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发表于：2008-08-25 16:52:00

楼主

1 引言
反冲洗系统的鼓风机和水泵类似，下面主要以风机为例介绍变频调速技术在水厂滤池反冲洗中的应用。
深圳市东湖水厂滤池反冲洗系统采用的是气水反冲洗技术，控制全过程采用了电脑自动控制。其反冲洗气源由三台c40-1.5-1型鼓风机提供，二用一备。
滤池面积有两种，大池面积为65.8m2，小池面积为44.8m2，需要反冲洗的气冲强度为14-16l/s.m2，因此，经常需要调节气体反冲强度。而鼓风机风量的调节则是通过人工手动调节进风阀的开度来实现，没有与电脑控制的滤池进出水阀及进气阀配套起来。该系统有如下明显的缺点：
（1）冲洗大池时，鼓风机开1台不够，开2台又太多，通常采用2台并用，进风阀开到阀门全程的1/3左右，就能满足风量的要求。鼓风机富余的功率被阀门消耗了。属于“大马拉小车”的工况；
（2）电机为全压直接起动，起动电流很大，对电网有冲击；同时，反冲洗水泵也存在同样的问题。
针对该系统所存在的问题和缺陷，当时我们有两种选择。
一种方案是用电动蝶阀调节鼓风机进风量（水泵水量），用降压起动方式减小电动机起动电流对电网的冲击；
另一种方案是采用目前技术已很成熟的变频调速技术来调速。
前一方案是一种低效率的运行方案，电机的许多功率消耗在阀门上，并且控制较复杂，维修量大，还要增添降压起动设备。而变频调速可以在原来电路改动不大的情况下，达到调节电机转速，进而调节鼓风机流量（水泵水量）的目的，与plc控制系统联结形成完善的自动化控制系统，同时该方案能有效的降低能耗。通过对比我们选择了用变频器对鼓风机控制系统的改造。

2 变频调速的基本原理及变频调速的控制方案
变频调速是通过变频器把工频交流电变成频率、电压按比例可调的交流电作为异步电动机的电源。根据交流异步电动机输出转速公式n=60f(1-s)/p，在转差率不变时调节频率就可以调节电动机的转速。又根据交流电动机转矩公式：
u∝e1=c1f1ф，则ф∝e1/f1=u1/f1
要满足电动机的输出转矩不变，就要维持u1/f1为一定值。
选用变频调速的基本控制方案主要有两种，如图1所示。

图1 两种变频调速的基本控制方案

开环控制只要人工调节变频器的给定速度键，既可改变电机的转速，以达到改变风量的目的。闭环控制通过检测变送器，将检测到的实际流量、压力变换成4-20ma电信号，传送到plc，再反馈给pid调节器。调节器将流量的设定值与此反馈值比较，对两者差值进行pid运算，将其结果输出给变频器，去控制电机的转速。这样，鼓风机的鼓风量总能围绕设定值变化，无需人工调节阀门。

3 变频器选型与调试
3.1 选型
鼓风机配置的电动机为y250m-2，容量为55kw、频率50hz、额定电压380v、额定电流102.4a、转速2970r/min。选用了二台日立j300-450变频器。
（1）该变频器主要技术参数
可变转矩负载能力为55kw、负载电流为108a、输入电压380～415v、3相、频率50hz、最大输出为380～460v，频率可调范围0～400hz。
（2）该变频器的技术特点
● 用微电脑控制的spwm脉宽调制igbt智能模块，可靠性高。具有独特的无速度传感器矢量控制，在1hz时即有150%以上的高起动转矩；
● 配装rs-485接口，可与plc、计算机联结，构成计算机监控，群控系统。配装pid控制板，能方便地构成流量与压力闭环控制系统；
● 自动节能功能，装备了自动转矩提升，自动节能和矢量控制。
3.2 调试
在调试过程中，笔者以滤池反冲洗工艺对气冲强度的要求为依据制定了调试方案，其具体的步骤如下：
(1）按说明书的要求不带电机对变频器检查，各项功能和数据进行设置和更改；
(2）带上电动机进行带负载调试。先把鼓风机起动，运行到正常转速，然后逐步把进风阀门打开。同时用变频器把电机的转速逐步从额定转速往下降，直到进风阀全打开，而电动机又不过电流；
（3）缓慢减小电动机输入电压的频率，观察风量、压力、电流的变化，调到达到工艺要求的数据标准为止。反复进行多次，确定调速的频率范围。
通过调试，确定了频率调整范围在41hz～43hz之间较为合适，这时的工况点较为接近所需的气冲强度流量，反冲的效果也较好。

4 改造的效果分析
在变频调速装置运行前后，针对鼓风机在相同负载下的运行情况，做了一些对比性的测试工作。以13号滤池为例（见表1）。
变频调速改造后的效益分析：
（1）节电：每天冲池两次，10分钟/池×2次，24个池
w=(55-43.3)×1/6×2×24=93.6(kw·h)
全年节电（365天计算）
我厂电费每度电按0.85元计，则两台变频器
0.85元/kw·h×365×93.6kw·h×2=58079（元）
节电率

表1 对比性的测试结果

（2）能保持鼓风机的流量稳定在反冲洗强度要求的一定范围内，滤池反冲洗时的跑砂率减少，形成的气泡均匀，冲池的效果提高。经2年多使用测算，每天节约反冲洗用水180m3左右，按购入原水0.68元/m3计算，每天节约122元。每年节约44676元。
（3）使用变频调速后，鼓风机实现了软起动，不会出现冲击电流，可延长电动机的寿命。同时与plc控制系统联结后，提高了自动化程度，反冲洗时气冲强度调节方便，减轻了工人的劳动强度，节约了电能和相关费用支出。

5 调试运行中应注意的问题
5.1 鼓风机出现“喘振”
在调试过程中就遇到了鼓风机出现“喘振”的问题。
所谓“喘振”就是当具有驼峰形h-q性能曲线的风机在曲线上k点以左工作时，即在不稳定区工作时，就往往会出现喘振现象。如图2所示，这种现象是最恶劣、最危险的工况，会对风机造成严重损坏。

图2 喘振现象示意图

“喘振”最明显的特征是进风口出现可怕的低沉的吼叫声，电动机电流大幅度地变化，出风口的压力和流量都大幅度地波动，其振动频率越高危害越大。产生“喘振”的原理：当外界需要的流量减少到q＜qk，这时，风机所产生的最大能头将小于管路中的阻耗，因为管路容量较大，在这一瞬间管路中的阻耗仍为hk，因此，管路中的阻耗大于风机所产生的能头，气体开始反方向倒流，由管路倒流入风机中（出现负流量），即工作点k点移向c点跳到d点。由于倒流使管路中的压力迅速下降，工作点很快由c点跳到d点，此时流量为零。由于风机在继续运行，所以当管路中压力降低到相应的d点压力时，风机又重新开始输出流量。由驼峰形性能曲线可知，为了和管路中的阻能相平衡，相应的工况点d又跳到到e点。只要外界所需的流量保持小于qk，上述过程重复出现，就形成“喘振”。
5.2 避免“喘振”的方法
出现上述情况的原因：一是变频调速使转速正好调在喘振区；二是由于滤池气冲进风阀因机械故障打不开，这时就会出现喘振。避免喘振的方法主要有：
（1）在风机选型时尽量避免采用具有驼峰形q-h性能曲线的风机，而采用q-h性能曲线平直向下倾斜的风机；
（2）把转速适当调高或调低，使性能曲线q-h上的临界点k向右上或左下方移动，从而缩小不稳定段，也就是要避开喘振频率段；
（3）滤池的进风阀与鼓风机之间一定要有可靠的联锁，当滤池进风阀打不开时，回风阀要自动打开排空，并及时修复阀门，保证风机机组的正常运行。
5.3 采用不同的测量仪表问题
测量变频器的输入电流要使用电磁式仪表。在调试过程中，发现采用不同的测量仪表，测出的电流数据有很大的差别,见表2。

表2 不同测量仪表的电流数据

经过认真分析，认为其主要原因是：对于电压型pwm变频器，主电路采用三相全波二极管整流电路和电容平滑电路，其输入电流为脉冲电流而不是正弦波电流，如图3（a）。对于pam变频器，整流电路为晶闸管三相全控整流电路，其输入电流波形与控制角有关，也不是正弦波，如图3（b）。所以，测量仪表应选择在非正弦波下能反映其有效值的仪表，如电磁式或电动式电流表。通常电磁式电流表的频率响应范围在1khz以下，而电动式电流表频率响应范围在10khz左右，比前者高出一个数量级。由于电磁式电流表结构简单，价格便宜，同时它对50hz基波的17次以下谐波都能响应，所以用它来测量变频器的输入电流波形，从测量精度来讲已能满足工程的测量要求。电磁式电流表可选择型号有t19-a，t24-a，t51-a等，电动式电流表有d26-a等。钳形表可用mg20、mg21（可测非正弦波的有效值）。

图3 采用不同的测量仪表的原因分析

另外，变频器输入电流三相之间略有不平衡，在输出电压低，负载电流小时更甚，这是由于开环电压型逆变器固有的不稳定性所造成的。在额定工频情况下，输出频率与电网频率一致产生拍频，也会造成输出三相电流不平衡，所以测量时应取三相的平均值。

6 对于水泵进行的变频技术改造，可得到同样的效果
对于反冲洗系统中的水泵，也存在冲洗不同面积的大小滤池，水量与冲洗要求不匹配的情况。在变频调速装置运行前后，针对水泵在相同负载下的运行情况，做了一些对比性的测试工作。改造前运行功率为37kw，改造后为31kw。
变频调速改造后的效益分析：
节电：开两台水泵，每天冲池两次，10分钟/池×2次，24个池
w=(37-31)×2×1/6×2×24=96(kw·h)
全年节电（365天计算）
0.85元/kw·h×365×96kw·h =29784（元）
在风机、水泵现地控制层采用plc控制，并采用区域上位机监控的方式达到自动控制运行。

7 结束语
变频调速在鼓风机、水泵运行中工作可靠性高，在满足了工艺要求的情况下，达到了节电的目的，电动机启动时对电网无冲击，减少了阀门的损耗，工人的劳动强度得到改善，经济效益明显，实践证明改造是切实可行的。在全面的技术经济分析论证的基础上，选择经济合理的改造方案，无疑是企业节能挖潜、增创效益的一条有效途径，具有推广应用意义。

作者：戴立平