变频微控调速装置在恒压供水系统中的应用

戴剑飞

（胜利油田技术检测中心能源监测站，山东 东营 257000）

一、概述

近年来，低压变频调速器在油田生产、生活等许多领域已得到了广泛的应用。

恒压变量供水是典型的负载经常变动的场合，在一天的不同时段，会出现用水的高峰段和低谷段。为了保证供水质量，即保证在不同的供水时段都能提供一定的供水扬程，就必须保证供水系统的出口压力恒定，并且有效避免在用水低谷时设备空转或打回流时所造成的能源浪费和设备磨损。在这种负载（用水量）经常变动的场合，变频微控调速系统的应用显示出良好的适应性和明显的节能效果。

二、节电原理

根据交流异步电动机工作原理中的转速基本关系

式中：n──电机转速，r/min；

n0──磁场转速即同步转速，r/min；

p──电机磁极对数；

f1──电机定子电源频率，Hz；

s──转差率；

Δn──转速降，r/min。

通过变频装置改变电机定子电源频率f1，可改变电机同步转速n1，从而使电机n2转速变化，这种调速方式即为变频调速。

同时，根据水泵（离心泵）相似定律，如果改变水泵的转速n，则水泵的排量Q和扬程H以及P功率都会发生相应的改变，其关系式为：

由以上关系式可以看出：当用水量低于水泵的额定排量时，降低泵的转速，轴功率呈三次方关系下降。因此，采用变频调速来调节泵的排量，可以有效降低水泵的功率消耗，节能效果非常显著。

但水泵的转速降低时，其扬程也会相应降低，影响供水质量。所以，应采取措施使水泵工作在既能满足当前用水量又能保持设定扬程的最佳工作点上，即采取恒压变量供水方式。由于用水量是随时变化的，所以只有采用微机自动控制系统，才能达到这个目的。

恒压变量自动控制供水系统的给水原理见图1。

图1中给出的HAA为恒速泵的H─Q曲线，A为泵的工作点，在这一点上水泵达到最大排量。H1A为设定的恒压线，HBB、HCC……为水泵变频调速后，在n1、n2……等各种转速下相应的H─Q曲线。

当流量由QA变小到QB时，恒速泵扬程必定会上升至B1处。而在恒压变量系统中，计算机通过压力传感器检测出压力上升的信号，并将当前压力值与设定值进行比较计算，根据计算结果向变频调速器发出调速指令，使水泵减速至n1，从而使压力稳定在H1处。这样，在恒压变量工作方式下就比恒速泵节能BB1段。

同理，如果水泵流量继续降低到QC、QD……，通过上述控制过程，就可以使水泵的转速为n2、n3……，而压力依然保持在H1值，则节能值分别为CC1、DD1……可以看出，通过变频微控装置控制的恒压变量供水系统比恒速泵供水所节省的能耗为图1中的H1AHA,而系统的供水压力始终保持不变。

三、变频微控调速系统的组成及作用

变频微控调速系统主要由主控制器、变频调速器和变量控制器等所组成。

主控制器是整个控制系统的心脏，它自动地全面管理协调整个系统。主控制器根据现场需要决定电机是否开启，开启几台电机、哪一台变频运行、哪一台工频运行，并根据需要自动切换工频和变频运行状态。

变频调速器是系统的主要执行机构，它是在主控制器和变量控制器的指挥协调下工作的。它具有调节电机转速、使电机以各种斜率平稳启动或停止、电机的电气保护等多种功能。根据主控制器的指令使相应的电机无冲击启动和停止、变速运行，使系统的运行参数稳定在设定值上。

变量控制器根据传感器输入参数和主控制器的控制指令，可以对变频器进行各种调节，以使系统运行平稳、参数稳定。同时将系统设定值和当前值显示出来。

变频微控调节系统见图2。

在水泵运行中干线（管网）压力变化时，由压力变送器和调节器将信号反馈至变频器，使泵作相应调速（增或减），保持干线（管网）压力稳定，实现闭环自动调节。

四、节能效果测试

为了搞清变频微控调速装置在恒压变量供水方式下的节能效果，为进一步扩大推广应用提供科学依据，进行了变频微控调速装置在恒压变量供水方式下的现场节能效果测试。

被试泵是河口河旭小区供水泵房的3#外输泵，泵型号为80DL×3型，配套电机功率为15kW，Y160L—4型。选用BWK系列变频微控装置，测试方法是在保持一定的供水扬程即保持泵出口压力一定的前提下，分别测出系统在工频和变频状态下的电机的输入功率，计算出变频调速装置在恒压变量供水方式下的节电率。测试结果见表1。

表1 水泵变频节电效果对比测试数据表

从测试结果可以看出：变频状态下的有功节电率为39.5%，综合节电率为41.2%。表明在恒压供水系统中应用变频微控调速装置，既保证了变工况下的供水质量，同时节电效果比较显著。变频微控调速装置在恒压供水系统中的应用，显示出良好的适应性和明显的节能效果。

五、应注意的问题

1.从节能的角度看，一般变频调速的最佳流量变化适用范围为50%～90%，而油田供水系统当中流量变化范围有其特殊性，要求0～100%全范围调速，因此清水泵的拖动电机应配备专用调速电机，以解决水泵效率下降和电机的散热问题。

2.变频调速器的接地问题如果处理不好，会减弱抗干扰能力，甚至会造成变频器故障。因此，应使变频调速器单独接地，不与电机、配电柜接在一点，提高其抗干扰能力。

3.电磁干扰对自控信号的影响问题。变频调速器的输出配线至电机之间，存在着较大的高次谐波干扰电流，为了避免或减弱其对自控信号的影响，应采取以下对策：（1） 信号电缆采用屏蔽电缆，屏蔽层在传感器附近同传感器外壳接地；（2） 信号电缆和动力电缆不在同一个电缆沟敷设。（3） 24V电源外壳接地不同于变频器接地，应采用隔离电源，避免直接传导干扰。（4） 变频控制柜内布线时，信号电缆应远离动力电缆，至少保持10～15cm以上。

4.在多电机组成的运行系统中，为每台电机配置一台变频器是不经济的，所以应采取一对多的方案，即变频器的群控，根据主控制器的指令使相应的电机无冲击地启动和停止以及变速运行。

5.在进行变频测试时，为避免高次谐波对测试仪器的干扰，应从变频器输入端进行测试，并且仪器要使用外接电源供电。

六、结束语

恒压变量供水系统中水泵的变工况运行，是油田生产、生活供水系统的客观要求。变频微控调速装置的应用，不仅可以取得显著的节电效果，而且保证了稳定的供水质量。

[1]戴超仁.油田电网优化与节能技术 [M].石油工业出版社，1995.

[2]赵海培.变频调速技术现场使用注意事项 [J].油田节能，1997（4）.