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案例頻道引言
大中型自來水廠的水泵驅(qū)動電機(jī)一般是由高壓電機(jī)驅(qū)動，其供水壓力與流量的調(diào)節(jié)大多采用傳統(tǒng)的方式，通過控制水泵的運(yùn)行臺數(shù)，輔助于閥門的開度變化的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于供水時間相對集中，一日內(nèi)的負(fù)荷變化較大，特別是在午夜與凌晨的時段，產(chǎn)生大馬拉小車的現(xiàn)象，這種情況在春冬兩季更為明顯，既浪費(fèi)能源，又使供水管網(wǎng)的壓力波動。為了解決這一問題，平頂山煤炭集團(tuán)自來水廠領(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(qū)動電機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造。
系統(tǒng)概況
原高壓電機(jī)以工頻電源驅(qū)動時，電機(jī)定速運(yùn)行，只能靠水泵出口側(cè)的閥門來調(diào)節(jié)供水流量，不僅浪費(fèi)能源，而且會產(chǎn)生“水錘效應(yīng)”和“憋泵”現(xiàn)象，對此，我們采用安邦信高壓變頻器內(nèi)置PID功能進(jìn)行節(jié)能改造。
PID功能介紹：水泵變頻調(diào)速是一個壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)定水泵出工側(cè)壓力參數(shù)為控制對象，當(dāng)實(shí)際壓力與設(shè)定壓力發(fā)生偏差±H時，高壓變頻器則根據(jù)壓力傳感器反饋的信號，自動調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率與電壓，從而改變水泵驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使水泵出口側(cè)的壓力維持恒定。
風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載變頻調(diào)速的節(jié)能原理
風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載一般是通過改變閥門擋板的開度進(jìn)行流量、壓力調(diào)節(jié)的。圖-1為泵（風(fēng)機(jī)）揚(yáng)程流量特性曲線（H-Q）圖。在閥門控制的方式下，當(dāng)系統(tǒng)流量從Qmax減少到Q1時，必須相應(yīng)地關(guān)小閥門。這時，閥門的阻力變大，流體的節(jié)流損失增加，流道的阻力線從A0到A2。
泵（或風(fēng)機(jī)）運(yùn)行的工況點(diǎn)，從b點(diǎn)移到c點(diǎn)，揚(yáng)程從H0上升到H2，而實(shí)際需要的工況點(diǎn)為d點(diǎn)。
根據(jù)泵（風(fēng)機(jī)）的功率計(jì)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—動力加速度（m/s2）
η—使用工況點(diǎn)泵的效率。
可求出運(yùn)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
上式說明，用閥門控制流量時，有ΔP的功率被損耗浪費(fèi)掉了。而且，隨著閥門不斷關(guān)小，這個損耗還要增加。
用變頻調(diào)速控制時，當(dāng)流量從Qmax減少到Q，由于閥門的開度沒有變化，管網(wǎng)的阻力曲線不變，泵的特性曲線隨轉(zhuǎn)速由n0變化到n1。泵（風(fēng)機(jī)）運(yùn)行的工況點(diǎn)，則從b點(diǎn)移到d點(diǎn)，揚(yáng)程從H0下降到H1，而用轉(zhuǎn)速控制時，根據(jù)流量Q，揚(yáng)程H，功率P和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速N的一次方成正比；揚(yáng)程H與與轉(zhuǎn)速N成平方比；而功率P與轉(zhuǎn)速N成立方比，若轉(zhuǎn)速下降20%，則軸功率對應(yīng)下降49%，由此可見，采用變頻調(diào)速可以大幅降低電機(jī)的電耗，節(jié)省能源，降低企業(yè)成本。
高壓變頻器的選型：
高壓變頻器是價格不菲的傳動控制設(shè)備。因此，我們在設(shè)備的選型上要慎之又慎。國際知名的電氣公司諸如：ABB,西門子，富士都在生產(chǎn)6KV系列高壓變頻器，而且在國內(nèi)企業(yè)均有成功應(yīng)用的例子，但它們的產(chǎn)品一般都售價高昂，同時在技術(shù)支持及售后服務(wù)方面不及國內(nèi)便捷。近年，國內(nèi)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)品價格、售后服務(wù)、設(shè)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(yīng)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)廠家 |
深圳安邦信 |
歐美某廠家 |
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變頻器型號 |
AMB-HV1036V060 |
某型號 |
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主回路結(jié)構(gòu) |
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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過載能力 |
120%1min 150%3s |
120%1min 150%3s |
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運(yùn)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(cè)與逆變功率單元之間，設(shè)置了移相整流變壓器，移相變壓器邊各繞阻之間互相錯開一定的電角度，給逆變功率單元供電，各功率與移相變壓器連線如圖-2所示。
移相變壓器的多重二次繞組對電網(wǎng)而言，類同多相負(fù)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(cè)的諧波問題。對AMB-HV1型高壓變頻器而言，每相有6個不同的相位組，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(dǎo)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(diào)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(gòu)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(jiān)控電平由光纖傳遞，使布線的雜散電感減至最少，杜絕噪聲損耗。
因?yàn)槊肯嗟哪孀児β蕟卧匆欢ǖ南辔徊畲?lián)，其輸出的電壓波形是多段階梯波，且等效的開關(guān)頻率很高。因此，它沒有通用變頻器6脈波逆變電路產(chǎn)生的6K±1的高次諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動問題，避免了諧波電流引起的電機(jī)發(fā)熱，杜絕了共模電壓與dv/dt應(yīng)力對電機(jī)與電纜的損害。因此，系統(tǒng)不需要再配置電抗器，濾波器。
實(shí)際使用情況：
系統(tǒng)采用2臺水泵驅(qū)動電機(jī)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(qū)動電機(jī)的啟動與調(diào)速及工頻/變頻的切換。主回路如圖-4所示。
高壓電機(jī)銘牌標(biāo)定參數(shù)
額定電壓：UN＝6KV；額定電壓IN＝27A；額定轉(zhuǎn)速NN＝1475r/min；額定功率PN＝220KW
電機(jī)啟動平穩(wěn)，消除了刺耳的啟動噪音。
原高壓電機(jī)工頻啟動時，由于起動時間短，起動沖擊電流大（IN5~7倍），電機(jī)與水泵振動較大，會產(chǎn)生刺耳的噪音。使用高壓變頻器后，這些現(xiàn)象徹底消除。使用變頻器后，電機(jī)啟動時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速在高壓變頻器設(shè)定的范圍內(nèi)，從零開如平緩上升，電機(jī)電流亦隨之平穩(wěn)變化，電流表的指針平穩(wěn)偏轉(zhuǎn)，杜絕了工頻啟動時對電網(wǎng)的沖擊。
電機(jī)啟動時，水泵出口側(cè)閥門關(guān)閉，變頻器輸出超始頻率為2Hz，電機(jī)相電流為0.6A，1分鐘以后，輸出頻率為43Hz,電機(jī)的相電流為18A。未采用變頻器時，每當(dāng)用水量大，水壓低時，值班人員要及時開大水泵出口側(cè)閥門，加大出水量；而當(dāng)用水量小，水壓電時，值班操作人員要及時關(guān)小水泵出口側(cè)閥門，減小出水量。采用變頻器后，網(wǎng)管水壓通過壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)自動控制，供水壓力始終保持在0.45MPa的設(shè)定壓力上。而且，泵的啟停臺數(shù)由PLC根據(jù)工況情況自動控制，使系統(tǒng)由人力控制的方式上升到自動化控制的臺階。
節(jié)省電能降低企業(yè)設(shè)備運(yùn)行成本
原高壓電機(jī)以工頻電源驅(qū)動時，電機(jī)定速運(yùn)行，只能靠水泵出口側(cè)的閥門來調(diào)節(jié)供水流量，不僅浪費(fèi)能源，而且會產(chǎn)生“水錘效應(yīng)”和“憋泵”現(xiàn)象，使用高壓變頻器，不僅解決了這些問題，而且可以根據(jù)供水管網(wǎng)所需流量，自動調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而節(jié)省電能，減少企業(yè)供水產(chǎn)生成本。解決了“水錘效應(yīng)”“憋泵”水壓忽高忽低的問題，減少管網(wǎng)爆管，水的“跑、冒、滴、漏”，可見使用變頻器也利于節(jié)水。
表2為30天時內(nèi)，工頻與變頻時電機(jī)的對照表，該表說明使用了變頻器后水泵的電耗降低了30%，以當(dāng)?shù)仉妰r0.55元/KWH計(jì)算，每月可節(jié)省27000元左右。
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變頻調(diào)速 |
工頻定速 |
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頻率（Hz） |
變化 |
50 |
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轉(zhuǎn)速(r/min) |
變化 |
1475 |
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電流(A) |
變化 |
25A(窄幅變化) |
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時間(H) |
30 |
30 |
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電耗(KW/H) |
51200 |
101304 |
原高壓電機(jī)未裝置功率因數(shù)補(bǔ)償電容，盤面上的功率因數(shù)表的讀數(shù)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(nèi)均裝置有大的電解電容，相當(dāng)于在電網(wǎng)側(cè)與機(jī)之間加入了一級容性隔離。使整個系數(shù)的效率大為提高。現(xiàn)在功率表的讀數(shù)在0.95以上。可見，高壓變頻器不僅調(diào)頻、調(diào)壓、調(diào)速，軟起動的功能，而且具有功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)墓δ堋?/DIV>
結(jié)束語：
我們這次裝置AMB-HV1系列高壓變頻器一次調(diào)試成功，說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(yùn)行，不僅為企業(yè)帶來了節(jié)能效益，減少了設(shè)備維修，而且提高了供水系統(tǒng)的自動化水平。可以說高壓變頻調(diào)速為企業(yè)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益開掘了新途徑
結(jié)束語：
我們這次裝置AMB-HV1系列高壓變頻器一次調(diào)試成功，說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(yùn)行，不僅為企業(yè)帶來了節(jié)能效益，減少了設(shè)備維修，而且提高了供水系統(tǒng)的自動化水平。可以說高壓變頻調(diào)速為企業(yè)節(jié)能降耗，提高經(jīng)濟(jì)效益開掘了新途徑
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號