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案例頻道引言
大中型自來(lái)水廠(chǎng)的水泵驅動(dòng)電機一般是由高壓電機驅動(dòng)，其供水壓力與流量的調節大多采用傳統的方式，通過(guò)控制水泵的運行臺數，輔助于閥門(mén)的開(kāi)度變化的方式進(jìn)行調節，由于供水時(shí)間相對集中，一日內的負荷變化較大，特別是在午夜與凌晨的時(shí)段，產(chǎn)生大馬拉小車(chē)的現象，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(dòng)。為了解決這一問(wèn)題，平頂山煤炭集團自來(lái)水廠(chǎng)領(lǐng)域決定選用安邦信的AMB-HV1型高壓變頻器，對原有的水泵驅動(dòng)電機進(jìn)行變頻節能改造。
系統概況
原高壓電機以工頻電源驅動(dòng)時(shí)，電機定速運行，只能靠水泵出口側的閥門(mén)來(lái)調節供水流量，不僅浪費能源，而且會(huì )產(chǎn)生“水錘效應”和“憋泵”現象，對此，我們采用安邦信高壓變頻器內置PID功能進(jìn)行節能改造。
PID功能介紹：水泵變頻調速是一個(gè)壓力閉環(huán)控制系統，設定水泵出工側壓力參數為控制對象，當實(shí)際壓力與設定壓力發(fā)生偏差±H時(shí)，高壓變頻器則根據壓力傳感器反饋的信號，自動(dòng)調節變頻器的輸出頻率與電壓，從而改變水泵驅動(dòng)電機的轉速，使水泵出口側的壓力維持恒定。
風(fēng)機泵類(lèi)負載變頻調速的節能原理
風(fēng)機泵類(lèi)負載一般是通過(guò)改變閥門(mén)擋板的開(kāi)度進(jìn)行流量、壓力調節的。圖-1為泵（風(fēng)機）揚程流量特性曲線(xiàn)（H-Q）圖。在閥門(mén)控制的方式下，當系統流量從Qmax減少到Q1時(shí)，必須相應地關(guān)小閥門(mén)。這時(shí)，閥門(mén)的阻力變大，流體的節流損失增加，流道的阻力線(xiàn)從A0到A2。
泵（或風(fēng)機）運行的工況點(diǎn)，從b點(diǎn)移到c點(diǎn)，揚程從H0上升到H2，而實(shí)際需要的工況點(diǎn)為d點(diǎn)。
根據泵（風(fēng)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(diǎn)的流量（m3/s）
g—動(dòng)力加速度（m/s2）
η—使用工況點(diǎn)泵的效率。
可求出運行在c點(diǎn)和d點(diǎn)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(shuō)明，用閥門(mén)控制流量時(shí)，有ΔP的功率被損耗浪費掉了。而且，隨著(zhù)閥門(mén)不斷關(guān)小，這個(gè)損耗還要增加。
用變頻調速控制時(shí)，當流量從Qmax減少到Q，由于閥門(mén)的開(kāi)度沒(méi)有變化，管網(wǎng)的阻力曲線(xiàn)不變，泵的特性曲線(xiàn)隨轉速由n0變化到n1。泵（風(fēng)機）運行的工況點(diǎn)，則從b點(diǎn)移到d點(diǎn)，揚程從H0下降到H1，而用轉速控制時(shí)，根據流量Q，揚程H，功率P和轉速N之間的關(guān)系：
Q1/Q2＝n1/n2; H1/H2＝(n1/n2)2; P1/P2＝(n1/n2)3
可知：流量Q與轉速N的一次方成正比；揚程H與與轉速N成平方比；而功率P與轉速N成立方比，若轉速下降20%，則軸功率對應下降49%，由此可見(jiàn)，采用變頻調速可以大幅降低電機的電耗，節省能源，降低企業(yè)成本。
高壓變頻器的選型：
高壓變頻器是價(jià)格不菲的傳動(dòng)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(mén)子，富士都在生產(chǎn)6KV系列高壓變頻器，而且在國內企業(yè)均有成功應用的例子，但它們的產(chǎn)品一般都售價(jià)高昂，同時(shí)在技術(shù)支持及售后服務(wù)方面不及國內便捷。近年，國內企業(yè)生產(chǎn)的高壓變頻器，經(jīng)不斷完善，其技術(shù)與十分成熟。綜合產(chǎn)品價(jià)格、售后服務(wù)、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(lǐng)域已廣泛應用的成熟，可靠技術(shù)，諸如移相整流技術(shù)，H橋單相逆變技術(shù)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
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生產(chǎn)廠(chǎng)家 |
深圳安邦信 |
歐美某廠(chǎng)家 |
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變頻器型號 |
AMB-HV1036V060 |
某型號 |
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主回路結構 |
單元串聯(lián)多重化電壓源型 |
單元串聯(lián)多重化電源型 |
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變頻器容量 |
375KVA |
375KVA |
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輸入頻率 |
50~60Hz |
50~60Hz |
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輸入電壓 |
6KV±25% |
6KV±25% |
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輸入電流 |
36A |
36A |
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功率器件 |
IGBT |
IGBT |
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最大欠壓范圍 |
25% |
15% |
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過(guò)載能力 |
120%1min 150%3s |
120%1min 150%3s |
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運行環(huán)境溫度 |
0~400C |
0~400C |
AMB-HV1型高壓變頻器的基本原理與技術(shù)特點(diǎn)：
電源側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(kāi)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(xiàn)如圖-2所示。
移相變壓器的多重二次繞組對電網(wǎng)而言，類(lèi)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)側的諧波問(wèn)題。對AMB-HV1型高壓變頻器而言，每相有6個(gè)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(shù)，各功率單元在主控CPU發(fā)生的控制電平下，依次導通關(guān)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板之間監控電平由光纖傳遞，使布線(xiàn)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(kāi)關(guān)頻率很高。因此，它沒(méi)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)生的轉矩脈動(dòng)問(wèn)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，系統不需要再配置電抗器，濾波器。
實(shí)際使用情況：
系統采用2臺水泵驅動(dòng)電機共用一臺高壓變頻器的形式，高壓變頻器分別控制2臺水泵驅動(dòng)電機的啟動(dòng)與調速及工頻/變頻的切換。主回路如圖-4所示。
高壓電機銘牌標定參數
額定電壓：UN＝6KV；額定電壓IN＝27A；額定轉速NN＝1475r/min；額定功率PN＝220KW
電機啟動(dòng)平穩，消除了刺耳的啟動(dòng)噪音。
原高壓電機工頻啟動(dòng)時(shí)，由于起動(dòng)時(shí)間短，起動(dòng)沖擊電流大（IN5~7倍），電機與水泵振動(dòng)較大，會(huì )產(chǎn)生刺耳的噪音。使用高壓變頻器后，這些現象徹底消除。使用變頻器后，電機啟動(dòng)時(shí)，電機的轉速在高壓變頻器設定的范圍內，從零開(kāi)如平緩上升，電機電流亦隨之平穩變化，電流表的指針平穩偏轉，杜絕了工頻啟動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊。
電機啟動(dòng)時(shí)，水泵出口側閥門(mén)關(guān)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(shí)，每當用水量大，水壓低時(shí)，值班人員要及時(shí)開(kāi)大水泵出口側閥門(mén)，加大出水量；而當用水量小，水壓電時(shí)，值班操作人員要及時(shí)關(guān)小水泵出口側閥門(mén)，減小出水量。采用變頻器后，網(wǎng)管水壓通過(guò)壓力閉環(huán)控制系統自動(dòng)控制，供水壓力始終保持在0.45MPa的設定壓力上。而且，泵的啟停臺數由PLC根據工況情況自動(dòng)控制，使系統由人力控制的方式上升到自動(dòng)化控制的臺階。
節省電能降低企業(yè)設備運行成本
原高壓電機以工頻電源驅動(dòng)時(shí)，電機定速運行，只能靠水泵出口側的閥門(mén)來(lái)調節供水流量，不僅浪費能源，而且會(huì )產(chǎn)生“水錘效應”和“憋泵”現象，使用高壓變頻器，不僅解決了這些問(wèn)題，而且可以根據供水管網(wǎng)所需流量，自動(dòng)調節電機轉速，從而節省電能，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(wèn)題，減少管網(wǎng)爆管，水的“跑、冒、滴、漏”，可見(jiàn)使用變頻器也利于節水。
表2為30天時(shí)內，工頻與變頻時(shí)電機的對照表，該表說(shuō)明使用了變頻器后水泵的電耗降低了30%，以當地電價(jià)0.55元/KWH計算，每月可節省27000元左右。
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變頻調速 |
工頻定速 |
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頻率（Hz） |
變化 |
50 |
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轉速(r/min) |
變化 |
1475 |
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電流(A) |
變化 |
25A(窄幅變化) |
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時(shí)間(H) |
30 |
30 |
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電耗(KW/H) |
51200 |
101304 |
原高壓電機未裝置功率因數補償電容，盤(pán)面上的功率因數表的讀數在0.85的刻度上，使用高壓變頻器后，因高壓逆變功率單元內均裝置有大的電解電容，相當于在電網(wǎng)側與機之間加入了一級容性隔離。使整個(gè)系數的效率大為提高?，F在功率表的讀數在0.95以上?？梢?jiàn)，高壓變頻器不僅調頻、調壓、調速，軟起動(dòng)的功能，而且具有功率因數補償的功能。
結束語(yǔ)：
我們這次裝置AMB-HV1系列高壓變頻器一次調試成功，說(shuō)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(lái)了節能效益，減少了設備維修，而且提高了供水系統的自動(dòng)化水平?？梢哉f(shuō)高壓變頻調速為企業(yè)節能降耗，提高經(jīng)濟效益開(kāi)掘了新途徑
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號