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变频器在恒压供水系统中的应用

摘要：本文介绍了一起变频器在工业水厂的应用，提出了变频器在改善水泵启、停性能，节约电能等方面确实有一定的长处，并谈到了安装方面的注意事项。
关键词：恒压供水、变频器、节电率

1、 引言
湖南铁合金新水厂供应集团公司总负荷约10万KW的12台铁合金矿热电炉的循环冷却用水，泵房内装有5台水泵，其中4台泵(2~4#)的电机功率为185KW，另一台(1#)为75KW。原启动方式为定子串电阻降压启动。正常情况下开启两台大泵和一台小泵，但在实际运行过程中出现了以下问题：
1.1由于电炉负荷变化大，易引起电压波动，曾造成交流接触器失压而使水泵停机。
1.2出口水压波动大，对管网造成冲击，常使管道多处漏水；同时，电炉的水压时高时低，冷却效果不理想。
1.3设备的维护量较大。
基于以上原因，和为了达到节能的目的，我们进行了变频器的改造项目。

2系统原理分析
2．1我们采用的是恒压供水系统，原理图如下：

智能调节
变频调速
水泵
压力变送器

通过使用变频器内部的PID调节器，将压力变送器的信号作为反馈信号，检测管网中的实际压力，变频器根据压力反馈信号调节水泵转速，从而达到管网压力恒定。

2．2该项目的原理框图如下：
图一 设备原理框图

原有的工频起动装置仍旧保留，只是在此基础上增加两台变频器柜。通过变频器和刀闸分别控制两组水泵电机(2#、3#水泵和4#、5#水泵)作工频或变频运行，1#泵则可灵活地进行手动调节。一号机组和二号机组可互为备用，也可两台机组同时作变频运行。这样使运行方式相当灵活，又方便了设备的检修。

2．3变频器采用成都希望森兰变频器，专为风机、水泵设计，型号SB12S200。具有如下特点：
2.3.1设计上运用独有的树状散热器、开关电源等多项专利技术，使机器性能更加优越；
2.3.2电路及工艺上采用多种防护技术和新元器件，显著提高整机抗干扰能力；
2.3.3精心设计的多路可编程功能输出端子和继电器输出端子；
2.3.4面板增加电位器，实现输出频率的微调，更加方便用户使用；
2.3.5独特的散热设计，不仅显著提高了散热效果，而且便于散热器和风机的清洗、更换。
2.3.6 一拖多功能，即一台变频器可以控制最多四台电机运行，满足风机/水泵等行业特性的需要；
2.3.7专门设计的加泵延时和减泵延时功能，延缓电机起动/停止时间，保证水压稳定；
2.3.8颇具特色的休眠功能，既保护电机，延长其寿命，又提高节能效果，而且消除了"水锤效应"，减小对电网的冲击。

2.4基本接线图如下：

图二 变频器接线图

说明:
R、S、T：电源进线 U、V、W：负载输出
P1、P+：直流电抗器连接端子（不接电抗器时应短接）
VRF：模拟电压（DC0—5V，或AC0—10V）信号输入
IRF：模拟电流（DC4—20mA）信号输入
VPF：电压反馈信号输入； IPF：电流反馈信号输入
FMA：模拟信号输出，4—20mA
一拖多控制端子1K1、1K2、2K1、2K2、3K1、3K2、4K1
A1、B1、C1/A2、B2、C2：继电器输出端子，变频器有设定的动作时，常开
触点A、B闭合，常闭触点B、C断开，端子承受AC240V/1A或DC30V/1A。

压力传感器设置二处：一处为水泵出口管道，另外一处是离此300米外的电炉冷却水管道。通过这两处水压的对比，可以较好地调节电机转速，以满足炉台的水压需要。

当系统采用一拖多控制方式时，一拖多扩展单元1K1输出高电平信号，K12闭合，2号电机首先变频起动，当变频器运行到切换频率上限时，如果压力低于设定压力，该电机由变频切换到工频（K12断开，K11闭合），同时变频器输出频率迅速下降到0，如果压力仍低于设定压力，K22闭合，变频起动下一个电机（3#），直至压力满足设定压力；反之，如果压力高于设定压力，变频器降频运行，当变频器运行到切换频率下限时，如果压力高于设定压力，将2号电机停止（K11断开），变频器升频运行一段时间后，检测压力，如果压力高于设定压力，变频器降频运行，直至满足设定压力。同理，4#、5#泵的运行和2#、3#泵运行是一样的。

改造前启动电流在350A以上，加装变频器后起动电流只有200A，运行电流约220A，设定变频器的加减速时间分别为10秒和12秒。
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3变频节能分析
从水泵流体力学中可知，轴功率P=CP*H*Q(KW) (CP：常数，H：扬程，Q：流量)
而流量Q与转速N成正比，扬程H与转速N的平方成正比，故功率P与转速N的立方成正比，同时，频率F与流量Q也成正比。
我们可以用下表来比较不同流量下的节电率：

流量Q(%)
100
90
80
70
60
50
40
转速N（％）
100
90
80
70
60
50
40
频率（HZ）
50
45
40
35
30
25
20
轴功率P(%)
100
73
51
34
22
13
6.5
节电率（％）
0
27
49
66
78
87
93.5

表一 泵类负载应用变频器后的节电率

我厂在开二台185KW大泵和一台75KW小泵工频运行的情况下，压力显得过大，当全部采用变频调速以后，转速降到原来的90％，即可满足压力的要求。如果电机按照输出轴功率是额定功率的80％运行，则变频后一年可节约电费：（电价按0.46元/度计算）
（185+185）*0.8*（1-0.93）*365*24*0.46＝32.32万元

经过实际运行，我们算出变频前后一年可节约的电费：
改造前每台电机运行电流：I=280A
改造后每台电机运行电流：I’=220A
P=UeIcosφ= *380*280*0.86=158.48KW
P’=UeI’cosφ= *380*220*0.86=124.52KW
改造后可节约的电功率：
ΔP=P-P’=33.96KW
则全年节约电费：
ΔP*2*365*24*0.46=27.36万元

4变频器安装的注意事项：
新水厂配电间工作环境尚可，无特殊要求。但在安装中应注意以下事项：
4.1变频器最好安装在控制柜内的中部,变频器要垂直安装,正上方和正下方要避免安装可能阻挡排风、进风的大元件。
4.2变频器上、下方距控制柜顶部、底部或隔板和其余元器件的距离须大于120mm，且通风良好，左右距档板和其余元器件的距离在50mm以上。
4.3为防止变频器的外部干扰，可采取下列措施：
4.3.1控制电路的信号线与动力线分开布线，两者不能平行排列，只能交叉穿过，控制电路的信号线最好用带屏蔽双绞线，并将屏蔽层牢固接于变频器PE端或公共端。
4.3.2当控制电路的信号线较长时，外部环境的干扰有可能从控制回路电缆侵入，造成变频器误动作，此时将线路滤波器串联在控制回路电缆上或将控制回路电缆穿过磁环并在磁环上缠绕两三圈后再接于变频器上使用，可以消除干扰。
4.3.3在变频器输入侧添加电感和电容，构成LC滤波网络。

5结束语
水泵经过变频运行后，各项指标都有不同程度的提高，特别在供水可靠性，管网压力恒定上有了明显改善。所以，工业供水系统的变频发行是一种趋势。

参考文献
[1] 森兰变频器SB12使用手册.