调频调速装置在交口灌区泵站中的应用

禹新立

（陕西省交口抽渭灌溉管理局 陕西 渭南 714000）

交口抽渭灌区位于陕西省关中平原东部，渭河下游，是一个灌排并举的大型电力提水灌区，现有抽、排水站31座，共安装调频调速装置20台。原设施灌溉面积119.73万亩，现有效灌溉面积80多万亩。

1 采用调频调速装置的必要性

近年来，由于受农村体制变化的影响,农民自立耕作,种植结构复杂,需水时效差异大,导致灌季引用流量变化频繁。为了解决灌区各级泵站水量调配难题，提高水量对口率、降低能耗,减少维修费用，曾多次采用压阀或调整叶片角度来改变水泵的出流。然而，经实践证明这些方法均达不到理想的效果。因此，结合单位实际，经多方面考察，最终选用调频调速装置来改变电动机的转速，使水泵出水流量满足实际供需要求。所谓调频调速，即调整电动机输入频率，使电动机从零速启动，逐渐增加频率，最终使电动机达到额定转速，在转速调整的过程中，水泵流量将按转速以正比例方式变化，从而达到水量调配自如，避免弃排倒水现象，降低能耗，减少水量损失。

2 安装调频调速装置机组的选型

根据调频调速装置的特点，安装调频调速的机组，必须满足全站任意时段需水量的要求，使该站流量在零到最大之间任意变化，且不发生弃排倒水现象，具体选择调频调速机组的方法如下：

（1）根据需调频机组容量，按调频装置的规格选择容量相近的调频柜。

（2）当该泵站拥有出流相同的多台机组时，任选其中一台安装调频调速装置。

（3）当拥有出流大小不同的多台机组时，如果两台小机组同时开启时的出水流量可以达到一台大机组开启时的出水流量时,则选择容量小的机组安装调频调速装置；否则，则选择容量大的机组安装调频调速装置，这样既可满足配水要求，又可最大程度的节约电能。

（4）对同时拥有两座出水池(高、低池)的泵站,选择容量较大的一台机组安装调频调速装置，这样可得到较大的流量调节范围，以满足高、低池的用水量。

3 调频调速技术分析

灌区目前采用西门子MM440系列，交～直～交电流型变频调速系统，采用脉宽调制（PWM）通断方案，转矩控制原理，其中采用的功率通断管IGCT已广泛应用于各行各业开关控制中。该器件通断能力强，反应速度快，工作频率高，调宽波形好，效果稳定，使调频器得以广泛推广使用。

脉宽调制变频器的主要优点是：①中间直流电压不变，故其强迫换流线路可较为简单；②调频调压均在逆变器内部实现，可不受直流滤波回路参数的影响而实现快速的调节；③电源侧的功率因数较高；④可以将输出电压调制成正波，减少谐波分量。

该技术配以微处理器管理控制，可以实现全自动化控制，具有过流、过/欠压、过热、输入缺相、短路、过载、堵转等多种保护功能，保证了安全可靠运行，其调速范围较宽（约0～110%），整流输出参数优，完全满足泵站调速需要，并且无功自动补偿，功率因数高，对异步电动机来说，转差小，节能效果明显。

4 典型故障及解决措施

陕西省交口抽渭灌溉管理局采用的西安重型机械研究所制造生产的抽水站变频调速装置，通过近几年使用，该装置在冬、春灌的抽水运行过程中，由于环境温度低、系统电压正常，其运行情况良好；但在夏灌运行过程中，由于环境温度过高、系统电压偏低，调频装置经常发生过流以及变频器过热两类故障，导致变频器跳闸，不能正常运行，失去应有的作用。针对系统电压偏低而造成变频器过流跳闸的站，采取相应的措施，在夏灌前期先将各站主变分接开关进行调整，使其略高于变频器的额定电压，待夏灌运行结束后，再将分接开关调回到原来的档位；对于装机容量较大，变频器夏灌期间经常发生过热跳闸的站，采取了重新安装更换柜顶冷却风机、增大冷却风量的方法，彻底解决了变频器过热跳闸问题。

采取以上措施后，2005年夏灌运行期间，全局20台低压变频调速装置，无1台发生过流和过温跳闸故障，运行工况均正常良好，充分发挥了新技术新设备的巨大作用，取得了极佳的使用效果。

5 安装调频调速装置后的特点

5.1 安装调频装置后的优点

改善设备运行条件、增强安全可靠性，机组安装调频调速装置后,避免了手动压闸限流及频繁开、停机调节水量等设备操作，从而有效地减少了设备配件的损耗，大大延长了大修周期和设备的使用寿命，从根本上降低了职工的劳动强度。尤其在大、中型轴流泵站中尤为明显。安装调频器后均采用平滑调节，开机从零起步，降低了启动冲击电流对电气设备及电动机的影响，提高了设备的运行性能，极大地改善了职工的工作环境，有效地降低了设备运行过程中的噪音和振动。具体表现在以下几方面：

（1）采用变频器控制电机的转速，取消了挡板或阀门开度的调节，降低了设备的故障率，节电效果显著。

（2）具有软启动和制动功能，能够自动平稳地加速和减速，延长了设备的使用寿命，避免了对电网的冲击。

（3）在低于额定转速的状态下运行，减少了噪音对环境的影响。

（4）技术性能高，工作安全可靠，具有欠压、失速、过热等自动保护功能。

（5）安装时可不破坏原有的配电设施及环境，且不影响正常生产。

（6）使用时，只需调节电位器旋钮既可调整水泵出水流量，操作简单、方便。

（7）频率数字显示，可直观地显示变频调速水泵运行频率、转速等参数。

5.2 安装调频装置后的缺点

（1）安装调频装置后，设备内部存在逆变环节，会产生高次谐波，对电网以及外围设备干扰较强。

（2）目前采用开环控制，未采用闭环形式，水位与装置无相关联系，属于半自动化装置，还需人工调节来控制机组出水流量。

（3）建议采用屏蔽电缆、电抗器以及液位装置，从而避免对电网以及外围设备的干扰，并可根据前池水位高低对水泵出水流量进行自动调节。

6 经济效益分析

以交口局固市抽水站为例，从节能角度分析，该站季节平均引用流量在200 L/s～250L/s，未安装调频装置前，机组长年满载运行，需用功率25kW左右；而安装调频装置后，只需在f=35-37.5Hz下运行，即可满足用水要求。以f=37.5Hz计，其需用功率仅为10.6kW，节能效果达57.6%。以该站2007年抽水用电量为例，总电量达8.27万kW·h，电费支出1.68万元，安装调频装置后，全年可节约电费1.68×57.6%=0.968万元，节约电能8.27×57.6%=4.76万kW·h。

从降低机组维修费用来看，安装调频装置后，机组的磨蚀将大幅下降，初步估算，水泵三大配件的更换周期将提高到4000h以上，较安装调频装置前1980h延长一个周期，年可节约维修费用0.4万元。

由上分析可知，该站安装调频装置后，年可节约电费及机组维修费用两项合计约0.968+0.4=1.368万元，机组设备包括组成部件的使用寿命将会大大增加，为社会节约电能4.76万kW·h，其产生的经济效益较为显著。

7 结语

异步电动机是灌溉系统最主要的动力设备，作为高能耗设备，其输出功率不能随负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。因此，使用变频器对电动机电源进行技术改造成为灌溉系统节能降耗、提高效率的重要手段。陕西水利