引言
大中型自來水廠的水泵驅(qū)動電機一般是由高壓電機驅(qū)動，其供水壓力與流量的調(diào)節(jié)大多采用傳統(tǒng)的方式，通過控制水泵的運行臺數(shù)，輔助于閥門的開度變化的方式進行調(diào)節(jié)，由于供水時間相對集中，一日內(nèi)的負荷變化較大，特別是在午夜與凌晨的時段，產(chǎn)生大馬拉小車的現(xiàn)象，這種情況在春冬兩季更為明顯，既浪費能源，又使供水管網(wǎng)的壓力波動。為了解決這一問題，平頂山煤炭集團自來水廠領域決定選用安邦信的AMB-HV1型高壓變頻器，對原有的水泵驅(qū)動電機進行變頻節(jié)能改造。
系統(tǒng)概況
原高壓電機以工頻電源驅(qū)動時，電機定速運行，只能靠水泵出口側(cè)的閥門來調(diào)節(jié)供水流量，不僅浪費能源，而且會產(chǎn)生“水錘效應”和“憋泵”現(xiàn)象，對此，我們采用安邦信高壓變頻器內(nèi)置PID功能進行節(jié)能改造。
PID功能介紹：水泵變頻調(diào)速是一個壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，設定水泵出工側(cè)壓力參數(shù)為控制對象，當實際壓力與設定壓力發(fā)生偏差±H時，高壓變頻器則根據(jù)壓力傳感器反饋的信號，自動調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率與電壓，從而改變水泵驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，使水泵出口側(cè)的壓力維持恒定。
風機泵類負載變頻調(diào)速的節(jié)能原理
風機泵類負載一般是通過改變閥門擋板的開度進行流量、壓力調(diào)節(jié)的。圖-1為泵（風機）揚程流量特性曲線（H-Q）圖。在閥門控制的方式下，當系統(tǒng)流量從Qmax減少到Q1時，必須相應地關小閥門。這時，閥門的阻力變大，流體的節(jié)流損失增加，流道的阻力線從A0到A2。
泵（或風機）運行的工況點，從b點移到c點，揚程從H0上升到H2，而實際需要的工況點為d點。
根據(jù)泵（風機）的功率計算工式：
P＝ρgQH/1000η 式中：
P—水泵使用工況軸功率（KW）
ρ—輸出介質(zhì)的密度（kg/m3）
Q—使用工況點的流量（m3/s）
g—動力加速度（m/s2）
η—使用工況點泵的效率。
可求出運行在c點和d點泵的軸功率分別為：
Pc＝PgQ1H2/1000η; Pd＝PgQ1H1/1000η;
兩者之差為ΔP＝Pc-Pd＝PgQ(H2-H1)/1000η
上式說明，用閥門控制流量時，有ΔP的功率被損耗浪費掉了。而且，隨著閥門不斷關小，這個損耗還要增加。
用變頻調(diào)速控制時，當流量從Qmax減少到Q，由于閥門的開度沒有變化，管網(wǎng)的阻力曲線不變，泵的特性曲線隨轉(zhuǎn)速由n0變化到n1。泵（風機）運行的工況點，則從b點移到d點，揚程從H0下降到H1，而用轉(zhuǎn)速控制時，根據(jù)流量Q，揚程H，功率P和轉(zhuǎn)速N之間的關系：
Q1/Q2＝n1/n2; H1/H2＝(n1/n2)2; P1/P2＝(n1/n2)3
可知：流量Q與轉(zhuǎn)速N的一次方成正比；揚程H與與轉(zhuǎn)速N成平方比；而功率P與轉(zhuǎn)速N成立方比，若轉(zhuǎn)速下降20%，則軸功率對應下降49%，由此可見，采用變頻調(diào)速可以大幅降低電機的電耗，節(jié)省能源，降低企業(yè)成本。
高壓變頻器的選型：
高壓變頻器是價格不菲的傳動控制設備。因此，我們在設備的選型上要慎之又慎。國際知名的電氣公司諸如：ABB,西門子，富士都在生產(chǎn)6KV系列高壓變頻器，而且在國內(nèi)企業(yè)均有成功應用的例子，但它們的產(chǎn)品一般都售價高昂，同時在技術支持及售后服務方面不及國內(nèi)便捷。近年，國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的高壓變頻器，經(jīng)不斷完善，其技術與十分成熟。綜合產(chǎn)品價格、售后服務、設備的可靠性諸方面因素，最終我們選用了AMB-HV1型變頻器。AMB-HV1型高壓變頻器采用了工業(yè)控制領域已廣泛應用的成熟，可靠技術，諸如移相整流技術，H橋單相逆變技術等，因而具有很高的可靠性。
安邦信高壓變頻器與國外某品高壓變頻器性能對照表
AMB-HV1型高壓變頻器的基本原理與技術特點：
電源側(cè)與逆變功率單元之間，設置了移相整流變壓器，移相變壓器邊各繞阻之間互相錯開一定的電角度，給逆變功率單元供電，各功率與移相變壓器連線如圖-2所示。
移相變壓器的多重二次繞組對電網(wǎng)而言，類同多相負載，它即為逆變功率單元的電壓疊加提供了條件，又解決了電源網(wǎng)側(cè)的諧波問題。對AMB-HV1型高壓變頻器而言，每相有6個不同的相位組，形成了36脈沖的二極管整流電路。因此，它的基波電流值高，理論上講35次以下的諧波可以消除電流的畸變率THPi＜190.
AMB-HV1型高壓變頻器采用載波移相技術，各功率單元在主控CPU發(fā)生的控制電平下，依次導通關斷。各功率單元輸出的1，0，-1電平疊加后，形成了頻率電壓可調(diào)的多重化階梯形，得到了幾近完美的正弦波形。逆變功率單元由整流電路，電解電容濾波電路，H橋逆變路構成，其基本原理如圖-3所示。
各功率單元的輸入電壓為590V，功率模塊為低飽合壓降，耐壓為1700V的IGBT，功率單元與控CPU板之間監(jiān)控電平由光纖傳遞，使布線的雜散電感減至最少，杜絕噪聲損耗。
因為每相的逆變功率單元按一定的相位差串聯(lián)，其輸出的電壓波形是多段階梯波，且等效的開關頻率很高。因此，它沒有通用變頻器6脈波逆變電路產(chǎn)生的6K±1的高次諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動問題，避免了諧波電流引起的電機發(fā)熱，杜絕了共模電壓與dv/dt應力對電機與電纜的損害。因此，系統(tǒng)不需要再配置電抗器，濾波器。
實際使用情況：
系統(tǒng)采用2臺水泵驅(qū)動電機共用一臺高壓變頻器的形式，高壓變頻器分別控制2臺水泵驅(qū)動電機的啟動與調(diào)速及工頻/變頻的切換。主回路如圖-4所示。
高壓電機銘牌標定參數(shù)
額定電壓：UN＝6KV；額定電壓IN＝27A；額定轉(zhuǎn)速NN＝1475r/min；額定功率PN＝220KW
電機啟動平穩(wěn)，消除了刺耳的啟動噪音。
原高壓電機工頻啟動時，由于起動時間短，起動沖擊電流大（IN5~7倍），電機與水泵振動較大，會產(chǎn)生刺耳的噪音。使用高壓變頻器后，這些現(xiàn)象徹底消除。使用變頻器后，電機啟動時，電機的轉(zhuǎn)速在高壓變頻器設定的范圍內(nèi)，從零開如平緩上升，電機電流亦隨之平穩(wěn)變化，電流表的指針平穩(wěn)偏轉(zhuǎn)，杜絕了工頻啟動時對電網(wǎng)的沖擊。
電機啟動時，水泵出口側(cè)閥門關閉，變頻器輸出超始頻率為2Hz，電機相電流為0.6A，1分鐘以后，輸出頻率為43Hz,電機的相電流為18A。未采用變頻器時，每當用水量大，水壓低時，值班人員要及時開大水泵出口側(cè)閥門，加大出水量；而當用水量小，水壓電時，值班操作人員要及時關小水泵出口側(cè)閥門，減小出水量。采用變頻器后，網(wǎng)管水壓通過壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)自動控制，供水壓力始終保持在0.45MPa的設定壓力上。而且，泵的啟停臺數(shù)由PLC根據(jù)工況情況自動控制，使系統(tǒng)由人力控制的方式上升到自動化控制的臺階。
節(jié)省電能降低企業(yè)設備運行成本
原高壓電機以工頻電源驅(qū)動時，電機定速運行，只能靠水泵出口側(cè)的閥門來調(diào)節(jié)供水流量，不僅浪費能源，而且會產(chǎn)生“水錘效應”和“憋泵”現(xiàn)象，使用高壓變頻器，不僅解決了這些問題，而且可以根據(jù)供水管網(wǎng)所需流量，自動調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，從而節(jié)省電能，減少企業(yè)供水產(chǎn)生成本。解決了“水錘效應”“憋泵”水壓忽高忽低的問題，減少管網(wǎng)爆管，水的“跑、冒、滴、漏”，可見使用變頻器也利于節(jié)水。
表2為30天時內(nèi)，工頻與變頻時電機的對照表，該表說明使用了變頻器后水泵的電耗降低了30%，以當?shù)仉妰r0.55元/KWH計算，每月可節(jié)省27000元左右。
原高壓電機未裝置功率因數(shù)補償電容，盤面上的功率因數(shù)表的讀數(shù)在0.85的刻度上，使用高壓變頻器后，因高壓逆變功率單元內(nèi)均裝置有大的電解電容，相當于在電網(wǎng)側(cè)與機之間加入了一級容性隔離。使整個系數(shù)的效率大為提高。現(xiàn)在功率表的讀數(shù)在0.95以上。可見，高壓變頻器不僅調(diào)頻、調(diào)壓、調(diào)速，軟起動的功能，而且具有功率因數(shù)補償?shù)墓δ堋?BR> 結束語：
我們這次裝置AMB-HV1系列高壓變頻器一次調(diào)試成功，說明安邦信的高壓變頻器具有很高的可靠性，高壓變頻器的成功運行，不僅為企業(yè)帶來了節(jié)能效益，減少了設備維修，而且提高了供水系統(tǒng)的自動化水平。可以說高壓變頻調(diào)速為企業(yè)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟效益開掘了新途徑。
參考文獻：1、安邦信高壓變頻器AMB——HVI使用說明書 深圳市安邦信電子有限公司
作者簡介： 張書臣（47歲）就職于平頂山煤業(yè)集團供水總廠，總工程師，主要從事高壓變頻器在水工業(yè)中的應用及水工業(yè)的節(jié)能應用
王旭（49歲），東北大學教授，博士生導師，長期從事高低壓變頻調(diào)速技術的研究， 現(xiàn)為中國自動化學會電氣自動化委員
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