【摘 要】 通过采用高压变频器在供水系统的技术改造，提高了供水系统自动控制水平，达到节能降耗的目标。

【关键词】 供水系统 高压变频 节能

为进一步做好企业节能降耗挖潜工作，我公司动力工作部对所属供水系统水泵类设备运行工况进行了调查，发现目前水泵实际运行效率不高，其主要原因是水泵的调速性能差；运行点远离水泵的最高效率点；有的水泵如炉体泵组、转炉浊环、净环、连铸浊环、连铸净环、氧枪、结晶器泵组；轧钢加热炉净环、轧钢浊环高低压泵组均通过调整阀门组开度来保证出口流量与压力稳定，部分泵组阀门开度在20—30%之间，造成大量能耗浪费在节流的阀门组上；部分泵组由于生产工艺要求需要频繁的启停，不但对设备稳定运行造成影响同时也造成能源浪费。

目前运行的水泵流量裕度为20%-30%，压力裕度为15%-25%。这是因为在设计过程中，很难准确地计算出管网阻力，并考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题，通常总是把系统的最大流量和压力富裕量作为选择风机型号的设计值。但风机、水泵的型号和系列是有限的，往往在选用不到合适的风机型号时，只好往大机号上靠。因此，风机、水泵的流量和压力富裕度达20%-30%是比较常见的。

水泵的电机随着工艺变化的需求经常运行在“大马拉小车”与低负荷或变负荷状态下，使电机消耗的电能中有相当部分以发热、铁损、噪音与振动等形式浪费掉。造成电机运行效率很低的主要原因是电机偏离最佳效率的额定功率运行。电机负载怎么变化，电机与电网之间的电压和频率不可调节的“硬性”供电方式，始终是造成负载消耗多余电能的重要原因。

从水泵组电动机的运行参数与工艺的变化来看，该类用电设备的节能空间较大，通过配置合理的节电装置使电机的运行与工艺变化结合，达到良好的匹配，能达到很好的节能收益。

1. 高压节能设备选型

从产品技术的先进性、可靠性以及高性能价格比角度考虑,我们选用北京动力源公司的HINV系列高压变频节能设备，该设备是一种高效节能的交流调速传动设备，广泛适用于各种风机泵类负载，减少了电网的谐波污染，不存在因谐波引起的电机发热、转矩脉动、噪音、共模电压等。

具体选型清单如下:

2．系统结构图

手动旁路柜的设计主回路的简图如下：

一拖一手动旁路方案系统一次接线如下：

一拖一手动旁路方案

注：TF为高压变频系统，虚线框内为旁路柜配置。

变频系统旁路方案说明：

变频运行时：断开QS1，闭合QS2和QS3；

工频运行时：断开QS2和QS3，闭合QS1；

10kV电源经用户输入真空开关柜QF1，通过变频装置进线刀闸QS2到高压变频调速装置，变频装置输出经出线刀闸QS3送至电动机； 10kV电源还可以经旁路刀闸QS1直接起动电动机。变频装置的输出刀闸QS3和旁路刀闸QS1互相闭锁，即QS2和QS1不能同时闭合。

旁路作用：

当变频装置工程检修时，可手动操作刀闸，形成明显断电点，能够保证人身安全；

当变频装置出现故障时，也可手动操作刀闸，将变频装置隔离，使负载在工频电源下正常运行，保证生产的安全、持续的运行。

变频系统旁路设备组成：

旁路设备由1台柜组成，高压开关柜QF1，电动机M为现场原有设备。

一拖一手动方案适配手动旁路柜说明：

1) 隔离开关QS1选用GN19-10 400A/12.5系列单投，QS2.3双投户内高压隔离开关，相间距为210mm；单投隔离开关的进线端的三个绝缘端子为高压带电显示装置HL1.2的三个传感器SQ1.2。

2）照明灯为柜门式照明灯。

3）避雷器采用三相组合式。

4）旁路柜有外加输入、输出端子和带电、工频、变频指示。

3. 高压变频原理

电网电压经主变压器隔离移相后为功率单元供电，每个功率单元为一个单相交-直-交电压型逆变器，单元串联星接后形成三相变频电源给高压电动机供电。根据串联单元级数的不同，产品分为3kV、6kV、10kV三个系列。HINV系列高压变频节能设备采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。隔离变压器为三相干式整流变压器，风冷，有使用寿命长、免维护等优点。10kV系列为功率单元24个，延边三角形接法，为每个功率单元提供三相电源输入。为了最大限度抑制输入侧谐波含量，同一相的副边绕组通过延边三角形接法移相，由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，所以HINV系列高压变频节能设备输入电流的总谐波含量（THD）远小于国家标准4%的要求，另外主变压器采用移相整流方式，输入功率因数高，输入电压电流谐波小。满足IEEE519-1992和GB/T 14549-93对电压和电流最严格的谐波失真要求。无需任何功因补偿和谐波抑制装置。变频器输出采用多重化PWM技术，输出为近乎完美的正弦波，无须加装输出滤波器。电动机谐波损耗小，转矩脉动小，无明显电动机噪声。电动机不需降额使用。输出dV/dt和共模电压小，对电动机无附加电应力损害。

3.1 二次回路及控制

控制系统由控制器、I/O板\和人机界面组成。控制器由光纤板，信号板，主控板和电源板组成。各部分之间的联系如下图。

人机界面为用户提供友好的全中文操作界面，负责信息处理和与外部的通讯联系，可选上位监控而实现变频器的网络化控制。通过主控板和I/O接口板通讯来的数据，计算出电流、电压、功率、运行频率等运行参数，实现对电机的过载、过流告警和保护。通过RS232通讯口与主控板连接，通过RS485通讯口与I/O接口板连接，实时监控变频器系统的状态。

I/O接口板用于变频器内部开关信号以及现场操作信号和状态信号的逻辑处理，增强了变频器现场应用的灵活性。

HINV系列高压变频控制系统图

从流体力学的原理得知，使用感应电动机驱动的风机负载，轴功率P与流量Q，扬程H的关系为：

当电动机的转速由n1变化到n2时,Q、H、P与转速的关系如下:

(1)

(2)

(3)

可见流量Q和电机的转速n是成正比关系的，而所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。所以当需要80％的额定流量时，通过调节电机的转速至额定转速的80％，即调节频率到40Hz即可，这时所需功率将仅为原来的51.2％。

如下图所示，从水泵运行曲线图来分析采用调速后的节能效果。

水泵运行曲线图

当所需风量、流量从Q1减小到Q2时，如果采用调节阀门的办法，管网阻力将会增加，管网特性曲线上移，系统的运行工况点从A点变到新的运行工况点B点运行，所需轴功率P2与面积H2×Q2成正比；如果采用调速控制方式，风机转速由n1下降到n2，其管网特性并不发生改变，但水泵的特性曲线将下移，因此其运行工况点由:

A点移至C点。此时所需轴功率P3与面积HB×Q2成正比。从理论上分析，所节约的轴功率Delt(P)与（H2-HB）×（C-B）的面积成正比。

通过实践的统计，水泵通过调速控制可节能20％～50％，有些风机负载节能比例更高。

4. 节能分析及经济效益

4. 1 节能分析

经过改造前对用电系统的分析，发现电能主要浪费在分配系统层面的效率、负荷侧设备运行的效率。针对此用电系统所存在的问题，结合节电的技术特点，对部分运行状况参数需要经常调整，以及通过阀门进行节流控制的水泵组电机进行变频改造，以改善用电负载的运行状况，达到优化设备运行、节约用电的目的。

采用变频调速节电技术改造低效运行的水泵的可行性主要反映在以下几个方面：

（1） 原机组的电机起动时会出现较大的冲击电流，采用变频节能系统控制后，可以使电机起动时电流平缓上升，没有任何冲击。另外，大功率电机停机时会产生很大的反生冲击电流，对设备造成一定程度的损害，采用变频节能控制后，可使电机实现软停，避免反生电流造成的危害，有利于延长设备的使用寿命。

（2）采用变频节能控制系统后，可调节水量及压力大小，从而精确控制水量及水压。

（3）采用了节能变频控制系统后，可将水泵手动阀门全部打开，降低管网阻力。

（4）通过调整电机的转速来调整水量，节省了大量的电能。

（5）降低泵组运行时的噪音及振动，提高工作环境的舒适程度和延长设备检修周期。

4. 2变频调速运行效果

在交流调速中，交流电机的调速公式N=60f1(1-s)/p,而电机功率P′=P(N′/N) ³

当电机频率下降时，电机的转速成比例减小，流量按（2）式比例减小，功率按（1）式大大降低，从而达到节能的目的。

其减少的功耗 △P=P0〔1-(N1/N0)³〕 （1）式

减少的流量 △Q=Q0〔1-(N1/N0)〕 （2）式

其中N1为改变后的转速，N0为电机原来的转速，P0为原电机转速下的电机消耗功率，Q0为原电机转速下所产生的流量。

由上式可以看出流量的减少与转速降低的一次方成正比，功耗的减小与转速降低的三次方成正比,因此改变频率，节能效果显著。

4. 3效益分析

根据安装HINV系列高压变频节能设备使用后统计，每年可节约用电1078.64万度，节约电费539.319万元，设备运行30个月即可收回全部投资。

以上数据均为每天24小时，每月30天，电价按0.5元/KW.H计算。

5. 系统调试中的问题及解决办法

在高压变频器通电之前，对进线变压器进行耐压实验，可分三次以上不同的时间进行，完成之后，才能对高压变频器通电进行调试。调试时的速度由变频器直接输出，从10%到100%的额定速度，分段进行速度给定，这期间注意高压变频器及电机等设备运行情况。当运行正常后，即可开始带负荷运行，速度也是由10%到100%的额定速度给定分阶段进行升、降速。在此阶段必须调节好高压变频器的升、降速时间，不能过快，否则变频器会报故障而停机，甚至会烧坏IGBT模块。

变频器的速度输出是由外部给定的模拟信号或上位机通过与变频器本体PLC通讯来控制的，因此，在调试中必须确保模拟信号的稳定性和通讯状态的稳定。变频器设备会产生较大的电磁干扰信号，对于模拟信号的传输影响很大。因此，设计、施工时做好接地工作、选用屏蔽电缆之外，最好对信号电缆穿铁管加以屏蔽。信号类型选择电流信号而不要选用电压信号。对于长距离的控制信号通讯最好使用光纤通讯，在软件方面加上通讯判断程序，并根据工艺需要加上控制信号丢失保护和连锁程序。

另外鉴于风机水泵负载特性在进行恒压或恒流量闭环控制时加上最低运行频率设置，以免在调节时进入死区，造成水泵断水或风机运行在临界转速点上，造成设备运行不稳定。

【参考文献】

[1] 吴忠智 变频器应用手册 〔M〕 机械工业出版社 2004

[2] 竺伟，陈伯时.高压变频调速技术[J].电工技术杂志1999（3）

[3] 张皓，续明进，杨梅. 高压大功率交流变频调速技术[M]. 机械工业出版社,2006