變頻調速在福建恒源自來(lái)水廠(chǎng)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(lián)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(dòng)切除不間斷運行、飛車(chē)啟動(dòng)、反轉啟動(dòng)、工頻與變頻不停電切換、單元自動(dòng)旁路、整機自動(dòng)與手動(dòng)旁路、高壓掉電再恢復、低壓掉電可連續運行等功能，同時(shí)具有高功率因數、低諧波污染的特點(diǎn)，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(diǎn)。本文通過(guò)高壓變頻器在現場(chǎng)大功率電動(dòng)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(guān)鍵詞】轉速、頻率、節能、電動(dòng)機
一． 基本概況
福建恒源自來(lái)水股份有限公司坐落在福建省三明市，擔負著(zhù)整個(gè)三明市民用水的供給以及福建三鋼，三化兩廠(chǎng)的工業(yè)用水，水廠(chǎng)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(jìn)高壓變頻器以前，水廠(chǎng)采用的是通過(guò)調節閥門(mén)開(kāi)度的方式來(lái)控制水的流量，通過(guò)這種方式進(jìn)行調節，主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：
1、采用給水泵定速運行，閥門(mén)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(kāi)度減小時(shí)，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(cháng)期的40～70％閥門(mén)開(kāi)度，加速閥體自身磨損，導致閥門(mén)控制特性變差。
4、管網(wǎng)壓力過(guò)高威脅系統設備密封性能，嚴重時(shí)導致閥門(mén)泄漏，不能關(guān)嚴等情況發(fā)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(wèn)題的重要手段之一是采用變頻調速控制技術(shù)。利用高壓變頻器對給水泵電機進(jìn)行變頻控制，實(shí)現給水流量的變負荷調節。這樣，不僅解決了控制閥調節線(xiàn)性度差、純滯延大等難以控制的缺點(diǎn)，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(mén)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(cháng)設備的使用壽命，維護量減小，改善了系統的經(jīng)濟性，節約能源。
二．泵類(lèi)負載變頻調速基本原理
借助改變泵的轉速來(lái)調節流量，這是一種先進(jìn)的電子控制方法。轉速控制的實(shí)質(zhì)是通過(guò)改變所輸送液體的能量來(lái)改變流量。因為只是轉速變化，閥門(mén)的開(kāi)度不變，如圖2所示，管阻特性曲線(xiàn)R1－Q也就維持不變。額定轉速時(shí)的揚程特性曲線(xiàn)Ha－Q與管阻特性曲線(xiàn)相交于點(diǎn)A，流量為Qa，出口揚程為Ha。
當轉速降低時(shí)，揚程特性曲線(xiàn)變?yōu)镠c－Q，它與管阻特性曲線(xiàn)R1－Q的交點(diǎn)將下移到C，流變?yōu)闉镼c 。此時(shí)，假設將流量Qc控制為閥門(mén)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(mén)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(mén)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(jiàn)，在流量相同的情況下，轉速控制避免了閥門(mén)控制下因壓頭的升高和管阻增大所帶來(lái)的能量損失。在流量減小時(shí)，轉速控制使壓頭反而大幅度降低，所以它只需要一個(gè)比閥門(mén)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(xiàn)η－Q，如圖3所示。隨著(zhù)轉速的降低，泵的高效率區段將向左方移動(dòng)。這說(shuō)明，轉速控制方式在低速小流量時(shí)，仍可使泵機高效率運行。
三． 經(jīng)濟型系統調度方案
自來(lái)水廠(chǎng)引進(jìn)的九洲高壓變頻器是“一拖三”型變頻器，既變頻器配套三個(gè)旁路柜，分別與三臺電機相連，通過(guò)旁路柜的刀閘對三臺水泵進(jìn)行工頻轉換，當一臺水泵處于變頻狀態(tài)時(shí)，其余兩臺水泵處于工頻運行狀態(tài)。由于水廠(chǎng)此前已經(jīng)進(jìn)行了節能運做，對其中的兩臺水泵（一臺國內生產(chǎn)，另一臺為德國生產(chǎn)）已經(jīng)進(jìn)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(jīng)過(guò)我方變頻調試人員同用戶(hù)的共同協(xié)商，決定以其中一臺未經(jīng)過(guò)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(lái)水廠(chǎng)的兩個(gè)供水大戶(hù)。其中兩廠(chǎng)的情況如下：
1．自來(lái)水廠(chǎng)的主要供水單位有兩家，而兩家共用一個(gè)進(jìn)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(guò)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(chǎng)內在近年建立了一個(gè)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(guò)去通過(guò)調節閥門(mén)控制水量大小，現在兩廠(chǎng)閥門(mén)皆沒(méi)處在全開(kāi)狀態(tài)。
5．由于兩廠(chǎng)水量調節需通過(guò)用戶(hù)觀(guān)察員，用戶(hù)操作員，用戶(hù)調度，水廠(chǎng)調度，水廠(chǎng)操作員幾個(gè)環(huán)節，信息流通不是很快捷，閥門(mén)調節比較頻繁。
6．三化總共有九個(gè)進(jìn)水閥門(mén)，其中6個(gè)供清水用，3個(gè)供鋼廠(chǎng)工業(yè)用水，但清水用水比較少，而閥門(mén)卻多，工業(yè)用水需求量大，而閥門(mén)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(chǎn)品，它的節能原理是取代了原有的控制閥門(mén)調節變?yōu)殡妱?dòng)機轉速調節，根據上訴情況，我們提出了以下經(jīng)濟性運行方案：
1．在水廠(chǎng)操作車(chē)間安裝三化，三鋼水流量表，這樣可以時(shí)時(shí)觀(guān)測到供水量，方便的對水量進(jìn)行調整。
2．經(jīng)常了解三鋼，三化進(jìn)水閥門(mén)的開(kāi)度情況，確保三化閥門(mén)為全開(kāi)狀態(tài)。
3． 通過(guò)進(jìn)10天的調試過(guò)程，我們發(fā)現三化水量在2700噸，三鋼水量為2000噸即為長(cháng)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(chǎng)操作車(chē)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(mǎn)足后即調回正常供水情況。
6． 長(cháng)期供水中，三鋼閥門(mén)有開(kāi)大或開(kāi)小的情況，如果開(kāi)大閥門(mén)即三鋼水量增大了，此時(shí)調節變頻器頻率滿(mǎn)足三化供水要求，如關(guān)小閥門(mén)即三鋼水量減小，此時(shí)三化水量明顯增大，要即時(shí)調節變頻器頻率，使其達正常供水狀態(tài)，避免三化調節閥門(mén)。三鋼供水穩定后要提示他把閥門(mén)關(guān)到正常情況，調節變頻機組恢復到正常的供水環(huán)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(shí)需加一工頻運行小機組，可再次通過(guò)對變頻器的調節控制水量，盡量不要使變頻器長(cháng)期運行在50HZ工頻環(huán)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(dòng)電機工頻運行時(shí)，出力為額定值，轉速及功耗為額定值，當采用變頻調速時(shí)，可以按需要升降電機轉速，改變水泵的性能曲線(xiàn)，使水泵的額定參數滿(mǎn)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(guān)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(shí)的流量、揚程、功率；
Q2、H2、P2—水泵在n2轉速時(shí)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(jiàn)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(shí)，水泵的額定工作參數Q、H、P都降低了。但從效率曲線(xiàn)η-Q看，Q2點(diǎn)的效率值與Q1點(diǎn)的效率值基本是一樣的。也就是說(shuō)當轉速降低時(shí)，額定工作參數相應降低，但效率不會(huì )降低，有時(shí)甚至會(huì )提高。因此在滿(mǎn)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(shí)，我們在高壓變頻穩定運行之后又進(jìn)行了72小時(shí)的節能測試，我方調試人員在72小時(shí)之內時(shí)時(shí)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(jìn)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(chǎng)年均單耗132kwh計算，三天的平均節電率為15 %，在廠(chǎng)方已經(jīng)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(hù)十分滿(mǎn)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(chēng)道的。
1、減少電機啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊
電機直接啟動(dòng)時(shí)的最大啟動(dòng)電流為額定電流的7倍；星角啟動(dòng)為4.5倍；電機軟啟動(dòng)器也要達到2.5倍。觀(guān)察變頻器起動(dòng)的負荷曲線(xiàn)，可以發(fā)現它啟動(dòng)時(shí)基本沒(méi)有沖擊，電流從零開(kāi)始，僅是隨著(zhù)轉速增加而上升，不管怎樣都不會(huì )超過(guò)額定電流。因此凝泵變頻運行解決了電機啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊問(wèn)題，消除了大啟動(dòng)電流對電機、傳動(dòng)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(cháng)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(xiàn)變化，沒(méi)有應力負載作用于軸承上，延長(cháng)了軸承的壽命。同時(shí)有關(guān)數據說(shuō)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(chǎng)水泵改用變頻器后，降低水泵轉速運行的同時(shí)，噪音大幅度地降低，當轉速降低50%時(shí)，噪音可減少十幾個(gè)絕對分貝。同時(shí)消除了停車(chē)和啟動(dòng)時(shí)的打滑和尖嘯聲，克服了由于調門(mén)線(xiàn)性度不好，調節品質(zhì)差，引起管道錘擊和共振，造成給水系統上水管道強烈震動(dòng)的缺陷，在水泵變頻運行后，噪音、振動(dòng)都大為減少，變化相當可觀(guān)。
總之，水泵推廣使用變頻調速器，可以大幅度降低廠(chǎng)用電率，減少發(fā)電成本，提高競價(jià)上網(wǎng)的競爭能力。
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