生活供水泵房電機的變頻改造和使用

蔣瑩

摘要：電機作為確保供水泵房正常運行的重要設備，其具有高效性與節能性，對于確保供水系統正常運轉有著非常重要的意義。對供水泵電機變頻進行改造后會起到降低故障率、提高工作效率等非常重要的作用。本文結合我國目前部分城市供水系統現狀，采用合理的變頻器選型以及實施工程方案，將電機節能性發揮到最大，從而大幅度提高供水泵電機節能，給電機運行提供有力支持，為高壓電機的變頻改造提供專業性建議。

關鍵詞：供水系統變頻改造電機應用系統

Frequency Conversion Transformation and Application of Motor in Domestic Water Supply Pump House

JIANG Ying

（Wuhan Water Supply Co.， Ltd.，Wuhan， Hubei Province， 430000 China）

Abstract： As an important equipment to ensure the normal operation of water supply pump house， motor has the characteristics of high efficiency and energy saving， which is of great significance to ensure the normal operation of water supply system. The frequency conversion of water supply pump motor will play a very important role in reducing failure rate and improving work efficiency. Combined with the current situation of water supply system in some cities in China， this paper adopts reasonable frequency converter selection and implementation of engineering scheme to maximize the energy saving of motor， so as to greatly improve the energy saving of water supply pump motor， provide strong support for motor operation， and provide professional suggestions for frequency conversion transformation of high-voltage motor.

Key Words： Water supply system; Frequency conversion transformation; Electric machinery; Application system

隨著我國社會經濟不斷發展，各界人士對生活供水泵房電機的變頻改造和使用十分重視。在信息化時代背景下，能源消耗是企業發展必不可少的環節，而中國現如今正處于人口數量多、資源不足的狀況。為了徹底實施政府節約資源方針，提高能源的利用率，需要對水泵房電機進行變頻改造，實現節能與發展共同進行。根據有關人員調查發現，全國泵類電機耗電量已接近全國電力消耗的20%，其中水泵電機電力消耗最為嚴重。由于生產情況與用水時間具有不確定因素，導致出現能量消耗高、壓力不穩定等問題，為了確保水池水量能保持平衡，通常工作人員會通過閥門控制水量平衡。這樣長此以往，會增加工作人員負擔，同時很難確保水壓力的平衡[1]。

1 變頻節能原理分析

1.1 變頻器工作原理

變頻器是通過將電網電源整流后，再通過逆向流通變成頻率，電壓可變的交流電供應給相關電動機專用電源裝置，主要是采用超大規模專用單片機、功率模塊兩個部門組成。不同類型的變頻器所具備的控制方式、功率模塊、單片機類型不同，分為適合不同的場所。在變頻調速過程當中，電機東最大轉矩T=cm（u/f）2，在公式當中u代表電源電壓;cm代表電動機常數;f代表電源頻率，一旦電源頻率f發生改變，電源電壓也會隨之改變，而轉矩T可保持不變。

1.2 供水泵調速節能原理

變頻調速作為調整電動機定子電源頻率的重要方式，同樣能控制同步轉速。變頻調速系統所有設備是采用變頻電源的變頻器構成，而變頻器分為交流-交流變頻器和交流-直流-交流變頻器兩種，目前我國最常用的變頻器是交流-直流-交流變頻器。以工程實踐經驗為例，本文所提供的泵房電機變頻工程也是使用交流-直流-交流變頻器。在多樣化變頻器調速過程當中，節能效果最佳的方式是采用調節轉速來控制流量。Q代表流量、H代表壓力、PS代表軸功率。在水泵調速時，壓力與流量所出現的數值，可以看出水泵在A點時，效率達到最高值，流量輸出為百分之百，軸功率PSl與Q1、H1的乘積成正比。但不難發現，這時管網阻力大幅度提高，換句話而言，雖然降低了流量，但造成壓力大幅度增加，并且對BH2OQ3面積與水泵軸功率Ps2占比受到一定影響，導致其降低不少。但如果運行變頻調速時，水泵轉速從N1下降到N2，在相同流量的基礎上，水壓降低到H3時，CH3OQ2與軸功率比值會明顯降低，這就代表軸功率得到節約，從而達到節能的最終目的。

1.3 變頻改造優點

變頻改造主要是以變頻控制為核心，替代原本的交流恒壓恒速控制，并根據水泵房實際情況制定合理的供水系統，通過分段的方式，設置科學的變頻頻率，達到控制供水泵房電機運行速度的目的，從而在確保高效排泥的同時節能、節水。經過專業人士調查發現，現階段很多工程實踐中，供水泵房電機控制方式經過改良后能夠大幅度延長供水時間，節約用電量，提高用水質量，并且具有良好的節能降耗效果[2]。

2 改造方案

2.1 常見泵類調速方法比較

由于不同的泵類調速方法所產生的效果不同，以下就針對幾個常見泵類調速方法進行比較：

（1）變速調速：這種調速原理是通過改變供電電源頻率為主體，優點是節能效果明顯、機械性能好，缺點是投資高、會對電網造成一定污染。

（2）電磁調速：這種方法是通過電磁調速電動機實施，而電磁調速電動機主要是由直流勵磁電源、籠型電動機、電磁轉差離合器三部分構成[3]。直流勵磁電源功率不大，是由全波或者半波晶閘管整流器組成，能改變晶閘管導通角與勵磁電流大小，原理是通過調節磚差耦合器勵磁電流，來控制電源功率，其優點是功率因素良好、投資一般、有節電效果，缺點是機械性能差、轉差消耗較大、調速范圍不大。

（3）液力耦合器調速：這種調速方式主要是以液力傳動裝置為核心，一般由渦輪、泵輪兩個法部分構成，通常會人們稱為工作輪，長期放在密封環境中。原理是通過控制耦合泵液體流量，來完成調速工作，其優點是節電效果好、功率系數良好、投資較少，缺點是機械性能差、舊設備改造困難、投調速范圍一般。

（4）串級調速：這種調速方式是指繞線式電動機轉子回路中串入可調節的附加電勢來改變電動機的轉速，從而達到控制速度的目的，大部分轉差功率被融入附加電勢所吸收，再采用產生附加裝置，將被吸收的轉差功率送回到電網當中，最后將其再次利用。這種方式主要作用是改變轉子反動勢，其優點是節電效果良好、投機較高、調速范圍較寬，其缺點是機械性能一般、功率性差、只能采用繞組型電動機。

（5）調壓調速：這種調速方式是為了改變電機端電壓，但改變電動機的定子電壓時，能得到一組不同的機械特性曲線，獲得數據不同的轉速。由于電動機的轉矩與電壓平方成正比，因此最大轉矩下降幅度會較大，調速范圍會偏小，采用一般籠型電動機很難完成工作，其優點是節電效果良好、功率因素較好、投資一般，其缺點是機械性能差，調速范圍一般、調速效率低。

通過以上五種常見泵類調速方法可以明顯發現，變頻調速方案具有較好的節能效果、良好的功率因素、機械性能以及調速平滑，但缺點是造價過于高昂，會對電網造成一定污染[4]。

2.2 常見供水變頻方案

從目前我國供水變頻方案來看，常用的供水變頻方案有以下幾種。

（1）變頻泵固定方式，在這種方案當中只擁有一臺變頻器，原理是將變頻器連接第一臺水泵，其他水泵機就能夠通過PLC與軟件啟動器進行連接，將變頻器作為總控制開關，來控制水泵出水數量，其優點是不會出現失壓情況，可以利用軟件啟動器手動運行水泵，不需要備用啟，其缺點是投資過大。

（2）變頻泵循環法方式，其主要是通過PLC 進行控制，變頻器控制輸出端口信號。將變頻器連接第一臺水泵，當發現水泵需要加泵時，將變頻器連接在第二臺水泵上，第一臺水泵都夠正常工作，如果還需要加泵，可以將變頻器連接在第三臺水泵上，第一二臺水泵依然能正常工作，還需要加泵時就按照這個原理實施[5]。當需要減泵時，可通過系統關掉第一臺水泵，還需減泵關掉第二臺水泵，以此類推。其優點是能夠確保在加泵或者減泵時，不會對其他水泵造成任何影響，確保管內壓力一直處于恒定狀態。其缺點是在變頻切換過程當中，變頻器會停止，會造成一段時間的失壓狀態[6]。

3 工程實例

3.1 項目簡介

某小區供水水泵采用降低電機同步轉速的高效率變頻調速裝置進行節能改造。小區建設水泵房項目在2019年7月至2019年12月。主要是為了能夠降低電機電流，提高電機運行的安全性與穩定性，并讓電機與水泵能合理匹配，讓系統能達到最佳運行狀態。預計投資200萬元人民幣改造總容量105kW / 套高效率變頻調速裝置，整個小區建設總投入約400萬元人民幣。

3.2 改造后的效果分析

在改造后年節電量在430000KWH，水泵電機采用降低電機同步轉速的高效率變頻器調速裝置后節能15%。才能對電機軟啟動進行控制，有利于對電機進行全面保護，有效延長水泵電機使用周期，同時電機停機啟動出現的水錘問題得以解決。從這里不難看出，不同水泵運行時間基本相同，采用變頻改造不僅能夠提高設備綜合利用率，還能消除無壓力現象，給設備維護帶來極大便利。

4 結語

綜上所述，為了徹底解決以上問題，文本采用變頻改造，來調節水壓力恒定，由于變頻調速具有靈活性強、供水質量好、材料消耗低、電機制動穩定等特征，經過變頻改造后能夠有效解決壓力不穩定、能量消耗高等問題的同時，還能做到節約能源的目的。

參考文獻

[1] 金鵬. 小區加壓泵站水泵采用變頻調速的節能效果[J]. 中國住宅設施，2021（2）：26-28.

[2] 馮亞軍，孫倩雯，于廣其，等. 高壓變頻器技術在水廠水泵改造中的應用[J]. 凈水技術，2021，40（6）：154-157.

[3] 淮文軍，沈煒棟，吳偉偉，等. 基于TIA和PLC的變頻恒壓供水自動控制系統設計[J]. 工業控制計算機，2021，34（5）：118-120.

[4] 張潔. 變頻調速對水泵經濟運行的影響分析[J]. 百科論壇電子雜志，2020（14）：1362.

[5] 陳奇.火電廠循環水泵電機變極調速節能改造與運行試驗[D].長春：長春工業大學， 2019.

[6] 宋宇哲.凝結水泵高壓變頻系統設計與節能分析[D].西安：西安科技大學， 2019.