摘 要：本文以污水處理廠高壓水泵系統(tǒng)為研究對象，研究了高壓水泵系統(tǒng)的變頻調(diào)速需求，對高壓變頻器的節(jié)能計(jì)算、調(diào)速策略調(diào)節(jié)策略進(jìn)行了分析，并通過系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況對高壓變頻調(diào)速控制進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：高壓水泵；污水處理；高壓變頻器

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）33-0242-02

引 言

隨著“十三五”規(guī)劃的提出，工業(yè)生產(chǎn)的復(fù)蘇，能源與環(huán)境問題日益凸顯，國家對污染的治理也在逐步加強(qiáng)，人們對節(jié)能環(huán)保的認(rèn)知也在提高。社會生產(chǎn)生活過程中會產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水和生活污水，這些污染物質(zhì)如果不經(jīng)過處理，直接排入水系統(tǒng)，將使水系統(tǒng)遭受嚴(yán)重污染，導(dǎo)致水質(zhì)惡化，環(huán)境遭到破壞。因此國家大量建設(shè)污水處理廠，并擬定了排放總量目標(biāo)。

本文以郴州瑤崗仙礦業(yè)污水處理水泵系統(tǒng)為研究對象，通過對其進(jìn)行系統(tǒng)改造，實(shí)現(xiàn)了高壓水泵系統(tǒng)的變頻調(diào)速功能，對高壓變頻器的節(jié)能計(jì)算、調(diào)速策略進(jìn)行了分析，并通過系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況對高壓變頻調(diào)速控制進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 變頻系統(tǒng)改造

1.1 系統(tǒng)方案

郴州瑤崗仙礦業(yè)污水處理系統(tǒng)使用10kV/1250kW電機(jī)，配套流量1150m3/H揚(yáng)程257m的水泵。改造之前的主電路采用晶閘管軟啟動進(jìn)行軟起（圖1），通過電動閥門調(diào)節(jié)水流量；改造后的主電路采用高壓變頻器來驅(qū)動電機(jī)（圖2），通過調(diào)節(jié)高壓變頻器的輸出頻率來調(diào)節(jié)水泵流量，同時將原軟啟動作為備用設(shè)備，借助變頻器自帶的手動刀閘回路可以在變頻器故障時使用軟啟動起動電機(jī)。

1.2 節(jié)能計(jì)算

高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)流量與轉(zhuǎn)速的一次方成正比，揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的二次方成正比，功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比[1]；根據(jù)水泵的特性曲線（圖3），水泵在50Hz運(yùn)行、流量600m3/H時，可以查得對應(yīng)的揚(yáng)程是285m，水泵功率是800kW；變頻改造后，泵的流量最小不小于600m3/H，揚(yáng)程最低不低于210m。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行變頻改造后，變頻的運(yùn)行頻率和水泵的功率計(jì)算：

= 2（1）

n2=n0 =50 =42.9Hz（2）

n=60 （3）

從式（3）電機(jī)的轉(zhuǎn)速和頻率的公式可以得出，電機(jī)轉(zhuǎn)速和變頻器輸出頻率成正比關(guān)系；從式（2）可以看出，變頻運(yùn)行時，輸出頻率為42.9Hz時，水泵的揚(yáng)程能達(dá)到210m。

= 3（4）

P2=P0 3=0.632P0=0.632×800=505kW（5）

根據(jù)式（4）可以得出變頻運(yùn)行時，當(dāng)水泵在流量600m3/H，揚(yáng)程210m工況運(yùn)行時，水泵的功率為505kW。

根據(jù)水泵特性效率曲線，水泵在流量600m3/H時的效率為0.57；電機(jī)的效率為0.9，據(jù)此可以得出電機(jī)的軸功率為P3=985kW，如式（6）所示：

P3=P2/η1/η2=505/0.57/0.9=985kW（6）

變頻器的效率為0.96，故可以得出網(wǎng)側(cè)的輸入功率為P4=1026kW，如式（7）所示。

P4=P3/η3=985/0.96=1026kW（7）

根據(jù)改造前的運(yùn)行參數(shù)記錄，電機(jī)的運(yùn)行電流為88A，電機(jī)功率為1362kW，據(jù)此可以算出節(jié)電率：

節(jié)電率=1- ×100%=24.7%（8）

2 變頻控制方案

本文變頻器采用單元級聯(lián)型多電平電壓源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高壓變頻器，主要由移相變壓器部分、功率單元部分、控制系統(tǒng)部分等組成，無需濾波電抗器即可實(shí)現(xiàn)完美無諧波的輸出電壓[2]，如圖4所示。

其中移相變壓器部分主要作用是給每個功率單元供電，其二次繞組通過移相技術(shù)實(shí)現(xiàn)了輸入電壓的多重化，移相角度與每相的功率單元數(shù)量有關(guān)，當(dāng)數(shù)量為n時，移相角度為θ=60°/n，可降低輸入側(cè)諧波[3]。

功率單元部分則由多個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電氣性能完全一致的功率單元組成，每一相由相同數(shù)量的功率單元串聯(lián)，可根據(jù)輸出電壓等級進(jìn)行擴(kuò)展。如圖3所示，功率單元基本拓?fù)錇榻?直-交的三相整流、單相逆變電路。采用二極管將三相交流電壓整流為脈動的直流電壓，經(jīng)電容濾波后得到穩(wěn)定的直流電壓，再由IGBT組成的單相逆變H橋進(jìn)行PWM控制，得到等效的正弦單相交流輸出。

控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及電機(jī)控制算法的運(yùn)算。通過人機(jī)界面獲取指令信號，并實(shí)時采集變頻器輸入電壓電流、輸出電壓電流等數(shù)據(jù)，進(jìn)行控制算法的運(yùn)算后輸出PWM信號到功率單元，最終驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

以本文中10kV高壓變頻器為例，每一相由8個功率單元串聯(lián)而成，每個功率可單獨(dú)輸出電壓0～750V，通過移相疊加之后每相輸出電壓0～6kV，對應(yīng)線電壓即為0～10kV。

變頻器采用了矢量控制控制策略[4]，可以提高系統(tǒng)的控制性能，通過電機(jī)數(shù)學(xué)模型將定子電流分解為轉(zhuǎn)矩電流分量和勵磁電流分量，從而獨(dú)立進(jìn)行控制；對于電機(jī)轉(zhuǎn)速基于轉(zhuǎn)子磁鏈的模型參考自適應(yīng)的速度辨識方法，以電機(jī)電壓模型和電流模型分別為參考模型和可調(diào)模型，從而估計(jì)出電機(jī)轉(zhuǎn)速，準(zhǔn)確精度達(dá)0.5%；同時變頻器具備參數(shù)辨識的功能，可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)定轉(zhuǎn)子電阻、定轉(zhuǎn)子漏感和互感等參數(shù)的辨識，無需電機(jī)廠家提供詳細(xì)參數(shù)，控制框圖如圖6。

3 系統(tǒng)運(yùn)行效果分析

項(xiàng)目初期其水泵工頻運(yùn)行，流量無法控制，平均每日啟停12～14次，維護(hù)成本過高，停泵水錘最高峰值5.1MPa，極易導(dǎo)致管網(wǎng)爆裂。

通過變頻改造后：

（1）可以根據(jù)水泵的靜揚(yáng)程設(shè)置最低轉(zhuǎn)速，保證水泵有足夠的轉(zhuǎn)速，以滿足其靜揚(yáng)程的出水要求；

（2）通過設(shè)置變頻的啟動、停止時間，可有效地延長水泵的啟動、停機(jī)過程，以減小水泵在啟動和制動過程中的動態(tài)轉(zhuǎn)矩，消除水錘效應(yīng)，變頻運(yùn)行后，靜壓2.2MPa，停泵水錘最高峰值2.3MPa，最低1.8MPa，效果顯著；

（3）當(dāng)管網(wǎng)意外阻塞時，導(dǎo)致管網(wǎng)壓力上升，嚴(yán)重時會導(dǎo)致爆管事故發(fā)生，而變頻器能在壓力上升時，自動降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，維持管壓恒定，從而起到保護(hù)管網(wǎng)的作用。

通過改變水泵的轉(zhuǎn)速，維持進(jìn)出水平衡，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，分析了變頻改造在污水處理廠所取得的效果，不但增加了能源利用率，又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益。該項(xiàng)目至今已運(yùn)行一年，應(yīng)用狀況良好。

參考文獻(xiàn)

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[4]楊新華，馬建立，王關(guān)平.基于模型參考自適應(yīng)律的無速度傳感器交流異步電動機(jī)矢量控制仿真[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2007，34（8）：22～26.

收稿日期：2018-9-16

作者簡介：袁代軍（1974-），男，機(jī)械工程師，主要從事機(jī)械設(shè)備管理工作。