一、引言
大中型自来水厂的水泵驱动电机一般是由高压电机驱动，其供水压力与流量的调节大多采用传统的方式，通过控制水泵的运行台数，辅助于阀门的开度变化的方式进行调节，由于供水时间相对集中，一日内的负荷变化较大，特别是在午夜与凌晨的时段，产生大马拉小车的现象，这种情况在春冬两季更为明显，既浪费能源，又使供水管网的压力波动。为了解决这一问题，平顶山煤炭集团自来水厂领域决定选用高压变频器，对原有的水泵驱动电机进行变频节能改造。
二、系统概况
原高压电机以工频电源驱动时，电机定速运行，只能靠水泵出口侧的阀门来调节供水流量，不仅浪费能源，而且会产生“水锤效应”和“憋泵”现象，对此，我们采用高压变频器内置PID功能进行节能改造。
PID功能介绍：水泵变频调速是一个压力闭环控制系统，设定水泵出工侧压力参数为控制对象，当实际压力与设定压力发生偏差±H时，高压变频器则根据压力传感器反馈的信号，自动调节变频器的输出频率与电压，从而改变水泵驱动电机的转速，使水泵出口侧的压力维持恒定。
风机泵类负载变频调速的节能原理
风机泵类负载一般是通过改变阀门挡板的开度进行流量、压力调节的。图-1为泵（风机）扬程流量特性曲线（H-Q）图。在阀门控制的方式下，当系统流量从Qmax减少到Q1时，必须相应地关小阀门。这时，阀门的阻力变大，流体的节流损失增加，流道的阻力线从A0到A2。
泵（或风机）运行的工况点，从b点移到c点，扬程从H0上升到H2，而实际需要的工况点为d点。
根据泵（风机）的功率计算工式：
P＝ρgQH/1000η式中：
P—水泵使用工况轴功率（KW）
ρ—输出介质的密度（kg/m3）
Q—使用工况点的流量（m3/s）
g—动力加速度（m/s2）
η—使用工况点泵的效率。
可求出运行在c点和d点泵的轴功率分别为：
Pc＝PgQ1H2/1000η;Pd＝PgQ1H1/1000η;
两者之差为ΔP＝Pc-Pd＝PgQ(H2-H1)/1000η
上式说明，用阀门控制流量时，有ΔP的功率被损耗浪费掉了。而且，随着阀门不断关小，这个损耗还要增加。
用变频调速控制时，当流量从Qmax减少到Q，由于阀门的开度没有变化，管网的阻力曲线不变，泵的特性曲线随转速由n0变化到n1。泵（风机）运行的工况点，则从b点移到d点，扬程从H0下降到H1，而用转速控制时，根据流量Q，扬程H，功率P和转速N之间的关系：
Q1/Q2＝n1/n2; H1/H2＝(n1/n2)2; P1/P2＝(n1/n2)3
可知：流量Q与转速N的一次方成正比；扬程H与与转速N成平方比；而功率P与转速N成立方比，若转速下降20%，则轴功率对应下降49%，由此可见，采用变频调速可以大幅降低电机的电耗，节省能源，降低企业成本。
高压变频器的选型：
高压变频器是价格不菲的传动控制设备。因此，我们在设备的选型上要慎之又慎。国际知名的电气公司诸如：ABB,西门子，富士都在生产6KV系列高压变频器，而且在国内企业均有成功应用的例子，但它们的产品一般都售价高昂，同时在技术支持及售后服务方面不及国内便捷。近年，国内企业生产的高压变频器，经不断完善，其技术与十分成熟。综合产品价格、售后服务、设备的可靠性诸方面因素，最终我们选用了国产变频器。国产高压变频器在工业控制领域已广泛应用的成熟，可靠技术，诸如移相整流技术，H桥单相逆变技术等，因而具有很高的可靠性。
变频器的基本原理与技术特点：
电源侧与逆变功率单元之间，设置了移相整流变压器，移相变压器边各绕阻之间互相错开一定的电角度，给逆变功率单元供电。
移相变压器的多重二次绕组对电网而言，类同多相负载，它即为逆变功率单元的电压叠加提供了条件，又解决了电源网侧的谐波问题。对高压变频器而言，每相有6个不同的相位组，形成了36脉冲的二极管整流电路。因此，它的基波电流值高，理论上讲35次以下的谐波可以消除电流的畸变率THPi＜190.
高压变频器采用载波移相技术，各功率单元在主控CPU发生的控制电平下，依次导通关断。各功率单元输出的1，0，-1电平叠加后，形成了频率电压可调的多重化阶梯形，得到了几近完美的正弦波形。逆变功率单元由整流电路，电解电容滤波电路，H桥逆变路构成。
各功率单元的输入电压为590V，功率模块为低饱合压降，耐压为1700V的IGBT，功率单元与控CPU板之间监控电平由光纤传递，使布线的杂散电感减至最少，杜绝噪声损耗。
因为每相的逆变功率单元按一定的相位差串联，其输出的电压波形是多段阶梯波，且等效的开关频率很高。因此，它没有通用变频器6脉波逆变电路产生的6K±1的高次谐波产生的转矩脉动问题，避免了谐波电流引起的电机发热，杜绝了共模电压与dv/dt应力对电机与电缆的损害。因此，系统不需要再配置电抗器，滤波器。
实际使用情况：
系统采用2台水泵驱动电机共用一台高压变频器的形式，高压变频器分别控制2台水泵驱动电机的启动与调速及工频/变频的切换。主回路如图-4所示。
高压电机铭牌标定参数
额定电压：UN＝6KV；额定电压IN＝27A；额定转速NN＝1475r/min；额定功率PN＝220KW
电机启动平稳，消除了刺耳的启动噪音。
原高压电机工频启动时，由于起动时间短，起动冲击电流大（IN5~7倍），电机与水泵振动较大，会产生刺耳的噪音。使用高压变频器后，这些现象彻底消除。使用变频器后，电机启动时，电机的转速在高压变频器设定的范围内，从零开如平缓上升，电机电流亦随之平稳变化，电流表的指针平稳偏转，杜绝了工频启动时对电网的冲击。
电机启动时，水泵出口侧阀门关闭，变频器输出超始频率为2Hz，电机相电流为0.6A，1分钟以后，输出频率为43Hz,电机的相电流为18A。未采用变频器时，每当用水量大，水压低时，值班人员要及时开大水泵出口侧阀门，加大出水量；而当用水量小，水压电时，值班操作人员要及时关小水泵出口侧阀门，减小出水量。采用变频器后，网管水压通过压力闭环控制系统自动控制，供水压力始终保持在0.45MPa的设定压力上。而且，泵的启停台数由PLC根据工况情况自动控制，使系统由人力控制的方式上升到自动化控制的台阶。
节省电能降低企业设备运行成本
原高压电机以工频电源驱动时，电机定速运行，只能靠水泵出口侧的阀门来调节供水流量，不仅浪费能源，而且会产生“水锤效应”和“憋泵”现象，使用高压变频器，不仅解决了这些问题，而且可以根据供水管网所需流量，自动调节电机转速，从而节省电能，减少企业供水产生成本。解决了“水锤效应”“憋泵”水压忽高忽低的问题，减少管网爆管，水的“跑、冒、滴、漏”，可见使用变频器也利于节水。
下表为30天时内，工频与变频时电机的对照表，该表说明使用了变频器后水泵的电耗降低了30%，以当地电价0.55元/KWH计算，每月可节省27000元左右。
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变频调速
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工频定速
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频率（Hz）
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变化
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50
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转速(r/min)
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变化
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1475
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电流(A)
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变化
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25A(窄幅变化)
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时间(H)
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30
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30
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电耗(KW/H)
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51200
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101304
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原高压电机未装置功率因数补偿电容，盘面上的功率因数表的读数在0.85的刻度上，使用高压变频器后，因高压逆变功率单元内均装置有大的电解电容，相当于在电网侧与机之间加入了一级容性隔离。使整个系数的效率大为提高。现在功率表的读数在0.95以上。可见，高压变频器不仅调频、调压、调速，软起动的功能，而且具有功率因数补偿的功能。
结束语
我们这次装置高压变频器一次调试成功，说明高压变频器具有很高的可靠性，高压变频器的成功运行，不仅为企业带来了节能效益，减少了设备维修，而且提高了供水系统的自动化水平。可以说高压变频调速为企业节能降耗，提高经济效益开掘了新途径
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