水泵恒压供水变频器节能改造

水泵恒压供水变频器节能改造

叶良禄

提要：变频器传动时要得到与工频电源传动相同的转矩特性，变频器输出电压的基波有效值通常要等于工频电源的有效值。因此，变频器调速改造选型时要充分考虑电动机的负载特性。

摘要论述了水泵恒压供水变频节能改造的原理；变频器的选型要点及容量计算；节电计算及运行效果分析。

关键词变频器电动机改造

一、引言

动能公司供水车间七泵房主要承担着热力车间老区3台锅炉和3台汽机生产用水的供水任务。该系统共有水泵机组两大两小，大水泵机组型号为600S-32，额定流量3170m3/h，扬程32m，转速970r/min，配套功率400kW；配用电机为Y4005-6，额定功率400kW，电压6kV，额定电流46.5A，转速988r/min；小水泵机组型号为350S-44A，额定流量1116m3/h，扬程36m，转速1450r/min，配套功率160kW；配用电机为Y315L1-4，额定功率160kW，电压380V，额定电流289A，转速1485r/min。根据平时用水情况来确定机组的匹配数量和阀门开度，平时开一大一小，系统组管压力偏高有富余，有时只需一台大机，有时需要一大两小，其中一台小机的阀门开度仅为20％左右，系统瘪压情况较严重，压力不稳定。设备振动厉害，给生产带来很多不稳定的因素。系统的给水压力和供水量整年呈现一个动态的变化过程。为此，于2005年初对该系统的两台小机组进行了恒压供水变频节能改造，改造后的供水系统完全满足3台锅炉、3台汽机的生产用水要求，同时节能效果也十分显著。

二、恒压供水变频节能的原理

如图1所示，当水泵工作在曲线②的A点时，其流量与压力分别为Q1、p2，此时水泵所需的功率正比于p2与Q1的乘积。由于工艺要求需减小水量到Q2，通过增加管网管阻，使水泵的工作点移到曲线③上的B点，水压增大到p1，这时水泵所需的功率正比于p1与Q2的乘积，由图可见这种调节方式控制虽然简单，但功率消耗并无减少。

若采用变频调速，风机水泵转速由n1下降到n2，这时工作点由A点移到C点，流量仍是Q2，压力由p2降到p3，这时变频调速后水泵所需的功率正比于p3与Q2的乘积，由图可见功率的减少是明显的。

三、改造设计

1．调速控制系统设计

根据终端用户生产工艺供水要求，考虑若干方面的因素，采用闭环调速控制（图2）。系统主要由二部分组成：

(1)控制对象。电机功率160kW，额定电流289A；水泵配用功率l60kW，流量1116m3/h，扬程36m。

(2)变频调速设备。变频器选用6SE6430-2UD42-OGBO，适配电动机功率200kW; PLC 选用S7-200 CPU226；扩展模块EM235；操作面板选用PSW 1711-CTN（人机界面版本号

V17-14-11）。

(3)压力测量变送器(PT)。选用EJA430A-630SE/S1-2Mpa。用于控制水管出口压力并将压力信号变换为4～20mA的标准电信号，再输入调节器。

2.鼠笼型电动机变频改造设计

(1)变频器选型

电机用变频器运转同采用工频电源运转相比，电机的效率、功率因数将降低，电流增加，对同一负载而言约增加10%，400V电压等级频率为50Hz和60Hz时有如下电流关系：I400/50＞I400/60。电机变频运转在50Hz时温升裕量小，要降低负载转矩使用；当电机极数＞4极时（如8极、10极等），选择变频器容量要用电流来校核，即电动机脉动电流应不超过变频器的过电流耐量，1脉动＜1.51；Ie电机负载很轻时，即使电机的电流在变频器额定以内，亦不能使用比电动机容量小很多的变频器。

低速时，电机的铜耗大体与额定时相同，但由于转速越低，电机冷却效果越差，定子的温升会发生变化。因此，选择变频器时，要考虑在低速下使用电机的温升，相应减小运转转矩（电流），降低铜耗。

电机运转在低频区时，转矩特性会大幅度降低。对于负载变动大或启动转矩大的情况，可选用上一级电动机与变频器。

要考虑电机允许最高频率的范围。

(2)容量的选择

连续运转设备所需的变频器容量的计算，要考虑变频器传给电动机是脉动电流，其脉动值比工频供电时电流要大，因此变频器的容量须留有适当的余量。此时，变频器应同时满足以下条件：

PCN≥KPM/ηcosφ (1)

ICN≥KIM (2)

式中 PM——电动机输出功率，kW

η——电动机效率，取0.92

cosφ——电动机功率因数，取0.92

IM——电动机额定电流，A

K——电流波形的修正系数，PWM方式取1.05～1.1

PCN——变频器的额定容量，kV•A

ICN——变频器的额定电流，A

式中IM如果按电动机实际运行中的最大电流来选择变频器时，变频器的容量可以适当缩小。根据以上条件确定变频器容量：

PCN≥1.1×160/(0.92×0.92)=208kV•A

ICN≥1.1×289=317.9A

考虑到离心泵负载的具体情况，并参照厂家提供的产品选择样本确定变频器的容量为232kV•A。

四、效果分析

1．节能效果计算

节能效果可按GB12497《三相异步电机经济运行管理》强制性国家标准实施监督指南中的计算公式计算：采用阀门调节流量对应电动机输入功率P1V与流量口的关系为 P1V=[0.45+0.55(Q/QN)2]P1e

式中 P1e——额定流量时电动机输入功率，kW

QN——额定流量，m3/h

节电率Ki为

Ki=1－(Q/QN)3/[0.45+0.55(Q/QN)2]

低压配电系统运行电压410V，电机实际运行电流245A，水泵电机功率l60kW、极数4极、实际出力为55%～83%，取Q/QN=0.69得

Ki=1－(Q/QN)3/[0.45+0.55(Q/QN)2]=1－0.693/(0.45+0.55×0.692)=0.5385

P1e=1.732×410×245=174kW