中压变频器在水厂中的使用和节能分析

何大昭

【摘要】在水厂的生产运行中，中压变频器是重要的设备，对于水厂的经济运行起着重要的作用。

【关键词】中压变频器；水厂；节能；应用

中图分类号：TE08文献标识码： A

一、前言

随着科技的发展和进步，变频器的性能在不断提高，而且轻便简单，在工业生产中所发挥的作用是巨大的。

二、我国水厂现状

我国中小城市水厂尤其是老水厂自动控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员的手工操作。控制过程烦琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时作出恰当反应。于是选择一种符合各方面规范、卫生安全而又经济合理的供水方式，对给供水设计带来了新的挑战。为了保证供水，机组通常处于超压状态运行，不但效率低，耗电量大，而且城市管网长期处于超压运行状态，报损也十分严重。

恒压供水系统对于某些工业或特殊用户是非常重要的，例如在某些生产过程中，若自来水供水因故压力不足或短时缺水时，可能影响产品质量，严重时使产品报废和设备损坏。又如当发生火警时，若供水压力不足或无水供应，不能迅速灭火，可能引起重大经济损失和人员伤亡。所以用水区采用恒压供水系统，具有较大的经济和社会意义。

变频恒压供水设备以水泵出水端水压（或用户用水流量）为设定参数，通过DCS系统控制变频器的输出频率从而调节水泵电动机的转速，实现用户管网水压的闭环调节，使供水系统自动恒稳于设定的压力值：即用水量增加时，频率提高，水泵转速加快；用水量减少时，频率降低，水泵转速减慢。这样就保证了整个用户管网随时都有充足的水压（与用户设定的压力一致）和水量（随用户的用水情况变化而变化）。

三、中压变频器的主要技术特点

1、卓越的性能：中压变频系统由简单的系统结构组成，它的调速比较平整，并且高效节能，符合当前社会节能环保的要求。除此之外，它的安全性能也相当之高，比液力偶合调速、串级调速等调速方式更加完善，更有优越性；

2、三电平技术：中压变频器是采用脉冲整流的输入方式，其中的逆变桥是主要的构成部分，它是由HVIGBT和钳位二极管组成，三电平逆变器具有优良的输出电压特性，安全可靠，快速准备，而且有效地抑制低次谐波电流；

3、软启动功能：电机在平滑的启动过程中，它的启动电流是很小的，减小了电流的磁场对电网和电机的干扰性，增长了电机的使用寿命，也节约了由于故障原因造成的维修成本；

4、化脉宽调制技术：这种新型技术对电机的谐波影响减少，它确保了控制保护的可靠性，同时也保证了在装置检测的工作中保持超高的精度。

四、变频器工作原理

在变频器取水中，通过PID以及PLC调节，不仅能让变频器实现自动调速，还能让清水始终处于稳定的状态，在无人值守的泵房中，进行优质、高效的供水。在自动化水泵房控制设计中，通常由清水位控制送水泵房压力和变频器频率，通过改变送水泵房变频器工作状态，影响水压力，特别是对清水池时间滞后影响尤为突出，同时也会絮凝池、平流池、滤池水流量对水位的影响也很大。因此，用清水池水位对水泵房机组节能的方法对节能改造没有太理想的效果。负载转矩和转速的平方以正比例关系呈现是水泵的主要特点，同时，轴功率和转速的立方额成正比例关系。Q：Qo=n：no，H：Ho=（n：no），P：Po=（n：no），其中no为额定基准转速，n是运行转速，Ho是no的扬程，Qo是no的流量，H是n的扬程，Po是no的功率，同时P也是n的功率。对于现实中的泵负载，有一个和高低差具有实际联系的扬程，在变频运行或者调速中必须特别注意。

五、变频器的干扰分析

变频器工作中产生的高次谐波电压、电流对控制系统的稳定性和准确性具有重要影响，如果不能消除谐波干扰，可能导致整个动力系统的失灵。常见的干扰主要有电容干扰、继电器干扰、通讯线干扰、控制器干扰等。当电容受到干扰后容易产生过载、过热等现象，最后导致电容烧毁，使水泵控制系统失去过载保护功能。当继电器受到干扰后，继电器产生的小电流信号微弱，或则在没有控制信号的情况下，被干扰信号产生动作，进而对外发出指令。继电器在动力控制系统中是连接控制系统和拖动部件的纽带，所以对其抗干扰保护异常重要。当通讯线发生干扰时，通讯线连接到的显示屏将产生显示误差，影响人工监测效果，甚至做出错误决策。当控制器受到干扰时，控制器发出指令的时效性会产生偏差，影响到变频调控系统的自动反应效果，特别是在PID闭环控制中，控制器的失灵使动态控制缓慢。

六、自来水厂水泵变频器节能改造的工艺要求

在自来水厂水泵变频器节能改造中，变频器一般使用远程控制与本地控制相结合的方式进行。其中远程控制又包括压力负反馈和频率控制，一般频率调节都在0到50HZ之间。而直接频率控制和压力负反馈远程控制都有PLC进行选择，在运行过程中，也可以根据变频器具体的控制方式选择。本地控制是对面板进行的控制，控制方式调整成LOCAL；在频率调节时，通过手动频率控制，进而保障出厂压力与流量。在对自来水厂变频器改造中，为了保障改造质量，必须根据节能目标满足基本的节能要求，在这过程中，价格合理尤为重要；其次是水泵必须达到高强度的连续、可靠运转，进而保障系统由工频到变频，以及由变频到工频之间的转换，一旦出现瞬时停电现象，通过自动再启动的系统就能正常运行。

在某自来水厂水泵变频器中，该系统拥有三台水泵，并且每台电机容量都能达到75KW，一台作为备用，另外两台正常工作。具体情况如下：在三台水泵中，对其分别进行定速和调速运行，并且变频器智能作为一台电机的电源。所以每台电机的停止、启动都会相互相应，通过这种逻辑性电路控制，不仅可以保障电路切换，还能达到节能目标。在外部接线以及变频器选型中，一般选用风机、水泵类专用的变频器，用PLC进行控制。在变频器接线中，水泵运行中的管压会直接影响水泵运行状况。如果管压高于0.8时，定速、变速、备用各一台；当管压低于0.64时，两台备用，一台变速或者定速；当管压低于0.52时，两台备用，一台作为变速。这三种情况都是根据管道流量以及压力传感器信号，通过函数发生器将其演变成控制信号，进而启动阀门与电动机。对于运行状态的电机，压力信号一般由三种不同的速度进行切换。

在变频器接线中，电机转向和电源相序连接没有直接关系，一般根据电机连接的方式达到电机转向。在这过程中，需要注意的是：电机端和电源端绝对不能反接，否则就会损坏变频器。对于电源开关、KM1接触器、QF容量则根据自来水厂水泵变频器具体要求选择。通过在变频器上安装功率表、电压表、功率因素表、电流表等模拟类电表，对电机进行细致的监控；对于CM、FWD、C1V1等继电器连接，通常使用灵敏度很高的微型双触点继电器。在频率设置中，可以根据流量、压力对其进行手动切换，为了转换功率因素，必须安装DK线圈，设置报警电路，一旦出现故障，通过声光就能达到报警效果。

七、实例分析

某项目拟采用施耐德电气公司高性能 ATV1200 系列中压变频器，功率因数 0.96，效率约为 0.97。

70%负荷率运行时间为 2000 小时（全年为 8000 小时），每度电计 0.5 元，对于 900KW循环水泵，运行一年节省的电费为：

M=2000 小时×(1- 0.7)×900KW=118.26 万。

对于 450KW循环水泵，运行一年节省的电费为：

M=2000 小时×(1- 0.7)×450KW=59.13万

因 ATV1200 变频器输入侧功率因数大于 0.96，这里取 0.96。电网功率因数取 0.95。则 900KW循环水泵采用 ATV1200 中压变频器后因无功被减小而运行一年节省的电费为：

M=[6000小时*（-）+2000小时*（-）]*0.5元 /度=107.5万元

450KW 循环水泵采用 ATV1200 中压变频器后因无功被减小而运行一年节省的电费为：M=54 万。

八、结束语

综上所述，中压变频器是当前使用效果很好的配置，对于降低水厂的能耗发挥着重要作用。随着该项技术的不断完善，其发挥的作用也将更大。

参考文献

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