对变频技术在排水泵站节能工作上应用的探讨

建设节约型社会，是伴随我国整个现代化进程的长期任务，“十一五”期间认真实施《节能中长期专项规划》更是我们的先期目标。与此同时高能耗、高排放行业增速仍然过快，受结构因素影响和市场需求的拉动，产业结构趋于重型化的格局没有改变。
本着要在全社会树立节约意识、节约观念，务求建设节约型社会取得实实在在的效果。我们应看到随着变频技术的发展，变频技术的逐步完善，为交流传动的应用提供了广阔的天地。采用交流变频调速控制不仅能够实现水泵的平滑起动，还可以使水泵的流量得到调节。变频技术在排水泵站节能工作中应用体现了其经济可行性和技术可靠性。现以变频技术在排水泵站的应用作如下探讨。

一、排水泵站目前现状
众所周知，排水泵站运行中所发生的动力电费始终是排水管理行业经济支出的重要部分，根据小王庄泵站过去四年的资料显示：泵站动力电费支出到了全所资金支出的40％～50％，由此可见，实行泵站节能降耗工作具有积极的时代紧迫性和必要性。只有认清当前的经济经营形势和状况，端正对节能工作的认识和态度，采取科学合理有针对性的方法，才能实现排水泵站的节能降耗。

二、变频技术在排水泵站节能工作中的应用
1、变频技术的原理分析
变频技术是近年来兴起的节能手段，通过各行业的实践，已经被证明是节能效果最为显著的方法，因此被列为国家重点推广的技术。变频器是应用电磁平衡技术原理，使供应于电器设备上的电压得以平衡，并且能调整电器的耗电功率，达到最佳的节电效果的一种低电压（380V）电器。
（1）主要性能
它可使三相平衡的电源电压得到明显改善，消减电源不平衡状态下所产生的负序和零序分量的电压和电流，使电机减少较大的附加损耗，达到最佳的节能效应。在设计上，它加设滤波装置，可有效地消减电流供电回路上输入的三次及以上的电网高次谐波，从而减少了高次谐波对电机等电气设备的冲击，并节约电能，改善计量装置的准确性。具备了消减电力系统固有原线路的操作或故障等因素，而造成工作线路上产生的闪变现象，使得工作线路上的电压不发生突变现象，保证了工作状态的稳定。该系统为瞬时反应电磁效应节能系统，对电源电压的急剧变化或负荷的急剧变动可作出即时反应，以保证工况的平衡变动。
（2）节电原理分析
其内部结构相当于带一个串联电抗器联接一个调压器的混合体。内部附有消减电力网送来的高次谐波分量（主要是3次、5次、7次）的阻波或陷波回路。
变频器的控制原理是把交流输入电压进行整流变为直流电压，然后再将该直流电压调整为可变频和可变电压的交流输出电压或电流，从而使电机设备得到变化的输出转速。
当输入电压V到R-S-T端时，电压即时加入到A-B-C各组线圈上，且从A组到B组的线图间输出电压，由于B、C组中的励磁线圈所产生的磁通是由各相励磁线所产生的磁通交汇在同一个三柱式铁心上的，使得三相铁心上的磁势得到平衡，在数量上大致相等，因而在输出端的电压也得到了平衡，数量上也大致相等，且稳定在所设定的工作点电压上。
此外C组相位调整线圈采用了调整组别结线的方式来调整各相输出电流与电压的相位，从而改善了各相功率因数，减少了无功损耗，消减了负荷上所产生的高次谐波分量。
（3）综合节电效应
①变频器采用了电磁平衡技术原理来调整用电设备上电压的平衡度和稳定性，在纯电阻的照明、电热负荷中节电率η为：
η＝△P／P1=（P1-P2）=1-P2／P1=1-（V2／V1）2
将用电设备的运行电压从V1调整为V2时，如V2=0.98V1，则T1=4％；如V2=0.96V1，则T1=7.8％；
如V2=0.94V1，则η=11．6％；如V2=0.92V1，则η=15.4％。
②通过消减电压的不平衡度对电机进行节电
在三相电压幅值相等时，一般三相电压是平衡的，其各相电压矢量也相差120°，但在三相电压不平衡时，则将产生负序电压和零序电压分量。
从三相不平衡电压按对称分量法分解出的负序分量电压U2是一个反时针方向的序量，它可使电动机产生附加的反方向旋转的制动力矩，如要克服它并且产生按正方向保持原速度，就要增加一倍的正序能量才能保持原速度，例如：U2=1.5％U1时，则要增加2*1.5％的功率。对于零序分量就是由于电压的不平衡产生的电压中心点偏移，导致产生电压或电流分量，它对电动机产生的电动力矩和增大线圈漏磁通损耗，所以通过对不平衡电压的程度消减，可带来节电效应。
③减小了电机的起动电流
电机在起动时的阳抗ZL极小，起动电流一般为（3．5～5．5）ZA即3～5倍的额定电流。但在加装省电装置后，等于接入了一定数量的等值阳抗ZF，可将起动电流减少为2～3倍的额定电流。
④消减了电力网络带来的高次谐波
电网所带来的多种高次谐波分量对电动机的损耗加大，对电度表及其它计量装置影响很大。在安装节能装置后，可消减一半数量以上的高次谐波分量，也起到了一定程度的节电效果。
⑤降低送电线路和电机线组铜的损耗。
在较长线路或过载电流大的线路上，按铜损耗公式PCU=I2R分析，减少电流值对铜损耗就有明显的减少。
⑥消减系统出现的闪变现象
当相邻送电线路发生故障或扰动会波及到工作线路上的电压稳定，电压扰动对用电设备工作影响极大。而节能装置采用磁性材料和特殊的结线，平衡电压或电流的瞬间变动，由于工作线路上的电压得到了缓慢的升降，对用电设备起到了一定的稳压的保护作用，使用电设备免受系统中浪涌电压的损害。

2、变频技术的应用设想实例分析
针对到常运行泵站全压、全流量、全负荷的实际情况，综合投资、效果、性能等诸多因素，经对小王庄泵站实际用电线路情况和用电状况调查，发现在安装相应型号的变频器后，通过同类对比，总用电量将会明显降低，综合节电效益非常可观。
（1）用电设备现状
现有36WZ-82W卧式轴流泵5台；单台电流为：180A，功率155KW；平均电压为420V；运行时问为日运行时间24小时，以年运行122天计算；电费单价为平均电费单价0.70元/kWh
（2）变频装置的技术分析
通过对小王庄泵站用电情况的系统分析、现场的勘测，并根据实际用电情况及衡量的各种因素，为更加有效发挥设备最佳节能效果，按线路实际功率满负荷量匹配同等容量的KY-10变频节能装置，从而保障用电设备的安全和稳定，节能用电达到可观的效果。具体表现如下：
①减低高峰时的用电量，使用电分配更具弹性。
②节约电能、延长设备使用寿命。该装备能根据电机的负载情况进行适时的控制，消除不必要的电能损耗，使电机以最佳的效率运转。降低电机和震动，改善工作环境。
③自动重试功能。利用自动重试功能，使电机在瞬间停电或跳闸之后，能已极快地速度恢复运转。重试的次数与加速时间可根据需要来设定。
④大幅提高电动机功率因数。该装置对供给给电机的电压及电流进行优化控制，大幅度改善电动机的功率因数，使电动机能在最高效率下运转。
⑤对负载变化快速反应。该装置对频繁的负载变化做出快速反应，输出电压能在瞬间达到能在瞬间达到所需水平，使电机产生足够的转矩，令电机平均的运转。
⑥根据以往的安装经验，安装省电装置后，如计及平衡三相电压，抑制启动电流，消除高次谐波等因素，综合评定节电率可达20%或以上。

（3）安装变频装置的经济分析
方案①：对1台水泵安装型号KY-10-185（标准型）变频器1台，预计价格：94000元；
方案②：对1台水泵安装型号KY-10-185（一用一备型）变频器l台，预计价格：112000元。
说明：该变频节能装置不允许改变电动机设备运行情况。例如：转速不能有变化一该变频节能装置安装费用（根据现场情况而定）及运费不含在设备总投资内，此两项费用应另行计算。

（4）安装变频装置的节能分析
根据小王庄泵站目前用电情况分析、估算取得以下数据：（平均每度电费按：0．70元/kwh计算）
日平均用电量：3720kWh，日平均电费：2604元；年平均用电量：453840kWh，年平均电费317688元。
根据以上电费数据和投资总额数据，以方案1为例进行分析，评估得出以下回报期（详见表1、表2）
2、节约电费表（以方案1为例进行分析）
说明：KY-10变频节电器实际的使用寿命是20年。变频节电器为用电设备延长使用寿命可起到积极的作用，综合其附加效益，回收期应比预计的回收时间可提前。可考虑到延长设备使用寿命1.5～2倍的附加效益。

三、总结
通过以上实例的运行效果可以看出：采用变频装置以后，水泵运行平稳，水泵故障明显下降，完全克服了原控制系统的缺陷，具体表现在如下几个方面：
①变频装置精度高，保护功能完善。系统参数优化直接通过柜面键盘设置，系统故障自诊断后直接显示在柜面窗口上，系统基本属于免维护，大大提高了工作效率。
②通过液位计检测液位，其检测信号作为控制系统的输入基准，控制系统的输出频率，实现浪位闭环控制，提高了系统的技术指标，改善了水泵的工作状况，降低了水泵的起、停次数，延长了水泵的使用寿命。
③改造后，控制系统稳定可靠，电机经济运行，不但降低了故障时间，且节约了大量能源。
④由于频器的免维护及低故障率，节约了大量的维护和检修费用。