永州市零陵區自來水公司位于零陵區南津南路東側美麗的瀟水河畔，是零陵區政府管轄的正科級事業單位，屬自收自支、企業化管理性質，擔任著永州市零陵區城區30萬人口的供水任務，日設計供水量為20萬噸。水廠送水泵房共有4臺水泵機組，630kW
/10kV二臺，280kW
/10kV二臺，采用工頻運行方式，泵站在實際運行中，但由于實際需求輸水量遠遠小于供水能力，所以只能依靠調節出口閥開度及頻繁開停泵來調節流量。以保證生產廠的處理平衡的需求。這不但操作麻煩、難以控制，而且能源浪費大。鑒此，為了資源的合理利用和能源的節約，保證輸水管網的安全可靠運行，擬考慮安裝變頻調速裝置，并經過經濟技術評估，認為是可行的。通過調查和對比，經過招標形式選用山東新風光電子科技發展有限公司生產的JD-BP38-630F（630kW
/10kV）高壓變頻調速裝置，并于2014年5月投入使用。改造達到了預期目的。
2變頻器節能的理論依據
永州市零陵區自來水公司，供水量是不均勻的，這是由于春夏秋冬氣候和人們生活以及生產規律所決定的。水泵站的裝機是按最不利條件下、最大時流量和所需相應揚程決定的。而實際上每天內只有很短時間能達到最大時流量，大多數時間里，水泵站都處在小流量下工作。為了適應流量的變化，先前泵站在運行中采取關小出口閘門的辦法來控制流量，從而造成出口閘門前后的壓力差值就白白地浪費于閘門阻力上。
變頻調速運行是根據水泵轉速的變化要求，通過改變電動機工作電源頻率達到改變水泵電機轉速的目的，以獲得合理的水泵運行工況。在不同的轉速情況下，均保持較高的運行效率，不僅降低了電能消耗，同時能改善水泵啟動性能，延長其工作壽命，還提高供水質量。變頻技術用于泵類設備驅動控制場合的節電效果，普遍節電達到20%以上。
根據流體力學的基本定律可知：水泵類設備均屬平方轉矩負載，其轉速N與流量Q、壓力（揚程）H以及軸功率P具有如下關系：
Q1/Q2=N1/N2 （1）；
H1/H2=（N1/N2）2（2）；
P1/P2=（ N1/N2）3（3）；
Q1、H1、P1----水泵在N1轉速時的流量、壓力（或揚程）、軸功率；
Q2、 H2
、P2-----水泵在N2轉速時的相似工礦條件下的流量、壓力（或揚程）、軸功率。
因此理論上采用轉速控制，當風量、流量減小時，所需功率近似按流量的3次方大幅度下降。
假如轉速降低一半，即：N2/N1=1/2，則P2/P1=1/8，可見降低轉速能大大降低軸功率達到節能的目的。當轉速由N1降為N2時，水泵的額定工作參數Q、H、P都降低了。但從效率曲線л-Q看，Q2與Q1點的效率值基本是一樣的。也就是說當轉速降低時，額定工作參數相應降低，但效率不會降低，有時甚至會提高。因此在滿足操作要求的前提下，水泵仍能在同樣甚至更高的效率下工作。
降低了轉速，流量就不再用關小閥門等來控制，閥門等始終處于全開狀態，避免了由于關小閥門等引起的損耗，也就避免了總效率的下降，確保了能源的充分利用。
3 風光JD-BP38系列高壓變頻系統技術參數
山東新風光是國家高新技術企業，生產的風光牌JD-BP38系列高壓變頻器以高速DSP為控制核心，采用無速度矢量控制技術、功率單元串聯多電平技術，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標遠小于IEEE519-1992的諧波標準，輸入功率因數高，輸出波形質量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數補償裝置和輸出濾波器；不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。
JD-BP38-630F高壓變頻器技術參數如表1所示。
4變頻改造控制方案
變頻調速系統操作方面，有遠程控制和本地控制兩種控制的方式，這兩種控制方式可提高系統的安全性能。通過上位機對高壓變頻器運行狀態進行監控，通過遠控和本地對變頻器進行控制，上位機監控系統如圖1所示，具有以下功能：變頻啟動、變頻停止、故障復位、變頻運行指示、變頻停止指示、故障輸出、通訊指示，并可在上位機上顯示變頻器的運行數據、設定壓力、反饋壓力和當前狀態，實時監控系統運行。
圖1
上位機監控系統
為了保證水廠供水系統的可靠性，變頻器裝置具有工頻手動旁路裝置，當變頻器發生故障，停止運行時，在確認水泵及電機沒有故障的情況下，電機可以手動切換到工頻下運行，這樣可以保證水泵的供水要求，提高了整個供水系統的安全穩定性。
水泵變頻系統具有如下特點：為變頻器提供的交流220V控制電源掉電時，由于變頻器的控制電源和主電源沒有相位及同步要求，變頻器可以使用UPS繼續運行，不會停機；在現場水壓給定信號掉線時，變頻器提供報警的同時，可按原轉速繼續運行，維持水泵機組的工況不變；變頻器配置單元旁路功能，在局部故障時，變頻器可將故障單元旁路，降額繼續運行，減少突然停機造成的損失，如果變頻器出現3個以上的故障單元，當前水泵可轉工頻運行，可保證供水不受影響。
5 變頻改造主回路介紹
永州市零陵區自來水公司水泵系統變頻改造采用1#、2#水泵（電機功率630kW
/10kV）共用一套JD-BP38-630F（適配630kW
/10kV電機）高壓變頻器，高壓變頻器采用“一拖二”手動旁路方案。1#、2#水泵一次系統接線圖路如圖2所示，通過切換高壓隔離開關把高壓變頻器切換到要運行的水泵上去。高壓變頻器可以拖動1#供水泵電動機實現變頻運行，也可以通過切換拖動2#供水泵電動機實現變頻運行。兩側供水泵電動機均具備工頻旁路功能。
圖2
高壓變頻一次系統接線圖
QF1和QF2分別為現場1#和2#供水泵電源高壓斷路器；
QS11和QS21分別為1#、2#供水泵電源高壓隔離開關；
QS12、QS22、QS13、QS23為變頻器旁路開關柜高壓隔離開關；
變頻器為風光JD-BP38-630F高壓變頻器。
高壓變頻器控制電機為一拖二控制，旁路開關柜用于工/變頻切換。QS11和QS21為2個高壓隔離開關，變頻器運行時，要求QS11和QS21同時閉合。QS12閉合，QS22斷開，QS13斷開，1#水泵變頻運行；QS12斷開，QS13閉合1#水泵工頻運行；QS22閉合，QS12斷開，QS23斷開，2#水泵變頻運行；QS22斷開，QS23閉合，2#水泵工頻運行；其中，QS12與QS13、QS22實現電氣互鎖，QS22與QS23、QS12實現電氣互鎖；將控制柜“遠控/本控”開關打至“遠控”位置，將相應水泵斷路器“就地/遠方”開關打至“遠方”位置，通過上位機可實現水泵的遠控操作。
6 恒壓供水系統原理、PID設定及運行
由于永州市零陵區自來水公司，對用水負荷需要在實際運行時進行精確調整和測量，因此采用的是恒壓供水系統，其工作原理如圖3所示，測量元件為壓力傳感器，將它設在水泵機組出水口，Vi為恒定供水壓力設定值，供水壓力V作為輸出量，構成閉環控制系統。變頻器內部的PLC采集供水壓力值V與用戶給定值Vi進行比較和運算，通過PID進行調整，將結果轉換為頻率調節信號送至變頻器，直至達到供水壓力的給定值Vi。不管系統供水流量如何變化，供水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。
圖3恒壓供水系統工作原理框圖
（1）在PID控制中，P系數加大，可以加快調節速度。但如果過大，系統容易因超調而震蕩。若P太小，又會使系統的動作緩慢。P可正可負。如果比例系數為正，那么該回路為正作用回路；如果比例系數為負，那么該回路為反作用回路。本變頻器P設定為0.30。
（2）積分I的作用主要是消除系統的靜態誤差。但過強的積分作用使供水系統超調加大。所以在調節過程初期，應減弱積分作用，防止產生積分飽和現象；而到過程后期，應適當增強積分作用，以提高控制精度。本變頻器I設定為10.0。
風光高壓變頻器內置PID功能，其中PID 結構參數具有以下選擇方式：
0：比例 PID 控制只比例增益起作用
1：積分 PID 控制只積分增益起作用
2：比例+ 積分 PID 控制比例增益和積分增益同時起作用
3：比例+ 積分+ 微分 PID 控制比例增益、積分增益和微分增益同時起作用
本變頻器PID參數PID結構選擇2，比例+積分 PID
控制比例增益和積分增益同時起作用，完全可以滿足供水系統的供水壓力恒定要求，不需要設定微分參數。
現場采用壓力閉環控制，每天分十個時間段來控制給定壓力，具體設定壓力分段如表2所示。
現場最大壓力設定：根據壓力變送器的最大量程來設定。本案例中壓力變送器的最大量程為950KPa，在950KPa
時變送器輸出信號為20mA，那最大壓力設置為950KPa，對應壓力設定百分值100%。如圖4中的給定壓力：399 kPa=42.00%*950
kPa。
圖4
給定壓力顯示界面
在上位機監控系統具有豐富的功能。除了可以具有以下功能：變頻啟動、變頻停止、故障復位外，還可以顯示變頻運行指示、變頻停止指示、故障輸出、通訊指示等，并可在上位機上實時顯示變頻器的運行數據、設定壓力、反饋壓力和當前狀態。上位機變頻器實時監控運行數據如表3所示。
7 現場設備改造效果
水廠水泵變頻節電改造后，2014年5月初，正式投入生產，至今運行正常。系統達到了預期的效果：實施變頻改造后，水泵用電量有明顯下降，設備實現了軟起動，改善了設備的運行工況，極大地減輕了設備起動時對供配電系統的沖擊。
7.1節電效果
經過廠能源利用監測中心測試，根據泵站供水系統改造之前一個月的報表計算得1000t水耗電率為102度電，改造之后的一個月1000t水耗電率為86度電，按此計算，泵站一年可節電(102-86)×50×360=288000度電。并且隨著供水量的增加泵站供水系統采用一臺工頻，一臺變頻兩臺高壓電動機供水方式節能效果更顯著。
7.2其他效果
（1）改善了工藝。在實際生產操作過程中，泵的流量需時常調整，不僅需要調節參數，而且備用設備需時常切換。調節參數時，主要通過調節出口閥來控制，人工關小或開大閥門不僅費事，速度慢，也縮短閥門的壽命（填料及閥桿的磨損）。
（2）維護量減少。采用變頻調速后，大部分時間里，泵的運行轉速大大低于泵的額定轉速。由于水泵啟動緩慢及轉速的降低，減少了泵的零部件密封、軸承的磨損，相應地延長了水泵的壽命。
（3）工作強度降低。采用變頻調速恒壓閉環調節就不用調節出口閥，操作工作由動手轉變為自動、監控，完全實現生產的無人操作，大大減輕了工人的勞動強度。
（4）現場噪音大大降低，有效改善現場的運行環境，運行人員反映良好；便于實現廠循環水泵機組控制系統自動化管理。
8結束語
經過實踐的證明，永州市零陵區自來水公司水廠的水泵變頻改造是成功的，取得的經濟效益和社會效益是顯而易見的。不僅節約了大量電能，降低了供水成本；而且增大了供水系統可調范圍，提高了工作效率，增強了系統安全可靠性。隨著國家目前對節能減排工作力度空前加大，變頻調速技術發展前景十分廣闊，已迎來歷史黃金發展時期。
