陈方帅1 刘振宇2
（1.广州市水务规划勘测设计研究院 广东广州 510640；
2.鞍山供电公司 辽宁鞍山 114000）
摘要：本文针对变频驱动电机在污水处理使用方面的一些浅显的看法，分析在节能降损、控制污水流量、经济运行、延长设备寿命等方面的作用。
关键词：变频器；节能；应用；经济效益
在社会快速发展的现代化、工业化进程中，城市内河道污染问题日趋严重，甚至部分河道出现黑臭现象。近几年，为响应国家环保号召，我国新建并运行的污水处理设备越来越多，目前城市污水特点是水流连续，但流量的变化幅度较大，在运行过程中存在电力能源消耗和损失的问题。因此在能保障污水处理量和尾水达标排放的前提下，通过变频器的应用，在节能降损，降低运行成本等方面作用显著。本文在此背景下，对变频器在污水处理设备中的应用进行探讨。
1 变频器的工作原理以及应用意义
1.1变频器的工作原理
变频器的工作原理是通过控制电路来控制主电路，主电路中的整流器将交流电转变为直流电，直流中间电路将直流电进行平滑滤波，逆变器最后将直流电再转换为所需频率和电压的交流电。变频器可以将工频电源转换成任意频率、任意电压交流电源的一种电气设备，变频器的使用主要是调整电机的功率、实现电机的变速运行。
1.2变频器的应用意义
变频器的节能效用在风机、水泵中的应用表现得最为明显。实际上，为确保生产活动的可靠性，各类生产机械在设计之初对于配用动力驱动的考虑时，都会预留一定的富余量，另外在污水处理实际运行过程中，污水流量往往具有不确定性、非线性和滞后性等，目前采用软启动或直接启动保护控制一方面造成能源的严重浪费，另一方面，频繁启动泵机，缩短了设备使用寿命，而且维修和检修费用高昂。若采用变频调速器驱动电机可以有效解决上述问题。不但可节省能耗，减少污染，还带来很好的经济效益和社会效益。
1.3变频器节能效果分析
风机和水泵都是流体机械，流体机械的转速与流量、压力和功率之间的变化有如下的关系：Q1=Q2×（n1/n2）；H1=H2×（n1/n2）2；P1=P2×（n1/n2）3。Q1、H1、P1分别表示转速n1时的流量、压力、功率。Q2、H2、P2分别表示转速n2时的流量、压力、功率。即流量与转速的一次方成正比；压力与转速的平方成正比；功率与转速的三次方成正比。通过上面公式分析，假设水泵的效率不变，当所需用流量下降调节时，其转速n也应成比例下降，此时电机的输出功率P则会成立方关系下降，因此当流量Q要求减少时，可按照比例利用变频器对其转速n进行降速调节。此时，电动机功率P则会大幅降低，从而有效节省电能投入成本。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆电机在不同频率下运行的节电效果例举如下：
1）额定频率的90%情况下的节电率：1-（90%）3=27.1%；
2）额定频率的85%情况下的节电率：1-（85%）3=38.6%；
3）额定频率的80%情况下的节电率：1-（80%）3=48.8%；
4）额定频率的75%情况下的节电率：1-（75%）3=57.8%；
5）额定频率的70%情况下的节电率：1-（70%）3=65.7%；
如果电机长期运行在额定频率的70%以下，并且没有远期负荷增加趋势，笔者建议更换电机拖动系统，就长远意义来看，经济上更合算。
2 变频器的控制工作原理
每台水泵都有最有效水泵特征曲线。设计人员根据实际扬程同流量的关系在水泵曲线中选择最佳工况点。但实际上的大多数污水泵站，由于生活污水具有时间性，水量波动很大，白天早、中、晚排水量最大，夜间排水量很小，因而污水泵站中收集的水量常常不稳定，但是为了保证电机不频繁启动、停止，则要根据实际进水量调节提升的排水量。
以污水处理项目中的一台55kW提升水泵电机被控对象为例，考虑到提升水泵电机在原工频和变频两种情况下都能启动运行，整个变频器控制系统分为手动/自动两种控制方式，手动方式由变频器直接控制启动，自动方式由PLC控制变频器来实现水泵的转速控制。使用超声波液位计测量水池的水位，并将液位计检测到的信号变换成4～20mA模拟量信号，传到到变频器。当污水处理厂进水量增大时，集水池水位液面则相应的上升，集水池液位计动态测量水池液位变化，将测量结果以4~20mA电流信号形式传送给变频器，使变频器输出频率相应地增大，提升水泵电机转速上升，提升水量也相应地加大，从而保持了集水池液位的相对稳定。反之，则变频器输出频率降低，以确保提升水泵低速运行，保持集水池水位不再上升。
3 变频器调速应用的其他优点及注意问题
3.1 变频器调速的其它优点
（1）减少噪音，对风机来说降低转速的同时，噪音大幅度降低。由风机噪声抑制公式：（dB）551og（速度1/速度2）计算得，速度从100％降到50％的噪声降低量为：55×1og（1 500/750）=55×0.30=16.5 dB，噪音电平降低了16.5 dB，实际降噪效果显而易见。
（2）消除了电机起动时对电网冲击。感应交流电动机的启动电流可以达到满载电流的7 倍多，即便是采用Y-△起动或软起动也会达到2.5~3.5倍。加大相应供电设备的供电容量。而使用了变频器后，它没有了启动冲击，起动电流由零开始随着负荷增加而逐步上升，不管什么时候它都不会超过满载电流，而且起动时间还可为设置，平稳地达到预设速度。
（3）功率因数高。使用变频器设备，电机功率因数可接近1，减少无功补偿装置。
3.2 变频器在设计中的几点注意事项
虽然变频器在使用中存在诸多优点，但是变频器产生的谐波干扰同时会影响电网的电能质量和一些其他的问题。在设计过程中要充分考虑减弱或消除变频器所产生谐波及谐波干扰，有以下几点建议供参考。
（1）选用某型号变频器，采用多脉波整流且内置电抗器。同时，我们还选择其可选滤波器附件，最大限度减少谐波的产生。
（2）用调谐电抗电容器，做功率因数补偿，吸收电网中一部分低次谐波。
（3）变频器出线采用屏蔽电缆，减少变频器谐波产生的电磁辐射。
（4）控制线路与动力线分开配线，控制线路也采用屏蔽线。同时，使得屏蔽线的屏蔽层一端接地。
经过上述技术措施，可以有效地抑制了谐波，也减少了变频器谐波对控制线的干扰。
4 结语
由以上分析可知，结合在城市的污水泵站全天流量变化较大的特点，使用变频调速技术可以大幅度提高用电效率，节约能源，具有十分可观的经济效益。实践证明，变频器用于风机、泵类等设备驱动场合控制取得了显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且因此而大大减少了设备维护、维修费用，还缩短了停产周期，直接和间接经济效益十分明显。
参考文献：
[1]邢卫东.变频器设备在污水处理厂电气改造中的应用[J].无线互联科技，2017（21）：134-135.
[2]魏世化.变频器在污水处理系统中的应用[J].变频器世界，2005（04）：119-120+135.
论文作者:陈方帅1,刘振宇2
论文发表刊物:《河南电力》2018年19期
论文发表时间:2019/4/11
标签：变频器论文; 转速论文; 电机论文; 水泵论文; 谐波论文; 污水处理论文; 频率论文; 《河南电力》2018年19期论文;