变频器在泵站节能降耗中的应用

徐龙

【摘 要】变频器的发展十分迅速，应用日益广泛，并且在泵站中变频技术也逐步得到了应用。本文就变频器在泵站节能降耗中的应用进行了探讨，详细介绍了变频器的工作原理，分析了变频器在供水行业中的应用，以期能为变频器在泵站节能降耗中得到更好的应用而提供参考。

【关键词】变频器；节能降耗；泵站；应用

在传统的给水工程中，各种系统参数随工况的变化而不断变化，为了实现准确地控制，只能采用控制阀门或挡板开度的方法，人为增减阻力，使大量能量损失在阀门和挡板上。随着变频调速技术的日渐成熟，在泵站的给水工作中可以实现根据电动机的负载特性来调整转速、启动时间等参数，从而具有明显的节能特性。目前，在给水泵站采用变频调速技术，对水泵实现闭环控制很好地达到了节能和稳定运行的目的。本文就变频器在泵站节能降耗中的应用进行了探讨，以期能为变频器在泵站节能降耗中得到更好的应用而提供参考。

1.变频器的组成

一般家用或工厂电气设备多采用交流电源，但这些设备的控制部分也少不了要采用直流电。把交流变为直流称为整流，把直流变为交流称为逆变，用于逆变的装置称为逆变器，逆变器是变频器的核心部件，如图1。

变频器是由主回路和控制回路两部分组成的。

主回路由整流器（整流模块）、滤波器（滤波电容）和逆变器（大功率晶体管模块）三个主要部件构成。控制回路由单片机、驱动电路和光隔离电路组成。主回路各点的波形，除输入电压外，均不是光滑的正弦波。输入电流为双脉冲波，输出电压为方波，输出电流为含有多种高次谐波的正弦波。

目前新型变频器一般都带有通信接口，可以实现上位机对变频器的通信功能，可将上位机的运行指令下达，也可将变频器的运行状态上传。在需要高精度控制时，可将反馈信号反馈到变频器，构成闭环系统。

2.变频器的控制

在风机、水泵等机械的节能运转中应用的变频器采用VVVF控制即恒U/f 控制。就是在改变频率的同时控制变频器的输出电压，使电动机的磁通保持一定，在较宽的范围内电动机的转矩、效率、功率因数不下降。因为是控制电压U和频率f 的比所以称为恒U/f 控制。变频器与电动机的对应关系见图2。

在进行电机调速时，通常要考虑的一个重要因素是希望保持电机中每极磁通量为额定值，并保持不变。在交流异步电动机中，磁通是定子和转子磁势合成产生的。三相异步电动机的电动势有效值是Eg= 4.4 f1N1K1Φm，其中Eg是气隙磁通在定子绕组的感应电动势，单位是V；f1为定子频率，单位是Hz；N1是定子每相绕组串联匝数；K1为绕组系数；Φm为每极气隙磁通，单位是Wb。由此可知，只要控制好Eg和f1，便可以达到控制磁通Φm的目的。若忽略定子压降，则绕组外电压U1≈Eg，U1/f1= 4.4N1K1Φm，因此，变频器要维持磁通只要使U1与f1成比例即可。

3.变频器的应用与节能作用

在自来水供应中，由于用户对水量需求的变化，管道中自来水的流量和压力是在不断变化的，如果压力过高会导致管线设备的负荷过重，甚至引起爆管事故；如压力太低则会导致部分用户水量不足甚至大面积停水。为了将压力维持在一定的范围内，自来水公司所属的泵站和水厂大都在调度中心的指挥下采用开启或关闭水泵的方法来调节管道压力。但对于有些需要恒定水压的地区，如居民小区的增压泵站等，供水量随时间的变化很大，采用该方法来调节水压就显得比较费力。为实现恒压供水，这些泵站均采用了变频器。

下面以某泵站为例，简述变频器的应用。

该泵站共有4台水泵，每台电机的容量为50kW，其中3台工作，1 台备用。具体要求如下：

3台水泵分别可以调速和定速运行，变频器只能作1台电机的变频电源。故各台电机的启动、停止必须互相联锁，以保证可靠切换。

2台以上的水泵工作时，1台由变频器供电，其余由工频供电，其运行有互锁控制。

当水压低于设定值（目前设为250kPa）时，1台水泵启动采用变频器调速，直至达到定值，如1台电动机全速运行（工频状态）压力仍然达不到要求，则该水泵切换至工频供电，第二台水泵启动，由变频器调节转速，直至达到要求，如还达不到要求则启动第三台水泵。压力高时则反之。

该泵站采用日本富士公司生产的FRENIC5000系列变频器，主回路采用大功率晶体管模块，用单片计算机控制。

采用变频器后，启动电流小于1.5倍额定电流，实现软启动，电机的启动特性得到明显改善。通过变频器实现闭环控制，由于在正常情况下无须人工干预水泵运行，可大大降低值班人员的劳动强度，甚至可实现无人值守。

变频器还可用于泵站的二次加氯设备。该泵站采用德国普罗明特公司生产的计量泵进行次氯酸钠的加注。该计量泵通过手动旋转调节旋纽来实现加注量的控制，调节加注量十分麻烦。经过改造，加装了1 台施耐德公司生产的PLC和富士公司生产的变频器。控制原理如下：余氯仪将水中的余氯值转换为4～20mA模拟量信号传递给PLC，PLC 据此通过变频器来控制次氯酸钠的加注量，形成闭环控制。目前泵站管理所共有7个泵站装有类似的计量泵，都采用人工至现场调节，如采用新型带有模拟量控制的计量泵则需要很高的费用，如采用变频器控制则只需较少的费用即可实现远距离控制。

变频器的合理运用，还可降低能耗。以泵站管理所下属机场泵站的3# 机组为例，2007年使用变频器改造后在平均扬程为39kPa的情况下，平均电耗由原来的59.69kWh降到39.86kWh；2008年度运行4 266小时，节约电量84595kWh；2009年度运行4280小时，节约电量84872kWh；2010年度运行4270小时，节约电量84674kWh。

由此可见，水泵采用交流变频调速技术后，控制系统的稳定性、经济性和可靠性明显提高，控制偏差小于1%，各参数波动幅值小，泵的出口压力降低，扬程下降，节能效果明显。

4.变频器的维护

为使变频器能长期可靠的连续运行，防患于未然，应进行日常检查和定期检查维护。

日常检查可不卸下外盖，通电和启动后，目测变频器的运行状况，确认无异常情况。通常应注意：键盘面板显示是否正常；有无异常的噪声、振动和气味；有没有过热或变色等异常情况；周围环境是否符合规范。

定期检查要切断电源，停止运行并卸下变频器的外盖。由于变频器内有较大容量的电容器，必须充分放电后才能开始检查工作。主要检查维护项目有：①周围环境是否符合规范；②主电路、控制电路电压是否正常；③显示面板是否清楚，有无缺少字符；④框架结构件有无松动，导体、导线是否破损；⑤滤波电容器是否漏液，电容量是否降低；⑥电阻、电抗、继电器、接触器等接线是否松动或断线；⑦电路板有无锈蚀、断裂等；⑧冷却风扇是否正常和通风口是否通畅。

另外，在变频器的使用中，还要考虑变频器与电机的距离对系统的影响。

总之，在安装变频器时要综合考虑控制设备、变频器、电机三者之间的距离，尽量减少谐波的影响，提高控制的稳定性。

5.结语

综上所述，随着变频调速技术的飞速发展，在泵站节能降耗中会得到越来越广泛的应用。采用变频调速系统后，电动机和变频器组合为一体，既是动力源又是供水调节执行机构，改变了传统的控制方式，实现了生产过程自动化，减少了工人的劳动强度。总之，变频器应用在泵站中具有明显的节能降耗作用，经济效益十分显著。 [科]

【参考文献】

[1]周培进.通用变频器在泵站中的运行测试[J].设备管理与维修，2002（01）.

[2]徐峥.泵站节能降耗的研究与应用[J].中国科技博览，2013（23）.