變頻調速在福建恒源自來水廠的設計應用
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PowerSmart系列高壓大功率變頻器，為電壓源型高-高變頻器。它采用多脈沖整流、多重化PWM、單元串聯疊加的多電平拓撲結構，具有模塊化設計、積木式組合、N+1備份、模塊故障自動切除不間斷運行、飛車啟動、反轉啟動、工頻與變頻不停電切換、單元自動旁路、整機自動與手動旁路、高壓掉電再恢復、低壓掉電可連續運行等功能，同時具有高功率因數、低諧波污染的特點，輸入和輸出電流波形均接近正弦波。作為“第四代中高壓變頻器”采用雙片DSP（數字系統處理器）作為控制系統的核心器件，解決了中、高壓變頻器采用工控機作為控制核心的所有缺點。本文通過高壓變頻器在現場大功率電動機負載上的應用，分析其工作原理，介紹了調速性能，對電壓源型高-高方式的高壓變頻器做了比較全面的介紹。
【關鍵詞】轉速、頻率、節能、電動機
一． 基本概況
福建恒源自來水股份有限公司坐落在福建省三明市，擔負著整個三明市民用水的供給以及福建三鋼，三化兩廠的工業用水，水廠共有水泵6臺，包括有三臺6KW的大功率水泵以及三臺3KW的小功率水泵，在引進高壓變頻器以前，水廠采用的是通過調節閥門開度的方式來控制水的流量，通過這種方式進行調節，主要存在以下幾個問題：
1、采用給水泵定速運行，閥門調整節流損失大、出口壓力高、管損嚴重、系統效率低，造成能源的浪費。
2、當流量降低閥位開度減小時，調整閥前后壓差增加工作安全特性變壞，壓力損失嚴重，造成能耗增加。
3、長期的40～70％閥門開度，加速閥體自身磨損，導致閥門控制特性變差。
4、管網壓力過高威脅系統設備密封性能，嚴重時導致閥門泄漏，不能關嚴等情況發生。
5、設備使用壽命短、日常維護量大，維修成本高，造成各種資源的極大浪費。
解決上述問題的重要手段之一是采用變頻調速控制技術。利用高壓變頻器對給水泵電機進行變頻控制，實現給水流量的變負荷調節。這樣，不僅解決了控制閥調節線性度差、純滯延大等難以控制的缺點，而且提高了系統運行的可靠性；更重要的是減小了因調節閥門孔口變化造成的壓流損失，減輕了控制閥的磨損，降低了系統對管路密封性能的破壞，延長設備的使用壽命，維護量減小，改善了系統的經濟性，節約能源。
二．泵類負載變頻調速基本原理
借助改變泵的轉速來調節流量，這是一種先進的電子控制方法。轉速控制的實質是通過改變所輸送液體的能量來改變流量。因為只是轉速變化，閥門的開度不變，如圖2所示，管阻特性曲線R1－Q也就維持不變。額定轉速時的揚程特性曲線Ha－Q與管阻特性曲線相交于點A，流量為Qa，出口揚程為Ha。
當轉速降低時，揚程特性曲線變為Hc－Q，它與管阻特性曲線R1－Q的交點將下移到C，流變為為Qc 。此時，假設將流量Qc控制為閥門控制方式下的流量Qb，則泵的出口壓頭將降低到Hc。因此，與閥門控制方式相比壓頭降低了：ΔHc=Ha-Hc。據此可節約能量為：ΔPc=ΔHc×Qb。與閥門控制方式相比，其節約的能量為：P＝ΔPb+ΔPc＝（ΔHb－ΔHc）×Qb
將這兩種方法相比較可見，在流量相同的情況下，轉速控制避免了閥門控制下因壓頭的升高和管阻增大所帶來的能量損失。在流量減小時，轉速控制使壓頭反而大幅度降低，所以它只需要一個比閥門控制小得多的，得以充分利用的功率損耗。泵的效率特性曲線η－Q，如圖3所示。隨著轉速的降低，泵的高效率區段將向左方移動。這說明，轉速控制方式在低速小流量時，仍可使泵機高效率運行。
三． 經濟型系統調度方案
自來水廠引進的九洲高壓變頻器是“一拖三”型變頻器，既變頻器配套三個旁路柜，分別與三臺電機相連，通過旁路柜的刀閘對三臺水泵進行工頻轉換，當一臺水泵處于變頻狀態時，其余兩臺水泵處于工頻運行狀態。由于水廠此前已經進行了節能運做，對其中的兩臺水泵（一臺國內生產，另一臺為德國生產）已經進行了切削，水輪葉的面積大大縮小，因此使水泵的額定功率變小，節能空間也不如切削之前的效果好，經過我方變頻調試人員同用戶的共同協商，決定以其中一臺未經過切削的#10水泵為主水泵，另外兩臺#9，#13水泵為備用泵。
三化，三鋼為自來水廠的兩個供水大戶。其中兩廠的情況如下：
1．自來水廠的主要供水單位有兩家，而兩家共用一個進水母管。
2．三化，三鋼的母管揚程大約差4米左右，三鋼為揚程低者。
3．三鋼由于過去需水量比較大，而且由于特殊工況要求，水量補充不允許中斷，因此廠內在近年建立了一個比較大的蓄水池，因次所需水量較小，而三化所需水量較大，三化所需水量大約為三鋼的1-2倍。
4．由于過去通過調節閥門控制水量大小，現在兩廠閥門皆沒處在全開狀態。
5．由于兩廠水量調節需通過用戶觀察員，用戶操作員，用戶調度，水廠調度，水廠操作員幾個環節，信息流通不是很快捷，閥門調節比較頻繁。
6．三化總共有九個進水閥門，其中6個供清水用，3個供鋼廠工業用水，但清水用水比較少，而閥門卻多，工業用水需求量大，而閥門卻少，這就造成蓄水池大量溢水，資源浪費嚴重。
高壓變頻器是一種新型的高科技節能產品，它的節能原理是取代了原有的控制閥門調節變為電動機轉速調節，根據上訴情況，我們提出了以下經濟性運行方案：
1．在水廠操作車間安裝三化，三鋼水流量表，這樣可以時時觀測到供水量，方便的對水量進行調整。
2．經常了解三鋼，三化進水閥門的開度情況，確保三化閥門為全開狀態。
3． 通過進10天的調試過程，我們發現三化水量在2700噸，三鋼水量為2000噸即為長期供水水量的最佳值。
4． 如果三化要加水，調度要了解三化需加水量，例如300噸，在通知水廠操作車間以流量表顯示為基礎，調節變頻器頻率，使三化水量加大到300噸為止。
5． 加減水量后，要了解三化水量情況，滿足后即調回正常供水情況。
6． 長期供水中，三鋼閥門有開大或開小的情況，如果開大閥門即三鋼水量增大了，此時調節變頻器頻率滿足三化供水要求，如關小閥門即三鋼水量減小，此時三化水量明顯增大，要即時調節變頻器頻率，使其達正常供水狀態，避免三化調節閥門。三鋼供水穩定后要提示他把閥門關到正常情況，調節變頻機組恢復到正常的供水環境。
7． 變頻機組#10可提供0-6000噸水量，若需水量大于6000噸，此時需加一工頻運行小機組，可再次通過對變頻器的調節控制水量，盡量不要使變頻器長期運行在50HZ工頻環境下。
四．變頻改造后的效益計算
我們從水泵調速節能原理得知，當水泵拖動電機工頻運行時，出力為額定值，轉速及功耗為額定值，當采用變頻調速時，可以按需要升降電機轉速，改變水泵的性能曲線，使水泵的額定參數滿足工藝要求，根據水泵的相似定律，變速前后流量、揚程、功率與轉速之間關系為：
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/P2=（n1/n2）3
Q1 、H1、P1—水泵在n1轉速時的流量、揚程、功率；
Q2、H2、P2—水泵在n2轉速時相似工況條件下的流量、揚程、功率
假如轉速降低一半，即：n2/n1=1/2，則P2/P1=1/8，可見降低轉速能大大降低軸功率達到節能的目的。從上圖中可以看出：當轉速由n1降為n2時，水泵的額定工作參數Q、H、P都降低了。但從效率曲線η-Q看，Q2點的效率值與Q1點的效率值基本是一樣的。也就是說當轉速降低時，額定工作參數相應降低，但效率不會降低，有時甚至會提高。因此在滿足操作要求的前提下，水泵仍能在同樣甚至更高的效率下工作。
為了使測量的數據更加真實，我們在高壓變頻穩定運行之后又進行了72小時的節能測試，我方調試人員在72小時之內時時記錄數據，包括電機電流，出水量，電機溫度，母管壓力，頻率，水位深度等，以便更準確的進行節能計算。如下表所示：
母管壓力均在0.212-0.228MPa之間，水位深度為8.88-8.93米，頻率保持在44HZ-46H，按場年均單耗132kwh計算，三天的平均節電率為15 %，在廠方已經采取了多次節能措施的前提下，能達到這樣的節能效果，客戶十分滿意。
五． 使用變頻器的附加效果
使用變頻器不但可以節能降耗，它的的許多附加效果也是值得稱道的。
1、減少電機啟動時的電流沖擊
電機直接啟動時的最大啟動電流為額定電流的7倍；星角啟動為4.5倍；電機軟啟動器也要達到2.5倍。觀察變頻器起動的負荷曲線，可以發現它啟動時基本沒有沖擊，電流從零開始，僅是隨著轉速增加而上升，不管怎樣都不會超過額定電流。因此凝泵變頻運行解決了電機啟動時的大電流沖擊問題，消除了大啟動電流對電機、傳動系統和主機的沖擊應力，大大降低日常的維護保養費用。
2、延長設備壽命
使用變頻器可使電機轉速變化沿凝泵的加減速特性曲線變化，沒有應力負載作用于軸承上，延長了軸承的壽命。同時有關數據說明，機械壽命與轉速的倒數成正比，降低凝泵轉速可成倍地提高凝泵壽命，凝泵使用費用自然就降低了。
3、降低噪音
我廠水泵改用變頻器后，降低水泵轉速運行的同時，噪音大幅度地降低，當轉速降低50%時，噪音可減少十幾個絕對分貝。同時消除了停車和啟動時的打滑和尖嘯聲，克服了由于調門線性度不好，調節品質差，引起管道錘擊和共振，造成給水系統上水管道強烈震動的缺陷，在水泵變頻運行后，噪音、振動都大為減少，變化相當可觀。
總之，水泵推廣使用變頻調速器，可以大幅度降低廠用電率，減少發電成本，提高競價上網的競爭能力。
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