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 變頻器在變頻增壓供水設備中的節能降耗作用

    近年來，隨著經濟建設的不斷發展，許多城市不得不限水限電，因此，每年出巨資進行大規模基礎設施建設。對于變頻增壓供水設備而言，目前絕大多數存在設備陳舊，工藝及供電設備老化，自動化水平低下，水耗、藥耗、材耗嚴重等情況。為此，變頻增壓供水設備的降耗節能工作已到了刻不容緩的地步。變頻調節是現代一種先進的節能技術，它集電力電子技術和計算機技術于一身，可以很好的在變頻增壓供水設備中實現節能降耗的目標。

1 變頻增壓供水設備變頻器的組成

　　一般家用或工廠電氣設備多采用交流電源，但這些設備的控制部分也少不了要采用直流電。把交流變為直流稱為整流，把直流變為交流稱為逆變，用于逆變的裝置稱為逆變器，逆變器是變頻器的核心部件，如圖1。

　　變頻器是由主回路和控制回路兩部分組成的。

　　主回路由整流器（整流模塊）、濾波器（濾波電容）和逆變器（大功率晶體管模塊）三個主要部件構成。控制回路由單片機、驅動電路和光隔離電路組成。主回路各點的波形，除輸入電壓外，均不是光滑的正弦波。輸入電流為雙脈沖波，輸出電壓為方波，輸出電流為含有多種高次諧波的正弦波。

　　目前新型變頻器一般都帶有通信接口，可以實現上位機對變頻器的通信功能，可將上位機的運行指令下達，也可將變頻器的運行狀態上傳。在需要高精度控制時，可將反饋信號反饋到變頻器，構成閉環系統。

 

2 變頻增壓供水設備變頻器的控制

　　在風機、水泵等機械的節能運轉中應用的變頻器采用VVVF控制即恒U/f控制。就是在改變頻率的同時控制變頻器的輸出電壓，使電動機的磁通保持，在較寬的范圍內電動機的轉矩、效率、功率因數不下降。因為是控制電壓U和頻率f的比所以稱為恒U/f控制。變頻器與電動機的對應關系見圖2。

　　在進行電機調速時，通常要考慮的一個重要因素是希望保持電機中每極磁通量為額定值，并保持不變。在交流異步電動機中，磁通是定子和轉子磁勢合成產生的。三相異步電動機的電動勢有效值是Eg=4.4f1N1K1Φm，其中Eg是氣隙磁通在定子繞組的感應電動勢，單位是V；f1為定子頻率，單位是Hz；N1是定子每相繞組串聯匝數；K1為繞組系數；Φm為每極氣隙磁通，單位是Wb。由此可知，只要控制好Eg和f1，便可以達到控制磁通Φm的目的。若忽略定子壓降，則繞組外電壓U1≈Eg，U1/f1=4.4N1K1Φm，因此，變頻器要維持磁通只要使U1與f1成比例即可。

 

3 變頻器在變頻增壓供水設備節能降耗中的應用

　　在自來水供應中，由于用戶對水量需求的變化，管道中自來水的流量和壓力是在不斷變化的，如果壓力過高會導致管線設備的負荷過重，甚至引起爆管事故；如壓力太低則會導致部分用戶水量不足甚至大面積停水。為了將壓力維持在設定的范圍內，自來水公司所屬的泵站和水廠大都在調度中心的指揮下采用開啟或關閉水泵的方法來調節管道壓力。但對于有些需要恒定水壓的地區，如居民小區的增壓泵站等，供水量隨時間的變化很大，采用該方法來調節水壓就顯得比較費力。為實現恒壓供水，這些泵站均采用了變頻器。

　　下面以某小區的泵站為例，簡述變頻器的應用。

　　該泵站共有4臺水泵，每臺電機的容量為50kW，其中3臺工作，1臺備用。具體要求如下：

　　3臺水泵分別可以調速和定速運行，變頻器只能作1臺電機的變頻電源。故各臺電機的啟動、停止互相聯鎖，以保證可靠切換。

　　兩臺以上的水泵工作時，1臺由變頻器供電，其余由工頻供電，其運行有互鎖控制。

　　當水壓低于設定值（目前設為250kPa）時，1臺水泵啟動采用變頻器調速，直至達到定值，如1臺電動機全速運行（工頻狀態）壓力仍然達不到要求，則該水泵切換至工頻供電，二臺水泵啟動，由變頻器調節轉速，直至達到要求，如還達不到要求則啟動第三臺水泵。壓力高時則反之。

　　該泵站采用日本富士公司生產的FRENIC5000系列變頻器，主回路采用大功率晶體管模塊，用單片計算機控制。

　　采用變頻器后，啟動電流小于1.5倍額定電流，實現軟啟動，電機的啟動特性得到明顯改善。通過變頻器實現閉環控制，由于在正常情況下無須人工干預水泵運行，可大大降低值班人員的勞動強度，甚至可實現無人值守。

　　變頻器還可用于泵站的二次加氯設備。以浦威泵站管理所托管的北區泵站為例，該泵站采用德國普羅明特公司生產的計量泵進行次氯酸鈉的加注。該計量泵通過手動旋轉調節旋紐來實現加注量的控制，調節加注量十分麻煩。經過改造，加裝了1臺施耐德公司生產的PLC和富士公司生產的變頻器。控制原理如下：余氯儀將水中的余氯值轉換為4～20mA模擬量信號傳遞給PLC，PLC據此通過變頻器來控制次氯酸鈉的加注量，形成閉環控制。目前浦威泵站管理所共有7個泵站裝有類似的計量泵，都采用人工至現場調節，如采用新型帶有模擬量控制的計量泵則需要很高的費用，如采用變頻器控制則只需較少的費用即可實現遠距離控制。

　　變頻增壓供水設備變頻器的合理運用，還可降低能耗。以某泵站的3#機組為例，2007年使用變頻器改造后在平均揚程為39kPa的情況下，平均電耗由原來的59.69kWh降到39.86kWh；2008年度運行4266小時，節約電量84595kWh；2009年度運行4280小時，節約電量84872kWh；2010年度運行4270小時，節約電量84674kWh。

　　由此可見，水泵采用交流變頻調速技術后，控制系統的穩定性、經濟性和可靠性明顯提高，控制偏差小于1%，各參數波動幅值小，泵的出口壓力降低，揚程下降，節能效果明顯。

 

4 變頻增壓供水設備變頻器的維護

　　為使變頻器能長期可靠的連續運行，防患于未然，應進行日常檢查和定期檢查維護。

　　日常檢查可不卸下外蓋，通電和啟動后，目測變頻器的運行狀況，確認無異常情況。通常應注意：鍵盤面板顯示是否正常；有無異常的噪聲、振動和氣味；有沒有過熱或變色等異常情況；周圍環境是否符合規范。

　　定期檢查要切斷電源，停止運行并卸下變頻器的外蓋。由于變頻器內有較大容量的電容器，充分放電后才能開始檢查工作。主要檢查維護項目有：①周圍環境是否符合規范；②主電路、控制電路電壓是否正常；③顯示面板是否清楚，有無缺少字符；④框架結構件有無松動，導體、導線是否破損；⑤濾波電容器是否漏液，電容量是否降低；⑥電阻、電抗、繼電器、接觸器等接線是否松動或斷線；⑦電路板有無銹蝕、斷裂等；⑧冷卻風扇是否正常和通風口是否通暢。

 

結語

　　總之，變頻器的優點十分明顯，在變頻增壓供水設備上運行不僅可靠，還滿足用水量隨時變化的需要，具有明顯的節能降耗作用。只要加強日常的維護保養，變頻器在變頻增壓供水設備節能降耗中的經濟效益和社會效益還是十分顯著的。