李東奇

摘要：污水處理廠是城市環(huán)保的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，為城市污水治理發(fā)揮至關(guān)重要的作用。這就要求水廠必須具備成熟的處理工藝，出色的處理能力。然而，我廠傳統(tǒng)進水方式是靠橫速水泵供水，進水量大小不能根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)，且水泵電機一直處于高速運轉(zhuǎn)，造成很大的電能浪費。甚者，譬如廠區(qū)供暖系統(tǒng)還需要值班人員按時啟動補水泵向系統(tǒng)注水，這些問題均亟需解決。本文主要闡述變頻器在供暖補水系統(tǒng)以及廠區(qū)大功率設(shè)備節(jié)能方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：變頻器；水泵；節(jié)能

1.我廠原供暖系統(tǒng)描述

從供暖公司輸入我廠的供暖水在換熱器處與廠自循環(huán)系統(tǒng)進行熱交換，而后經(jīng)一循環(huán)泵將熱交換后的水輸向綜合樓及各生產(chǎn)工段。然而在生產(chǎn)實際中，管道可能存在漏點及人為放水等不可測因素。因此，在此循環(huán)系統(tǒng)中還需加裝一臺補水泵。原補水泵在工頻下運行，向系統(tǒng)補水過多，無法達(dá)到良好的供暖效果。因此，我廠起初采用人為補水，每天于固定時間段開啟補水泵。采用人工操作，一是麻煩，二是注水的精確度無法保障，補水效果也是一般。于是我們想到了利用變頻器的調(diào)速性質(zhì)進行技術(shù)改進。

2.變頻器的基本構(gòu)成及原理

變頻器是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)之上的。在低壓交流電動機的傳動控制中，應(yīng)用最多的器件有GTO（門極可關(guān)斷晶閘管）、GTR、IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）它們給異步電動機提供調(diào)壓調(diào)頻電源。此電源輸出的電壓或電流及頻率，由控制回路的控制指令進行控制。而控制指令則根據(jù)外部的運轉(zhuǎn)指令進行運算獲得。對于需要更精密速度或快速響應(yīng)的場合，運算還需要包含由變頻器主電路和傳動系統(tǒng)檢測出來的信號和保護電路信號，即防止因變頻器主電路的過電壓、過電流引起的損壞外，還應(yīng)保護異步電動機及傳動系統(tǒng)等。其主要工作電路由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的整流器，吸收在整流和逆變時產(chǎn)生的電壓脈動的平波回路，以及將直流功率變換為交流功率的逆變器。另外，異步電動機需要制動時，有時要附加制動回路。其原理圖如下：

2.1整流器

通常大量使用的是二極管的變流器。如圖，把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進行再生運轉(zhuǎn)。

2.2平波電路

在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動電壓，此外逆變變流器產(chǎn)生的脈動電流也可使直流電壓變動。為了抑制電壓波動，采用電感和電容吸收脈動電壓（電流）。裝置容量小時，如果電源和主電路的構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡單的平波回路。

2.3逆變器

同整流相反，逆變器的作用是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，根據(jù)PWM控制信號使6個開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷，就可以得到三相頻率可變的交流輸出。

2.4控制回路

給異步電動機供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號的回路，稱為控制電路。控制電路由以下電路組成，頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓/電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”。

控制電路主要包括：

2.4.1 運算電路

將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器輸出電壓、頻率。

2.4.2電壓/電流檢測電路

與主回路電位隔離、檢測電壓、電流等。

2.4.3 驅(qū)動電路

為驅(qū)動主電路器件的電路。它使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。

2.4.4 速度檢測電路

以裝在異步電動機軸上的速度檢測器（TG、PLG等）的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。

2.4.5保護電路

檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。

3.變頻器的調(diào)速原理及特性：

三相異步電動機的轉(zhuǎn)速表達(dá)為

n=60fs/p*（1-s）

fs：電機定子的頻率

P：電機定子的繞組極對數(shù)

S：轉(zhuǎn)差率

有此式可以看出若均勻地改變定子供電頻率fs，則可以平滑地改變電機的同步轉(zhuǎn)速，如s的變化范圍不大，則可認(rèn)為，調(diào)節(jié)定子頻率fs時，異步電動機的轉(zhuǎn)速n大致隨之成正比變化。異步電動機的主體材料為鐵磁物質(zhì)，為了使鐵心材料得到充分利用，在工作過程中應(yīng)保持磁通為額定值。這樣，異步電動機在變頻調(diào)速時，為了既得到所需的電磁轉(zhuǎn)矩，又使鐵磁材料被充分利用，則應(yīng)盡可能地使氣隙磁通恒定并為額定值。由關(guān)系式Vs≈4.44fsФNs可知，要使磁通恒定，在調(diào)節(jié)定子頻率時，必須同時使定子電壓成比例地增加，否則氣隙磁通將降低；當(dāng)降低定子頻率時，必須同時使定子電壓成比例地降低，否則將超過飽和磁密導(dǎo)致勵磁電流過大而損壞電機。也就是說，對電機供電的變頻電源一般要求兼有調(diào)壓和調(diào)頻兩種功能，通常將這種電源稱為VVVF（變壓變頻）型變頻電源。前述GTR按PWM方式構(gòu)成的逆變器恰好能滿足這些要求。

綜合上述可知，變頻器卻可在生產(chǎn)實際中啟到調(diào)壓調(diào)速的作用。而在操作實際過程中，只需知道我廠自循環(huán)供暖系統(tǒng)，在不失水的情況下，系統(tǒng)壓強為多少，所以我們在回水管道處，加一壓力表。而在補水系統(tǒng)的電機控制回路中，加裝一臺變頻器，及在補水泵的出口處安裝壓力表，調(diào)節(jié)變頻器使泵的出口端壓強與循環(huán)系統(tǒng)的壓強相等。這樣如循環(huán)系統(tǒng)失水，補水泵可自行向系統(tǒng)補水，不再需要人工按時啟動補水泵補水，大大節(jié)約了人力成本及維護成本。

4.變頻器在我廠設(shè)備節(jié)能方面的應(yīng)用

我廠主要設(shè)備為風(fēng)機、水泵。如遇特殊情況，如夏季雨量過多，設(shè)備停產(chǎn)檢修等，均需調(diào)節(jié)出風(fēng)量、進水量，而使用變頻器可以大幅度減少以往機械方式調(diào)控流量造成的能量損耗。當(dāng)泵的轉(zhuǎn)速在某一范圍內(nèi)變化時，流量、總揚程、軸功率有下列關(guān)系：

Q/Qo=N/No H1/H2=（N/No）? P1/P2=（N/No）?

可知當(dāng)流量減為原來的一半時，功率變?yōu)轭~定功率的1/8從而大大節(jié)約了電能。

以我廠為例，日均處理量40萬t，每噸水電耗0.28kwh/t。而采用變頻調(diào)速節(jié)能后，每噸水電耗0.22kwh節(jié)約了近1/4的電能。以現(xiàn)在0.9元/kwh計算，全年將節(jié)省788.4萬元，經(jīng)濟效益明顯。

結(jié)論：

我廠使用變頻器后，無論在人工成本還是生產(chǎn)成本上，都獲得了很大降低。從而使企業(yè)利潤值邁向新臺階，也為東北環(huán)保產(chǎn)業(yè)集團下屬水廠提供了技術(shù)范本。

參考文獻(xiàn)

[1]《變頻器、可編程序控制器及觸摸屏綜合應(yīng)用技術(shù)》/岳慶來主編.—北京：機械工業(yè)出版社，2006.4

[2]《電力電子器件及其應(yīng)用》李序葆，趙永健編著.—北京：機械工業(yè)出版社，1996

（作者單位：國電東北環(huán)保產(chǎn)業(yè)集團有限公司仙女河污水處理廠）