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摘 要：本文以污水处理厂高压水泵系统为研究对象，研究了高压水泵系统的变频调速需求，对高压变频器的节能计算、调速策略调节策略进行了分析，并通过系统实际运行工况对高压变频调速控制进行了验证。
关键词：高压水泵；污水处理；高压变频器
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0242-02
引 言
随着“十三五”规划的提出，工业生产的复苏，能源与环境问题日益凸显，国家对污染的治理也在逐步加强，人们对节能环保的认知也在提高。社会生产生活过程中会产生大量的工业废水和生活污水，这些污染物质如果不经过处理，直接排入水系统，将使水系统遭受严重污染，导致水质恶化，环境遭到破坏。因此国家大量建设污水处理厂，并拟定了排放总量目标。
本文以郴州瑶岗仙矿业污水处理水泵系统为研究对象，通过对其进行系统改造，实现了高压水泵系统的变频调速功能，对高压变频器的节能计算、调速策略进行了分析，并通过系统实际运行工况对高压变频调速控制进行了验证。
1 变频系统改造
1.1 系统方案
郴州瑶岗仙矿业污水处理系统使用10kV/1250kW电机，配套流量1150m3/H扬程257m的水泵。改造之前的主电路采用晶闸管软启动进行软起（图1），通过电动阀门调节水流量；改造后的主电路采用高压变频器来驱动电机（图2），通过调节高压变频器的输出频率来调节水泵流量，同时将原软启动作为备用设备，借助变频器自带的手动刀闸回路可以在变频器故障时使用软启动起动电机。
1.2 节能计算
高压变频调速系统根据流量与转速的一次方成正比，扬程与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方成正比[1]；根据水泵的特性曲线（图3），水泵在50Hz运行、流量600m3/H时，可以查得对应的扬程是285m，水泵功率是800kW；变频改造后，泵的流量最小不小于600m3/H，扬程最低不低于210m。
根据以上数据进行变频改造后，变频的运行频率和水泵的功率计算：
= 2（1）
n2=n0 =50 =42.9Hz（2）
n=60 （3）
从式（3）电机的转速和频率的公式可以得出，电机转速和变频器输出频率成正比关系；从式（2）可以看出，变频运行时，输出频率为42.9Hz时，水泵的扬程能达到210m。
= 3（4）
P2=P0 3=0.632P0=0.632×800=505kW（5）
根据式（4）可以得出变频运行时，当水泵在流量600m3/H，扬程210m工况运行时，水泵的功率为505kW。
根据水泵特性效率曲线，水泵在流量600m3/H时的效率为0.57；电机的效率为0.9，据此可以得出电机的轴功率为P3=985kW，如式（6）所示：
P3=P2/η1/η2=505/0.57/0.9=985kW（6）
变频器的效率为0.96，故可以得出网侧的输入功率为P4=1026kW，如式（7）所示。
P4=P3/η3=985/0.96=1026kW（7）
根据改造前的运行参数记录，电机的运行电流为88A，电机功率为1362kW，据此可以算出节电率：
节电率=1- ×100%=24.7%（8）
2 变频控制方案
本文变频器采用单元级联型多电平电压源拓扑结构的高压变频器，主要由移相变压器部分、功率单元部分、控制系统部分等组成，无需滤波电抗器即可实现完美无谐波的输出电压[2]，如图4所示。
其中移相变压器部分主要作用是给每个功率单元供电，其二次繞组通过移相技术实现了输入电压的多重化，移相角度与每相的功率单元数量有关，当数量为n时，移相角度为θ=60°/n，可降低输入侧谐波[3]。
功率单元部分则由多个拓扑结构、电气性能完全一致的功率单元组成，每一相由相同数量的功率单元串联，可根据输出电压等级进行扩展。如图3所示，功率单元基本拓扑为交-直-交的三相整流、单相逆变电路。采用二极管将三相交流电压整流为脉动的直流电压，经电容滤波后得到稳定的直流电压，再由IGBT组成的单相逆变H桥进行PWM控制，得到等效的正弦单相交流输出。
控制系统负责整个系统的数据采集及电机控制算法的运算。通过人机界面获取指令信号，并实时采集变频器输入电压电流、输出电压电流等数据，进行控制算法的运算后输出PWM信号到功率单元，最终驱动电机的运转。
以本文中10kV高压变频器为例，每一相由8个功率单元串联而成，每个功率可单独输出电压0～750V，通过移相叠加之后每相输出电压0～6kV，对应线电压即为0～10kV。
变频器采用了矢量控制控制策略[4]，可以提高系统的控制性能，通过电机数学模型将定子电流分解为转矩电流分量和励磁电流分量，从而独立进行控制；对于电机转速基于转子磁链的模型参考自适应的速度辨识方法，以电机电压模型和电流模型分别为参考模型和可调模型，从而估计出电机转速，准确精度达0.5%；同时变频器具备参数辨识的功能，可以实现对电机定转子电阻、定转子漏感和互感等参数的辨识，无需电机厂家提供详细参数，控制框图如图6。
3 系统运行效果分析
项目初期其水泵工频运行，流量无法控制，平均每日启停12～14次，维护成本过高，停泵水锤最高峰值5.1MPa，极易导致管网爆裂。
通过变频改造后：
（1）可以根据水泵的静扬程设置最低转速，保证水泵有足够的转速，以满足其静扬程的出水要求；
（2）通过设置变频的启动、停止时间，可有效地延长水泵的启动、停机过程，以减小水泵在启动和制动过程中的动态转矩，消除水锤效应，变频运行后，静压2.2MPa，停泵水锤最高峰值2.3MPa，最低1.8MPa，效果显著；
（3）当管网意外阻塞时，导致管网压力上升，严重时会导致爆管事故发生，而变频器能在压力上升时，自动降低电机转速，维持管压恒定，从而起到保护管网的作用。
通过改变水泵的转速，维持进出水平衡，达到节能降耗的目的。
4 结 语
本文结合实际应用情况，分析了变频改造在污水处理厂所取得的效果，不但增加了能源利用率，又提高了系统的稳定性，具有良好的经济效益及社会效益。该项目至今已运行一年，应用状况良好。
参考文献
[1]熊红松.泵船取水工程系统控制及节能研究[D].武汉理工大学，2002.
[2]罗德荣，王耀南，葛照强，等.级联型高压变频器控制算法的研究及实现[J].电工技术学报，2010.
[3]王 鹏，刘文胜，袁 澜，等.移相变压器应用于高压变频器的研究与设计[J].变压器，2009.
[4]杨新华，马建立，王关平.基于模型参考自适应律的无速度传感器交流异步电动机矢量控制仿真[J].电机与控制应用，2007，34（8）：22～26.
收稿日期：2018-9-16
作者简介：袁代军（1974-），男，机械工程师，主要从事机械设备管理工作。
关键词：高压水泵；污水处理；高压变频器
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）33-0242-02
引 言
随着“十三五”规划的提出，工业生产的复苏，能源与环境问题日益凸显，国家对污染的治理也在逐步加强，人们对节能环保的认知也在提高。社会生产生活过程中会产生大量的工业废水和生活污水，这些污染物质如果不经过处理，直接排入水系统，将使水系统遭受严重污染，导致水质恶化，环境遭到破坏。因此国家大量建设污水处理厂，并拟定了排放总量目标。
本文以郴州瑶岗仙矿业污水处理水泵系统为研究对象，通过对其进行系统改造，实现了高压水泵系统的变频调速功能，对高压变频器的节能计算、调速策略进行了分析，并通过系统实际运行工况对高压变频调速控制进行了验证。
1 变频系统改造
1.1 系统方案
郴州瑶岗仙矿业污水处理系统使用10kV/1250kW电机，配套流量1150m3/H扬程257m的水泵。改造之前的主电路采用晶闸管软启动进行软起（图1），通过电动阀门调节水流量；改造后的主电路采用高压变频器来驱动电机（图2），通过调节高压变频器的输出频率来调节水泵流量，同时将原软启动作为备用设备，借助变频器自带的手动刀闸回路可以在变频器故障时使用软启动起动电机。
1.2 节能计算
高压变频调速系统根据流量与转速的一次方成正比，扬程与转速的二次方成正比，功率与转速的三次方成正比[1]；根据水泵的特性曲线（图3），水泵在50Hz运行、流量600m3/H时，可以查得对应的扬程是285m，水泵功率是800kW；变频改造后，泵的流量最小不小于600m3/H，扬程最低不低于210m。
根据以上数据进行变频改造后，变频的运行频率和水泵的功率计算：
= 2（1）
n2=n0 =50 =42.9Hz（2）
n=60 （3）
从式（3）电机的转速和频率的公式可以得出，电机转速和变频器输出频率成正比关系；从式（2）可以看出，变频运行时，输出频率为42.9Hz时，水泵的扬程能达到210m。
= 3（4）
P2=P0 3=0.632P0=0.632×800=505kW（5）
根据式（4）可以得出变频运行时，当水泵在流量600m3/H，扬程210m工况运行时，水泵的功率为505kW。
根据水泵特性效率曲线，水泵在流量600m3/H时的效率为0.57；电机的效率为0.9，据此可以得出电机的轴功率为P3=985kW，如式（6）所示：
P3=P2/η1/η2=505/0.57/0.9=985kW（6）
变频器的效率为0.96，故可以得出网侧的输入功率为P4=1026kW，如式（7）所示。
P4=P3/η3=985/0.96=1026kW（7）
根据改造前的运行参数记录，电机的运行电流为88A，电机功率为1362kW，据此可以算出节电率：
节电率=1- ×100%=24.7%（8）
2 变频控制方案
本文变频器采用单元级联型多电平电压源拓扑结构的高压变频器，主要由移相变压器部分、功率单元部分、控制系统部分等组成，无需滤波电抗器即可实现完美无谐波的输出电压[2]，如图4所示。
其中移相变压器部分主要作用是给每个功率单元供电，其二次繞组通过移相技术实现了输入电压的多重化，移相角度与每相的功率单元数量有关，当数量为n时，移相角度为θ=60°/n，可降低输入侧谐波[3]。
功率单元部分则由多个拓扑结构、电气性能完全一致的功率单元组成，每一相由相同数量的功率单元串联，可根据输出电压等级进行扩展。如图3所示，功率单元基本拓扑为交-直-交的三相整流、单相逆变电路。采用二极管将三相交流电压整流为脉动的直流电压，经电容滤波后得到稳定的直流电压，再由IGBT组成的单相逆变H桥进行PWM控制，得到等效的正弦单相交流输出。
控制系统负责整个系统的数据采集及电机控制算法的运算。通过人机界面获取指令信号，并实时采集变频器输入电压电流、输出电压电流等数据，进行控制算法的运算后输出PWM信号到功率单元，最终驱动电机的运转。
以本文中10kV高压变频器为例，每一相由8个功率单元串联而成，每个功率可单独输出电压0～750V，通过移相叠加之后每相输出电压0～6kV，对应线电压即为0～10kV。
变频器采用了矢量控制控制策略[4]，可以提高系统的控制性能，通过电机数学模型将定子电流分解为转矩电流分量和励磁电流分量，从而独立进行控制；对于电机转速基于转子磁链的模型参考自适应的速度辨识方法，以电机电压模型和电流模型分别为参考模型和可调模型，从而估计出电机转速，准确精度达0.5%；同时变频器具备参数辨识的功能，可以实现对电机定转子电阻、定转子漏感和互感等参数的辨识，无需电机厂家提供详细参数，控制框图如图6。
3 系统运行效果分析
项目初期其水泵工频运行，流量无法控制，平均每日启停12～14次，维护成本过高，停泵水锤最高峰值5.1MPa，极易导致管网爆裂。
通过变频改造后：
（1）可以根据水泵的静扬程设置最低转速，保证水泵有足够的转速，以满足其静扬程的出水要求；
（2）通过设置变频的启动、停止时间，可有效地延长水泵的启动、停机过程，以减小水泵在启动和制动过程中的动态转矩，消除水锤效应，变频运行后，静压2.2MPa，停泵水锤最高峰值2.3MPa，最低1.8MPa，效果显著；
（3）当管网意外阻塞时，导致管网压力上升，严重时会导致爆管事故发生，而变频器能在压力上升时，自动降低电机转速，维持管压恒定，从而起到保护管网的作用。
通过改变水泵的转速，维持进出水平衡，达到节能降耗的目的。
4 结 语
本文结合实际应用情况，分析了变频改造在污水处理厂所取得的效果，不但增加了能源利用率，又提高了系统的稳定性，具有良好的经济效益及社会效益。该项目至今已运行一年，应用状况良好。
参考文献
[1]熊红松.泵船取水工程系统控制及节能研究[D].武汉理工大学，2002.
[2]罗德荣，王耀南，葛照强，等.级联型高压变频器控制算法的研究及实现[J].电工技术学报，2010.
[3]王 鹏，刘文胜，袁 澜，等.移相变压器应用于高压变频器的研究与设计[J].变压器，2009.
[4]杨新华，马建立，王关平.基于模型参考自适应律的无速度传感器交流异步电动机矢量控制仿真[J].电机与控制应用，2007，34（8）：22～26.
收稿日期：2018-9-16
作者简介：袁代军（1974-），男，机械工程师，主要从事机械设备管理工作。