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变频调速技术在电厂供水系统中的应用
作者： 袁红蕾 单位：西北电力设计院
摘要：文章阐述了变频器的基础知识及变频调速技术在电厂恒压供水系统中的应用，结合工程实践论述了恒压供水系统的配置及控制方式，并提出一些需同仁重视的问题。
关键词：变频器 恒压供水 PLC 调速系统

发电厂既是电能的生产者，又是电能的消耗者，在我国发电能源构成中，火力发电占70%以上。火电厂的厂用电率在4％～8％之间，降低厂用电率直接关系到企业的经济效益和竞争力。因此，在厂用电中占很大比例的泵和风机的节能就成为重点。而变频调速技术作为节能降耗的手段在泵和风机方面的应用渐趋广泛，本文结合我院最近几个工程对变频调速技术在电厂供水系统中的应用做一个浅谈。
1．变频器基础知识
变频器就是把电压和频率固定不变的交流电转换为电压和频率可变的交流电的装置。把变频器安装于需要调速的泵和风机的动力回路中，用变频器的输出电源驱动泵和风机称为变频调速技术。
一般工业领域所使用的电机大多为感应式异步交流电机，该类电机旋转速度由电机极对数和频率确定。公式如下： n = 60f/p
n: 同步转速
f: 电源频率
p: 电机极对数
由电机工作原理可知，确定的电机其p是不变的，f可在电机的外部做为调整后电源供给电机，这样电机的旋转速度就可根据f大小调节，这正是变频调速的原理。
异步交流电机的能量传递过程是定子侧从电源吸取电能，将其转换为电磁能（建立旋转磁场）传递给转子，转子侧则将电磁能转换为机械能，并从转子轴上输出，拖动产生机械旋转。对电动机来讲，电磁转矩的大小都与转子电流和磁通的乘积成正比，电机允许通过的电流大小受到发热的限制，是不能增大的，所以如磁通减小，必使电磁转矩减小，电机的带负荷能力就减小。磁通不能减小也同样不能增大，否则将使电机的磁路饱和而烧毁电机。使磁通保持不变的方法就是变频的同时必须变压，这就是变频器常常被称为vvvf的原因（Variable Voltage and Variable Frequency）。
采用工频启动和变频启动时，电动机的启动方式相差较大。图1为工频启动的示意图。

工频启动的特点是：在接通电源瞬间，电源频率为额定频率50Hz,如图1b上所示，以4极电动机为例，同步转速高达1500r/min，电源电压为额定电压380V，如图1b下所示，由于转子绕组和旋转磁场的相对速度很高，故转子电动势和电流都很大，从而定子电流也很大，启动电流可达到额定电流4～7倍之间，如图1c所示。如此则带来以下2个问题。
1) 启动电流大，当电动机的容量较大时，其启动电流将对电网产生干扰。
2) 对生产机械的冲击很大，影响机械的使用寿命。
图2为变频启动的示意图。

变频启动的特点是：在接通电源瞬间，频率从最低频率0 Hz（或其它频率下限设定值）按预置的加速时间逐渐上升，如图2b上所示，仍以4极电动机为例，假设起始频率为0.5Hz，则同步转速只有15 r/min，转子绕组和旋转磁场的相对速度只有工频时的百分之一。电动机的输入电压也是从最低电压开始逐渐上升，如图2b下所示。转子绕组和旋转磁场的相对速度低，故启动瞬间的冲击电流就小。同时，可通过逐渐加大频率以减缓启动过程。在整个启动过程中，使同步转速与转子转速间的转差限制在一定范围内，则启动电流也将限制在一定范围内，如图2c所示。电机转速随着频率和电压的增加而增加，电机的启动电流被限制在1.25～2倍额定电流之间，可以平滑的启动电机（代价是启动时间变长）。根据变频变压原理，变频器在低速时的启动转矩可达100%额定转矩，则可带满负荷启动。通过以上可知，采用变频启动从原理上可避免由工频启动所带来的2个问题。
2．变频器调速供水系统
在电厂供水系统里，流量是运行过程中需要调节的主要参数，其调节方式有以下2种：
1）．管路特性曲线的调节，如阀门调节（节流调节），泵的转速不变，改变供水管路上阀门的开度以调节流量。该方法有大量能量消耗在节流损耗上，在低负荷工况下尤甚。
2）．水泵特性曲线的调节，如转速调节，转速上升则流量加大，转速下降则流量减小。
通常情况下，用水量的大小直接影响到水泵出水口的压力，第1种方法会造成供水压力的波动和能耗的损失，压力偏低时，用户用不上水，压力偏高时管道漏损、电耗增加，甚至发生恶性爆管事件。第2种方法在节能效果上比第1种好得多，而变频调速在改变水泵性能曲线和自动控制方面优势明显，因而第2种方法在生产中应用日益广泛。
对供水系统进行控制，归根结底是为了满足用户对流量的要求，所以，流量是供水系统的基本控制对象。在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力（由供水流量Q1表示）和用水需求（由用水流量Q2表示）之间的平衡关系有关：
Q1>Q2 则压力上升
Q1

在电厂供水系统中多为几台同型号水泵并列运行，采用变频调速后，每台泵配一个变频器，在设计上可尽量做到选用大水泵、少台数高效运行。如此，不仅能适应流量、扬程的变化，也可减少泵房面积和相应的进出水管、阀门、开关、电缆等辅助设备，同时可以实现大电机的软启动、有效减少水泵的开停次数，使得水泵的调度管理方便灵活、压力变化平稳、消除水锤的严重危害、延长设备寿命。

3．具体应用
某电厂工业水系统4台工业水泵，型号均为Y280S-2，额定电压380V，额定功率75KW，3台运行、1台备用。工业水泵根据水泵出口压力的变化自动进行变频调速，保证水泵出口管网压力在6kg/cm2。每台工业水泵配1个变频器，整个工业水系统采用PLC程控。控制系统示意图如下：

为增加可靠性，管网上的压力传感器设置2个，信号采用2选均值送入PLC控制器，在控制器中与给定压力6kg/cm2进行比较及PID运算，并给出信号直接控制变频器的输出以使管网的压力稳定。启动时，按预置的顺序依次启动运行泵，当启动泵变频运行至50Hz时，管网压力仍偏低，则该泵转为工频定速运行，以保证压力的稳定，同时依次启动下一台泵，以加大管网的供水量保证压力稳定。若2台泵运转仍满足不了用水量要求，则依次将变频调速工作状态下的泵转为工频定速运行，而将第3台泵启动并投入变频运行，其余同理。正常运行时，由1台变频运行泵维持用水量和管网压力的动态平衡，其余泵工频定速运行。当用水量减少，变频泵运行至预置的频率下限时，如压力上限信号仍存在，按先启先停的顺序，PLC首先将工频定速运行的泵停掉一台，以减少供水量。当上述两信号再次存在时，PLC再停掉一台工频定速运行的泵，其余同理，直至最后一台泵变频运行。
同时，可任意设置3台泵为运行泵（如#1、#2、#3泵），3台运行泵为一组，每台泵的运行累计时间可显示，可定期轮换。运行泵和备用泵也可定时切换，既满足系统上3运1备的要求，又保证各泵有相同的运行时间，确保泵的可靠寿命。
变频装置能接受电厂供水控制系统PLC的控制指令，并反馈变频装置的主要状态信号和故障报警信号。变频装置与PLC间主要I/O信号如下：
变频器至PLC的信号: 泵转速 AI 1路
回路电流 AI 1路
泵运行 DI 1路
泵停止 DI 1路
由远方控制 DI 1路
变频器故障 DI 1路
PLC至变频器的信号: 泵速度设定 AO 1路
启动泵 DO 1路
停止泵 DO 1路

变频装置具有就地监控方式和远方监控方式。如上所述，正常时采用远方PLC监控方式，当PLC出现故障时，在就地通过变频器上的触摸式键盘和LCD/LED显示，可进行就地人工启动、停止变频器，可以调整转速、频率等。
变频装置本身是比较复杂的电气设备，工程中要求根据工业水泵电机的运行特点和与之配套的电动机参数选择合适的变频装置。变频器允许的电源波动时间及范围尽量宽广合理，系统电源的瞬间闪变不应导致变频装置的停机。额定运行工况下，使用变频装置后电动机不降出力。该工程中工业水泵电动机的保护由动力中心PC完成，变频器配置变频调速所必须的保护设备及控制设备，包括滤波器、隔离变压器及防雷脉冲保护装置等，具体有以下保护项目：
1) 进线电源失压
2) 整流器/逆变器过流
3) 电动机过流
4) 电动机过压/低压
5) 电动机失速/堵转
6) 接地故障
7) 控制器外壳超温
8) 电动机过负荷
9) 电源缺相
4. 结束语
变频器用于电厂泵和风机的调速，是最近几年出现的新技术，在带来经济效益的同时也提出新的问题，下面是笔者认为在工程中需注意之处。
1) 调速水泵的机械震动问题
传统的水泵都是按工频全速运转设计的，一般只在最高转速下长期运行，仅在启动过程中短时经历其它转速点，所以有可能在工频之外的其它频率点上存在机械共振现象。将传统的水泵用变频装置驱动调速运行后，除工频点之外，水泵有可能在调速区域的其它频点上长期运行，所以需要在整个调速区域对水泵机组作机械共振测定。如果存在机械共振频点，应该输入变频器，以防止变频器在这些特殊的频率点上长期运行。
2) 上下限频率持续时间TH和TL
变频器运行的频率随管网用水量增大而升高，本系统是以变频器运行的频率是否达到上限或下限、并保持一定的时间为依据来判断是否加泵或减泵，这个判断的时间就是TH或TL。如果设定值过大，系统就不能迅速的对管网用水量的变化做出反应；如果设定值过小，管网用水量的变化就很可能引起频繁的加减泵动作。这两种情况都会影响恒压供水的质量。
3) 水泵最佳效率运行点
水泵在设计时，有一个效率最佳的运行点。出口压头过大或过低，流量过大或过小，虽然水泵仍然可以运行，但达不到最佳效率。供水系统设计时，应按实际压力和流量处于水泵效率最佳的运行点来选择和配置水泵。调速运行后，水泵工作点变化范围较大，在一定水压和流量区间下工频运行具有最佳效率的水泵，在其它转速运行时效率不一定达到最佳值（但比调节阀门引起的效率下降要小得多）。水泵的生产设计厂家有必要对水泵在各种速度下都得到最佳运行效率的课题加以研究，生产一种在调速范围内的各种速度下都有较高的运行效率、并且不会发生机械共振的水泵专作调速水泵使用。
采用变频调速系统后，变频器和电动机组合为一体，既是动力源又是调节执行机构，改变了传统的控制方式，实现了生产过程自动化。闭环控制系统能适应水量变化，实现在线调整，保证了管网末端压力恒定，在应用的工程中都获得了用户的好评。

参考文献：张燕宾著《变频器应用基础》 机械工业出版社 2003年版。