生活供水泵房電機(jī)的變頻改造和使用

蔣瑩

摘要：電機(jī)作為確保供水泵房正常運(yùn)行的重要設(shè)備，其具有高效性與節(jié)能性，對(duì)于確保供水系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)有著非常重要的意義。對(duì)供水泵電機(jī)變頻進(jìn)行改造后會(huì)起到降低故障率、提高工作效率等非常重要的作用。本文結(jié)合我國(guó)目前部分城市供水系統(tǒng)現(xiàn)狀，采用合理的變頻器選型以及實(shí)施工程方案，將電機(jī)節(jié)能性發(fā)揮到最大，從而大幅度提高供水泵電機(jī)節(jié)能，給電機(jī)運(yùn)行提供有力支持，為高壓電機(jī)的變頻改造提供專(zhuān)業(yè)性建議。

關(guān)鍵詞：供水系統(tǒng)變頻改造電機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)

Frequency Conversion Transformation and Application of Motor in Domestic Water Supply Pump House

JIANG Ying

（Wuhan Water Supply Co.， Ltd.，Wuhan， Hubei Province， 430000 China）

Abstract： As an important equipment to ensure the normal operation of water supply pump house， motor has the characteristics of high efficiency and energy saving， which is of great significance to ensure the normal operation of water supply system. The frequency conversion of water supply pump motor will play a very important role in reducing failure rate and improving work efficiency. Combined with the current situation of water supply system in some cities in China， this paper adopts reasonable frequency converter selection and implementation of engineering scheme to maximize the energy saving of motor， so as to greatly improve the energy saving of water supply pump motor， provide strong support for motor operation， and provide professional suggestions for frequency conversion transformation of high-voltage motor.

Key Words： Water supply system; Frequency conversion transformation; Electric machinery; Application system

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，各界人士對(duì)生活供水泵房電機(jī)的變頻改造和使用十分重視。在信息化時(shí)代背景下，能源消耗是企業(yè)發(fā)展必不可少的環(huán)節(jié)，而中國(guó)現(xiàn)如今正處于人口數(shù)量多、資源不足的狀況。為了徹底實(shí)施政府節(jié)約資源方針，提高能源的利用率，需要對(duì)水泵房電機(jī)進(jìn)行變頻改造，實(shí)現(xiàn)節(jié)能與發(fā)展共同進(jìn)行。根據(jù)有關(guān)人員調(diào)查發(fā)現(xiàn)，全國(guó)泵類(lèi)電機(jī)耗電量已接近全國(guó)電力消耗的20%，其中水泵電機(jī)電力消耗最為嚴(yán)重。由于生產(chǎn)情況與用水時(shí)間具有不確定因素，導(dǎo)致出現(xiàn)能量消耗高、壓力不穩(wěn)定等問(wèn)題，為了確保水池水量能保持平衡，通常工作人員會(huì)通過(guò)閥門(mén)控制水量平衡。這樣長(zhǎng)此以往，會(huì)增加工作人員負(fù)擔(dān)，同時(shí)很難確保水壓力的平衡[1]。

1 變頻節(jié)能原理分析

1.1 變頻器工作原理

變頻器是通過(guò)將電網(wǎng)電源整流后，再通過(guò)逆向流通變成頻率，電壓可變的交流電供應(yīng)給相關(guān)電動(dòng)機(jī)專(zhuān)用電源裝置，主要是采用超大規(guī)模專(zhuān)用單片機(jī)、功率模塊兩個(gè)部門(mén)組成。不同類(lèi)型的變頻器所具備的控制方式、功率模塊、單片機(jī)類(lèi)型不同，分為適合不同的場(chǎng)所。在變頻調(diào)速過(guò)程當(dāng)中，電機(jī)東最大轉(zhuǎn)矩T=cm（u/f）2，在公式當(dāng)中u代表電源電壓;cm代表電動(dòng)機(jī)常數(shù);f代表電源頻率，一旦電源頻率f發(fā)生改變，電源電壓也會(huì)隨之改變，而轉(zhuǎn)矩T可保持不變。

1.2 供水泵調(diào)速節(jié)能原理

變頻調(diào)速作為調(diào)整電動(dòng)機(jī)定子電源頻率的重要方式，同樣能控制同步轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速系統(tǒng)所有設(shè)備是采用變頻電源的變頻器構(gòu)成，而變頻器分為交流-交流變頻器和交流-直流-交流變頻器兩種，目前我國(guó)最常用的變頻器是交流-直流-交流變頻器。以工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為例，本文所提供的泵房電機(jī)變頻工程也是使用交流-直流-交流變頻器。在多樣化變頻器調(diào)速過(guò)程當(dāng)中，節(jié)能效果最佳的方式是采用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)控制流量。Q代表流量、H代表壓力、PS代表軸功率。在水泵調(diào)速時(shí)，壓力與流量所出現(xiàn)的數(shù)值，可以看出水泵在A點(diǎn)時(shí)，效率達(dá)到最高值，流量輸出為百分之百，軸功率PSl與Q1、H1的乘積成正比。但不難發(fā)現(xiàn)，這時(shí)管網(wǎng)阻力大幅度提高，換句話而言，雖然降低了流量，但造成壓力大幅度增加，并且對(duì)BH2OQ3面積與水泵軸功率Ps2占比受到一定影響，導(dǎo)致其降低不少。但如果運(yùn)行變頻調(diào)速時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速?gòu)腘1下降到N2，在相同流量的基礎(chǔ)上，水壓降低到H3時(shí)，CH3OQ2與軸功率比值會(huì)明顯降低，這就代表軸功率得到節(jié)約，從而達(dá)到節(jié)能的最終目的。

1.3 變頻改造優(yōu)點(diǎn)

變頻改造主要是以變頻控制為核心，替代原本的交流恒壓恒速控制，并根據(jù)水泵房實(shí)際情況制定合理的供水系統(tǒng)，通過(guò)分段的方式，設(shè)置科學(xué)的變頻頻率，達(dá)到控制供水泵房電機(jī)運(yùn)行速度的目的，從而在確保高效排泥的同時(shí)節(jié)能、節(jié)水。經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)人士調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段很多工程實(shí)踐中，供水泵房電機(jī)控制方式經(jīng)過(guò)改良后能夠大幅度延長(zhǎng)供水時(shí)間，節(jié)約用電量，提高用水質(zhì)量，并且具有良好的節(jié)能降耗效果[2]。

2 改造方案

2.1 常見(jiàn)泵類(lèi)調(diào)速方法比較

由于不同的泵類(lèi)調(diào)速方法所產(chǎn)生的效果不同，以下就針對(duì)幾個(gè)常見(jiàn)泵類(lèi)調(diào)速方法進(jìn)行比較：

（1）變速調(diào)速：這種調(diào)速原理是通過(guò)改變供電電源頻率為主體，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能效果明顯、機(jī)械性能好，缺點(diǎn)是投資高、會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成一定污染。

（2）電磁調(diào)速：這種方法是通過(guò)電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)實(shí)施，而電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)主要是由直流勵(lì)磁電源、籠型電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器三部分構(gòu)成[3]。直流勵(lì)磁電源功率不大，是由全波或者半波晶閘管整流器組成，能改變晶閘管導(dǎo)通角與勵(lì)磁電流大小，原理是通過(guò)調(diào)節(jié)磚差耦合器勵(lì)磁電流，來(lái)控制電源功率，其優(yōu)點(diǎn)是功率因素良好、投資一般、有節(jié)電效果，缺點(diǎn)是機(jī)械性能差、轉(zhuǎn)差消耗較大、調(diào)速范圍不大。

（3）液力耦合器調(diào)速：這種調(diào)速方式主要是以液力傳動(dòng)裝置為核心，一般由渦輪、泵輪兩個(gè)法部分構(gòu)成，通常會(huì)人們稱為工作輪，長(zhǎng)期放在密封環(huán)境中。原理是通過(guò)控制耦合泵液體流量，來(lái)完成調(diào)速工作，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)電效果好、功率系數(shù)良好、投資較少，缺點(diǎn)是機(jī)械性能差、舊設(shè)備改造困難、投調(diào)速范圍一般。

（4）串級(jí)調(diào)速：這種調(diào)速方式是指繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入可調(diào)節(jié)的附加電勢(shì)來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制速度的目的，大部分轉(zhuǎn)差功率被融入附加電勢(shì)所吸收，再采用產(chǎn)生附加裝置，將被吸收的轉(zhuǎn)差功率送回到電網(wǎng)當(dāng)中，最后將其再次利用。這種方式主要作用是改變轉(zhuǎn)子反動(dòng)勢(shì)，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)電效果良好、投機(jī)較高、調(diào)速范圍較寬，其缺點(diǎn)是機(jī)械性能一般、功率性差、只能采用繞組型電動(dòng)機(jī)。

（5）調(diào)壓調(diào)速：這種調(diào)速方式是為了改變電機(jī)端電壓，但改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓時(shí)，能得到一組不同的機(jī)械特性曲線，獲得數(shù)據(jù)不同的轉(zhuǎn)速。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，因此最大轉(zhuǎn)矩下降幅度會(huì)較大，調(diào)速范圍會(huì)偏小，采用一般籠型電動(dòng)機(jī)很難完成工作，其優(yōu)點(diǎn)是節(jié)電效果良好、功率因素較好、投資一般，其缺點(diǎn)是機(jī)械性能差，調(diào)速范圍一般、調(diào)速效率低。

通過(guò)以上五種常見(jiàn)泵類(lèi)調(diào)速方法可以明顯發(fā)現(xiàn)，變頻調(diào)速方案具有較好的節(jié)能效果、良好的功率因素、機(jī)械性能以及調(diào)速平滑，但缺點(diǎn)是造價(jià)過(guò)于高昂，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成一定污染[4]。

2.2 常見(jiàn)供水變頻方案

從目前我國(guó)供水變頻方案來(lái)看，常用的供水變頻方案有以下幾種。

（1）變頻泵固定方式，在這種方案當(dāng)中只擁有一臺(tái)變頻器，原理是將變頻器連接第一臺(tái)水泵，其他水泵機(jī)就能夠通過(guò)PLC與軟件啟動(dòng)器進(jìn)行連接，將變頻器作為總控制開(kāi)關(guān)，來(lái)控制水泵出水?dāng)?shù)量，其優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)出現(xiàn)失壓情況，可以利用軟件啟動(dòng)器手動(dòng)運(yùn)行水泵，不需要備用啟，其缺點(diǎn)是投資過(guò)大。

（2）變頻泵循環(huán)法方式，其主要是通過(guò)PLC 進(jìn)行控制，變頻器控制輸出端口信號(hào)。將變頻器連接第一臺(tái)水泵，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水泵需要加泵時(shí)，將變頻器連接在第二臺(tái)水泵上，第一臺(tái)水泵都?jí)蛘９ぷ鳎绻€需要加泵，可以將變頻器連接在第三臺(tái)水泵上，第一二臺(tái)水泵依然能正常工作，還需要加泵時(shí)就按照這個(gè)原理實(shí)施[5]。當(dāng)需要減泵時(shí)，可通過(guò)系統(tǒng)關(guān)掉第一臺(tái)水泵，還需減泵關(guān)掉第二臺(tái)水泵，以此類(lèi)推。其優(yōu)點(diǎn)是能夠確保在加泵或者減泵時(shí)，不會(huì)對(duì)其他水泵造成任何影響，確保管內(nèi)壓力一直處于恒定狀態(tài)。其缺點(diǎn)是在變頻切換過(guò)程當(dāng)中，變頻器會(huì)停止，會(huì)造成一段時(shí)間的失壓狀態(tài)[6]。

3 工程實(shí)例

3.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某小區(qū)供水水泵采用降低電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的高效率變頻調(diào)速裝置進(jìn)行節(jié)能改造。小區(qū)建設(shè)水泵房項(xiàng)目在2019年7月至2019年12月。主要是為了能夠降低電機(jī)電流，提高電機(jī)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，并讓電機(jī)與水泵能合理匹配，讓系統(tǒng)能達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。預(yù)計(jì)投資200萬(wàn)元人民幣改造總?cè)萘?05kW / 套高效率變頻調(diào)速裝置，整個(gè)小區(qū)建設(shè)總投入約400萬(wàn)元人民幣。

3.2 改造后的效果分析

在改造后年節(jié)電量在430000KWH，水泵電機(jī)采用降低電機(jī)同步轉(zhuǎn)速的高效率變頻器調(diào)速裝置后節(jié)能15%。才能對(duì)電機(jī)軟啟動(dòng)進(jìn)行控制，有利于對(duì)電機(jī)進(jìn)行全面保護(hù)，有效延長(zhǎng)水泵電機(jī)使用周期，同時(shí)電機(jī)停機(jī)啟動(dòng)出現(xiàn)的水錘問(wèn)題得以解決。從這里不難看出，不同水泵運(yùn)行時(shí)間基本相同，采用變頻改造不僅能夠提高設(shè)備綜合利用率，還能消除無(wú)壓力現(xiàn)象，給設(shè)備維護(hù)帶來(lái)極大便利。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了徹底解決以上問(wèn)題，文本采用變頻改造，來(lái)調(diào)節(jié)水壓力恒定，由于變頻調(diào)速具有靈活性強(qiáng)、供水質(zhì)量好、材料消耗低、電機(jī)制動(dòng)穩(wěn)定等特征，經(jīng)過(guò)變頻改造后能夠有效解決壓力不穩(wěn)定、能量消耗高等問(wèn)題的同時(shí)，還能做到節(jié)約能源的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 金鵬. 小區(qū)加壓泵站水泵采用變頻調(diào)速的節(jié)能效果[J]. 中國(guó)住宅設(shè)施，2021（2）：26-28.

[2] 馮亞軍，孫倩雯，于廣其，等. 高壓變頻器技術(shù)在水廠水泵改造中的應(yīng)用[J]. 凈水技術(shù)，2021，40（6）：154-157.

[3] 淮文軍，沈煒棟，吳偉偉，等. 基于TIA和PLC的變頻恒壓供水自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2021，34（5）：118-120.

[4] 張潔. 變頻調(diào)速對(duì)水泵經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響分析[J]. 百科論壇電子雜志，2020（14）：1362.

[5] 陳奇.火電廠循環(huán)水泵電機(jī)變極調(diào)速節(jié)能改造與運(yùn)行試驗(yàn)[D].長(zhǎng)春：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)， 2019.

[6] 宋宇哲.凝結(jié)水泵高壓變頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與節(jié)能分析[D].西安：西安科技大學(xué)， 2019.