某污水處理廠潛水泵配套變頻器的關鍵參數設計

何 皓

（武漢市政工程設計研究院有限公司，武漢 430033）

變頻器是應用變頻技術與微電子技術，利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能從而控制交流電動機運行的電力控制設備。

由于潛水泵起動時的急鈕和忽停機時的水錘現象往往容易造成管道松動或破裂，嚴重的可能造成電機的燒毀；同時電機起動/停止時需要開啟/封閉相對應的閥門來減小水錘的影響，操縱一方面工作強度大，且難以滿足工藝的需要。在潛水泵安裝變頻器以后，可以根據工藝的需要，軟啟動、可控加速、可調運行速度、可調轉矩極限、可控停止方式、節能、可逆運行控制以及減少機械傳動部件等顯著特點。并且具有明顯的節能效果。

本文基于某污水處理廠的實際需要，設計所需變頻器的容量以及變頻器制動電阻等關鍵參數，進而選擇合理的變頻器，達到工程需要。

1 電機容量的計算

1.1 水泵軸功率計算

泵在一定流量和揚程下，原動機單位時間內傳給泵軸的功稱為軸功率。軸功率是多用在泵上的一個專業術語，即軸承將動力（電機功率）傳給功部件（葉輪）的功率。功率值小于電機額定功率。實質上軸功率跟聯軸器有很大的關系。電機通過聯軸器連接泵頭葉輪，當電機轉動時，帶動聯軸器，聯軸器和泵內的葉輪連接，進而帶動葉輪旋轉。因為有聯軸器這個部件，那么電機功率就不能完全轉化為葉輪轉動的實際效率，所以軸功率小于電機功率（額定功率）。

潛水泵所需軸功率計算為

式中，N為水泵設備所需的軸功率（kW）；ED% =t/T× 1 00%—水泵出水量（kW）；γ為水的密度（Kg/m3）；H為水泵總楊程（m）；η為水泵效率（一般取值為0.6～0.84）。

根據工藝要求，管道要求的數據如下：Q=694L/sH=4.1m；η=0.75。

由公式計算出軸功率為37.2kW。

1.2 電機功率計算

水泵機組配套電機的功率計算式為：

式中，P為電機功率kW；ηc=t/T×1 00%為電機與水泵間的傳動效率，與電機直接連接時取1；K為裕量系數，見表1。

表1 裕量系數

根據以上計算，電機選容量計算結果為43kW。考慮實際運行的效率在90%左右，選擇50kW的電機。電機參數見表2。

表2 電機參數

1.3 負載機械特性的確定

水泵電動機作為一種將電能轉化成機械能帶動水泵進行工作的設備。我們最關心的是電動機的機械特性。確定負載機械特性對選擇變頻器非常重要，否則所選變頻器不能充分發揮性能，如產生大馬拉小車或電機過熱等現象。負載特性主要有如下幾種：

1）恒轉矩負載。轉速n變化，轉矩T基本不變，如輸送帶、起重機、臺車、機床進給、擠壓機等。

2）恒功率負載。轉速越高，轉矩越小，如卷取機、機床主軸、軋機等。

3）風機、泵類負載。轉速降低，轉矩也變小。

水泵屬于泵類負載，又稱平方力矩負載，實際上力矩只是近似與速度平方成正比。本文所選水泵為離心式水泵，不考慮水泵的過負載能力，水泵在低速運行時功率小，要求的調速范圍不大，因對此變頻器的性能要求不高。

2 變頻器容量的選擇

常見的變頻器控制方式（控制變頻器輸出電壓和頻率）有：

1）電壓/頻率線性關系，用于同步電機或多臺電機并聯。

2）磁通電流控制（FCC），可保持電機處于全磁通狀態，降低功耗。

3）電壓/頻率平方關系，用于風機、泵類。

4）免測速機矢量控制，變頻器可計算出用于維持所需電機轉速的輸出電壓變化量，該方式提供最優磁通控制和較高轉矩。

由于大部分通用變頻器的控制方式采用電壓/頻率平方關系，對泵類負載也適用。施耐德ATV61系列變頻器可以滿足使用要求。

先初步按電機容量計算的結果來配匹變頻器的容量，本文中所選電機容量為50kW，變頻器的容量應不小于50kW，在這個初步原則確定后。根據施耐德ATV61 系列變頻器產品樣本（圖1）。

圖1 ATV61 系列變頻器產品樣本

50kW 水泵電機可以選擇的變頻器為ATV61HD55N4以上等級的變頻器。同時應當注意到ATV61HD55N4 變頻器最大連續工作電流為116A，根據圖一電機參數中的電機額定電流為131.3A。變頻器作為電機的電源供給系統，變頻器輸出電流應當大于電機額定電流。因此變頻器容量的選擇原則主要為：電動機額定電流不大于變頻器輸出電流。根據圖一中的數據可以選擇ATV61HD75N4 以上等級變頻器。當變頻器容量過大，則運行時變頻器裕量過大，運行不經濟，因此變頻器容量不宜選擇過大，50kW 電機應選擇ATV61HD75N4 變頻器。

3 制動電阻的選擇

水泵電機在實際運用中，當轉速降低時，相應工作頻率也處于下降過程中，電機處于再生制動狀態，電機產生再生能量反饋到直流電路中，使變頻器直流母線電壓不斷上升，甚至可能達到危險的地步。必須將再生到直流電路的能量消耗掉，使直流電壓保持在允許范圍內。制動電阻是用于將電機的再生能量以熱能方式消耗的載體，它包括電阻阻值和功率容量兩個重要的參數。

目前關于制動電阻的計算方法有很多種，從工程的角度來講，要精確的計算制動電阻的阻值和功率在實際應用過程中不是很現實，主要是參數無法做到精確測量。目前通常用的方法就是估算方法。

1）變頻器最小連接電阻

為了保證變頻器不受損壞，流過制動電阻的電流不應超過電機的額定電流，此時計算出的電阻數值為變頻器最小連接電阻。最小連接電阻可按下面公式為

其中，UD為制動電壓；IN為電機的額定電流。2）變頻器必要制動電阻

工程實踐證明，當放電電流等于電動機額定電流的一半時，可以得到與電動機的額定轉矩相同的制動轉矩了，此時的電阻即為變頻器必要制動電阻，工程計算公式為

3）制動電阻使用率

制動電阻使用率ED%定義為減速時間t 除以減速的周期T，使用率主要是為了能讓制動單元和剎車電阻有充分的時間來散除因制動而產生的熱量；當制動電阻發熱時，電阻值將會隨溫度的上升而變高，制動轉矩亦隨之減少。

其中，t為減速時間（能量再生時間）；T為負載周期動作的時間

4）制動電阻功率的選擇

由于再生能量的產生是電機減速時，轉矩方向相反的時候產生的。平均再生能量指的是一個周期內所有再生能量的總和除以該周期占有時間，公式為

為保證制動電阻安全使用，因此制動電阻的額定功率必須大于系統的平均再生能量。

4 應用

某污水處理廠A/A/O 生物池采用軸功率為39kW，揚程為4.1m，流量為694L/s，水泵效率為75%的潛水軸流泵對污泥進行回流，由于水泵供電距離達到300m，需對電機進行變頻啟動。變頻器選擇步驟：

1）根據水泵參數進行電機功率計算，水泵所選電機額定功率為50kW。

2）水泵屬于泵類負載，對變頻器要求不高，采用電壓/頻率平方關系控制的通用變頻器，由于水泵所選電機額定電流為131.3A，變頻器最大連續輸出電流選擇為160A；變頻器選擇為施耐德的ATV61HD75N4變頻器。

3）施耐德的ATV61HD75N4變頻器制動電壓UD= 785V ，電機的額定電流IN= 131.3A，計算出的Rmin= 5.98Ω，Rmax= 11.96Ω；根據實際水泵運行工況，水泵制動時，電機平均再生能量為0.6kW。制動電阻阻值選擇為8Ω，在制動周期內可用的平均額定能量為1kW，滿足制動能量的要求。

5 結論

根據以上分析，變頻器的主要參數選擇原則為

1）平均再生能量≤制動電阻額定功率。

2）必要制動電阻阻值≥制動電阻阻值≥變頻器最小連接電阻。

由于本文所介紹變頻器的選擇是根據工程應用的角度來考慮的，因此在實際的應用時需要結合現場實際的具體情況進行適當的修正，最終形成一個經濟適用的可行的選擇方案。