高压变频器技术在水厂水泵改造中的应用研究

高压变频器技术在水厂水泵改造中的应用研究

赵鲲鹏

大庆油田水务环保公司 黑龙江 大庆163000

摘要：使用高压变频技术能优化水厂水泵的运行状况，随着近年来对供水要求的提升，很多水厂加快了对水泵开展变频改造的步伐。本文总结了高压变频器的发展状况，总结不同类型变频器的特点和选择原则，对某水厂的高压变频技术改造过程进行论述。通过研究，帮助水厂有效使用高压变频技术对水泵进行改造，提升水泵的运行性能，满足城市的供水需求。

关键词：高压变频器；水厂水泵；改造

水泵是水厂的重要设备，为了实现水泵的节能，使用变频技术对水泵进行改造是很多水厂技术升级的方向。并且，在社会不断发展，对水资源需求日益增加的背景下，更需要使用变频技术提升供水的效率和质量。通过使用变频调节能够控制送水泵机组管网压力，在负荷比较低的情况下能够降低运行频率，减少能源浪费，提升机组的经济效益和社会效益。所以，水厂需要加强对高压变频技术的应用，加强对水泵的改造，满足水厂对周边的供水需求。

1高压变频器技术发展状况

供电系统电压等级大于10KV称为高电压，小于1kV-10kV称之为中电压。目前水厂常用10kV和6kV两种电机，结合水厂的习惯，一般将1kV以上的电压变频器称为高压变频器。目前高压变频器得益于集成门极换流晶闸管、栅控晶体管等半导体元件的快速发展，工作期间能够产生的谐波得到了有效控制，而且变频器的集成度明显提升，因此变频器体积有所降低，拥有更高的工作效率[1]。水厂的高压异步交流电机拖动水泵，使用高压变频调速可以获得最好的效果。目前，常用的高压变频器为以下两种。

1.1电流型高压变频器

该变频器串联了栅控晶体管电流源型高压变频器，解决了逆变电路的耐压问题，变频器的直流部分使用电抗器储存能量。但是这种变频器的发热比较严重，一般和专用电机配套才能获得比较好的运行效果。电流型高压变频器的运行效率比电压型高压变频器低，但是比较适合应用在快速制动情况，具有回馈能量的特点。该变频器的成本比较高，因此采用电流型高压变频器的公司比较少。

1.2电压源型高压变频器

电压源型高压变频器目前被厂家普遍使用，包括串联多电平型和使用绝缘栅双极型晶体管、集成门极限换流晶体管的三电平电压源型变频器。其中串联多电平型采用了模块化结构，通过在输入侧使用多电平PWM，以及使用移相技术控制谐波，能实现对谐波污染的控制[2]。这类变频器对所使用的电机没有特殊要求，整体体积较小，在某个单元发生故障后可以快速更换，所以在维修时比较方便。通过调节串联单元的数量，能够实现对输出电压的调节，而且在成本上也具有比较明显的优势。

2水厂水泵改造时高压变频器选择方法

2.1分析厂家和产品特点

结合前文分析，不同厂家、型号的变频器所具有的产品特点不同，所具有的性能不同。在选择变频器时，需要分析不同厂家变频器的特点，变频器的运行方式，水厂水泵电机的运行特点，日常供水管理需求，保证变频器和水厂的实际情况、控制需求相配套，提升变频器的运行效果。比如需要分析变频器的结构主电路、元器件特点，分析产品谐波特点、功率单元个数等因素。确保水厂水泵经过改造之后可以稳定运行，避免出现突然停机的情况，确保对周边供水的稳定性。

2.2优先选择电压源型变频器

电流源型变频器有可回馈能量的优势，但是这类变频器的功率比较低，在运行过程中电抗器具有比较高的发热量，所以需要确保变频器和电机之间的配合。而且，变频器的成本也是需要考虑的因素，电压源型变频器的成本相对更低，可以满足水厂的运行需求。电流源型变频器的快速制动性能在水厂中并不常用，所以在水厂水泵的应用中不具备优势[3]。

3某水厂水泵变频改造

3.1工程背景

某水厂主要负责城市生活供水，日供水量为17.1万t，夏日高峰期日供水量为19.2万t，使用5台水泵进行供水。该水厂的2#和3#水泵采用6kV供电，在运行时直接启动，不仅会冲击电网，也会对水泵造成破坏。开停泵需要使用地下机泵辅助，需要较长的时间，会消耗大量电能，并且影响工作效率。由于缺少调节，导致水泵长期处于全速运行状态，会产生比较严重的损耗。

3.2变频改造方案

3.2.1变频改造计划

经过对水泵运行状况的研究，认为对2#和3#水泵使用高压变频器能够提升水泵的运行效率，保证运行过程中的稳定性，并且达到节约电能的目的。为了合理选择高压变频器，需要列出高压变频器品牌、型号清单，优先选择具有更强通风性能的高压变频器。结合现场情况，确定变频器的安装位置，并根据需求对现场进行改造，设置管道和线路。变频器安装之前，需要设置好安装模块、不同单元、相关电气设备，以及下载相关控制软件。安装结束后进行调试工作，对整个系统进行调试，调试结束后继续安装排风管道。完成上述工作后，将水泵应用到生产中，开始试运行。

3.2.2变频器控制方式

目前针对变频器的控制方式包括远程控制和就地控制两种，远程控制能够在远程对变频器的运行参数进行调节，控制变频器的运行状态，调节水泵的运行方式。在本工程中，设置就地控制和远程控制两套系统，可以使用转换开关对控制模式进行转换，满足不同的控制需求，也增加了控制系统的冗余度，可以提升变频器运行的稳定性。

根据就地控制的需求，安装具有控制功能的触摸屏，通过程序能够实现对变频器的频率设定、复位、启停等操作。针对变频器的运行数据、结构特点，进行了可视化设计，能够让管理人员比较直观地了解变频器、水泵的运行数据、运行状况等信息。变频器出现故障后，能够通过屏幕发出警报。

远程控制方式采用在后台电脑上控制变频器启停、调节运行参数的运行方法，通过专门的软件，能够设定变频器的频率，以及实现变频器复位。而且在远程还能查看电流、电压等不同方面的状态信息，方便管理人员开展管理和控制工作。

3.3水泵启动流程

水泵启动时，系统会进行自检，确定系统无故障后执行合闸命令；操作人员启动6000V高压开关柜，合闸成功后变频器启动完毕；使用远程控制系统或者就地控制系统为变频器设定运行参数；系统开始运行，如果存在故障系统会自动停止，人员检查故障原因。

3.4改造效益分析

使用高压变频器进行改造后，2#和3#水泵的运行频率为40-49Hz，可以满足当地的供水需要。试运行时长为6个月，通过对试运行期间的运行数据进行分析，确定水泵更适合运行在42-48Hz，水泵的效率可以达到80%左右。改造前水泵的能耗为0.144kW·h/m3，经过改造之后，能耗控制在0.131kW·h/m3，改造效果比较明显，水厂的年用电成本下降了30万元。

经过改造后的水泵拥有更为稳定的性能，对过流、过压等故障都能进行有效保护。依靠高压变频器的控制，水泵具有更稳定的性能，能避免过去启停时对电网的冲击，也能保证水泵的寿命。水泵的调节功能在高压变频装置的支持下也具备更好的效果，可以确保系统运行的稳定性，而且通过远程控制装置就可以调节，降低了水泵日常管理的人力消耗。

结论：通过使用高压变频器进行水厂水泵的改造，能够获得比较强的节能效果，具备较高的经济效益，也能满足城市的供水需求。在改造后，也需要合理进行变频方式的控制，优化供水方式，调节水泵的转速，从而充分发挥变频调节的优势，提升水厂的综合效益。

参考文献：

[1]金聪.水厂高压变频器安全运营分析及探讨[J].供水技术,2023,17(04):37-39.

[2]冯亚军,孙倩雯,于广其等.高压变频器技术在水厂水泵改造中的应用[J].净水技术,2021,40(06):154-157.

[3]张建.高压变频器在自来水厂中的节能应用及效果分析[J].资源节约与环保,2016,(01):7-8.