变频调速在福建恒源自来水厂的设计应用
PowerSmart系列高压大功率变频器，为电压源型高-高变频器。它采用多脉冲整流、多重化PWM、单元串联叠加的多电平拓扑结构，具有模块化设计、积木式组合、N+1备份、模块故障自动切除不间断运行、飞车启动、反转启动、工频与变频不停电切换、单元自动旁路、整机自动与手动旁路、高压掉电再恢复、低压掉电可连续运行等功能，同时具有高功率因数、低谐波污染的特点，输入和输出电流波形均接近正弦波。作为“第四代中高压变频器”采用双片DSP（数字系统处理器）作为控制系统的核心器件，解决了中、高压变频器采用工控机作为控制核心的所有缺点。本文通过高压变频器在现场大功率电动机负载上的应用，分析其工作原理，介绍了调速性能，对电压源型高-高方式的高压变频器做了比较全面的介绍。
【关键词】转速、频率、节能、电动机
一． 基本概况
福建恒源自来水股份有限公司坐落在福建省三明市，担负着整个三明市民用水的供给以及福建三钢，三化两厂的工业用水，水厂共有水泵6台，包括有三台6KW的大功率水泵以及三台3KW的小功率水泵，在引进高压变频器以前，水厂采用的是通过调节阀门开度的方式来控制水的流量，通过这种方式进行调节，主要存在以下几个问题：
1、采用给水泵定速运行，阀门调整节流损失大、出口压力高、管损严重、系统效率低，造成能源的浪费。
2、当流量降低阀位开度减小时，调整阀前后压差增加工作安全特性变坏，压力损失严重，造成能耗增加。
3、长期的40～70％阀门开度，加速阀体自身磨损，导致阀门控制特性变差。
4、管网压力过高威胁系统设备密封性能，严重时导致阀门泄漏，不能关严等情况发生。
5、设备使用寿命短、日常维护量大，维修成本高，造成各种资源的极大浪费。
解决上述问题的重要手段之一是采用变频调速控制技术。利用高压变频器对给水泵电机进行变频控制，实现给水流量的变负荷调节。这样，不仅解决了控制阀调节线性度差、纯滞延大等难以控制的缺点，而且提高了系统运行的可靠性；更重要的是减小了因调节阀门孔口变化造成的压流损失，减轻了控制阀的磨损，降低了系统对管路密封性能的破坏，延长设备的使用寿命，维护量减小，改善了系统的经济性，节约能源。
二．泵类负载变频调速基本原理
借助改变泵的转速来调节流量，这是一种先进的电子控制方法。转速控制的实质是通过改变所输送液体的能量来改变流量。因为只是转速变化，阀门的开度不变，如图2所示，管阻特性曲线R1－Q也就维持不变。额定转速时的扬程特性曲线Ha－Q与管阻特性曲线相交于点A，流量为Qa，出口扬程为Ha。
当转速降低时，扬程特性曲线变为Hc－Q，它与管阻特性曲线R1－Q的交点将下移到C，流变为为Qc 。此时，假设将流量Qc控制为阀门控制方式下的流量Qb，则泵的出口压头将降低到Hc。因此，与阀门控制方式相比压头降低了：ΔHc=Ha-Hc。据此可节约能量为：ΔPc=ΔHc×Qb。与阀门控制方式相比，其节约的能量为：P＝ΔPb+ΔPc＝（ΔHb－ΔHc）×Qb
将这两种方法相比较可见，在流量相同的情况下，转速控制避免了阀门控制下因压头的升高和管阻增大所带来的能量损失。在流量减小时，转速控制使压头反而大幅度降低，所以它只需要一个比阀门控制小得多的，得以充分利用的功率损耗。泵的效率特性曲线η－Q，如图3所示。随着转速的降低，泵的高效率区段将向左方移动。这说明，转速控制方式在低速小流量时，仍可使泵机高效率运行。
三． 经济型系统调度方案
自来水厂引进的九洲高压变频器是“一拖三”型变频器，既变频器配套三个旁路柜，分别与三台电机相连，通过旁路柜的刀闸对三台水泵进行工频转换，当一台水泵处于变频状态时，其余两台水泵处于工频运行状态。由于水厂此前已经进行了节能运做，对其中的两台水泵（一台国内生产，另一台为德国生产）已经进行了切削，水轮叶的面积大大缩小，因此使水泵的额定功率变小，节能空间也不如切削之前的效果好，经过我方变频调试人员同用户的共同协商，决定以其中一台未经过切削的#10水泵为主水泵，另外两台#9，#13水泵为备用泵。
三化，三钢为自来水厂的两个供水大户。其中两厂的情况如下：
1．自来水厂的主要供水单位有两家，而两家共用一个进水母管。
2．三化，三钢的母管扬程大约差4米左右，三钢为扬程低者。
3．三钢由于过去需水量比较大，而且由于特殊工况要求，水量补充不允许中断，因此厂内在近年建立了一个比较大的蓄水池，因次所需水量较小，而三化所需水量较大，三化所需水量大约为三钢的1-2倍。
4．由于过去通过调节阀门控制水量大小，现在两厂阀门皆没处在全开状态。
5．由于两厂水量调节需通过用户观察员，用户操作员，用户调度，水厂调度，水厂操作员几个环节，信息流通不是很快捷，阀门调节比较频繁。
6．三化总共有九个进水阀门，其中6个供清水用，3个供钢厂工业用水，但清水用水比较少，而阀门却多，工业用水需求量大，而阀门却少，这就造成蓄水池大量溢水，资源浪费严重。
高压变频器是一种新型的高科技节能产品，它的节能原理是取代了原有的控制阀门调节变为电动机转速调节，根据上诉情况，我们提出了以下经济性运行方案：
1．在水厂操作车间安装三化，三钢水流量表，这样可以时时观测到供水量，方便的对水量进行调整。
2．经常了解三钢，三化进水阀门的开度情况，确保三化阀门为全开状态。
3． 通过进10天的调试过程，我们发现三化水量在2700吨，三钢水量为2000吨即为长期供水水量的最佳值。
4． 如果三化要加水，调度要了解三化需加水量，例如300吨，在通知水厂操作车间以流量表显示为基础，调节变频器频率，使三化水量加大到300吨为止。
5． 加减水量后，要了解三化水量情况，满足后即调回正常供水情况。
6． 长期供水中，三钢阀门有开大或开小的情况，如果开大阀门即三钢水量增大了，此时调节变频器频率满足三化供水要求，如关小阀门即三钢水量减小，此时三化水量明显增大，要即时调节变频器频率，使其达正常供水状态，避免三化调节阀门。三钢供水稳定后要提示他把阀门关到正常情况，调节变频机组恢复到正常的供水环境。
7． 变频机组#10可提供0-6000吨水量，若需水量大于6000吨，此时需加一工频运行小机组，可再次通过对变频器的调节控制水量，尽量不要使变频器长期运行在50HZ工频环境下。
四．变频改造后的效益计算
我们从水泵调速节能原理得知，当水泵拖动电机工频运行时，出力为额定值，转速及功耗为额定值，当采用变频调速时，可以按需要升降电机转速，改变水泵的性能曲线，使水泵的额定参数满足工艺要求，根据水泵的相似定律，变速前后流量、扬程、功率与转速之间关系为：
Q1/Q2=n1/n2
H1/H2=（n1/n2）2
P1/P2=（n1/n2）3
Q1 、H1、P1—水泵在n1转速时的流量、扬程、功率；
Q2、H2、P2—水泵在n2转速时相似工况条件下的流量、扬程、功率
假如转速降低一半，即：n2/n1=1/2，则P2/P1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。从上图中可以看出：当转速由n1降为n2时，水泵的额定工作参数Q、H、P都降低了。但从效率曲线η-Q看，Q2点的效率值与Q1点的效率值基本是一样的。也就是说当转速降低时，额定工作参数相应降低，但效率不会降低，有时甚至会提高。因此在满足操作要求的前提下，水泵仍能在同样甚至更高的效率下工作。
为了使测量的数据更加真实，我们在高压变频稳定运行之后又进行了72小时的节能测试，我方调试人员在72小时之内时时记录数据，包括电机电流，出水量，电机温度，母管压力，频率，水位深度等，以便更准确的进行节能计算。如下表所示：
母管压力均在0.212-0.228MPa之间，水位深度为8.88-8.93米，频率保持在44HZ-46H，按场年均单耗132kwh计算，三天的平均节电率为15 %，在厂方已经采取了多次节能措施的前提下，能达到这样的节能效果，客户十分满意。
五． 使用变频器的附加效果
使用变频器不但可以节能降耗，它的的许多附加效果也是值得称道的。
1、减少电机启动时的电流冲击
电机直接启动时的最大启动电流为额定电流的7倍；星角启动为4.5倍；电机软启动器也要达到2.5倍。观察变频器起动的负荷曲线，可以发现它启动时基本没有冲击，电流从零开始，仅是随着转速增加而上升，不管怎样都不会超过额定电流。因此凝泵变频运行解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传动系统和主机的冲击应力，大大降低日常的维护保养费用。
2、延长设备寿命
使用变频器可使电机转速变化沿凝泵的加减速特性曲线变化，没有应力负载作用于轴承上，延长了轴承的寿命。同时有关数据说明，机械寿命与转速的倒数成正比，降低凝泵转速可成倍地提高凝泵寿命，凝泵使用费用自然就降低了。
3、降低噪音
我厂水泵改用变频器后，降低水泵转速运行的同时，噪音大幅度地降低，当转速降低50%时，噪音可减少十几个绝对分贝。同时消除了停车和启动时的打滑和尖啸声，克服了由于调门线性度不好，调节品质差，引起管道锤击和共振，造成给水系统上水管道强烈震动的缺陷，在水泵变频运行后，噪音、振动都大为减少，变化相当可观。
总之，水泵推广使用变频调速器，可以大幅度降低厂用电率，减少发电成本，提高竞价上网的竞争能力。