供水泵房电机变频改造应用研究

供水泵房电机变频改造应用研究

作者：何文华

来源：《科技资讯》2011年第18期

摘 要：变频调速技术使得电气传动控制领域发生了巨大的变革，是国际上一项应用最广的高新技术。本文对水泵变频节能原理及变频调速方案进行了分析，结合工程应用实例分析了供水泵房电机变频改造后的效果，为以后变频改造提供了借鉴。 关键词：供水泵 变频加速 变频改造 电机变频

中图分类号：TH3文献标识码：A文章编号：1672-3791(2011)06(c)-0000-00

能源消耗是一个企业发展的重要指标，人口多、资源相对不足、环境承载能力弱，是中国的基本国情。为贯彻落实节约资源的理念，提高能源的利用率与节约能源受到广泛的关注。因此，水泵房电机需进行变频改造，实现发展与节能同步。全国泵类电机耗电相当全国电力消耗的1/5，其中，水泵的效率很低，能量浪费很严重。

因为用水随时间与生产情况而变化，存在压力不稳，能量消耗高等问题。为保证两清水池水量平衡，操作人员与通过阀门调节水量的平衡。其缺陷是增加了劳动量，并且很难保持供水压力的恒定。为了解决以上问题，本文采用变频改造，变频调速供水系统具有高供水质量，强灵活性，小耗电量，电机起制动平稳，无水锤效应，占地面积小，节约能源，原材料消耗小，降低系统的维护工作量和故障率等优点。经过改造可以解决以上问题的同时，也达到节约能源的目的。2008年，巴陵石化有限公司对其供水车间成功的进行了变频改造，实现了工作效率高、故障少、节能等目标。因此，对供水泵电机变频改造探讨是具有很大的实际意义和现实意义。

1 变频节能原理分析 1.1变频器工作原理

变频器是一种将电网电源整流后再逆变成频率、电压可变的交流电供三相交流电动机专用的电源装置，主要由功率模块、超大规模专用单片机等构成。不同品牌的变频器由于采用不同的功率模块、单片机以及控制方式，其性能、功能等分别适用于不同的场合。在变频调速时，电动机最大转矩T=Cm（U/f）2，式中Cm-电动机常数，U-电源电压，f-电源频率，如果在改变电源频率f的同时，同步的改变电源电压U，可实现转矩T不变的调速特性。

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1.2供水泵调速节能原理

变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是由提供变频电源的变频器所组成，变频器通常可以分成交流--直流--交流变频器和交流--交流变频器两大类，目前国内大多数所使用的变频器主要为交--直--交变频器。鉴于工程实践经验，本供述泵房电机变频工程同样采用交--直--交变频器。

在各种变频调速的应用中，最节能的方式是用调节转速来调节流量。流量Q压力H、轴功率Ps为泵的基本参数。如图1为水泵调速时的Q-H曲线。水泵在A点的效率最高，输出的流量为100%，轴功率Ps1与Q1、H1的乘积成正比。调节阀门可以调节流量从100%-50%，但是，此时管网阻力增加了，即使流量虽然降低了，压力却也增加了，而且水泵轴功率Ps2与BH2OQ3的面积的比，降低很少。但是如果采用变频调速，如图1所示，水泵的转速会从n1降低至n2。从图1可清晰地发现，在满足相同流量Q2的前提下，水压降至H3时，轴功率与CH3OQ2的比值明显地降低了，这意味着轴功率得到了明显的节约，从而达到了节能的目的。

图1变频调速H-Q曲线 1.3变频改造优点

控制方式通过采用变频控制以取代原先的交流恒压恒速控制，这种通过采用变频控制的控制系统，并根据实际情况制定供水流程，分段设置变频频率，进而控制供水泵房电机的运行速度，从而在达到充分高效排泥的同时节省水耗和能耗。较多工程实践表明，供水泵房电机的控制方式通过改造后可有效地的延长供水周期；减少了10%的用电量；提高了滤前水质，而且有相当显著的节能降耗效果。

2 改造方案

2.1常见泵类调速方法比较

变频调速。这种调速方法主要原理是通过改变供电电源频率，机械性能最好，功率因素一般优，节能效果显著，调速范围广平滑，投资高，对电网有污染。

电磁调速，这种调速方法的电磁调速电动机由笼型电动机、电磁转差离合器和直流励磁电源（控制器）三部分组成。直流励磁电源功率较小，通常由单相半波或全波晶闸管整流器组

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成，改变晶闸管的导通角，可以改变励磁电流的大小。其主要原理是调节砖差耦合器的励磁电流。机械性能差，功率因素良好，有节点效果，调速范围一般平滑，投资一般，转差损耗较大。

液力耦合器调速，这种调速方法的液力耦合器是一种液力传动装置，一般由泵轮和涡轮组成，它们统称工作轮，放在密封壳体中。主要原理是控制耦合泵液体流量，机械性能差，功率系数良好，有节点效果，调速范围一般平滑，投资一般，旧设备改造困难。

串级调速，这种调速方法的串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。其主要功能是改变转子反动势，机械性能一般，功率因素差，有较好的节电效果，调速范围平滑较宽，投机较高，只能使用在绕组型电动机。

调压调速，这种调速方法的主要功能是改变电机端电压，机械性能较差，功率因素良好，有节电效果，调速一般平滑，投资一般，调速效率低。当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用只适合与小型鼠笼电机。 通过以上的五种方案比较表明，显然变频调速方案优势显著，有很好的机械性能、最好的功率因素、节能效果显著，调速平滑，其缺点就是造价高，产生高次谐波对电网有污染。 2.2常见供水变频方案

变频泵固定方式。在整个系统中只有一台变频器，其工作原理是变频器连接第一台水泵，其他水泵通过软启动器和PLC链接，由变频器控制加泵减泵。其优点是不会出现失压的现象，加入变频器坏死，可以用软启动器手动启动水泵，所以备用启动不需要做。其缺点是投资较大。

变频泵循环法方式。由PLC控制切换，变频器控制输出端口信号。变频器链接在第一台水泵上，当需要加泵时，变频器链接在第二台，第一台照常工作，还需加泵，变频器链接在第三台，一二台照常工作，依照此原理进行循环。当需要减泵时，系统关掉第一台，还需减泵，系统再关掉第二台，依次循环。其优点是可以保证一台水泵变频，无论用水量如何变化都可以保证管内压力恒定。其缺点是变频切换过程当中，变频器需停止1s，可能造成短时失压现象。

3 工程实例 3.1项目简介

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厂区供水水泵采用降低电机同步转速的高效率变频调速装置进行节能改造。项目完成时间：2011年7月至2011年12月。目的：一方面可以降低电机电流而保证电机安全运行；另一方面可以让电机与水泵自适应地合理匹配，从而使系统达到最佳运行效果。预计投资：总容量400 kW/套高效率变频调速装置大概报价是200万元人民币，保守估计，整个工程总投入约230万元人民币。 3.2改造后的效果分析

表1对改造前年用电量与改造后年用电量做了对比，得出改造后年节电量高达473040 kWh 。除此之外，表1电机功率与实际功率做了分析对比，从表1的分析结果表明，水泵电机采用降低电机同步转速的高效率变频调速装置后有15%节能。

采用降低电机同步转速的高效率变频调速装置可以对电机软启动软停止，有效地保护了电机，延长了水泵电机的寿命；同时电机停止启动出现的水锤想象得到了消除。

不同水泵运行时间基本相同，设备的综合利用率提高了。同时，消除了同时无压力的现象，水泵在流量临界点工作时切换频繁的现象得到消除，给设备的维护带来了方便。 4 结语

随着变频技术的发展，变频调速已经是国际高新技术，但是由于其成本较高，一直没有得到广泛的应用。所以，研究一种新型的、廉价优质和高性能的变频器是重点。本文对供水泵房的电机变频节能原理及变频调速方案进行了分析，结合工程应用实例分析了供水泵房电机变频改造后的效果。工程实践表明，经改造后的变频供水系统具有很好的经济效益和社会效益，其节能效果明显，优点显著，具有很大的使用价值，可为今后变频改造提供了借鉴。 参考文献

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[2] 李跃非.变频技术在水厂泵房电机上的应用[J].净水技术.2008,29(04):25-27. [3] 赵鹏飞.PLC控制变频调速恒压供水系统[J].自动化博览.2003,23(02):48—50.

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