生活供水泵房电机的变频改造和使用

蒋莹

摘要：电机作为确保供水泵房正常运行的重要设备，其具有高效性与节能性，对于确保供水系统正常运转有着非常重要的意义。对供水泵电机变频进行改造后会起到降低故障率、提高工作效率等非常重要的作用。本文结合我国目前部分城市供水系统现状，采用合理的变频器选型以及实施工程方案，将电机节能性发挥到最大，从而大幅度提高供水泵电机节能，给电机运行提供有力支持，为高压电机的变频改造提供专业性建议。

关键词：供水系统变频改造电机应用系统

Frequency Conversion Transformation and Application of Motor in Domestic Water Supply Pump House

JIANG Ying

（Wuhan Water Supply Co.， Ltd.，Wuhan， Hubei Province， 430000 China）

Abstract： As an important equipment to ensure the normal operation of water supply pump house， motor has the characteristics of high efficiency and energy saving， which is of great significance to ensure the normal operation of water supply system. The frequency conversion of water supply pump motor will play a very important role in reducing failure rate and improving work efficiency. Combined with the current situation of water supply system in some cities in China， this paper adopts reasonable frequency converter selection and implementation of engineering scheme to maximize the energy saving of motor， so as to greatly improve the energy saving of water supply pump motor， provide strong support for motor operation， and provide professional suggestions for frequency conversion transformation of high-voltage motor.

Key Words： Water supply system; Frequency conversion transformation; Electric machinery; Application system

隨着我国社会经济不断发展，各界人士对生活供水泵房电机的变频改造和使用十分重视。在信息化时代背景下，能源消耗是企业发展必不可少的环节，而中国现如今正处于人口数量多、资源不足的状况。为了彻底实施政府节约资源方针，提高能源的利用率，需要对水泵房电机进行变频改造，实现节能与发展共同进行。根据有关人员调查发现，全国泵类电机耗电量已接近全国电力消耗的20%，其中水泵电机电力消耗最为严重。由于生产情况与用水时间具有不确定因素，导致出现能量消耗高、压力不稳定等问题，为了确保水池水量能保持平衡，通常工作人员会通过阀门控制水量平衡。这样长此以往，会增加工作人员负担，同时很难确保水压力的平衡[1]。

1 变频节能原理分析

1.1 变频器工作原理

变频器是通过将电网电源整流后，再通过逆向流通变成频率，电压可变的交流电供应给相关电动机专用电源装置，主要是采用超大规模专用单片机、功率模块两个部门组成。不同类型的变频器所具备的控制方式、功率模块、单片机类型不同，分为适合不同的场所。在变频调速过程当中，电机东最大转矩T=cm（u/f）2，在公式当中u代表电源电压;cm代表电动机常数;f代表电源频率，一旦电源频率f发生改变，电源电压也会随之改变，而转矩T可保持不变。

1.2 供水泵调速节能原理

变频调速作为调整电动机定子电源频率的重要方式，同样能控制同步转速。变频调速系统所有设备是采用变频电源的变频器构成，而变频器分为交流-交流变频器和交流-直流-交流变频器两种，目前我国最常用的变频器是交流-直流-交流变频器。以工程实践经验为例，本文所提供的泵房电机变频工程也是使用交流-直流-交流变频器。在多样化变频器调速过程当中，节能效果最佳的方式是采用调节转速来控制流量。Q代表流量、H代表压力、PS代表轴功率。在水泵调速时，压力与流量所出现的数值，可以看出水泵在A点时，效率达到最高值，流量输出为百分之百，轴功率PSl与Q1、H1的乘积成正比。但不难发现，这时管网阻力大幅度提高，换句话而言，虽然降低了流量，但造成压力大幅度增加，并且对BH2OQ3面积与水泵轴功率Ps2占比受到一定影响，导致其降低不少。但如果运行变频调速时，水泵转速从N1下降到N2，在相同流量的基础上，水压降低到H3时，CH3OQ2与轴功率比值会明显降低，这就代表轴功率得到节约，从而达到节能的最终目的。

1.3 变频改造优点

变频改造主要是以变频控制为核心，替代原本的交流恒压恒速控制，并根据水泵房实际情况制定合理的供水系统，通过分段的方式，设置科学的变频频率，达到控制供水泵房电机运行速度的目的，从而在确保高效排泥的同时节能、节水。经过专业人士调查发现，现阶段很多工程实践中，供水泵房电机控制方式经过改良后能够大幅度延长供水时间，节约用电量，提高用水质量，并且具有良好的节能降耗效果[2]。

2 改造方案

2.1 常见泵类调速方法比较

由于不同的泵类调速方法所产生的效果不同，以下就针对几个常见泵类调速方法进行比较：

（1）变速调速：这种调速原理是通过改变供电电源频率为主体，优点是节能效果明显、机械性能好，缺点是投资高、会对电网造成一定污染。

（2）电磁调速：这种方法是通过电磁调速电动机实施，而电磁调速电动机主要是由直流励磁电源、笼型电动机、电磁转差离合器三部分构成[3]。直流励磁电源功率不大，是由全波或者半波晶闸管整流器组成，能改变晶闸管导通角与励磁电流大小，原理是通过调节砖差耦合器励磁电流，来控制电源功率，其优点是功率因素良好、投资一般、有节电效果，缺点是机械性能差、转差消耗较大、调速范围不大。

（3）液力耦合器调速：这种调速方式主要是以液力传动装置为核心，一般由涡轮、泵轮两个法部分构成，通常会人们称为工作轮，长期放在密封环境中。原理是通过控制耦合泵液体流量，来完成调速工作，其优点是节电效果好、功率系数良好、投资较少，缺点是机械性能差、旧设备改造困难、投调速范围一般。

（4）串级调速：这种调速方式是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转速，从而达到控制速度的目的，大部分转差功率被融入附加电势所吸收，再采用产生附加装置，将被吸收的转差功率送回到电网当中，最后将其再次利用。这种方式主要作用是改变转子反动势，其优点是节电效果良好、投机较高、调速范围较宽，其缺点是机械性能一般、功率性差、只能采用绕组型电动机。

（5）调压调速：这种调速方式是为了改变电机端电压，但改变电动机的定子电压时，能得到一组不同的机械特性曲线，获得数据不同的转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降幅度会较大，调速范围会偏小，采用一般笼型电动机很难完成工作，其优点是节电效果良好、功率因素较好、投资一般，其缺点是机械性能差，调速范围一般、调速效率低。

通过以上五种常见泵类调速方法可以明显发现，变频调速方案具有较好的节能效果、良好的功率因素、机械性能以及调速平滑，但缺点是造价过于高昂，会对电网造成一定污染[4]。

2.2 常见供水变频方案

从目前我国供水变频方案来看，常用的供水变频方案有以下几种。

（1）变频泵固定方式，在这种方案当中只拥有一台变频器，原理是将变频器连接第一台水泵，其他水泵机就能够通过PLC与软件启动器进行连接，将变频器作为总控制开关，来控制水泵出水数量，其优点是不会出现失压情况，可以利用软件启动器手动运行水泵，不需要备用启，其缺点是投资过大。

（2）变频泵循环法方式，其主要是通过PLC 进行控制，变频器控制输出端口信号。将变频器连接第一台水泵，当发现水泵需要加泵时，将变频器连接在第二台水泵上，第一台水泵都够正常工作，如果还需要加泵，可以将变频器连接在第三台水泵上，第一二台水泵依然能正常工作，还需要加泵时就按照这个原理实施[5]。当需要减泵时，可通过系统关掉第一台水泵，还需减泵关掉第二台水泵，以此类推。其优点是能够确保在加泵或者减泵时，不会对其他水泵造成任何影响，确保管内压力一直处于恒定状态。其缺点是在变频切换过程当中，变频器会停止，会造成一段时间的失压状态[6]。

3 工程实例

3.1 项目简介

某小区供水水泵采用降低电机同步转速的高效率变频调速装置进行节能改造。小区建设水泵房项目在2019年7月至2019年12月。主要是为了能够降低电机电流，提高电机运行的安全性与稳定性，并让电机与水泵能合理匹配，让系统能达到最佳运行状态。预计投资200万元人民币改造总容量105kW / 套高效率变频调速装置，整个小区建设总投入约400万元人民币。

3.2 改造后的效果分析

在改造后年节电量在430000KWH，水泵电机采用降低电机同步转速的高效率变频器调速装置后节能15%。才能对电机软启动进行控制，有利于对电机进行全面保护，有效延長水泵电机使用周期，同时电机停机启动出现的水锤问题得以解决。从这里不难看出，不同水泵运行时间基本相同，采用变频改造不仅能够提高设备综合利用率，还能消除无压力现象，给设备维护带来极大便利。

4 结语

综上所述，为了彻底解决以上问题，文本采用变频改造，来调节水压力恒定，由于变频调速具有灵活性强、供水质量好、材料消耗低、电机制动稳定等特征，经过变频改造后能够有效解决压力不稳定、能量消耗高等问题的同时，还能做到节约能源的目的。

参考文献

[1] 金鹏. 小区加压泵站水泵采用变频调速的节能效果[J]. 中国住宅设施，2021（2）：26-28.

[2] 冯亚军，孙倩雯，于广其，等. 高压变频器技术在水厂水泵改造中的应用[J]. 净水技术，2021，40（6）：154-157.

[3] 淮文军，沈炜栋，吴伟伟，等. 基于TIA和PLC的变频恒压供水自动控制系统设计[J]. 工业控制计算机，2021，34（5）：118-120.

[4] 张洁. 变频调速对水泵经济运行的影响分析[J]. 百科论坛电子杂志，2020（14）：1362.

[5] 陈奇.火电厂循环水泵电机变极调速节能改造与运行试验[D].长春：长春工业大学， 2019.

[6] 宋宇哲.凝结水泵高压变频系统设计与节能分析[D].西安：西安科技大学， 2019.