变频器调速系统的研究与应用论文

1 目 录 1 变频调速节能 3 1.1 变频调速 3 1.1.1 变频调速的基本原理 3 1.1.2 电动机调速与节能的关系 3 1.1.3 电机在不同频率下运行的节电效果 4 1.2 变频调速技术节省能源 4 1.2.1 应用变频器调速的其它好处 4 1.2.2 变频器输出谐波 的影响 4 1.3 节能分析 5 1.3.1 节能计算 5 1.3.2 节能分析 7 1.4 节能分析结论 7 2 拖动系统功率的确定 9 2.1 变频调速的基础知识 9 2.2 电机容量的 确定 9 2.2.1 恒转矩负载 9 2.2.2 平方律负载 10 2.3 功率裕量的考虑 10 2.3.1 电机的冷却方式 11 2.3.2 变频器输出谐波 的影响 11 2.3.3 超额定转速的运行 11 2.3.1 特殊应用场合 11 2.4 节 变频器容量的 确定 12 3. 谐波的产生机理、危害以及抑制措施 13 3.1 谐波产生机理 13 3.2 谐波的危害 14 3.3 谐波的抑制措施 14 3.4 一种有效的谐波抑制方案 15 4 变频调速技术在水处理工艺不同流程应用 17 4.1 工艺流程 17 2 4.2 变频器选择要注意的问题 19 4.3 变频器在工程应用中要注意的问题 21 结束语 23 参考文献 24 致 谢 25 3 1 变频调速 节能 探讨 1.1 变频调速 1.1.1 变频调速的基本原理 在变频调速中使用最多的变频调速器是电压型变频调速器 ,由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。在其工作时首先将三相交流电经桥式整流装置整为直流电 ,脉动的直流电压经平滑滤波后在微处理器的调控下 ,用逆变器将直流电再逆变为电压和频率可调的三相交流电源 ,输出到需要调速的电动机上。由电工原理可知电机的转速与电源频率成正比 , 通过变频器可任意改变电源输出频率从而任意调节电机转速 ,实现平滑的无级调速。 1.1.2 电动机调速与节能的关系 风机和水泵都是流体机械，流 体机械的转速变化与其流量、压力和功率之间的变化有如下的关系 Q1/Q2=n1/n2 （ 1-1） H1/H2=(n1/n2)2 （ 1-2） P1/P2=(n1/n2)3 （ 1-3） 上述式子中 Q1、 H1、 P1 分别代表转运 n1 时的流量、压力、功率。 Q2、 H2、 P2、分别代表转速 n2 时的流量、压力、功率。即流量与转速的一次方成正比：压力与转速的平方成正比；功率与转速的三次方成正比。 由此可见，当通过降低转速以减少流量来达到节流目的时，所消耗的功率将降低很多。例如：当转速降到 80%时，流量减少到 80%，而轴功率却下降到额定功率的(80%)351%；若流量需减少到 40%，则转速相应减少到 40%，此时轴功率下降到额定功率的 (40%)36.4%。 风机 (水泵 )调节流量，可行的方式有两种： 第一种方式是保持电机转速不变，通过调节风阀来调节流量。此时风机的对 H-Q特性曲线不变。而风阀开度发生变化，即管路的阻力特性发生了变化，即管路阻力增加。 第二种方式是管路的阻力特性保持不变 (即风门不变 )，通过调节电机的转速来调节流量。 这种方法所消耗的功率相对于第一种要小得多。调速是控制风机、水泵节能的相当有效的措施。 风机、水泵一方面由于在生产中具有面广、量大、耗电多的特点，另一方面由于节能潜力大的特点，故此类电机的节能具有广阔的前景，且意义重大。 4 1.1.3 电机在不同频率下运行的节电效果： P=N3 ( 仅供参考 ) （ 1） 频率下降 10%情况下的节电率： 1-(1-10%)3=27.1%； （ 2） 频率下降 15%情况下的节电率： 1-(1-15%)3=38.6%； （ 3） 频率下降 20%情况下的节电率： 1-(1-20%)3=48.8%； （ 4） 频率下降 25%情况下的节电率： 1-(1-25%)3=57.8%； （ 5） 频率下降 30%情况下的节电率： 1-(1-30%)3=65.7%； 如果电机运行频率长期稳定在 30%以下，且远期负载无扩展趋势，建议更换电机拖动系统，经济上更合算。 1.2 变频调速技术节省能源 1.2.1 应用变频器调速的其它好处 传 统的控制流量的办法是用阀门控制，而用阀门控制流量从 100 流量减到 70流量时能量只减少 2。而用变频调速控制以后，同样的降到 70流量，能量下降了 52，从而使系统的效率大为提高。国外资料表明：当工作点位于最大流量的 80%时，使用风阀将消耗电机能量的 93%，导流叶片消耗为 70%，涡流联轴器消耗67%，而变频器消耗 51%，差不多是风阀的一半；当气流量降至 50%时，变频器只消耗 15%，而联轴器消耗为 29%，导流叶片消耗为 49%，风阀为 73%。这显示出在输送相同气流量情况下，风阀消耗的能量几乎是变频器的 4 倍。 1.2.2 应用变频器调速的其它好处： (1)、减少噪音，对风机来说降低转速的同时，噪音大幅度降低。 风机噪声抑制公式： (dB)551og( 速度 1/速度 2),速度从 100降到 50的噪声降低量为： 55 1og(1500/750)=550.30=16.5dB 噪音电平降低了 16.5 分贝 ,这是一个很显著效果。 (2)、设备软启动，消除了起动冲击。 感应交流电动机的启动电流可以达到满载电流的 7倍多，即便是采用 Y- 起动也会达到 4.5 倍。所有启动方式都必需考虑到接通电源瞬间对电网的冲击，电机越大冲击越 大，这就不得不加大相应供电设备的供电能力来承受冲击。而使用了变频器后则不然，它没有了启动冲击，起动电流由零开始随着负荷增加而逐步上升，不管什么时候它都不会超过满载电流，而且起动时间还可人为设置，平稳地达到预设速度。 (3)、高功率因数： 5 供电局对用户功率因数有严格要求。当低于 90时用户必需采取补偿措施，否则将罚款，反之则可受奖。而使用变频器后功率因数可接近 1，免除了功率因数的补偿。 (4)、改善机械性能： 减小机械磨损。起动时间和停车时间均可设置，使运行平稳。消除了启动时的皮带打滑尖叫损坏皮带。延长了机械 的使用寿命。 (5)、变频器有完善的保护： 由于变频器普遍使用了智能控制，所以保护十分完善。电气上的常规保护全都包括，而且还有许多例如：电机 /电源缺相；相间短路；接地故障；过 /欠电压；变频器/电机过热；过速 /低速报警；过载 /空载报警等等保护。 (6)、操作简捷直观： 变频器设有显示屏，可迅速而简单地进行所需要的调试，编程及查询工作，显示器能提供有关变频器，电机和操作状态的信息。其中包括转速、频率、负载、千瓦小时、运行时间、报警状态等等。 (7)、变频器具有通讯功能： 现在不少变频器都具有工业网络通讯功能。例 如标准的 RS-485 通讯。这就可方便地纳入 BAS 等网络的集散控制系统。 1.3 节能分析 1.3.1 节能计算 对于风机、泵类设备采用变频调速后的节能效果，通常采用以下两种方式进行计算： (1)根据已知风机、泵类在不同控制方式下的流量负载关系曲线和现场运行的负荷变化情况进行计算。 以一台 IS150-125-400 型离心泵为例，额定流量 200.16m3/h，扬程 50m；配备 Y225M-4 型电动机，额定功率 45kW。根据运行要求，水泵连续 24 小时运行，其中每天 11 小时运行在 90%负荷， 13 小时运 行在 50%负荷；全年运行时间在 300天。 则每年的节电量为： W1=45 11( 100% 69%) 300=46035kWh W2=45 13( 95% 20%) 300 =131625kWh W = W1 W2=46035 131625=177660kWh 每度电按 0.5 元计算，则每年可节约电费 8.883 万元。 6 (2)根据风机、泵类平方转矩负载关系式： P / P0=(n / n0)3 计算，式中为 P0额定转速 n0 时的功率； P 为转速 n 时的功率。 以一台工业锅炉使用的 22 kW 鼓风机 为例。运行工况仍以 24 小时连续运行，其中每天 11 小时运行在 90%负荷 (频率按 46Hz 计算 ,挡板调节时电机功耗按 98%计算 )，13 小时运行在 50%负荷 (频率按 20Hz 计算，挡板调节时电机功耗按 70%计算 )；全年运行时间在 300 天为计算依据。 则变频调速时每年的节电量为： W1=22 11 1 (46/50)3 300=16067kWh W2=22 13 1 (20/50)3 300=80309kWh Wb = W1 W2=16067 80309=96376 kWh 挡板开度 时的节电量为： W1=22( 1 98%) 11 300=1452kWh W2=22( 1 70%) 11 300=21780kWh Wd = W1 W2=1452 21780=23232 kWh 相比较节电量为： W= Wb Wd=96376 23232=73144 kWh 每度电按 0.5元计算，则采用变频调速每年可节约电费 3.657 万元。 1.3.2 实例分析 某工厂离心式水泵参数为：离心泵型号 6SA-8，额定流量 53. 5 L/s，扬程 50m；所配电机 Y200L2-2 型 37 kW。对水泵进行阀门节流控制和电机调速控制情况下的实测数据记录如下： 流 量 时 间 消耗电网输出的电能 (kWh) L/s (h) 阀门节流调节 电机变频调速 47 2 33.2 2=66.4 28.39 2=56.8 40 8 30 8=240 21.168=169.3 30 4 27 4=108 13.88 4=55.5 20 10 23.9 10=239 9.67 10=96.7 合计 24 653.4 378.3 7 相比之下，在一天内变频调速可比阀门节流控制节省 275.1 kWh 的电量，节电率达 42.1%。 1.4 节能分析 结论 由以上分析可知使用变频调速技术可以大幅度提高效率节约能源，具有十分可观的经济效益。风机、泵类等设备采用变频调速技术实现节能运行是我国节能的一项重点推广技术，受到国家政府的普遍重视。实践证明，变频器用于风机、泵类设备驱动控制场合取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还降低了停产周期。直接和间接经济效益十分明显，设备一次性投资通常可以在 9 个月到 16 个月的生产 中全部收回。 附实验数据记录表： 大气压力(pA) 室温(oc) 风机频率(hZ) 风机转速 电功率(kw) 喷嘴前后静压差 进气口温度(oc) 出气口温度(oc) 流量(m3/s) 最大 最小 平均 102.50 23.6 50 2543 129.6 1876 0.3766 37.638 25.3 25.1 1.227 104.02 23.7 49 2502 210.3 1892 0.3333 33.033.4 25.4 25.2 1.150 103.99 22.8 47 2444 203.8 1697 0.3000 31.031.4 23.8 23.9 10115 103.99 22.7 46 2404 136.7 1693 0.2925 29.630.0 23.5 23.6 1.089 103.00 24.0 45 2315 120.6 1594 0.2764 28.428.6 24.9 25.1 1.065 102.95 24.0 44 2513 291.9 1740 0.2579 27.227.6 25.0 25.1 1.045 102.99 23.5 43 2281 281.3 1588 0.2379 27.828.0 24.6 24.7 1.034 102.92 23.2 42 2000 190.6 1699 0.2229 24.624.9 24.2 24.4 0.993 102.90 23.1 41 1858 200.5 988.5 0.2192 23.423.6 24.0 24.2 0.967 102.95 23.1 40 1898 143.8 1000 0.2062 22.422.6 24.1 24.2 0.947 8 2 拖动系统功率的确定 2.1 变频调速的基础知识 异步电动机是电力、化工等生产企业最主要的动力设备。作为高能耗设备，其输出功率不能随负荷按比例变化，大部分只能通过挡板或阀门的开度来调节，而电动机消耗的能量变化不大，从而造成很大的能量损耗。近年来，随着变频器生产技术的成熟以及变频器应用范围的日益广泛，使用变频器对电动机电源进行技术改造成为各企业节能降耗、提高效率的重要手段。 n 60 f(1 s)/p （ 2-1） 式中 ： n 异步电动机的转速； f 异步电动机的频率； s 电动机转差率； p 电动机极对数。 由式 (1-1)可知，转速 n 与频率 f 成正比，只要改变频率 f 即可改变电动机的转速，当频率 f 在 0 50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频调速就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的。 变频器主要采用交 直 交方式，先把工频交流电源 通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制 4 个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为 IGBT 三相桥式逆变器，且输出为 PWM 波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。 2.2 电机容量的确定 2.2.1 恒转矩负载 恒转矩负载在转速变化时具有基本恒定的转矩。因此其所需要功率可根据其所需的连续转矩乘以额定速度得到，即： P=nT/9550 式中 （ 2-2） P 机械输出功率 (kW)； n 额定转速 (r/min)； T 连续转矩 (N m)。 此功率是否足够 ,还必须要对起动过程进行验算。由于电机是由变频器供电，一般交 -直 -交变频器的过载能力为 150%、 1 分钟，因此其最大起动及加速度转矩为 9 Tm=T150% （ 2-3） 如果负载转矩或加速度转矩大于此值，就必须要考虑；增加电机和变频器的功率。 恒转矩负载在选择变频调速系统时，除了按常规要求外，应对变频器的控制方式进 选择 。 (1)负荷的调速范围。在调速范围不大的情况下，选择较为简易的 V/F 控制方式的变频器。当调速范围很大时，应考虑采用有反馈的矢量控制方式。 (2)恒转矩负载只是在负荷一定的情况下负载阻转矩是不变的，但对于负荷变化时其转距仍然随负荷变化。当转矩变动范围不大时，可选择较为简易的 V/F 控制方式的变频器，但对于转矩变动范围较大的负载，应考虑采用无反馈的矢量控制方式。 (3)如果负载对机械特性的要求不高，可考虑选择较为简易的 V/F 控制方式的变频器，而在要求较高的场合，则必须采用有反馈的矢量控制方式。 2.2.2 平 方律负载 平方律负载主要是风机和泵类负载，因为在一般情况下 , 风机和泵类负载的转矩与速度的平方成正比，而功率与转速的立方成正比。此时，最大的输出功率必然出现在最大速度点。因此，可根据制造厂提供的风机和水泵的参数选定电机的额定功率。但是不要误认为任何风机和泵类负载都是平方律负载。实际上，在考虑到起动转矩、加速转矩、流体浓度和粘性的变化几某些特殊应用场合后，实际的负载公里有可能是线性的，即相当于恒转矩负载。这种情况发生在诸如处理高浓度液体的泵类、常温空气下运行的锅炉引风机和某些实验机械。 总之，负载的特性是千变 万化的，还必须与用户的被控机械的制造商研究协商，仔细分析各种应用情况，才能得到可靠的结果。 2.3 功率裕量的考虑 在常规下的功率确定后，还必须考虑增加电机额定功率的要求，使其具有足够的输出功率裕量。 2.3.1 电机的冷却方式 对于主轴安装内部风扇的自冷式电机，当其拖动平方律负载时，可以在整个速度范围内满意的工作，不需要增加辅助冷却设备或提高功率额度。但是，拖动恒转矩负载，由于转速降低时，其冷却能力随着降低，就必须考虑增加额定输出功率，选用大一号电机或附加外部冷却设备。 10 如果是本身具有附加水冷和风冷设备 的电机，这一点就不需要考虑。 2.3.2 变频器输出谐波的影响 变频器输出电流中的谐波成分将造成电机的发热增加，产生噪声并使实际输出力矩减小，这个问题可以从两方面解决，一方面选用无谐波或低谐波的变频器，也可在变频器端增加滤波器；另一方面，有时使电机的额定功率有一定的裕量（ 5%）也是必要的。 2.3.3 超额定转速的运行 我国生产的普通异步电动机额定工作频率为 50Hz 1%。一般不希望在超过其同步转速的情况下运行，当负载要求的最高转速高出其同步转速不多时，出于技术经济性的综合考虑，可增加容量予以选择。但由于电 机轴承等机械强度的限制，最高转速不能大于同步转速的 5% 10%。 2.3.4 特殊应用场合 当系统使用环境不满足电机规定的环境要求时，应考虑增加选用电机的功率。如电机一般规定的海拔高度为 1000m，周围环境温度不高于 40o。如使用场合的海拔高度和环境温度超过上述数值，应考虑选用更大的电机。相应地变频器的功率也要提高。可根据制造厂提供的数据或图表做适当的计算之后确定提高多少。也可提出要求要制造厂专门设计。 2.4 变频器容量的 确定 在电机的容量确定并选定其型号后，接下来就要确定变频器的容量。确定变频器容量的主 要依据是输出电流，其原则为：变频器的输出额定电流应大于或等于电机的额定电流。但在连续的变动负载或断续负载中，因电动机允许有短时间的过载，而且这种过载的时间经常超过变频器一般允许的一分钟。故应考虑选择变频器的额定电流大于或等于电动机运行过程中的最大电流。 电动机的型号确定后，其额定电流可以从制造商提供的样本中查到。或者，也可从电机的输出功率由下式计算 co s3UIP （ 2-4） 式中 ,P为额定输出功率（ KW）； U为额定电压（ KV）； I为 额定电流（ A）； 为电机效率； cos 为功率因数。 11 3 谐波的产生、危害和抑制措施 近年来，由于调速和节能的需要，越来越多的场合用到了变频调速技术。其中的核心部分变频器是电力电子器件，有电子元器件，计算机芯片，易受外界的一些电气干扰，因此，变频器投 入电网运行时，需要考虑电网电压是否对称，变压器容量的大小及配电母线上是否接有非线性设备等；另一方面，变频器本身输入侧是一个非线性整流电路，对电源的波形将有影响，变频器输出侧电压、电流、非正弦或非完全正弦波含有丰富的谐波。由于变频器中要进行大功率二极管整流、大功率晶体管逆变，结果是在输入输出回路产生电流高次谐波，干扰供电系统、负载及其它邻近电气设备。在实际使用过程中，经常遇到变频器谐波干扰问题，下面简单介绍变频器谐波产生的机理、危害以及有效防止或抑制干扰的对策。 3.1 高次谐波的产生原因 高次谐波产生的原 因主要是由于电力系统中存在非性线元件及负载产生的。如：电容性负载、感性负载及开关变流设备，诸如计算机及外设、电动机、整流装置等。由于其为储能元件或变流装置，故使电压、电流波形发生畸变， 见图 3.1 图 3.1 带有非线性负载时的电流波形 12 3.2 高次谐波的危害 高次谐波电流通过变压器，可使变压器的铁芯损耗明显增加，从而变压器出现过热 ，效率降低，缩短变压器的寿命。高次谐波对电网的影响也是如此，电缆内耗加大，电缆发热，缩短电缆的使用寿命；对电动机影响更大，不仅损耗增加，还会使电动机转子振动；而高次谐波对电容的影响更为突出，含有高次谐波的电压加至电容两端时，由于电容器对高次谐波的阻抗很小，所以电容器很容易发生过负荷导致损坏。高次谐波的干扰，往往还会导致供电空气开关误动作，造成电网停电，严重影响用电设备的正常工作。同时，高次谐波对通讯设备也产生干扰信号。对于电容负载： ZC 1/2fC （ 3-1） 当 f=n50 （ n=2、 3 ）中 n很大时，由上式可见 ZC很小。 3.3 高次谐波的抑制 （ 1） 三相整流变压器采用 或 ，这样联接可以消除 3 的整数倍的高次谐波，电网中的谐波电流只有 5、 7、 11、 13 等奇次谐波。 （ 2） 增加整流变压器二次侧的相数。整流变压器二次侧的相数越多，整流波形的脉波数越多，奇数低的谐波被消去的也越多。 （ 3） 装设分流滤波器，分流滤波器是由 R、 C、 L等元件组成的。串联谐振电路一般采取三相星形联接，它往往接在大型整流设备与电网的联接处，见图 3.2 图 3.2 分流滤波器接线图 （ 4）装静止无功补偿装置 上述四种抑制方式尽管对电网的净化起了一定的作用，但它都有很大的局限性，不能对谐波全面管理或仅仅局限在很小的范围之内。这些方式都是被动的，不能随谐波变化而变化。 13 3.4 一种新的谐波抑制方案 随着科技的发展对谐波的抑制提出了新的设想 ,它克服了以往滤波器仅固定在某些谐波频段 ,它采用如图 3.3的拓扑类型。它对非线性负载产生的谐波进行采样、分析、建立频谱图，以此频谱图为依据向电网侧送一个与非线性负载产生的谐波相反的谐波，从而达到谐波抑制的效果。 图 3.3 有源谐波调节器的基本工作原理 据此原理推出了有源谐波调节器（ ACTIVEHARMONICCONDITIONER）它能将 2 25次谐波有效地抑制。可根据电网的情况调整电压与电流波形的相位角，修正电流波形，提高功率因数，有效地抑制谐波干扰。它的工作原理见图 3.4。 图 3.4 有源谐波调节器工作原理框图 有源谐波调节器具有友好的用户界面，通过对话窗进行现场设置，真实地将用户现场实际状态反馈至有源谐波调节器中，让其通过采样拾取器实时捕捉谐波，全面有效地抑制电网中的谐波。该调节器还具有标准的 RS232接口，可方便地将谐波信息与实时计算机通讯。 14 （ a）无有源谐波调节器 （ b）有有源谐波调节器 图 3.5 带有非线性负载（计算机等）的输入电流波形 图 3.5为非线性负载经有源谐波调节器调节前 (a)与调节 后 (b)的输入电流波形比较。可以看出，这种有源谐波调节器将大大抑制谐波，提高了功率因数，同时大大地减小损耗，大大地节约了能源，保障了电网线路的安全。利用该谐波调节器可全面解决电网造成的损失。 15 4 变频调速技术在水处理工艺不同流程应用 4 1 工艺流程 在交流电机调速传动中，采用变频技术，既可实现无级调速，满足净水工艺过程中各项指标对电机速度控制的要求，保证水工艺流程的相对稳定，大幅度节约电能，降低制水成本，又可降低或减少相关设备的开停次数，延长使用寿命，解决由于工程实际运行规模与 设计规模偏差带来的弊端，协调各工艺流程间匹配关系，降低土建及工艺设备总价，合水厂建设和运行达到国家相应的考核标准。现就变频器在水工艺各流程中的具体应用体会，与同行交流，以促进自己的学习、提高。 常规的净水处理工艺包括取水沉淀过滤送水四个主要流程，配套工艺流程为投加系统、污泥处理及自用水回收等。变频调速技术在水处理工程中的应用，应强调与工艺和控制检测技术的协调考虑。在选用的原则及台数上，一定要目的明确，方法得当，否则不能取得预期效果。 (1)在工艺设备选择上，为解决压力或流量动态变化的问题 ，采用大小泵搭配方法进行匹配，人为增加机泵的组数和土建面积，同时也达不到调节均匀变化和稳定的目的，需靠频繁调整配套阀门的开度解决相关工艺问题。在此情况下，电气人员应根据工艺的具体要求，配套进行机泵技术参数的选择，并通过技术计算，取得性价比较高的变频调速产品。 (2)取水泵房变频器的应用，主要是稳定和调节取水流量的大小与后续工艺处理要求而定，相关因素为源水水位变化和流量变化引起的水泵出口压力变化，通过对沉淀工艺处理的效果检测，确定适宜的源水流量或进行人工设置，反馈给变频调速装置，使水泵在高效工作区内取 得相对稳定的工作点。 (3)沉淀过程中的加矾工艺，直接影响水厂药耗指标和滤池工况。要使加矾处于最佳运行状态，需建立一套数学模型，适用于不同时段、多变和单变参数控制的要求。加矾泵的控制，除冲程量的阶跃性控制外，变频器的应用，使加矾量的控制按级均匀变化，适应了数学模型基础上的闭环控制，该控制方式需配套相应的检测设备和数据处理控制系统，通过精确计算，以 4-20mA 模拟信号反馈至加矾泵低压变频器的输入控制端，使加矾系统的运行符合水质条件和运行水量的要求，保证沉淀池出水浊度。 (4)气水反冲或 V 型滤池 ，是净水厂常用的过滤工艺。该工艺流程的设备选型主要通过工艺的详尽计算得出，设备的工作特性为短时反复制。目前变频器直接应用的实例较少。但结合工艺设备选型上的观念改变，通过反冲水或气的压力检测，采用单 16 向液动或气动止回阀代替常设的电动阀和手动闸阀。通过变频器对反冲水泵和鼓风机转速的控制，使反冲水和气的强度按工艺要求准确进行控制，提高过滤工艺的技术指标。这种技术在广东沿海地区的水处理工程中已有具体应用，也是今后值得研究和发展的又一方向。 (5)送水泵房是净水厂的重要组成部分，它保证整个管网水量和水压均满足高 质量要求，同时它也是在水厂中耗能最大的设备。由于水泵选型时是按最不利条件下最大时流量及相应扬程设计的，而在实际运行中由于季节和昼夜的变化，最大和最小供水量之比约为 0.25-0.6。这就会出现高峰小时供水以外的时间内，水泵运行工况点偏离了较佳的工作范围。以前城镇净水厂大多采用调整并联运行水泵台数和调节出水阀开度大小来调整水量与水压。从各大中型水厂运行资料分析，二级泵平均效率在 64左右，能量损耗很大。应用水泵机组变频调速技术，相应地改变水泵转速及工况，使其流量与扬程适应管网用水量的变化。多点选择供水管网最不利 点允许的最低压力为控制参数，通过数据处理获取管网综合压力信号，组成闭环压力自控调整系统，保证管网未端的压力和水泵电动机组动态地工作于高效区内，并可实现多台变频调速机组动态综合调频，达到节能效果。 如果 n 为水泵 Q-H 曲线， A 为管网特性曲线， Ho 为管网未端服务压力， H 为泵出口压力。当用水量达到最大 Qmax 时，水泵全速运转，出口阀门全开，达到满负荷运行，水泵特性曲线 no 和用水管路特性曲线 Ao 汇交于 b 点，则其工况点为 b 点。此时水泵的出口压力为 H，末端服务压力刚好为 Ho。当用水量从 Qmax 减少到 Q1的过程中 ，采用不同的控制方案，其水泵电动机组的能耗也不同。 （ 1）水泵全速运转，靠关水泵出口阀门来控制：此时，管路阻力特性曲线变陡（ A2），水泵工况点由 6 点上滑到 c 点。而管路所需的扬程由 b 点下滑到 d 点，这样，c 点和 d 点的扬程差值即为全速水泵的能量浪费。 （ 2）水泵变速运转，靠泵出口压力恒定来控制，此时，当用水量 Qmax 下降时，控制系统降低水泵的转速来改变其特性。但由于采用泵出口压力恒量方工作。所以其工况点始终在 H 上平移。当水量达到 Q1 时，相应的水泵特性曲线为 nx，而管路的特性曲线将向上平移到 A1，两线交 点 e 即为此时工况点。这样，水量在减少到 Q1 时，将导致管网最不利点水压长高到 H1， H1 Ho，则 h1 即为水泵的能量浪费。 （ 3）水泵变速运转，靠管网最不利点恒定来控制，此时，用水量降至 Q1 时，水泵降低转速，水泵特性曲线变为 n1，其工况点为 d，并正好落在管路特性曲线 A0 上，这样通过电机调速使水泵工作点始终沿 A0 滑动，并处于水泵转速 效率（ n-） 17 特性曲线的高效区范围内。管网的服务压力 H0 恒定不变，其扬程与系统阻力相适应，没有能量浪费。此方案与泵出口恒定供水相比，其能耗将下降 h1。根据水泵的相似原理： Q1/Q2 n1/n2. (4-1) H1/H2（ n1/n2） 2 （ 4-2） P1/P2（ n1/n2） 3 （ 4-3） 式中 Q、 H、 P、 n分别为水泵的流量、压 力、轴功率和转速。通过转速控制可以减少轴功率。 从工程实施的实际经验，采用变频调速和管网未端恒压力控制技术，水泵电动机组的综合效率在水泵的高效工作区内，可达到 80以上，节能效果明显，并使变频成套装置投资回收年限缩短到 2-5 年内。 4.2 变频器选择中应注意的几个问题 (1)变频器选择中，应按电动机的额定功率，合理选择变频器的输入和输出电压，与用电设备配套。目前国内所应用的各类变频器低压等级多为 380V、 660V，高压为 3KV、 6KV，不同电压等级服务功率范围不同，其概况见表一。 表一 不同电压等 级变频器服务功率推荐 电压等级（ V） 产品品牌 产品系列 异步电机容量范围（ KW） 推荐使用范围（ KW） 380 三菱 FR- A500 0-375 280 660 西门子 MASTERDRIVES 2.2-2300 280-1500 3000 ABB ACS1000 315-5000 800-2500 6000 AB Balletin1557 1500 不同容量的电机选取适宜的工作电压，保证变频装置的选型和现场安装配电中易于实施，整套变频驱动系统的运行损耗降低，并取得较好的投资效果。 (2)新的整流元件和控制技术，使现代变频技术和成套设备应用领域更广。目前国内外广泛应用的通用型 GTR 变频调速器（ Variable Voltage Variable Frequency - VVVF）都是交 直 交电压型变频器。变频器中的开关元件从传统的 SCR 技术发展到现代的 IGBT（ Insulated - Gate Bipolar Transistor）、 GTO（ Gate Tum - off 18 Thysistor）、 IGCT（ Intergrated Gate Commutaled Thys - istor），其中 IGBT 在低压变频技术及整流技术中已得到广泛的应用。高压高用领域中各种元件开通和关断技术性能 及控制调节技术不尽相同，具体比较见上表二 (3)在 VVVF 变频调速系统中，先将电网中的交流电 整成直流电，而后通过逆变器再将直流电逆变为频率可调的交流电。 整流电路中，根据输入整流桥的组数不同，可分为 6、 12、 18、 24 脉冲，如 ABB 的ACS600、 ACS1000 均可为 12 脉冲。三菱 FR A500 系列为 6 脉冲。在近期的整流技术中，根据逆变器基本原理而产生的 AFE 前端主动技术，利用 IGBT 的技术特性，使前端整流技术由不可控变为可控，有效保障了逆变功能的更好实现。整流电路功能好坏，直接影响变频装置向电网注入谐波量的大小。通过选择隔离或降压器的次级绕组开关元件 GTO 晶闸管开关损耗高 低压 IGBT 高压 IGBT IGCT 开关技术 大多数高压主等级都有 高压时只能靠串联来实现 高压时只能靠串联来实现 大多数高压等级都有 导电损耗小 导电损耗居中 导电损耗高 导电损耗小 开关损耗高 开关损耗低 开关损耗居中 开关损耗低 开关损耗低 开关频率高 开关频率高 开关频率高 需缓 冲器 紧凑型门驱动器 紧凑型门驱动器 集成型门驱动器 电源电路 对大故障安全 需附加保护 需附加保护 对大故障安全 元件数量居中 元件数量多 元件数量居中 元件数量少 控制技术 CSI PWM V/f 矢量控制 V/f 矢量控制 DTC 力矩直接控制 代表产品 AB Bulletin 1557 SIEMENS SIMOVERT MASTER DRIVES SIEMENS SIMOVERT MASTER DRIVES ABB ACS100 19 的组数，实现了 12、 18、 24 脉波整流电路，脉波数越高 ，向电网注入的谐波分量和次数均会相应降低。同时两组变频装置间通过适当调整变压器的结线相位角，亦可将某些次数的谐波分量在系统内抵消，不注入电网。另 AFE（ Active Front End）前端主动技术的采用，使变频器向电网注入谐波的几率降低近零。关于变频装置，特别是大型电动机组的变频装置应用中向电网注入谐波分量应按国家电能质量公用电网谐波管理标准 GB/T14549-93 严格执行，特殊情况还需另行规定。变频器选用中，应根据当地电网短路容量的实际值进行相应的谐波量核算，以保证电网和周围电气控制系统的安全稳定工 作。根据从直流变到交流的中间环节滤波方法的不同，产生电压源型和电流源型两种型式的变频设备，在实际应用中应结合功率因数补偿协同考虑。电压源型运行功率因数可保证在 0.95 以下，不需额外补偿装置。电流源型变频设备随电机转速的变化，功率因素较大幅度变化。 由于电流源型变频器功率因数偏低，大部分处于要补偿范围，故需增加额外的补偿设备，对大功率设备的应用，还应考虑补偿量的可变化性，给工程实际运行带来其它相关问题， 设计选择应慎重选用。 4.3 变频器工程应用中应注意的几个问题 (1)变频器选择应用中， 应注重整体配套、包括相应的闭环控制的检测单元、柜上和现场操作盘（箱）。 (2)选型后的产