襄陽源創(chuàng)電氣小王告訴我們: 一、變頻器
1、大功率變頻器
在城市供水中，大功率變頻器主要應(yīng)用在水泵上，由于水泵流量隨著外界用水情況不斷變化，揚(yáng)程也因流量和吸水井水位的變化而變化，因此設(shè)備不可能總保持在一個(gè)高效工作點(diǎn)運(yùn)行，需要進(jìn)行控制。為使水泵能夠運(yùn)行在其特性曲線的高效區(qū)，過去多采用閥門控制與臺(tái)數(shù)控制，效果不能令人滿意。為滿足工藝要求和適應(yīng)運(yùn)行工況的改變，需要水泵調(diào)速使機(jī)組盡可能始終運(yùn)行在高效區(qū)內(nèi)，以達(dá)到節(jié)約電能的目的。下面是幾種常見的大功率變頻器。
1.1大功率交—直—交電壓型、電流型變頻器
此類變頻器采用幾個(gè)功率單元多重化并聯(lián)而成，達(dá)到低諧波、大電流的輸出目的。若中間耦合電路電容較大，使逆變輸入端直流電壓保持恒定，不受負(fù)載變化的影響，則逆變器的輸入端可以看成是一個(gè)電壓源，這就是電壓變頻器。若中間耦合電路電感較大，則逆變器輸入端就可以看成是一個(gè)電流源，這就是電流型變頻器。
1.2完美無諧波變頻器
該變頻器由多個(gè)功率單元串聯(lián)而成，由低壓?jiǎn)卧B加達(dá)到高壓輸出的目的，各個(gè)功率單元由輸入隔離變壓器的二次隔離線圈分別供電，二次線圈互相存在一個(gè)相位差，實(shí)現(xiàn)輸入多重化，疊加得到多種不同的電壓等級(jí)，合成正弦輸出電壓波形，由此可以消除各單元產(chǎn)生的諧波。每個(gè)功率單元都是由IGBT構(gòu)成三相輸入、單相輸出的PWM型變頻器，根據(jù)電機(jī)的電壓等級(jí)確定每相串聯(lián)功率單元的數(shù)量。
實(shí)踐證明，應(yīng)用大功率變頻調(diào)速節(jié)能效果非常顯著。交—直—交電壓型、電流型變頻器多用于新建水廠，采用高—低形式，直接選用中、低壓電機(jī);而完美無諧波變頻器更適合于改造項(xiàng)目，無須更換原有的高壓電機(jī)或另加升壓變壓器。在采用大功率變頻器時(shí)，首先要考慮采用調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能潛力，其次要考慮到諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，選擇合適的容量與臺(tái)數(shù)。
2、中小功率變頻器
中小功率變頻器大多采用了高密度集成電路和高效率冷卻技術(shù)，體積小，安裝容易，維護(hù)方便，操作簡(jiǎn)單。變頻器提供了豐富的頻率控制端子，以便用戶根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的控制方式。通常變頻器都設(shè)有0～10V或4～20mA的頻率控制端子以及數(shù)字通訊接口。變頻器的閉環(huán)頻率控制系統(tǒng)主要包括被控對(duì)象、測(cè)量元件、變送器、調(diào)節(jié)器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。調(diào)速電機(jī)所傳動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械控制對(duì)象有溫度、位置、壓力和流量等，變頻器和電機(jī)構(gòu)成的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是閉環(huán)系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，變頻器接受調(diào)節(jié)器所輸出的信號(hào)，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，維持被控量的設(shè)定值。
中小功率變頻器在自來水的輸送及小區(qū)二次加壓泵供水的應(yīng)用十分廣泛。自來水的輸送泵及加壓泵，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)均為閥門調(diào)整流量。其主要缺點(diǎn)為：電機(jī)起動(dòng)電流大，用電效率低，水錘問題嚴(yán)重，易造成管路破裂、漏水等問題。應(yīng)用變頻器有如下優(yōu)點(diǎn)：
1)恒壓供水技術(shù)因采用變頻器改變電動(dòng)機(jī)電源頻率，而達(dá)到調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速改變水泵出口壓力，比靠調(diào)節(jié)閥門的控制水泵出口壓力的方式，具有降低管道阻力大大減少截流損失的效能。
2)由于變量泵工作在變頻工況，在其出口流量小于額定流量時(shí)，泵轉(zhuǎn)速降低，減少了軸承的磨損和發(fā)熱，延長(zhǎng)泵和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械使用壽命。
3)因?qū)崿F(xiàn)恒壓自動(dòng)控制，不需要操作人員頻繁操作，降低了人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了人力。
4)水泵電動(dòng)機(jī)采用軟啟動(dòng)方式，按設(shè)定的加速時(shí)間加速，沒有起動(dòng)沖擊電流，避免電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流沖擊，對(duì)電網(wǎng)電壓造成波動(dòng)的影響，同時(shí)也避免了電動(dòng)機(jī)突然加速造成泵系統(tǒng)的喘振。
5)具有軟起動(dòng)及軟停車功能，可以防止水錘現(xiàn)象發(fā)生。
6)由于變量泵工作在變頻工作狀態(tài)，在其運(yùn)行過程中其轉(zhuǎn)速是由外供水量決定的，故系統(tǒng)在運(yùn)行過程中可節(jié)約可觀的電能，其經(jīng)濟(jì)效益是十分明顯的。由于其節(jié)電效果明顯，所以系統(tǒng)具有收回投資快，而長(zhǎng)期受益，其產(chǎn)生的社會(huì)效益也是非常巨大。
恒壓供水調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵電機(jī)無級(jí)調(diào)速，依據(jù)用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在用水量發(fā)生變化時(shí)保持水壓恒定以滿足用水要求，是當(dāng)今最先進(jìn)、合理的節(jié)能型供水系統(tǒng)。在實(shí)際應(yīng)用中，變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備以其節(jié)能、安全、高品質(zhì)的供水質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，在小區(qū)二次加壓泵站得到了廣泛的運(yùn)用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器的功能也越來越強(qiáng)。充分利用變頻器內(nèi)置的各種功能，對(duì)合理設(shè)計(jì)變頻調(diào)速恒壓供水設(shè)備，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量等方面有著非常重要的意義。
二、軟起動(dòng)器
軟起動(dòng)器是一種用來控制鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的新設(shè)備，集電機(jī)軟起動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新穎電機(jī)控制裝置，國(guó)外稱為SoftStarter。它的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)閘管及其電子控制電路。運(yùn)用不同的方法，控制三相反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，使被控電機(jī)的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。
降壓起動(dòng)目前有兩種方式，一種是降壓起動(dòng)，一種是軟起動(dòng)。他經(jīng)過了三個(gè)發(fā)展階段，一是“Y-△”起動(dòng)器和自藕降壓起動(dòng)器、電抗器起動(dòng)等，二是磁控式軟啟動(dòng)器，三是目前就較先進(jìn)、流行的電子軟啟動(dòng)器。電子軟啟動(dòng)器一般都是采用16位單片機(jī)進(jìn)行智能化控制，他既能保證電動(dòng)機(jī)在負(fù)載要求的起動(dòng)特性下平滑起動(dòng)，又能降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)直接計(jì)算機(jī)通訊控制，為自動(dòng)化智能控制打下良好的基礎(chǔ)。
籠型電機(jī)傳統(tǒng)的減壓起動(dòng)方式屬于有級(jí)減壓起動(dòng)，存在明顯缺點(diǎn)，即起動(dòng)過程中出現(xiàn)二次沖擊電流。軟起動(dòng)與傳統(tǒng)減壓起動(dòng)方式的不同之處是：
(1)無沖擊電流。軟起動(dòng)器在起動(dòng)電機(jī)時(shí)，通過逐漸增大晶閘管導(dǎo)通角，使電機(jī)起動(dòng)電流從零線性上升至設(shè)定值。
(2)恒流起動(dòng)。軟起動(dòng)器可以引入電流閉環(huán)控制，使電機(jī)在起動(dòng)過程中保持恒流，確保電機(jī)平穩(wěn)起動(dòng)。
(3)根據(jù)負(fù)載情況及電網(wǎng)繼電保護(hù)特性選擇，可自由地?zé)o級(jí)調(diào)整至最佳的起動(dòng)電流。
軟起動(dòng)器特別適用于各種泵類負(fù)載，需要軟起動(dòng)與軟停車的場(chǎng)合。電機(jī)停機(jī)時(shí)，傳統(tǒng)的控制方式都是通過瞬間停電完成的。但有許多應(yīng)用場(chǎng)合，不允許電機(jī)瞬間關(guān)機(jī)。例如：高層建筑、大樓及高揚(yáng)程高位水池的水泵系統(tǒng)，如果瞬間停機(jī)，會(huì)產(chǎn)生巨大的“水錘”效應(yīng)，使管道、閥門，甚至水泵遭到損壞。為減少和防止“水錘”效應(yīng)，需要電機(jī)逐漸停機(jī)，即軟停車，采用軟起動(dòng)器能滿足這一要求。在泵站中，應(yīng)用軟停車技術(shù)可避免泵站的閥門損壞，減少維修費(fèi)用和維修工作量。軟起動(dòng)器中的軟停車功能是，晶閘管在得到停機(jī)指令后，從全導(dǎo)通逐漸地減小導(dǎo)通角，經(jīng)過一定時(shí)間過渡到全關(guān)閉的過程。停車的時(shí)間根據(jù)實(shí)際需要可在0～120s調(diào)整。實(shí)際給排水電氣設(shè)計(jì)中，對(duì)凡不需要調(diào)速的水泵機(jī)組均采用了軟起動(dòng)器設(shè)計(jì)。如：昆明某監(jiān)獄高位水池加壓提升泵，提升泵兩臺(tái)2x160KW，揚(yáng)程130米，采用ABB軟起動(dòng)器進(jìn)行軟起動(dòng)、多功能水力控制閥及管道安全卸壓閥設(shè)計(jì)，剛開始試車時(shí)，由于軟起動(dòng)器停車的時(shí)間及多功能水力控制閥緩閉時(shí)間未調(diào)整好，造成了停機(jī)時(shí)高揚(yáng)程產(chǎn)生巨大的“水錘”效應(yīng)，使管道接頭部分出現(xiàn)損壞。經(jīng)對(duì)軟起動(dòng)、多功能水力控制閥進(jìn)行調(diào)整后，“水錘”效應(yīng)得到了很大的消除。
對(duì)于籠型異步電動(dòng)機(jī)凡不需要調(diào)速的各種應(yīng)用場(chǎng)合，軟起動(dòng)器都可得到運(yùn)用。目前的應(yīng)用范圍是交流380V(也可660V)，電機(jī)功率從幾千瓦到800kW。
軟起動(dòng)器能實(shí)現(xiàn)輕載節(jié)能。因籠型異步電機(jī)是感性負(fù)載，在運(yùn)行中，定子線圈繞組中的電流滯后于電壓。如電機(jī)工作電壓不變，處于輕載時(shí)，功率因數(shù)低，處于重載時(shí)，功率因數(shù)高。軟起動(dòng)器能實(shí)現(xiàn)在輕載時(shí)，通過降低電機(jī)端電壓，提高功率因數(shù)，減少電機(jī)的銅耗、鐵耗，達(dá)到輕載節(jié)能的目的;負(fù)載重時(shí)，則提高電機(jī)端電壓，確保電機(jī)正常運(yùn)行。同樣對(duì)于變負(fù)載工況、電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于輕載運(yùn)行，只有短時(shí)或瞬間處于重載場(chǎng)合，應(yīng)用軟起動(dòng)器(不帶旁路接觸器)則具有輕載節(jié)能的效果。
它們的造價(jià)比較是：“Y—△”起動(dòng)器須六根出線而且故障率太高，維修費(fèi)也高已不常采用，自藕方式每個(gè)千瓦80元左右，磁控的每千瓦150元左右，自藕和磁控的體積較大且故障率較高，維修費(fèi)較高，電子軟啟動(dòng)器每個(gè)千瓦在100元到200元之間，一般情況下，一臺(tái)開關(guān)柜能放多臺(tái)電子軟啟動(dòng)器，節(jié)省工程造價(jià)，且故障率較低，維修費(fèi)也低。所以，電子軟啟動(dòng)器應(yīng)是我們首選的目標(biāo)。
三、總結(jié)
軟起動(dòng)器和變頻器是兩種完全不同用途的產(chǎn)品。變頻器是用于需要調(diào)速的地方，其輸出不但改變電壓而且同時(shí)改變頻率;軟起動(dòng)器實(shí)際上是個(gè)調(diào)壓器，用于電機(jī)起動(dòng)時(shí)，輸出只改變電壓并沒有改變頻率。變頻器具備所有軟起動(dòng)器功能，但它的價(jià)格比軟起動(dòng)器貴得多，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜得多。軟啟動(dòng)器和變頻器特別適合于城市供水系統(tǒng)是基于以下三點(diǎn)：
首先，軟啟動(dòng)器和變頻器對(duì)提高供水系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)：在調(diào)壓式供水系統(tǒng)中，適當(dāng)分配軟啟動(dòng)器和變頻器的數(shù)量和功率，用軟啟動(dòng)器作為主要供水電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，用變頻器作為供水壓力的調(diào)節(jié)裝置。
其次，使用軟啟動(dòng)器和變頻器可使水泵按系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟停止，這些可以避免突然啟動(dòng)對(duì)管網(wǎng)和閥門及其它供水設(shè)備的沖擊，同樣也可避免水泵突然停止時(shí)的“水錘”效應(yīng)，減少了供水設(shè)備的疲勞損壞和檢修工作量，延長(zhǎng)了使用壽命。
第三，使用軟啟動(dòng)器和變頻器可節(jié)約投資和電能，降低自來水生產(chǎn)成本。節(jié)約電能降低生產(chǎn)成本是無人懷疑的，節(jié)約投資就不然了。實(shí)際的情況是：在電網(wǎng)上直接啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其容量不得大于電網(wǎng)容量的15—20%，選用軟啟動(dòng)器和變頻器后可把變壓器的容量下降至傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式時(shí)的40～50%。
節(jié)能有三個(gè)方面：一是軟啟動(dòng)器較傳統(tǒng)直接啟動(dòng)節(jié)約電能7～8%;二是變頻調(diào)速可取消檔板流量調(diào)節(jié)裝置或采用閥門開度調(diào)節(jié)流量的方法，直接實(shí)施供水流量調(diào)節(jié)，可節(jié)電40—50%;三是采用變頻調(diào)速，實(shí)施調(diào)節(jié)水壓供水方式較高位水塔維持水壓供水的方式節(jié)能20—30%，因?yàn)樵诤笳吖┧绞街校呶凰兴膭?shì)能在使用時(shí)被白白地浪費(fèi)了。
鑒于變頻器的商業(yè)價(jià)格通常為軟啟動(dòng)器的3—4倍，因此必須堅(jiān)持慎重選用變頻器，以期物盡其用，使其發(fā)揮最大的功效。
綜上所述，軟啟動(dòng)器和變頻器在城市供水中的應(yīng)用將帶來極大的優(yōu)越性和節(jié)約效果，其合理的使用也必將給我們帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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