引言
中鋁廣西分公司供水車間擔任著中鋁廣西分公司廠區及生活區的供水任務，設計供水量為1400m3/h。其送水泵房共有4臺水泵機組，均為6kV/355kW，采用工頻運行方式。但由于絕大部分時間的實際需求輸水總量為1100m3/h，所以只能依靠調節出口閥開度及頻繁開停泵來調節流量，以保證生產廠的處理平衡的需求。這不但操作麻煩、難以控制，而且能源浪費大。為了資源的合理利用和能源的節約，保證輸水管網的安全可靠運行，廠方經過經濟及技術評估，決定選用深圳市庫馬克新技術股份有限公司公司制造的ES9000-0450-06K高壓變頻調速裝置對送水泵房的2臺水泵機組進行變頻改造，并于2010年9月投入使用。實踐證明，將近2個多月時間的運用高壓變頻調速裝置，加壓水泵明顯降低了能耗，提高了工作效率。
一、 變頻器節能的理論依據
中鋁廣西分公司廠區和生活區的用水量是不均勻的，這是由于氣候和人們生活以及生產規律所決定的，由于流量的變化從而影響到管網水頭損失的變化。水泵站的裝機是按最不利條件下、最大時流量和所需相應揚程決定的。而實際上每天內只有很短時間能達到最大時流量，大多數時間里，水泵站都處在小流量下工作。為了適應流量的變化，先前泵站在運行中多采取關小出口閘門的辦法來控制流量，從而造成出口閘門前后的壓力差值(少則多米，多則幾十米)就白白地浪費于閘門阻力上。當水泵臺數足夠多時，是可以很好地適應水量變化的，但是水泵型號是有限的。裝機臺數過多，不僅管理不便，而且會無謂地增大建筑面積，提高工程造價，即使這樣，也無法做到完全適應水量變化，還需要用閘門來調節水量。為此，采用水泵機組高壓變頻調速技術，可連續地改變水泵轉數，來變更水泵工況，使其流量與揚程適應于管網用水量的變化，從而提高機組效率，維持管網壓力恒定，達到節能的效果。我們從水泵調節原理得知，當水泵拖動電機工頻運行時，出力為額定值，轉速及功率亦為額定值；當采用變頻調速時，可以按需要升降電機轉速，改變水泵的性能曲線，使水泵的額定參數滿足工藝要求。根據水泵的相似定律，變速前后流量、揚程、功率與轉速之間的關系為：
ES9000系列高壓變頻器采用的是單元串聯多電平技術方案。其以低壓IGBT為功率器件，通過逆變橋的串聯形成高壓。使用單元串聯多電平的拓撲結構，可以直接使用成熟的低壓變頻器技術方案，具有對電網諧波污染小，輸出波形多電平，正弦度高，適配普通國產異步電機的優點。該類型產品，輸出電壓可以直接到6kV或10kV，輸出不需要加裝升壓變壓器及濾波電抗器，結構簡單。
根據實際情況，確定采用一拖二的方案：選擇1、2號泵為可調速水泵，正常運行時其中任一臺運行于調速狀態，而另一臺泵作為備用。兩臺泵運行狀態的切換采用手動方式，并要求兩臺泵不能同時投入變頻狀態，對此要求，在設計切換柜時特別設計了機械聯鎖裝置。開環或閉環自動恒壓供水。
系統單線圖如圖1所示：
四、 恒壓供水系統原理及PID調整
PID閉環控制的工作原理如圖2所示，測量元件為壓力傳感器，將它設在水泵機組出水口，Vi為恒定供水壓力設定值，供水壓力V作為輸出量，構成閉環控制系統。變頻器內部的PLC采集供水壓力值V與用戶給定值Vi進行比較和運算，通過PID進行調整，將結果轉換為頻率調節信號送至變頻器，直至達到供水壓力的給定值Vi。不管系統供水流量如何變化，供水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。
1、在PID控制中，比例增益P加大，會使系統的動作靈敏，速度加快，P偏大，振蕩次數加多，調節時間加長。當P太大時，系統會趨于不穩定。若P太小，又會使系統的動作緩慢；
2、積分I的作用主要是消除系統的靜態誤差。但過強的積分作用使供水系統超調加大。所以在調節過程初期，應減弱積分作用，防止產生積分飽和現象；而到過程后期，應適當增強積分作用，以提高控制精度。
3、微分D的作用主要是改善供水系統的動態性能。增大微分時間，有利于加快系統響應，使系統超調量減小，穩定性增加，但抑制外擾能力下降。所以微分時間常數應該在供水系統控制要求的前提下而隨機改變。即在調節過程初期，應加大微分的作用，以減小超調；在調節過程中、后期，應不斷減小微分時間，以增強系統的抗干擾能力，同時還可以縮短調節時間。
泵站變頻器在運行初期，供水系統采用恒壓閉環控制，運行中發現運行頻率曲線呈鋸齒波，上下波動幅度較大，因此對PID系數進行調整。通過幾次逐步調整，現運行曲線較為平緩，波動幅度相當小。變頻器根據偏差相應調節PID的參數，當運行參數遠離目標參數時，調節幅度加快，隨著偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小，近似相等時，系統達到一個動態平衡，維持供水系統的恒壓穩定狀態。
五、應用高壓變頻調速系統的節能效果
進行變頻改造前電機的平均工作電流為43A，改造后平均為34A。
改造前電機的平均有功功率：
P1＝ UIcosφ＝ ×6×43×0.8＝357.5kW
改造后為：
P2＝ UIcosφ＝ ×6×32×0.9＝299.3kW
節約的有功功率：△P＝P1－P2＝58.2 kW
根據工業用電價格為0.50元/kW•h，變頻器一年內的運行工作日為300天，則一年可節約電費：0.50×300×24×58.2＝20.95萬元，通過3年的運行，可基本回收投資。
六、應用高壓變頻調速系統生產的其他效果
1、改善了工藝。在實際生產操作過程中，泵的參數（尤其是流量）需時常調整，不僅需要調節參數，而且備用設備需時常切換。根據工藝的變動，工藝參數又主要通過調節出口閥來控制，人工關小或開大閥門不僅費事，速度慢，也縮短閥門的壽命（填料及閥桿的磨損）采用變頻調速就不用調節出口閥，只需要控制室內調節電機的轉速即可。變頻啟動轉速可以從零開始逐漸升高，因此帶負荷直接啟動不會有較大的啟動電流，避免了通常泵組首先關閉出口閥后再啟動的要求（無載啟動是為了降低啟動電流，保護電機）。
2、維護量減少。采用變頻調速后，可能避免因通過閥門控制使泵過多偏離額定工作區而引起的振動，嚴重時會引起懸臂泵軸頭斷裂。通常情況下，變頻調速系統的應用主要是為了降低泵的轉速。由于啟動緩慢及轉速的降低，相應地延長了許多零部件，特別是密封、軸承的壽命。
3、工作強度降低。由于調速系統在運轉設備與備用設備間實現計算機聯鎖控制，機組實現自動運行和相應的保護及故障報警，操作工作由動手轉變為監控，完全實現生產的無人操作，大大降低了勞動強度，提高了生產效率，為優化運營提供了可靠保證。
4、減少了對電網的沖擊。采用變頻調節后，系統實現軟啟動，電機啟動電流只是額定電流，啟動時間相應延長，對電網無大的沖擊，減輕了啟動機械轉矩對電機機械損傷，有效的延長了電機的使用壽命。
