水泵電動(dòng)機(jī)專用變頻器在鐵路供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

石元基 上海鐵路局合肥給水公司

隨著工業(yè)化的發(fā)展，變頻器技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的作用越來(lái)越大，尤其是微電腦技術(shù)的日新月異，給變頻器技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了飛越[3]。變頻器的應(yīng)用，能提高異步電動(dòng)機(jī)的效率，降低電動(dòng)機(jī)的功耗。變頻器在供水系統(tǒng)的使用，可減輕電動(dòng)機(jī)開(kāi)啟停止及水量調(diào)節(jié)時(shí)對(duì)供水管網(wǎng)的沖擊；能在保持水泵出口閥門(mén)不變的情況下調(diào)節(jié)供水量，從而達(dá)到節(jié)能的效果。通過(guò)對(duì)變頻器的合理選型，可以得到較為理想的組網(wǎng)方案。

1 變頻調(diào)速

1.1 變頻調(diào)速原理

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式[1]為：

其中n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，f為電源的頻率，s為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率，p為電動(dòng)機(jī)的電極數(shù)。從公式(1)中可以看出，電動(dòng)機(jī)的速度與電源頻率成正比，也就是說(shuō)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n會(huì)隨著頻率的變化而相應(yīng)地變化。

1.2 變頻調(diào)速節(jié)能

在轉(zhuǎn)速控制情況下，水泵的揚(yáng)程Q和流量H，以及電動(dòng)機(jī)功率P，三者與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n的關(guān)系如下[2]：

表1給出了H、Q、n、P四者之間的關(guān)系。當(dāng)流量降到額定值的50%，其功率下降到額定值的12.5%，即節(jié)約了87.5%的能源，節(jié)能效果非常明顯。

從以上分析可以看出，轉(zhuǎn)速的降低，將引起水泵揚(yáng)程、流量、電動(dòng)機(jī)的負(fù)載功率的降低。實(shí)際應(yīng)用中，我們可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)的水壓來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的頻率，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到恒壓供水的目的。

表1 各項(xiàng)數(shù)據(jù)關(guān)系(%)

變頻器的節(jié)能原理如圖1所示。圖中曲線1為閥門(mén)控制水流量曲線；曲線2為閥門(mén)全開(kāi)狀態(tài)水流量曲線；曲線3為額定轉(zhuǎn)速下的水流量曲線；曲線4為轉(zhuǎn)速下降后的水流量曲線。由圖1可以分析得出，若采用閥門(mén)控制水量，當(dāng)水流量由Qa降到Qc時(shí)，在水泵功率不變的情況下，A、C兩點(diǎn)的功率損失都加到了閥門(mén)上（即AHaOQa的面積與CHcOQc的面積之差）。若改為變速控制，當(dāng)水流量由Qa降到Qb時(shí)，變頻調(diào)速在閥門(mén)保持不變（全開(kāi)）狀態(tài)下，揚(yáng)程由Ha降到Hb，相應(yīng)的水泵供水功率有較大的降低（因?yàn)樗霉β逝cH、Q的乘積成正比，即與圖中方框的面積成正比）。因此，在流量不大的情況下，降低泵的轉(zhuǎn)速，可以避免水泵長(zhǎng)期工作在滿負(fù)荷狀態(tài)，造成電機(jī)過(guò)早的老化，并且具有明顯的節(jié)電效果。

圖1 使用變頻調(diào)速器節(jié)能原理示意圖

1.3 變頻軟啟動(dòng)原理

采用變頻軟啟動(dòng)對(duì)水泵的啟動(dòng)、制動(dòng)進(jìn)行控制，使急扭及水錘現(xiàn)象得到解決，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。同時(shí)，減少了啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。如圖2所示為某變頻啟動(dòng)輸出特性示意圖，圖中U1為死區(qū)電壓，低于該電壓值系統(tǒng)將無(wú)法啟動(dòng)。該電壓值對(duì)應(yīng)一個(gè)死區(qū)頻率，一般取20Hz。之后不斷提高頻率值，直到額定功率（工頻50Hz），啟動(dòng)完畢。

圖2 變頻啟動(dòng)輸出特性示意圖

變頻軟停車(chē)和軟啟動(dòng)類似，將電動(dòng)機(jī)頻率由工頻50Hz逐步降低到0Hz，實(shí)現(xiàn)軟停車(chē)?？梢愿鶕?jù)負(fù)載設(shè)備的實(shí)際要求，對(duì)起始頻率進(jìn)行選擇，從而得到不同的電壓、電流、功率和轉(zhuǎn)矩初始值。

2 鐵路供水系統(tǒng)變頻器組網(wǎng)方案

2.1 變頻器在系統(tǒng)中的連接方式

變頻器在供水系統(tǒng)中的連接方式比較多，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行取舍。下面簡(jiǎn)要介紹幾種常用的連接方式及其應(yīng)用場(chǎng)景。

2.1.1 單機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車(chē)

此連接方式多用于深井泵房的場(chǎng)景（如圖3所示）。在水泵后面一級(jí)有蓄水池水塔等設(shè)施，因此對(duì)于水壓的測(cè)量不敏感，只需將蓄水池或水塔的水位反饋給變頻器即可。當(dāng)水位降低到下限水位時(shí)，變頻器軟啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)M，直到進(jìn)入工況運(yùn)行，給蓄水池、水塔供水。當(dāng)水位升高到上限值時(shí)，啟動(dòng)軟停車(chē)過(guò)程，直到電動(dòng)機(jī)進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。

圖3 單機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車(chē)運(yùn)行方式

利用變頻器的軟啟動(dòng)、軟停車(chē)功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)泵房的無(wú)人值守。另外因?yàn)檐泦?dòng)、軟停車(chē)的作用，能減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

2.1.2 單臺(tái)恒壓供水

此連接方式常用于建筑物供水（如圖4所示）。在沒(méi)有條件建蓄水池、水塔的地方，使用此方式供水可以保證供水水壓的恒定。當(dāng)用戶水壓下降時(shí)，變頻調(diào)速器將升高水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而提高管道的水流量，隨著流量的加大，管道壓力增加；當(dāng)管道中水壓升高過(guò)一定值，降低水泵電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，降低水流量，水壓相應(yīng)下降。

通過(guò)管道中水的壓力調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，輸出頻率的改變最終影響管道水壓力，最終達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

圖4 單機(jī)恒壓運(yùn)行方式

2.1.3 一拖二方式

一臺(tái)變頻器帶兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)（如圖5所示）。該連接方式適合水源地泵房等，需要多臺(tái)大容量的電動(dòng)機(jī)的場(chǎng)合。在最初投入運(yùn)營(yíng)時(shí)，由變頻器啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)M1，軟啟動(dòng)至正常運(yùn)行狀態(tài)，保持一定時(shí)間后KM2閉合，M1電動(dòng)機(jī)進(jìn)入工況運(yùn)行。此時(shí)如果需要更大的供水量（或者管網(wǎng)壓力不夠），則軟啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)M2。同時(shí)M2可以根據(jù)管網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)入變頻運(yùn)行狀態(tài)，從而達(dá)到恒壓供水的目標(biāo)。電動(dòng)機(jī)M1和M2互為備用電動(dòng)機(jī)，可以設(shè)置成輪換運(yùn)行方式，從而保證電動(dòng)機(jī)的壽命。

圖5 一拖二運(yùn)行方式

一拖二方式結(jié)合了變頻軟啟動(dòng)、軟停車(chē)以及變頻恒壓運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)單個(gè)水泵電動(dòng)機(jī)而言，可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停車(chē)；對(duì)于整個(gè)泵房而言，可以根據(jù)需求運(yùn)行電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的高效運(yùn)行。

對(duì)于鐵路供水系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，因其供水環(huán)境的復(fù)雜性，要求針對(duì)不同的場(chǎng)景選擇不同的變頻調(diào)速運(yùn)行方式。做好先期準(zhǔn)備工作，調(diào)查泵房運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，并作合理的估計(jì)和詳細(xì)的計(jì)算，配備合適的水泵電動(dòng)機(jī)，再根據(jù)水泵電動(dòng)機(jī)的容量和類型配備合適的變頻器。鐵路供水系統(tǒng)應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境進(jìn)行選擇安裝，使得系統(tǒng)的整體效率得到提高。

2.2 鐵路系統(tǒng)供水系統(tǒng)的特點(diǎn)

鐵路供水系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：用戶分散并且類型復(fù)雜。既有要求等級(jí)高的車(chē)站客車(chē)上水用戶、各種消防用水用戶，又有一般的居民用水用戶；既有用水量較大的中心站用戶，也有偏遠(yuǎn)小站的零散用戶。既要滿足不同用戶的要求，又要提高供水效率，是供水公司面臨的一個(gè)課題。要完成各種供水指標(biāo)，除了在人員管理上下功夫之外，還需要從技術(shù)的層面來(lái)提高供水的效率和能力。

傳統(tǒng)的供水方式需要提供大量的人員，提供大量的供水設(shè)施。不僅效率低下，還增加了人員管理、設(shè)備維護(hù)的難度。新型變頻器的不斷應(yīng)用，提高了供水系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，在減員增效、節(jié)能降耗方面起到了非常重要的作用。

2.3 組網(wǎng)方案

根據(jù)上海鐵路局合肥給水公司的管網(wǎng)運(yùn)行情況，采用目前較為通行的SCADA系統(tǒng)對(duì)整個(gè)給水系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。合肥給水公司管轄范圍內(nèi)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：

（1）供水站共有31個(gè)，分別為：阜陽(yáng)、阜陽(yáng)北、合肥、合肥東、合肥西、合肥南、蚌埠、蚌埠東、亳州、渦陽(yáng)、張集、淮南西、淮南、九龍崗、青龍山、明光、安慶、蕪湖北、裕溪口、六安、葉集、巢湖、全椒、金寨等。

（2）各供水站管轄若干個(gè)泵房，每個(gè)泵房有若干個(gè)變頻器，由變頻器控制水泵電動(dòng)機(jī)。

（3）系統(tǒng)監(jiān)控通信采用鐵路公共電話網(wǎng)，對(duì)于各個(gè)供水站進(jìn)行輪詢式數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。對(duì)于較為偏遠(yuǎn)的沒(méi)有公話網(wǎng)的給水站，采用無(wú)線傳輸。各泵房安裝無(wú)線電臺(tái)，主調(diào)度機(jī)與各控制終端機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用無(wú)線調(diào)頻方式，實(shí)現(xiàn)調(diào)度與現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)通信。

對(duì)變頻器運(yùn)行情況的數(shù)據(jù)采集包括輸出電壓、輸出電流、輸出頻率、輸出轉(zhuǎn)矩及管網(wǎng)壓力反饋等。同時(shí)該系統(tǒng)支持對(duì)運(yùn)行環(huán)境的數(shù)據(jù)采集，如對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度、煙霧等的采集。變頻器作為一個(gè)單元與系統(tǒng)的連接方式如圖6所示。

圖6 應(yīng)用變頻調(diào)速供水系統(tǒng)組網(wǎng)方案

虛線方框中是變頻器結(jié)構(gòu)圖，對(duì)水泵電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)采集供水站設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制信息，經(jīng)本地初步處理后，反饋到監(jiān)控中心。實(shí)時(shí)接收來(lái)自監(jiān)控中心的監(jiān)控命令。變頻器支持現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程的參數(shù)設(shè)置，便于維護(hù)。對(duì)于系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)可以在控制中心實(shí)現(xiàn)報(bào)表自動(dòng)生成功能。

3 應(yīng)用效果分析

從2000年開(kāi)始，公司著手阜陽(yáng)給水站各給水所揚(yáng)水系統(tǒng)改造，配套安裝變頻調(diào)速供水裝置。阜陽(yáng)和阜陽(yáng)北有6座水塔和二套75kW型號(hào)為250S39、三套135kW型號(hào)為300S58的水泵機(jī)組，承擔(dān)阜陽(yáng)地區(qū)的供水任務(wù)。利用路局更新計(jì)劃安裝了四套90kW變頻器控制水泵機(jī)組的變頻恒壓供水設(shè)備，根據(jù)用水情況，停止使用4座水塔，運(yùn)行管網(wǎng)合并為2個(gè)區(qū)，將原來(lái)的水塔的水位作為供水壓力信號(hào)，圓滿地解決出廠水壓力的問(wèn)題，有效保證行車(chē)和旅客列車(chē)用水壓力，并且供水的安全性得到大大提高。通過(guò)實(shí)際使用，設(shè)計(jì)白天 8：00-20：00，0.4Mpa，其余時(shí)間為 0.36Mpa 的情況下，千噸水電耗較工頻運(yùn)行時(shí)的水泵機(jī)組組成的系統(tǒng)降低電耗22.6%（原系統(tǒng)千噸水電耗190.7kWh，改造后減低為147.5kWh，一年就節(jié)約用電10萬(wàn)kWh以上），取得良好效果。

合肥給水公司運(yùn)行變頻調(diào)速系統(tǒng)以來(lái)，在節(jié)能方面收效很大。表2給出了運(yùn)行變頻調(diào)速系統(tǒng)前后的數(shù)據(jù)月度對(duì)比。

表2 變頻器運(yùn)行前后數(shù)據(jù)對(duì)比（前/后）

從表2中可以看出，采用變頻調(diào)速后，給水設(shè)備的使用效率明顯提高，由原先的71.1%上升到82.7%；設(shè)備的故障次數(shù)降低，由原先的月度平均21次降低11次。運(yùn)營(yíng)人員減少6名，降低了設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 總結(jié)與展望

水泵電動(dòng)機(jī)的用電量占整個(gè)供水系統(tǒng)的用電量的90%以上，因此水泵電動(dòng)機(jī)的節(jié)能非常重要。變頻器用于水泵電動(dòng)機(jī)類設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制能取得十分顯著的節(jié)電效果，是一種理想的調(diào)速控制方式。既提高了設(shè)備效率，又滿足了生產(chǎn)工藝要求，并且可大大減少設(shè)備維護(hù)、維修費(fèi)用。直接和間接經(jīng)濟(jì)效益十分明顯，設(shè)備一次性投資回收很快，很有必要在鐵路建設(shè)項(xiàng)目中大力推廣。另外，使用變頻器，免去了許多繁瑣的人工操作，消除了許多不安全隱患因素，并使系統(tǒng)始終處在一種節(jié)能狀態(tài)下運(yùn)行，合理地輪換使用電動(dòng)機(jī)，能延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，更好地適應(yīng)生產(chǎn)需要。隨著變頻器技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)必將在鐵路供水系統(tǒng)得到全面應(yīng)用。