变频技术与变频器在水厂供水中的应用

随着社会的发展，技术的进步，广大企业及个人用户急需实现城市恒水压供水。为此扬州自来水有限责任公司对部分原有工频中压(6kV)电机进行了变频调速系统的技术改造。我厂供水泵房原有五台水泵，全部定速运行，正常生产功率总需求在380kW~1000kW之间，由于用户用水特性的关系，日夜供水量差异较大，为保证服务水压在规定范围内，需要调节阀门开度或更替大、小水泵出水，使得水泵频繁启、停，引起电机、水泵、阀门故障的增加，水锤效应的产生，对管网也会频繁产生冲击，不但浪费了能源还损害了设备。为实现降本增效，提高供水质量，实现恒水压供水，逐步达到自动化水厂的生产要求，公司决定对部分机组加装变频调速系统。

1､变频器

1.1 变频器的概念

变频器，指一种电力设备控制装置，它的定义是：一种可以对电源电压进行调整，对电流频率进行改变的电气设备。变频器是科学发展下，变频技术与电子技术的结合产物。过去的变频器在使用时多被包含在电动发电机等电气设备中，并不能独立进行作业，而伴随着科学技术的发展以及半导体电子设备的出现，今天的变频器在使用时已经可以完全脱离各种电气设备，单独进行使用。目前，变频器被广泛应用于工业设备和家用电气设备中。

1.2 变频器的应用特点

变频器的应用范围比较广泛，当其应用于工业设备或电气设备中时，可以起到良好的节电节能作用。供水行业使用变频器的目的是为了避免和解决供水故障，从而达到提高水厂供水质量水平的目的。总的来说，变频器的应用特点主要有：其对电能的耗损率极低，且还可以将某些因用量变化而浪费的电能储存与节约下来，在节约电能的同时，也提高了电能的利用率；由于其具有调整电源电压，改变电流频率方式的功能，因此在应用时它可以有效提高水厂的供水效率，并且可以根据用水季节的不同而自动调整电流频率，实现平衡管网供水水压的功能；此外，变频器的使用还可在一定程度上降低供水系统中设备的损耗率，减少机械运作期间的噪音，在满足了水厂生产工艺要求的基础上，还可有效改善生产车间的劳动环境。

2､变频调速原理器

选用的是罗克韦尔PowerFlexTM7000的高低压变频器，其采用了多电平串联技术，主要由移相变压器、功率单元和控制器组成。

罗克韦尔PowerFlexTM7000采用了脉宽调制技术(PWM)-电流源逆变器(CSI)作为驱动端逆变器，如图1所示。这种结构简单、可靠和高性价比的功率单元，能适应较宽的电压和功率范围。电力半导体开关器件在中压范围内可以串联使用。由于采用了母线电感器进行电流限制，所以功率单元不需要半导体熔断器。

变频调速系统主要通过为水泵电动机提供频率可变的供电电源，进而实现水泵电动机的无极调速，最终依照预先设定的参数实现管网水压自动化地连续变化。由三相异步电动机定子每相电动势的有效值。

Eg=4.44f1NskNsΦm

式中Eg—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值(V)

f1—定子频率(HZ)

Ns—定子每相绕组串联匝数

KNs—定子基波绕组系数

Φm—每极气隙磁通量(Wb)

当在实际利用变频器调节电机转速的过程中，当供电电压E一定时，若f1变化则引起Φm会随之变化。f1降低，磁通则上升，造成磁路过饱和，电流上升，使电动机带载能力降低，cosΦ降低，铁损增加，电机过热；反之，f1上升，Φm下降，在R(负载)一定时，有过流的危险。因此希望Φm可以保持基本不变。要实现这个目标，只要控制好Eg和f1，便可达到控制磁通Φm的目的，即

Eg/f1=常值

则磁通Φm可保持基本不变。因此变频的同时也要变压，即变频调速控制方式中的V/F控制，常用VVVF表示。常见的变频调速控制方式还有转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。

3､变频技术与变频器在水厂供水中的应用

交流电动机变频调速技术尤其是计算机控制技术的成熟使得PLC和变频调速结合得更加紧密，能够为水厂发挥的积极作用更加明显。

水厂供水变频调速系统具有操作简单、高可靠性、高抗干扰性、供水压力恒定以及节能高效的优势；同时，借助于对该系统的更深入应用，水厂可以实现无人值守；另外，该系统可以实现多台水泵的软启动以及软停车，将传统操作方式容易导致的管网水锤效应降到最低；借助于网络通信技术，能够实现对水泵机房的远程数据维护和远程控制，拓展变频器的操作灵活性并提高其工作可靠性。

3.1 PLC控制系统的优化与改善

供水变频调速系统主要包括现场控制层、控制主干层以及管理层三个部分。若系统采用DCS(分布式控制系统)结构，实现难度比较低。DCS的控制模式采用“分散控制、集中管理”的多级控制模式，功能虽然分散，但是系统的可靠性得到了提高，水厂的控制主干层通讯利用以太网进行。另外，现代化管理的发展趋势也应该是水厂当前需要考虑的重要问题：水厂的管理网络应该包括中心控制室的计算机系统，另外，为了能够实现数据共享，水厂采集的各种数据都被输入到管理网络系统的服务器当中；生产数据和管理数据均被存放于同一个数据库当中，并能够对水厂的实际运行情况进行实时监视；另外服务器采用双硬盘配置，提高了数据安全性；客户端和服务器采用100Mb网卡，提高信息的传输速度。

3.2 变频技术与变频器可在水厂供水中的应用

变频技术与变频器具有非常高的节电率，其节能降耗效果显著，不仅能够节省水厂冗余设计所导致的资源浪费，而且还因为功率因数和调速精度高等获得更加良好的运行效益。变频技术可在减低设备与物料的损耗、降低机械噪声和损耗的同时，也能够有效提高供水的质量与数量，满足生产工艺的动态要求。

4､变频调速系统的运行情况

公司变频调速系统为全天候连续不间断运行，当系统运行在工频状态下，泵口实际压力值远离给定值时，启动一台工频机组，满足用水量要求。此时，通过变频系统的调节，出水流量满足用水流量要求。

水泵泵口压力给定值的设定，是根据四季用水流量需求曲线和全天用水需求曲线历史数据分析产生。城市供水管网正常运行时，变频系统按给定值闭环运行；当城市管网出现异常，在上位机上可实时改变给定值，满足供水需求。

通过变频调速系统5年来的运行，明显的降低了千吨水电耗，经测算(除去维修保养时间以年运行340天计，每天节约1440kW/d)年节约电能约49×104kW·h，大幅减少了工频电机的启停次数，降低了泵房工作人员的工作强度，泵口压力曲线趋于平滑，消除了因管网压力过高引起的爆管，降低了管网运行时的漏失水量。为实现全自动恒压供水提供了有效的数据积累。

结语

为了满足水厂的生产工艺要求，势必要采用和推广变频调速技术，利用变频器的节能功能可推动我国供水技术的不断进步与发展。通过变频调速应用前后对比，公司实现了恒水压供水；变频机组能够柔性启动，降低了启动电流，明显减少了千吨水电能消耗，经统计较原来工频机组降低15%左右的电耗。实践证明高压变频器性能稳定，运行可靠，是一种高效的水厂节能装置，可在水厂节能工作中得以广泛应用。

审核编辑：汤梓红