變頻器在污水處理廠生產實際中的應用

李東奇

摘要：污水處理廠是城市環保的重要基礎設施之一，為城市污水治理發揮至關重要的作用。這就要求水廠必須具備成熟的處理工藝，出色的處理能力。然而，我廠傳統進水方式是靠橫速水泵供水，進水量大小不能根據實際情況進行調節，且水泵電機一直處于高速運轉，造成很大的電能浪費。甚者，譬如廠區供暖系統還需要值班人員按時啟動補水泵向系統注水，這些問題均亟需解決。本文主要闡述變頻器在供暖補水系統以及廠區大功率設備節能方面的應用。

關鍵詞：變頻器；水泵；節能

1.我廠原供暖系統描述

從供暖公司輸入我廠的供暖水在換熱器處與廠自循環系統進行熱交換，而后經一循環泵將熱交換后的水輸向綜合樓及各生產工段。然而在生產實際中，管道可能存在漏點及人為放水等不可測因素。因此，在此循環系統中還需加裝一臺補水泵。原補水泵在工頻下運行，向系統補水過多，無法達到良好的供暖效果。因此，我廠起初采用人為補水，每天于固定時間段開啟補水泵。采用人工操作，一是麻煩，二是注水的精確度無法保障，補水效果也是一般。于是我們想到了利用變頻器的調速性質進行技術改進。

2.變頻器的基本構成及原理

變頻器是建立在電力電子技術基礎之上的。在低壓交流電動機的傳動控制中，應用最多的器件有GTO（門極可關斷晶閘管）、GTR、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）它們給異步電動機提供調壓調頻電源。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進行控制。而控制指令則根據外部的運轉指令進行運算獲得。對于需要更精密速度或快速響應的場合，運算還需要包含由變頻器主電路和傳動系統檢測出來的信號和保護電路信號，即防止因變頻器主電路的過電壓、過電流引起的損壞外，還應保護異步電動機及傳動系統等。其主要工作電路由三部分構成，將工頻電源變換為直流功率的整流器，吸收在整流和逆變時產生的電壓脈動的平波回路，以及將直流功率變換為交流功率的逆變器。另外，異步電動機需要制動時，有時要附加制動回路。其原理圖如下：

2.1整流器

通常大量使用的是二極管的變流器。如圖，把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體變流器構成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉。

2.2平波電路

在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變變流器產生的脈動電流也可使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路的構成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。

2.3逆變器

同整流相反，逆變器的作用是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，根據PWM控制信號使6個開關器件導通、關斷，就可以得到三相頻率可變的交流輸出。

2.4控制回路

給異步電動機供電（電壓、頻率可調）的主電路提供控制信號的回路，稱為控制電路?？刂齐娐酚梢韵码娐方M成，頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓/電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”。

控制電路主要包括：

2.4.1 運算電路

將外部的速度、轉矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器輸出電壓、頻率。

2.4.2電壓/電流檢測電路

與主回路電位隔離、檢測電壓、電流等。

2.4.3 驅動電路

為驅動主電路器件的電路。它使主電路器件導通、關斷。

2.4.4 速度檢測電路

以裝在異步電動機軸上的速度檢測器（TG、PLG等）的信號為速度信號，送入運算回路，根據指令和運算可使電動機按指令速度運轉。

2.4.5保護電路

檢測主電路的電壓、電流等，當發生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。

3.變頻器的調速原理及特性：

三相異步電動機的轉速表達為

n=60fs/p*（1-s）

fs：電機定子的頻率

P：電機定子的繞組極對數

S：轉差率

有此式可以看出若均勻地改變定子供電頻率fs，則可以平滑地改變電機的同步轉速，如s的變化范圍不大，則可認為，調節定子頻率fs時，異步電動機的轉速n大致隨之成正比變化。異步電動機的主體材料為鐵磁物質，為了使鐵心材料得到充分利用，在工作過程中應保持磁通為額定值。這樣，異步電動機在變頻調速時，為了既得到所需的電磁轉矩，又使鐵磁材料被充分利用，則應盡可能地使氣隙磁通恒定并為額定值。由關系式Vs≈4.44fsФNs可知，要使磁通恒定，在調節定子頻率時，必須同時使定子電壓成比例地增加，否則氣隙磁通將降低；當降低定子頻率時，必須同時使定子電壓成比例地降低，否則將超過飽和磁密導致勵磁電流過大而損壞電機。也就是說，對電機供電的變頻電源一般要求兼有調壓和調頻兩種功能，通常將這種電源稱為VVVF（變壓變頻）型變頻電源。前述GTR按PWM方式構成的逆變器恰好能滿足這些要求。

綜合上述可知，變頻器卻可在生產實際中啟到調壓調速的作用。而在操作實際過程中，只需知道我廠自循環供暖系統，在不失水的情況下，系統壓強為多少，所以我們在回水管道處，加一壓力表。而在補水系統的電機控制回路中，加裝一臺變頻器，及在補水泵的出口處安裝壓力表，調節變頻器使泵的出口端壓強與循環系統的壓強相等。這樣如循環系統失水，補水泵可自行向系統補水，不再需要人工按時啟動補水泵補水，大大節約了人力成本及維護成本。

4.變頻器在我廠設備節能方面的應用

我廠主要設備為風機、水泵。如遇特殊情況，如夏季雨量過多，設備停產檢修等，均需調節出風量、進水量，而使用變頻器可以大幅度減少以往機械方式調控流量造成的能量損耗。當泵的轉速在某一范圍內變化時，流量、總揚程、軸功率有下列關系：

Q/Qo=N/No H1/H2=（N/No）? P1/P2=（N/No）?

可知當流量減為原來的一半時，功率變為額定功率的1/8從而大大節約了電能。

以我廠為例，日均處理量40萬t，每噸水電耗0.28kwh/t。而采用變頻調速節能后，每噸水電耗0.22kwh節約了近1/4的電能。以現在0.9元/kwh計算，全年將節省788.4萬元，經濟效益明顯。

結論：

我廠使用變頻器后，無論在人工成本還是生產成本上，都獲得了很大降低。從而使企業利潤值邁向新臺階，也為東北環保產業集團下屬水廠提供了技術范本。

參考文獻

[1]《變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合應用技術》/岳慶來主編.—北京：機械工業出版社，2006.4

[2]《電力電子器件及其應用》李序葆，趙永健編著.—北京：機械工業出版社，1996

（作者單位：國電東北環保產業集團有限公司仙女河污水處理廠）