中壓變頻器在水廠中的使用和節能分析

何大昭

【摘要】在水廠的生產運行中，中壓變頻器是重要的設備，對于水廠的經濟運行起著重要的作用。

【關鍵詞】中壓變頻器；水廠；節能；應用

中圖分類號：TE08文獻標識碼： A

一、前言

隨著科技的發展和進步，變頻器的性能在不斷提高，而且輕便簡單，在工業生產中所發揮的作用是巨大的。

二、我國水廠現狀

我國中小城市水廠尤其是老水廠自動控制系統配置相對落后，機組的控制主要依賴值班人員的手工操作?？刂七^程煩瑣，而且手動控制無法對供水管網的壓力和水位變化及時作出恰當反應。于是選擇一種符合各方面規范、衛生安全而又經濟合理的供水方式，對給供水設計帶來了新的挑戰。為了保證供水，機組通常處于超壓狀態運行，不但效率低，耗電量大，而且城市管網長期處于超壓運行狀態，報損也十分嚴重。

恒壓供水系統對于某些工業或特殊用戶是非常重要的，例如在某些生產過程中，若自來水供水因故壓力不足或短時缺水時，可能影響產品質量，嚴重時使產品報廢和設備損壞。又如當發生火警時，若供水壓力不足或無水供應，不能迅速滅火，可能引起重大經濟損失和人員傷亡。所以用水區采用恒壓供水系統，具有較大的經濟和社會意義。

變頻恒壓供水設備以水泵出水端水壓（或用戶用水流量）為設定參數，通過DCS系統控制變頻器的輸出頻率從而調節水泵電動機的轉速，實現用戶管網水壓的閉環調節，使供水系統自動恒穩于設定的壓力值：即用水量增加時，頻率提高，水泵轉速加快；用水量減少時，頻率降低，水泵轉速減慢。這樣就保證了整個用戶管網隨時都有充足的水壓（與用戶設定的壓力一致）和水量（隨用戶的用水情況變化而變化）。

三、中壓變頻器的主要技術特點

1、卓越的性能：中壓變頻系統由簡單的系統結構組成，它的調速比較平整，并且高效節能，符合當前社會節能環保的要求。除此之外，它的安全性能也相當之高，比液力偶合調速、串級調速等調速方式更加完善，更有優越性；

2、三電平技術：中壓變頻器是采用脈沖整流的輸入方式，其中的逆變橋是主要的構成部分，它是由HVIGBT和鉗位二極管組成，三電平逆變器具有優良的輸出電壓特性，安全可靠，快速準備，而且有效地抑制低次諧波電流；

3、軟啟動功能：電機在平滑的啟動過程中，它的啟動電流是很小的，減小了電流的磁場對電網和電機的干擾性，增長了電機的使用壽命，也節約了由于故障原因造成的維修成本；

4、化脈寬調制技術：這種新型技術對電機的諧波影響減少，它確保了控制保護的可靠性，同時也保證了在裝置檢測的工作中保持超高的精度。

四、變頻器工作原理

在變頻器取水中，通過PID以及PLC調節，不僅能讓變頻器實現自動調速，還能讓清水始終處于穩定的狀態，在無人值守的泵房中，進行優質、高效的供水。在自動化水泵房控制設計中，通常由清水位控制送水泵房壓力和變頻器頻率，通過改變送水泵房變頻器工作狀態，影響水壓力，特別是對清水池時間滯后影響尤為突出，同時也會絮凝池、平流池、濾池水流量對水位的影響也很大。因此，用清水池水位對水泵房機組節能的方法對節能改造沒有太理想的效果。負載轉矩和轉速的平方以正比例關系呈現是水泵的主要特點，同時，軸功率和轉速的立方額成正比例關系。Q：Qo=n：no，H：Ho=（n：no），P：Po=（n：no），其中no為額定基準轉速，n是運行轉速，Ho是no的揚程，Qo是no的流量，H是n的揚程，Po是no的功率，同時P也是n的功率。對于現實中的泵負載，有一個和高低差具有實際聯系的揚程，在變頻運行或者調速中必須特別注意。

五、變頻器的干擾分析

變頻器工作中產生的高次諧波電壓、電流對控制系統的穩定性和準確性具有重要影響，如果不能消除諧波干擾，可能導致整個動力系統的失靈。常見的干擾主要有電容干擾、繼電器干擾、通訊線干擾、控制器干擾等。當電容受到干擾后容易產生過載、過熱等現象，最后導致電容燒毀，使水泵控制系統失去過載保護功能。當繼電器受到干擾后，繼電器產生的小電流信號微弱，或則在沒有控制信號的情況下，被干擾信號產生動作，進而對外發出指令。繼電器在動力控制系統中是連接控制系統和拖動部件的紐帶，所以對其抗干擾保護異常重要。當通訊線發生干擾時，通訊線連接到的顯示屏將產生顯示誤差，影響人工監測效果，甚至做出錯誤決策。當控制器受到干擾時，控制器發出指令的時效性會產生偏差，影響到變頻調控系統的自動反應效果，特別是在PID閉環控制中，控制器的失靈使動態控制緩慢。

六、自來水廠水泵變頻器節能改造的工藝要求

在自來水廠水泵變頻器節能改造中，變頻器一般使用遠程控制與本地控制相結合的方式進行。其中遠程控制又包括壓力負反饋和頻率控制，一般頻率調節都在0到50HZ之間。而直接頻率控制和壓力負反饋遠程控制都有PLC進行選擇，在運行過程中，也可以根據變頻器具體的控制方式選擇。本地控制是對面板進行的控制，控制方式調整成LOCAL；在頻率調節時，通過手動頻率控制，進而保障出廠壓力與流量。在對自來水廠變頻器改造中，為了保障改造質量，必須根據節能目標滿足基本的節能要求，在這過程中，價格合理尤為重要；其次是水泵必須達到高強度的連續、可靠運轉，進而保障系統由工頻到變頻，以及由變頻到工頻之間的轉換，一旦出現瞬時停電現象，通過自動再啟動的系統就能正常運行。

在某自來水廠水泵變頻器中，該系統擁有三臺水泵，并且每臺電機容量都能達到75KW，一臺作為備用，另外兩臺正常工作。具體情況如下：在三臺水泵中，對其分別進行定速和調速運行，并且變頻器智能作為一臺電機的電源。所以每臺電機的停止、啟動都會相互相應，通過這種邏輯性電路控制，不僅可以保障電路切換，還能達到節能目標。在外部接線以及變頻器選型中，一般選用風機、水泵類專用的變頻器，用PLC進行控制。在變頻器接線中，水泵運行中的管壓會直接影響水泵運行狀況。如果管壓高于0.8時，定速、變速、備用各一臺；當管壓低于0.64時，兩臺備用，一臺變速或者定速；當管壓低于0.52時，兩臺備用，一臺作為變速。這三種情況都是根據管道流量以及壓力傳感器信號，通過函數發生器將其演變成控制信號，進而啟動閥門與電動機。對于運行狀態的電機，壓力信號一般由三種不同的速度進行切換。

在變頻器接線中，電機轉向和電源相序連接沒有直接關系，一般根據電機連接的方式達到電機轉向。在這過程中，需要注意的是：電機端和電源端絕對不能反接，否則就會損壞變頻器。對于電源開關、KM1接觸器、QF容量則根據自來水廠水泵變頻器具體要求選擇。通過在變頻器上安裝功率表、電壓表、功率因素表、電流表等模擬類電表，對電機進行細致的監控；對于CM、FWD、C1V1等繼電器連接，通常使用靈敏度很高的微型雙觸點繼電器。在頻率設置中，可以根據流量、壓力對其進行手動切換，為了轉換功率因素，必須安裝DK線圈，設置報警電路，一旦出現故障，通過聲光就能達到報警效果。

七、實例分析

某項目擬采用施耐德電氣公司高性能 ATV1200 系列中壓變頻器，功率因數 0.96，效率約為 0.97。

70%負荷率運行時間為 2000 小時（全年為 8000 小時），每度電計 0.5 元，對于 900KW循環水泵，運行一年節省的電費為：

M=2000 小時×(1- 0.7)×900KW=118.26 萬。

對于 450KW循環水泵，運行一年節省的電費為：

M=2000 小時×(1- 0.7)×450KW=59.13萬

因 ATV1200 變頻器輸入側功率因數大于 0.96，這里取 0.96。電網功率因數取 0.95。則 900KW循環水泵采用 ATV1200 中壓變頻器后因無功被減小而運行一年節省的電費為：

M=[6000小時*（-）+2000小時*（-）]*0.5元 /度=107.5萬元

450KW 循環水泵采用 ATV1200 中壓變頻器后因無功被減小而運行一年節省的電費為：M=54 萬。

八、結束語

綜上所述，中壓變頻器是當前使用效果很好的配置，對于降低水廠的能耗發揮著重要作用。隨著該項技術的不斷完善，其發揮的作用也將更大。

參考文獻

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