變頻調(diào)速技術(shù)在電廠供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、變頻調(diào)速技術(shù)在電廠供水系統(tǒng)中的應(yīng)用 作者： 袁紅蕾 單位：西北電力設(shè)計(jì)院摘要：文章闡述了變頻器的基礎(chǔ)知識(shí)及變頻調(diào)速技術(shù)在電廠恒壓供水系統(tǒng)中的應(yīng)用，結(jié)合工程實(shí)踐論述了恒壓供水系統(tǒng)的配置及控制方式，并提出一些需同仁重視的問(wèn)題。關(guān)鍵詞：變頻器 恒壓供水 PLC 調(diào)速系統(tǒng)發(fā)電廠既是電能的生產(chǎn)者，又是電能的消耗者，在我國(guó)發(fā)電能源構(gòu)成中，火力發(fā)電占70%以上?；痣姀S的廠用電率在48之間，降低廠用電率直接關(guān)系到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和競(jìng)爭(zhēng)力。因此，在廠用電中占很大比例的泵和風(fēng)機(jī)的節(jié)能就成為重點(diǎn)。而變頻調(diào)速技術(shù)作為節(jié)能降耗的手段在泵和風(fēng)機(jī)方面的應(yīng)用漸趨廣泛，本文結(jié)合我院最近幾個(gè)工程對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)在電廠供水系統(tǒng)中的應(yīng)用

2、做一個(gè)淺談。1變頻器基礎(chǔ)知識(shí)變頻器就是把電壓和頻率固定不變的交流電轉(zhuǎn)換為電壓和頻率可變的交流電的裝置。把變頻器安裝于需要調(diào)速的泵和風(fēng)機(jī)的動(dòng)力回路中，用變頻器的輸出電源驅(qū)動(dòng)泵和風(fēng)機(jī)稱為變頻調(diào)速技術(shù)。一般工業(yè)領(lǐng)域所使用的電機(jī)大多為感應(yīng)式異步交流電機(jī)，該類電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度由電機(jī)極對(duì)數(shù)和頻率確定。公式如下： n = 60f/p n: 同步轉(zhuǎn)速 f: 電源頻率 p: 電機(jī)極對(duì)數(shù)由電機(jī)工作原理可知，確定的電機(jī)其p是不變的，f可在電機(jī)的外部做為調(diào)整后電源供給電機(jī)，這樣電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就可根據(jù)f大小調(diào)節(jié)，這正是變頻調(diào)速的原理。異步交流電機(jī)的能量傳遞過(guò)程是定子側(cè)從電源吸取電能，將其轉(zhuǎn)換為電磁能（建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)）傳遞給轉(zhuǎn)

3、子，轉(zhuǎn)子側(cè)則將電磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并從轉(zhuǎn)子軸上輸出，拖動(dòng)產(chǎn)生機(jī)械旋轉(zhuǎn)。對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)講，電磁轉(zhuǎn)矩的大小都與轉(zhuǎn)子電流和磁通的乘積成正比，電機(jī)允許通過(guò)的電流大小受到發(fā)熱的限制，是不能增大的，所以如磁通減小，必使電磁轉(zhuǎn)矩減小，電機(jī)的帶負(fù)荷能力就減小。磁通不能減小也同樣不能增大，否則將使電機(jī)的磁路飽和而燒毀電機(jī)。使磁通保持不變的方法就是變頻的同時(shí)必須變壓，這就是變頻器常常被稱為vvvf的原因（Variable Voltage and Variable Frequency）。采用工頻啟動(dòng)和變頻啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式相差較大。圖1為工頻啟動(dòng)的示意圖。 工頻啟動(dòng)的特點(diǎn)是：在接通電源瞬間，電源頻率為額定頻率50

4、Hz,如圖1b上所示，以4極電動(dòng)機(jī)為例，同步轉(zhuǎn)速高達(dá)1500r/min，電源電壓為額定電壓380V，如圖1b下所示，由于轉(zhuǎn)子繞組和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相對(duì)速度很高，故轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)和電流都很大，從而定子電流也很大，啟動(dòng)電流可達(dá)到額定電流47倍之間，如圖1c所示。如此則帶來(lái)以下2個(gè)問(wèn)題。1) 啟動(dòng)電流大，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的容量較大時(shí)，其啟動(dòng)電流將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾。2) 對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的沖擊很大，影響機(jī)械的使用壽命。圖2為變頻啟動(dòng)的示意圖。變頻啟動(dòng)的特點(diǎn)是：在接通電源瞬間，頻率從最低頻率0 Hz（或其它頻率下限設(shè)定值）按預(yù)置的加速時(shí)間逐漸上升，如圖2b上所示，仍以4極電動(dòng)機(jī)為例，假設(shè)起始頻率為0.5Hz，則同步轉(zhuǎn)速只有15

5、r/min，轉(zhuǎn)子繞組和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相對(duì)速度只有工頻時(shí)的百分之一。電動(dòng)機(jī)的輸入電壓也是從最低電壓開始逐漸上升，如圖2b下所示。轉(zhuǎn)子繞組和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相對(duì)速度低，故啟動(dòng)瞬間的沖擊電流就小。同時(shí)，可通過(guò)逐漸加大頻率以減緩啟動(dòng)過(guò)程。在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中，使同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速間的轉(zhuǎn)差限制在一定范圍內(nèi)，則啟動(dòng)電流也將限制在一定范圍內(nèi)，如圖2c所示。電機(jī)轉(zhuǎn)速隨著頻率和電壓的增加而增加，電機(jī)的啟動(dòng)電流被限制在1.252倍額定電流之間，可以平滑的啟動(dòng)電機(jī)（代價(jià)是啟動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)）。根據(jù)變頻變壓原理，變頻器在低速時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)100%額定轉(zhuǎn)矩，則可帶滿負(fù)荷啟動(dòng)。通過(guò)以上可知，采用變頻啟動(dòng)從原理上可避免由工頻啟動(dòng)所帶來(lái)的2個(gè)

6、問(wèn)題。2變頻器調(diào)速供水系統(tǒng)在電廠供水系統(tǒng)里，流量是運(yùn)行過(guò)程中需要調(diào)節(jié)的主要參數(shù)，其調(diào)節(jié)方式有以下2種：1）管路特性曲線的調(diào)節(jié)，如閥門調(diào)節(jié)（節(jié)流調(diào)節(jié)），泵的轉(zhuǎn)速不變，改變供水管路上閥門的開度以調(diào)節(jié)流量。該方法有大量能量消耗在節(jié)流損耗上，在低負(fù)荷工況下尤甚。2）水泵特性曲線的調(diào)節(jié)，如轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速上升則流量加大，轉(zhuǎn)速下降則流量減小。通常情況下，用水量的大小直接影響到水泵出水口的壓力，第1種方法會(huì)造成供水壓力的波動(dòng)和能耗的損失，壓力偏低時(shí)，用戶用不上水，壓力偏高時(shí)管道漏損、電耗增加，甚至發(fā)生惡性爆管事件。第2種方法在節(jié)能效果上比第1種好得多，而變頻調(diào)速在改變水泵性能曲線和自動(dòng)控制方面優(yōu)勢(shì)明顯，因而第

7、2種方法在生產(chǎn)中應(yīng)用日益廣泛。對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行控制，歸根結(jié)底是為了滿足用戶對(duì)流量的要求，所以，流量是供水系統(tǒng)的基本控制對(duì)象。在動(dòng)態(tài)情況下，管道中水壓的大小與供水能力（由供水流量Q1表示）和用水需求（由用水流量Q2表示）之間的平衡關(guān)系有關(guān)： Q1>Q2 則壓力上升 Q1<Q2 則壓力下降 Q1=Q2 則壓力不變可見，供水能力與用水需求間的矛盾是具體的反映在流體壓力的變化上，從而壓力就成為用來(lái)控制流量大小的參變量。為保證用戶端在任何時(shí)刻，不管用水量的大小，總能保持管網(wǎng)中水壓的基本恒定，工程中常采用恒壓供水系統(tǒng)。即為保持管網(wǎng)水壓的基本恒定，需要變頻器根據(jù)給定的壓力信號(hào)與管網(wǎng)水壓的反饋信號(hào)進(jìn)

8、行比較以調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制管網(wǎng)中水壓的目的。調(diào)節(jié)框圖如下。在電廠供水系統(tǒng)中多為幾臺(tái)同型號(hào)水泵并列運(yùn)行，采用變頻調(diào)速后，每臺(tái)泵配一個(gè)變頻器，在設(shè)計(jì)上可盡量做到選用大水泵、少臺(tái)數(shù)高效運(yùn)行。如此，不僅能適應(yīng)流量、揚(yáng)程的變化，也可減少泵房面積和相應(yīng)的進(jìn)出水管、閥門、開關(guān)、電纜等輔助設(shè)備，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)大電機(jī)的軟啟動(dòng)、有效減少水泵的開停次數(shù)，使得水泵的調(diào)度管理方便靈活、壓力變化平穩(wěn)、消除水錘的嚴(yán)重危害、延長(zhǎng)設(shè)備壽命。3具體應(yīng)用某電廠工業(yè)水系統(tǒng)4臺(tái)工業(yè)水泵，型號(hào)均為Y280S-2，額定電壓380V，額定功率75KW，3臺(tái)運(yùn)行、1臺(tái)備用。工業(yè)水泵根據(jù)水泵出口壓力的變化自動(dòng)進(jìn)行變頻調(diào)速，保證水泵出口管網(wǎng)壓

9、力在6kg/cm2。每臺(tái)工業(yè)水泵配1個(gè)變頻器，整個(gè)工業(yè)水系統(tǒng)采用PLC程控?？刂葡到y(tǒng)示意圖如下： 為增加可靠性，管網(wǎng)上的壓力傳感器設(shè)置2個(gè)，信號(hào)采用2選均值送入PLC控制器，在控制器中與給定壓力6kg/cm2進(jìn)行比較及PID運(yùn)算，并給出信號(hào)直接控制變頻器的輸出以使管網(wǎng)的壓力穩(wěn)定。啟動(dòng)時(shí)，按預(yù)置的順序依次啟動(dòng)運(yùn)行泵，當(dāng)啟動(dòng)泵變頻運(yùn)行至50Hz時(shí)，管網(wǎng)壓力仍偏低，則該泵轉(zhuǎn)為工頻定速運(yùn)行，以保證壓力的穩(wěn)定，同時(shí)依次啟動(dòng)下一臺(tái)泵，以加大管網(wǎng)的供水量保證壓力穩(wěn)定。若2臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)仍滿足不了用水量要求，則依次將變頻調(diào)速工作狀態(tài)下的泵轉(zhuǎn)為工頻定速運(yùn)行，而將第3臺(tái)泵啟動(dòng)并投入變頻運(yùn)行，其余同理。正常運(yùn)行時(shí)，由1臺(tái)

10、變頻運(yùn)行泵維持用水量和管網(wǎng)壓力的動(dòng)態(tài)平衡，其余泵工頻定速運(yùn)行。當(dāng)用水量減少，變頻泵運(yùn)行至預(yù)置的頻率下限時(shí)，如壓力上限信號(hào)仍存在，按先啟先停的順序，PLC首先將工頻定速運(yùn)行的泵停掉一臺(tái)，以減少供水量。當(dāng)上述兩信號(hào)再次存在時(shí)，PLC再停掉一臺(tái)工頻定速運(yùn)行的泵，其余同理，直至最后一臺(tái)泵變頻運(yùn)行。同時(shí)，可任意設(shè)置3臺(tái)泵為運(yùn)行泵（如#1、#2、#3泵），3臺(tái)運(yùn)行泵為一組，每臺(tái)泵的運(yùn)行累計(jì)時(shí)間可顯示，可定期輪換。運(yùn)行泵和備用泵也可定時(shí)切換，既滿足系統(tǒng)上3運(yùn)1備的要求，又保證各泵有相同的運(yùn)行時(shí)間，確保泵的可靠壽命。變頻裝置能接受電廠供水控制系統(tǒng)PLC的控制指令，并反饋?zhàn)冾l裝置的主要狀態(tài)信號(hào)和故障報(bào)警信號(hào)。變

11、頻裝置與PLC間主要I/O信號(hào)如下：變頻器至PLC的信號(hào): 泵轉(zhuǎn)速 AI 1路 回路電流 AI 1路 泵運(yùn)行 DI 1路 泵停止 DI 1路 由遠(yuǎn)方控制 DI 1路 變頻器故障 DI 1路PLC至變頻器的信號(hào): 泵速度設(shè)定 AO 1路 啟動(dòng)泵 DO 1路 停止泵 DO 1路變頻裝置具有就地監(jiān)控方式和遠(yuǎn)方監(jiān)控方式。如上所述，正常時(shí)采用遠(yuǎn)方PLC監(jiān)控方式，當(dāng)PLC出現(xiàn)故障時(shí)，在就地通過(guò)變頻器上的觸摸式鍵盤和LCD/LED顯示，可進(jìn)行就地人工啟動(dòng)、停止變頻器，可以調(diào)整轉(zhuǎn)速、頻率等。變頻裝置本身是比較復(fù)雜的電氣設(shè)備，工程中要求根據(jù)工業(yè)水泵電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)和與之配套的電動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇合適的變頻裝置。變頻器允

12、許的電源波動(dòng)時(shí)間及范圍盡量寬廣合理，系統(tǒng)電源的瞬間閃變不應(yīng)導(dǎo)致變頻裝置的停機(jī)。額定運(yùn)行工況下，使用變頻裝置后電動(dòng)機(jī)不降出力。該工程中工業(yè)水泵電動(dòng)機(jī)的保護(hù)由動(dòng)力中心PC完成，變頻器配置變頻調(diào)速所必須的保護(hù)設(shè)備及控制設(shè)備，包括濾波器、隔離變壓器及防雷脈沖保護(hù)裝置等，具體有以下保護(hù)項(xiàng)目：1) 進(jìn)線電源失壓2) 整流器/逆變器過(guò)流3) 電動(dòng)機(jī)過(guò)流4) 電動(dòng)機(jī)過(guò)壓/低壓5) 電動(dòng)機(jī)失速/堵轉(zhuǎn)6) 接地故障7) 控制器外殼超溫8) 電動(dòng)機(jī)過(guò)負(fù)荷9) 電源缺相4. 結(jié)束語(yǔ)變頻器用于電廠泵和風(fēng)機(jī)的調(diào)速，是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，在帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也提出新的問(wèn)題，下面是筆者認(rèn)為在工程中需注意之處。1) 調(diào)速水泵

13、的機(jī)械震動(dòng)問(wèn)題 傳統(tǒng)的水泵都是按工頻全速運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的，一般只在最高轉(zhuǎn)速下長(zhǎng)期運(yùn)行，僅在啟動(dòng)過(guò)程中短時(shí)經(jīng)歷其它轉(zhuǎn)速點(diǎn)，所以有可能在工頻之外的其它頻率點(diǎn)上存在機(jī)械共振現(xiàn)象。將傳統(tǒng)的水泵用變頻裝置驅(qū)動(dòng)調(diào)速運(yùn)行后，除工頻點(diǎn)之外，水泵有可能在調(diào)速區(qū)域的其它頻點(diǎn)上長(zhǎng)期運(yùn)行，所以需要在整個(gè)調(diào)速區(qū)域?qū)λ脵C(jī)組作機(jī)械共振測(cè)定。如果存在機(jī)械共振頻點(diǎn)，應(yīng)該輸入變頻器，以防止變頻器在這些特殊的頻率點(diǎn)上長(zhǎng)期運(yùn)行。2) 上下限頻率持續(xù)時(shí)間TH和TL 變頻器運(yùn)行的頻率隨管網(wǎng)用水量增大而升高，本系統(tǒng)是以變頻器運(yùn)行的頻率是否達(dá)到上限或下限、并保持一定的時(shí)間為依據(jù)來(lái)判斷是否加泵或減泵，這個(gè)判斷的時(shí)間就是TH或TL。如果設(shè)定值過(guò)大，系統(tǒng)就不能迅速的對(duì)管網(wǎng)用水量的變化做出反應(yīng)；如果設(shè)定值過(guò)小，管網(wǎng)用水量的變化就很可能引起頻繁的加減泵動(dòng)作。這兩種情況都會(huì)影響恒壓供水的質(zhì)量。3) 水泵最佳效率運(yùn)行點(diǎn)水泵在設(shè)計(jì)時(shí)，有一個(gè)效率最佳的運(yùn)行點(diǎn)。出口壓頭過(guò)大或過(guò)低，流量過(guò)大或過(guò)小，雖然水泵仍然可以運(yùn)行，但達(dá)不到最佳效率。供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按實(shí)際壓力和流量處于水泵效率最佳的運(yùn)行點(diǎn)來(lái)選擇和配置水泵。調(diào)速運(yùn)行后，水泵工作點(diǎn)變化范圍較大，在一定水壓和流量區(qū)間下工頻運(yùn)行具有最佳效率的水泵，在其它轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)效率不一定達(dá)到最佳值（但比調(diào)節(jié)閥門引起的效率下降要小得多）。水泵的生產(chǎn)設(shè)計(jì)廠