叶良禄
摘要论述了水泵恒压供水变频节能改造的原理；变频器的选型要点及容量计算；节电计算及运行效果分析。
关键词变频器电动机改造
中图分类号TP302文献标识码B
一、引言
动能公司供水车间七泵房主要承担着热力车间老区3台锅炉和3台汽机生产用水的供水任务。该系统共有水泵机组两大两小，大水泵机组型号为600S-32，额定流量3170m3/h，扬程32m，转速970r/min，配套功率400kW；配用电机为Y4005-6，额定功率400kW，电压6kV，额定电流46.5A，转速988r/min；小水泵机组型号为350S-44A，额定流量1116m3/h，扬程36m,转速1450r/min，配套功率160kW；配用电机为Y315L1-4，额定功率160kW，电压380V，额定电流289A，转速1485r/min。根据平时用水情况来确定机组的匹配数量和阀门开度，平时开一大一小，系统组管压力偏高有富余，有时只需一台大机，有时需要一大两小，其中一台小机的阀门开度仅为20％左右，系统瘪压情况较严重，压力不稳定。设备振动厉害，给生产带来很多不稳定的因素。系统的给水压力和供水量整年呈现一个动态的变化过程。为此，于2005年初对该系统的两台小机组进行了恒压供水变频节能改造，改造后的供水系统完全满足3台锅炉、3台汽机的生产用水要求，同时节能效果也十分显著。
二、恒压供水变频节能的原理
如图1所示，当水泵工作在曲线②的A点时，其流量与压力分别为Q1、p2，此时水泵所需的功率正比于p2与Q1的乘积。由于工艺要求需减小水量到Q2，通过增加管网管阻，使水泵的工作点移到曲线③上的B点，水压增大到p1，这时水泵所需的功率正比于p1与Q2的乘积，由图可见这种调节方式控制虽然简单，但功率消耗并无减少。
若采用变频调速，风机水泵转速由n1下降到n2，这时工作点由A点移到C点，流量仍是Q2，压力由p2降到p3，这时变频调速后水泵所需的功率正比于p3与Q2的乘积，由图可见功率的减少是明显的。
三、改造设计
1．调速控制系统设计
根据终端用户生产工艺供水要求，考虑若干方面的因素，采用闭环调速控制（图2）。系统主要由二部分组成：
(1)控制对象。电机功率160kW，额定电流289A；水泵配用功率l60kW，流量1116m3/h，扬程36m。
(2)变频调速设备。变频器选用6SE6430-2UD42-OGBO，适配电动机功率200kW；PLC选用S7-200CPU226；扩展模块EM235；操作面板选用PSW1711-CTN（人机界面版本号V17-14-11）。
(3)压力测量变送器(PT)。选用EJA430A-630SE/S1-2Mpa。用于控制水管出口压力并将压力信号变换为4～20mA的标准电信号，再输入调节器。
2.鼠笼型电动机变频改造设计
(1)变频器选型
电机用变频器运转同采用工频电源运转相比，电机的效率、功率因数将降低，电流增加，对同一负载而言约增加10%，400V电压等级频率为50Hz和60Hz时有如下电流关系：I400/50＞I400/60。电机变频运转在50Hz时温升裕量小，要降低负载转矩使用；当电机极数＞4极时（如8极、10极等），选择变频器容量要用电流来校核，即电动机脉动电流应不超过变频器的过电流耐量，1脉动＜1.51；Ie电机负载很轻时，即使电机的电流在变频器额定以内，亦不能使用比电动机容量小很多的变频器。
低速时，电机的铜耗大体与额定时相同，但由于转速越低，电机冷却效果越差，定子的温升会发生变化。因此，选择变频器时，要考虑在低速下使用电机的温升，相应减小运转转矩（电流），降低铜耗。
电机运转在低频区时，转矩特性会大幅度降低。对于负载变动大或启动转矩大的情况，可选用上一级电动机与变频器。
要考虑电机允许最高频率的范围。
(2)容量的选择
连续运转设备所需的变频器容量的计算，要考虑变频器传给电动机是脉动电流，其脉动值比工频供电时电流要大，因此变频器的容量须留有适当的余量。此时，变频器应同时满足以下条件：
PCN≥KPM/ηcosφ(1)
ICN≥KIM(2)
式中PM——电动机输出功率，kW
η——电动机效率，取0.92
cosφ——电动机功率因数，取0.92
IM——电动机额定电流，A
K——电流波形的修正系数，PWM方式取1.05～1.1
PCN——变频器的额定容量，kV"A
ICN——变频器的额定电流，A
式中IM如果按电动机实际运行中的最大电流来选择变频器时，变频器的容量可以适当缩小。根据以上条件确定变频器容量：
PCN≥1.1×160/(0.92×0.92)=208kV"A
ICN≥1.1×289=317.9A
考虑到离心泵负载的具体情况，并参照厂家提供的产品选择样本确定变频器的容量为232kV"A。
四、效果分析
1．节能效果计算
节能效果可按GB12497《三相异步电机经济运行管理》强制性国家标准实施监督指南中的计算公式计算：采用阀门调节流量对应电动机输入功率P1V与流量口的关系为
P1V=P1e
式中P1e——额定流量时电动机输入功率，kW
QN——额定流量，m3/h
节电率Ki为
Ki=1－(Q/QN)3/
低压配电系统运行电压410V，电机实际运行电流245A，水泵电机功率l60kW、极数4极、实际出力为55%～83%，取Q/QN=0.69得
Ki=1－(Q/QN)3/=1－0.693/(0.45+0.55×0.692)=0.5385
P1e=1.732×410×245=174kW
P1V=(0.45+0.55×0.692)×P1e=0.7119×174=124kW
变频器调速调节水量时相对阀门调节水量的节电率为0.5385。设备运行每年按300天计算。年节电量超过48万kW"h。按电价0.50元／kW"h计算，年节约电费超过24万元，技术经济效益可观。
2.设备运行效果
(1)变频改造后，降低了电机的运行电流、供水系统的压力，改善了电机的温升。
(2)采用变频调速实现恒压供水，水泵电机为软启动，且转速普遍下降，减少了电机轴承的磨损和发热及启动时电机突然加速造成系统的喘振。
(3)系统操作简便，同时因水泵出口阀全开，消除了阀门因节流而产生的噪声，改善了工人的工作环境和劳动强度。
(4)系统采用闭环控制，参数超调波动范围小，两台水泵可实现平稳，无波动切换。变频器的加、减速可根据工艺要求自动调节，控制精度高。
五、几点体会
1．变频器的选型要合适，容量计算要准确
用变频器对电动机进行调速时，变频器输出的电压、电流波形中含有谐波的影响，电动机的功率因数、效率将变差。变频器传动时要得到与工频电源传动相同的转矩特性，变频器输出电压的基波有效值通常要等于工频电源的有效值。因此，变频器调速改造选型时要充分考虑电动机的负载特性。
2．电机的发热问题
对于水泵而言，使用恒转矩调速的电动机驱动变转矩负载时，当转速变化到低速仍可满足要求；但对恒功率负载，低速转矩可能不能满足要求，会发生电机过热的不良清况。另外，变频传动的电机启动及加速特性受到变频器的过电流的制约，若启动转矩、最大转矩不足时，将变频器的容量增大也是一种有效的方法。
3．变频器安装使用环境
周围温度一般为0～40℃或－10～50℃，周围湿度为40%～90％为宜。使用场所振动不能超过允许值(0.3～0.5g以下)，否则有可能造成误动作，影响稳定运行。另外，要远离易受变频器产生高次谐波干扰的装置。
4．变频器的接地问题
所有变频器都有专用的接地端子，用户应将此端子与大地相接。