導體熔斷器。

圖1 PWM-CSI交流變頻器

變頻調速系統主要通過為水泵電動機提供頻率可變的供電電源，進而實現水泵電動機的無極調速，最終依照預先設定的參數實現管網水壓自動化地連續變化。由三相異步電動機定子每相電動勢的有效值。

式中Eg—氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值（V）

f1—定子頻率（HZ）

Ns—定子每相繞組串聯匝數；

KNs—定子基波繞組系數；

Φm—每極氣隙磁通量（Wb）

當在實際利用變頻器調節電機轉速的過程中，當供電電壓E一定時，若f1變化則引起Φm會隨之變化。f1降低，磁通則上升，造成磁路過飽和，電流上升，使電動機帶載能力降低，cosΦ降低，鐵損增加，電機過熱；反之，f1上升，Φm下降，在R（負載）一定時，有過流的危險。因此希望Φm可以保持基本不變。要實現這個目標，只要控制好Eg和f1，便可達到控制磁通Φm的目的，即

則磁通Φm可保持基本不變。因此變頻的同時也要變壓，即變頻調速控制方式中的V/F控制，常用VVVF表示。常見的變頻調速控制方式還有轉差頻率控制、矢量控制和直接轉矩控制。

3 變頻技術與變頻器在水廠供水中的應用

交流電動機變頻調速技術尤其是計算機控制技術的成熟使得PLC和變頻調速結合得更加緊密，能夠為水廠發揮的積極作用更加明顯。水廠供水變頻調速系統具有操作簡單、高可靠性、高抗干擾性、供水壓力恒定以及節能高效的優勢；同時，借助于對該系統的更深入應用，水廠可以實現無人值守；另外，該系統可以實現多臺水泵的軟啟動以及軟停車，將傳統操作方式容易導致的管網水錘效應降到最低；借助于網絡通信技術，能夠實現對水泵機房的遠程數據維護和遠程控制，拓展變頻器的操作靈活性并提高其工作可靠性。

3.1 PLC控制系統的優化與改善

供水變頻調速系統主要包括現場控制層、控制主干層以及管理層三個部分。若系統采用DCS（分布式控制系統）結構，實現難度比較低。DCS的控制模式采用“分散控制、集中管理”的多級控制模式，功能雖然分散，但是系統的可靠性得到了提高，水廠的控制主干層通訊利用以太網進行。另外，現代化管理的發展趨勢也應該是水廠當前需要考慮的重要問題：水廠的管理網絡應該包括中心控制室的計算機系統，另外，為了能夠實現數據共享，水廠采集的各種數據都被輸入到管理網絡系統的服務器當中；生產數據和管理數據均被存放于同一個數據庫當中，并能夠對水廠的實際運行情況進行實時監視；另外服務器采用雙硬盤配置，提高了數據安全性；客戶端和服務器采用100Mb網卡，提高信息的傳輸速度。

3.2 變頻技術與變頻器可在水廠供水中的應用

變頻技術與變頻器具有非常高的節電率，其節能降耗效果顯著，不僅能夠節省水廠冗余設計所導致的資源浪費，而且還因為功率因數和調速精度高等獲得更加良好的運行效益。變頻技術可在減低設備與物料的損耗、降低機械噪聲和損耗的同時，也能夠有效提高供水的質量與數量，滿足生產工藝的動態要求。

4 變頻調速系統的運行情況

公司變頻調速系統為全天候連續不間斷運行，當系統運行在工頻狀態下，泵口實際壓力值遠離給定值時，啟動一臺工頻機組，滿足用水量要求。此時，通過變頻系統的調節，出水流量滿足用水流量要求。

水泵泵口壓力給定值的設定，是根據四季用水流量需求曲線和全天用水需求曲線歷史數據分析產生。城市供水管網正常運行時，變頻系統按給定值閉環運行；當城市管網出現異常，在上位機上可實時改變給定值，滿足供水需求。

通過變頻調速系統5年來的運行，明顯的降低了千噸水電耗，經測算(除去維修保養時間以年運行340天計，每天節約1440kW/d)年節約電能約49×104kW·h，大幅減少了工頻電機的啟停次數，降低了泵房工作人員的工作強度，泵口壓力曲線趨于平滑，消除了因管網壓力過高引起的爆管，降低了管網運行時的漏失水量。為實現全自動恒壓供水提供了有效的數據積累。

5 結語

為了滿足水廠的生產工藝要求，勢必要采用和推廣變頻調速技術，利用變頻器的節能功能可推動我國供水技術的不斷進步與發展。通過變頻調速應用前后對比，公司實現了恒水壓供水；變頻機組能夠柔性啟動，降低了啟動電流，明顯減少了千噸水電能消耗，經統計較原來工頻機組降低15%左右的電耗。實踐證明高壓變頻器性能穩定，運行可靠，是一種高效的水廠節能裝置，可在水廠節能工作中得以廣泛應用。

[1]曲琳,郭洪波,張磊.PowerFlex7000高壓變頻器在水廠的應用[J].黑龍江科技信息,2012,(24):8-8.

[2]張文勇,胡令芝,郭培彬.高壓變頻器在自來水廠中的應用[J].變頻器世界,2015,(3).