风光 高压变频器在永州市零陵区自来水公司中的应用

1引言

      永州市零陵区自来水公司位于零陵区南津南路东侧美丽的潇水河畔，是零陵区政府管辖的正科级事业单位，属自收自支、企业化管理性质，担任着永州市零陵区城区30万人口的供水任务，日设计供水量为20万吨。水厂送水泵房共有4台水泵机组，630kW /10kV二台，280kW /10kV二台，采用工频运行方式，泵站在实际运行中，但由于实际需求输水量远远小于供水能力，所以只能依靠调节出口阀开度及频繁开停泵来调节流量。以保证生产厂的处理平衡的需求。这不但操作麻烦、难以控制，而且能源浪费大。鉴此，为了资源的合理利用和能源的节约，保证输水管网的安全可靠运行，拟考虑安装变频调速装置，并经过经济技术评估，认为是可行的。通过调查和对比，经过招标形式选用山东新风光电子科技发展有限公司生产的JD-BP38-630F（630kW /10kV）高压变频调速装置，并于2014年5月投入使用。改造达到了预期目的。

2变频器节能的理论依据

      永州市零陵区自来水公司，供水量是不均匀的，这是由于春夏秋冬气候和人们生活以及生产规律所决定的。水泵站的装机是按最不利条件下、最大时流量和所需相应扬程决定的。而实际上每天内只有很短时间能达到最大时流量，大多数时间里，水泵站都处在小流量下工作。为了适应流量的变化，先前泵站在运行中采取关小出口闸门的办法来控制流量，从而造成出口闸门前后的压力差值就白白地浪费于闸门阻力上。

      变频调速运行是根据水泵转速的变化要求，通过改变电动机工作电源频率达到改变水泵电机转速的目的，以获得合理的水泵运行工况。在不同的转速情况下，均保持较高的运行效率，不仅降低了电能消耗，同时能改善水泵启动性能，延长其工作寿命，还提高供水质量。变频技术用于泵类设备驱动控制场合的节电效果，普遍节电达到20%以上。

      根据流体力学的基本定律可知：水泵类设备均属平方转矩负载，其转速N与流量Q、压力（扬程）H以及轴功率P具有如下关系：

      Q1/Q2=N1/N2     （1）；

      H1/H2=（N1/N2）2（2）；

      P1/P2=（ N1/N2）3（3）；

     Q1、H1、P1----水泵在N1转速时的流量、压力（或扬程）、轴功率；

     Q2、 H2 、P2-----水泵在N2转速时的相似工矿条件下的流量、压力（或扬程）、轴功率。

      因此理论上采用转速控制，当风量、流量减小时，所需功率近似按流量的3次方大幅度下降。

      假如转速降低一半，即：N2/N1=1/2，则P2/P1=1/8，可见降低转速能大大降低轴功率达到节能的目的。当转速由N1降为N2时，水泵的额定工作参数Q、H、P都降低了。但从效率曲线л-Q看，Q2与Q1点的效率值基本是一样的。也就是说当转速降低时，额定工作参数相应降低，但效率不会降低，有时甚至会提高。因此在满足操作要求的前提下，水泵仍能在同样甚至更高的效率下工作。

      降低了转速，流量就不再用关小阀门等来控制，阀门等始终处于全开状态，避免了由于关小阀门等引起的损耗，也就避免了总效率的下降，确保了能源的充分利用。

3 风光JD-BP38系列高压变频系统技术参数

     2007年9月，风光牌JD-BP38系列高压变频器荣获“中国名牌”称号，山东新风光是国家高新技术企业，生产的风光牌JD-BP38系列高压变频器以高速DSP为控制核心，采用无速度矢量控制技术、功率单元串联多电平技术，属高-高电压源型变频器，其谐波指标远小于IEEE519-1992的谐波标准，输入功率因数高，输出波形质量好，不必采用输入谐波滤波器、功率因数补偿装置和输出滤波器；不存在谐波引起的电机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题，可以使用普通的异步电机。

      JD-BP38-630F高压变频器技术参数如表1所示。

4变频改造控制方案

      变频调速系统操作方面，有远程控制和本地控制两种控制的方式，这两种控制方式可提高系统的安全性能。通过上位机对高压变频器运行状态进行监控，通过远控和本地对变频器进行控制，上位机监控系统如图1所示，具有以下功能：变频启动、变频停止、故障复位、变频运行指示、变频停止指示、故障输出、通讯指示，并可在上位机上显示变频器的运行数据、设定压力、反馈压力和当前状态，实时监控系统运行。

                     图1 上位机监控系统

      为了保证水厂供水系统的可靠性，变频器装置具有工频手动旁路装置，当变频器发生故障，停止运行时，在确认水泵及电机没有故障的情况下，电机可以手动切换到工频下运行，这样可以保证水泵的供水要求，提高了整个供水系统的安全稳定性。

      水泵变频系统具有如下特点：为变频器提供的交流220V控制电源掉电时，由于变频器的控制电源和主电源没有相位及同步要求，变频器可以使用UPS继续运行，不会停机；在现场水压给定信号掉线时，变频器提供报警的同时，可按原转速继续运行，维持水泵机组的工况不变；变频器配置单元旁路功能，在局部故障时，变频器可将故障单元旁路，降额继续运行，减少突然停机造成的损失，如果变频器出现3个以上的故障单元，当前水泵可转工频运行，可保证供水不受影响。

5 变频改造主回路介绍

      永州市零陵区自来水公司水泵系统变频改造采用1#、2#水泵（电机功率630kW /10kV）共用一套JD-BP38-630F（适配630kW /10kV电机）高压变频器，高压变频器采用“一拖二”手动旁路方案。1#、2#水泵一次系统接线图路如图2所示，通过切换高压隔离开关把高压变频器切换到要运行的水泵上去。高压变频器可以拖动1#供水泵电动机实现变频运行，也可以通过切换拖动2#供水泵电动机实现变频运行。两侧供水泵电动机均具备工频旁路功能。

     图2 高压变频一次系统接线图

      QF1和QF2分别为现场1#和2#供水泵电源高压断路器；

      QS11和QS21分别为1#、2#供水泵电源高压隔离开关；

      QS12、QS22、QS13、QS23为变频器旁路开关柜高压隔离开关；

      变频器为风光JD-BP38-630F高压变频器。

      高压变频器控制电机为一拖二控制，旁路开关柜用于工/变频切换。QS11和QS21为2个高压隔离开关，变频器运行时，要求QS11和QS21同时闭合。QS12闭合，QS22断开，QS13断开，1#水泵变频运行；QS12断开，QS13闭合1#水泵工频运行；QS22闭合，QS12断开，QS23断开，2#水泵变频运行；QS22断开，QS23闭合，2#水泵工频运行；其中，QS12与QS13、QS22实现电气互锁，QS22与QS23、QS12实现电气互锁；将控制柜“远控/本控”开关打至“远控”位置，将相应水泵断路器“就地/远方”开关打至“远方”位置，通过上位机可实现水泵的远控操作。

6 恒压供水系统原理、PID设定及运行

      由于永州市零陵区自来水公司，对用水负荷需要在实际运行时进行精确调整和测量，因此采用的是恒压供水系统，其工作原理如图3所示，测量元件为压力传感器，将它设在水泵机组出水口，Vi为恒定供水压力设定值，供水压力V作为输出量，构成闭环控制系统。变频器内部的PLC采集供水压力值V与用户给定值Vi进行比较和运算，通过PID进行调整，将结果转换为频率调节信号送至变频器，直至达到供水压力的给定值Vi。不管系统供水流量如何变化，供水压力值V始终维持在给定压力值Vi附近。

图3恒压供水系统工作原理框图

      （1）在PID控制中，P系数加大，可以加快调节速度。但如果过大，系统容易因超调而震荡。若P太小，又会使系统的动作缓慢。P可正可负。如果比例系数为正，那么该回路为正作用回路；如果比例系数为负，那么该回路为反作用回路。本变频器P设定为0.30。

      （2）积分I的作用主要是消除系统的静态误差。但过强的积分作用使供水系统超调加大。所以在调节过程初期，应减弱积分作用，防止产生积分饱和现象；而到过程后期，应适当增强积分作用，以提高控制精度。本变频器I设定为10.0。

      风光高压变频器内置PID功能，其中PID 结构参数具有以下选择方式：

      0：比例 PID 控制只比例增益起作用

      1：积分 PID 控制只积分增益起作用

      2：比例+ 积分 PID 控制比例增益和积分增益同时起作用

      3：比例+ 积分+ 微分 PID 控制比例增益、积分增益和微分增益同时起作用

      本变频器PID参数PID结构选择2，比例+积分 PID 控制比例增益和积分增益同时起作用，完全可以满足供水系统的供水压力恒定要求，不需要设定微分参数。

      现场采用压力闭环控制，每天分十个时间段来控制给定压力，具体设定压力分段如表2所示。

现场最大压力设定：根据压力变送器的最大量程来设定。本案例中压力变送器的最大量程为950KPa，在950KPa 时变送器输出信号为20mA，那最大压力设置为950KPa，对应压力设定百分值100%。如图4中的给定压力：399 kPa=42.00%*950 kPa。

                 图4 给定压力显示界面

      在上位机监控系统具有丰富的功能。除了可以具有以下功能：变频启动、变频停止、故障复位外，还可以显示变频运行指示、变频停止指示、故障输出、通讯指示等，并可在上位机上实时显示变频器的运行数据、设定压力、反馈压力和当前状态。上位机变频器实时监控运行数据如表3所示。

7 现场设备改造效果

      水厂水泵变频节电改造后，2014年5月初，正式投入生产，至今运行正常。系统达到了预期的效果：实施变频改造后，水泵用电量有明显下降，设备实现了软起动，改善了设备的运行工况，极大地减轻了设备起动时对供配电系统的冲击。

      7.1节电效果

      经过厂能源利用监测中心测试，根据泵站供水系统改造之前一个月的报表计算得1000t水耗电率为102度电，改造之后的一个月1000t水耗电率为86度电，按此计算，泵站一年可节电(102-86)×50×360=288000度电。并且随着供水量的增加泵站供水系统采用一台工频，一台变频两台高压电动机供水方式节能效果更显著。

      7.2其他效果

      （1）改善了工艺。在实际生产操作过程中，泵的流量需时常调整，不仅需要调节参数，而且备用设备需时常切换。调节参数时，主要通过调节出口阀来控制，人工关小或开大阀门不仅费事，速度慢，也缩短阀门的寿命（填料及阀杆的磨损）。

      （2）维护量减少。采用变频调速后，大部分时间里，泵的运行转速大大低于泵的额定转速。由于水泵启动缓慢及转速的降低，减少了泵的零部件密封、轴承的磨损，相应地延长了水泵的寿命。

      （3）工作强度降低。采用变频调速恒压闭环调节就不用调节出口阀，操作工作由动手转变为自动、监控，完全实现生产的无人操作，大大减轻了工人的劳动强度。

      （4）现场噪音大大降低，有效改善现场的运行环境，运行人员反映良好；便于实现厂循环水泵机组控制系统自动化管理。

8结束语

      经过实践的证明，永州市零陵区自来水公司水厂的水泵变频改造是成功的，取得的经济效益和社会效益是显而易见的。不仅节约了大量电能，降低了供水成本；而且增大了供水系统可调范围，提高了工作效率，增强了系统安全可靠性。随着国家目前对节能减排工作力度空前加大，变频调速技术发展前景十分广阔，已迎来历史黄金发展时期。