水泵电机变频节能改造

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1、水泵电机变频节能改造姓名：梅军阳 单位：昆钢玉钢 邮政编码：653100摘要：本论文重要陈述了玉钢轧钢水解决站浊环1#、2#循环水泵高压电机变频改造前后进行了对比分析，从改造后的实际运营工况来看，操作控制更简朴，更以便，更稳定，能耗得到了大大减少，设备使用性能得到更加稳定，减少了设备的故障率，大大减少了维护检修费用。核心词：变频,水泵, 电机，节能改造 一、水解决工况玉钢轧钢水解决站重要是带钢生产线使用后污水进行解决循环使用的，浊环1#、2#高压循环水泵重要功能是向生产线设备提供冷却水及冲洗用水，正常状况下只需要用一台浊环水泵供应就能满足生产需要，此外一台做备用。其工艺流程如图1： 图1轧钢水

2、解决工艺流程简图生产线使用后污水流进沉淀池进行沉淀，通过化学除油泵打到化学除油器进行除油解决后经冷却塔冷却至浊环水池，在用1#、2#浊环高压泵送到主生产设备上，水解决站是根据主生产线所需用水量通过出口阀门开关大小控制，把水供至主生产设备进行冷却及冲洗用水。二、节能分析改造前浊环水泵是用三相交流异步电动机拖动，电动机是直接启动，启动电流等于7-7倍额定电流，这不仅规定电网容量高，并且启动时对设备和电网导致严重的冲击，大大的影响了使用寿命，。使用变频装置，运用变频器的软启动功能将使起动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减少了对电网的冲击和电容量的规定，延长了设备的使用寿命。出口管道流量的控制是

3、通过对浊环水泵出口阀门对水量进行调节，电机的功率就挥霍在了阀门上。整个系统重要有如下几种问题。1）操作不便为了满足主生产设备的供水正常，使整个循环水系统达到基本平衡，值班人员必须通过浊环水池安装的液位计对水位进行监控，当水量不平衡时值班人员必须通过浊环水泵出口阀门对水量进行调节，如果在生产不正常或状况变化大时调节阀门的次数也多，大大增长了值班人员的劳动强度。并且用阀门调节出口流量精确度不高，调节用时过长，不能较好满足生产所需。 2）能耗消耗大生产正常时浊环水泵只需要开一备一,水泵启动后电机都在恒速下运营，在每台泵出口处安装有阀门对水量进行调节。通过变化阀门开度来调节电机轴功率并不明显，这样大量

4、电能消耗在电机转矩，水泵叶轮，电动阀门等管网设备上。水泵电机额定电流是42.5A,正常运营时是42A,基本达到了满负荷运营, 这样会大大缩减了设备的使用寿命。3）维检费用高水泵轴承，机封常常性损坏，出口阀门使用周期较短，导致了人工费费，材料费大幅调高；电机温度常常性过高，对电机的使用寿命有直接的影响。鉴于上述因素我们考虑对水解决2台浊环水泵中型高压三相异步电动机进行变频调速改造。三、 变频节能原理论述 1、变频调速原理根据交流电动机工作原理中的转速关系： n60f（1-S）P 式中：n异步电动机的转速； f异步电动机的频率； s电动机转差率； p电动机极对数。 由上式可知，变化电动机定子绕组的

5、电源频率f，就可以变化电动机的同步转速,从而变化交流电动机转速。当频率f在050Hz的范畴内变化时，电动机转速调节范畴非常宽。变频器就是通过变化电动机电源频率实现速度调节的，是一种抱负的高效率、高性能的调速手段。2、水泵变频节能原理水泵变频节能原理如图2所示。在图2中曲线1为水泵在恒速下扬程H和流量Q的特性曲线，曲线2是管网水阻特性（阀门开度为100%）。假设水泵在设计时工作在A点的效率最高，输出水量Q1为100%，此时的轴功率P1=Q1*H1与面积AH10Q1成正比。根据工艺规定，当流量需从Q1减少到Q2（例如70%）时，如采用调节阀门的措施相称于增长了管网阻力，使管网阻力特性变到为曲线3，

6、系统由本来的工况A点变到新的工况B点运营，由图中可以看出，水压反而增长了，轴功率P2与面积BH20Q2成正比，减少不多。与此相类似的，如果采用变频调速技术变化泵类、设备转速来控制现场压力、温度、水位等其他过程控制参量，将水泵转速由N1降到N2，根据水泵的比例定律，可以画出在转速N2下扬程H和流量Q特性如曲线4所示，可见在满足同样流量Q2的状况下，扬程H3将大幅度减少，功率P3（相等于面积CH30Q2）也随着明显减少，节省的功率P=HQ2与面积BH2H3C成正比，节能的效果是十分明显的。图2.节能示意图也就是说，采用变频调速技术变化电机转速的措施，要比采用阀门、挡板调节更为节能经济，设备运营工况

7、也将得到明显改善。因此在有水泵的机械设备中，采用变频控制水泵电机转速的方式来调节流量，在节能上是一种最有效的措施。在玉钢的实际生产中，调节水泵的流量都是通过变化阀门开度来实现，与之前所分析的成果对比，使用变频调节电机转速的方式来替代目前的阀门调节流量方式，将真正实现节能的目的。据此，对生产系统中电机控制系统进行变频器改造，以替代老式的低效阀门调节方式可获得较好的节能效果。用变频器对水泵电机控制系统进行改造十分简朴，不需对原系统进行任何变化，由变频器对水泵电机进行转速控制以达到调节流量目的，且投资回报率极其乐观。 四、水泵变频改造方案和实行 1、原系统方案原系统由10KV两路电源分别经高压开关柜

8、至1#、2#高压浊环水泵电机，电机与水泵直接相连。启动时在QF2或QF3开关在热备用状态下，出口阀门关闭位置，在机旁直接启动电动机，待电动机运营正常后再来打开出口阀门来调节出口供水流量，压力，启机过程用时较长，大大减少了工作效率，直接影响了主生产线生产产量，提高了吨钢成本费用。原供电系统图如图3： 图3： 原供电系统图 2、HARSVERTA高压变频器我公司根据挑选和对比，决定采用北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERTA高压变频器对1#、2#浊环泵电动机控制系统进行改造。HARSVERTA系列高压变频调速系统的构造见图4，由移相变压器、功率单元和控制器构成。10KV系列有24个功率

9、单元，每8个功率单元串联构成一相。 图4 HARSVERTA系列高压变频器构造图每个功率单元构造上完全一致，如图5可以互换，其电路构造见图，为基本的交直交单相电压型逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到如图所示的波形，如图5。 图5 HARSVERTA系列高压变频器功率单元构造图输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组为三组，对10K系列，构成48脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大的改善网侧的电流波形，使其负载下的网侧功率因素接近。此外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器，便使用既

10、有的成熟技术。输出侧由每个单元的、输出端子互相串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，可得到如下图6 PWM波形。这种波形正弦度好， dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，不必输出滤波器就可以使电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造。 图6 HARSVERTA系列高压变频器相电压波形3、改造设计方案 根据工艺状况，正常生产时只需要开一台浊环泵就能满足生产，同步为了更好的节能，减少设备费用的高昂投入以及运营稳定性的规定，决定变频器系统采用一拖二自动工变频切换方案，图7。即: 配备一台高压变频器，通过倒闸切换开关把高压变频器切换到要运营的浊环水泵上去

11、。此外一台工频备用或工频运营，正常状况下一台浊环水泵就能满足生产，变频调速系统电源可以有本来的1#、2#10kV电压级别电源系统根据运营状况分别供应。 图7 改造后系统原理图重要功能为：高压变频器可以拖动1#浊环泵电动机实现变频运营，也可以通过切换拖动2#浊环泵电动机实现变频运营，但不能同步变频运营。1#、2#浊环泵电动机均具有工频旁路功能，可实现任意一台电动机的变频运营，此外一台处在工频备用或工频运营，当高压变频器故障时，通过倒闸退出变频，可直接切换工频运营，不会影响生产。这样我们可以充足合理的运用既有设备，大大减少设备上的投资，且能正常的满足生产。 4、设备参数（1）电动机参数 表一 中型

12、高压三相异步电动机技术参数型号YKK5004额定电压10KV额定电流425A额定功率630KW额定转速1485R/MIN防护级别IP44功率因素088接法星形表二 SB-X型轴开式单级双离心式水泵型号400P2F-300-635流量1880m3/h扬程114 m425A配用功率630KW额定转速1485R/MIN （2）变频器参数变频器重要技术指标： 型号：HARSVERT-A10/045 功率：800kW 输入电压：10KV；输入电压：10KV； 输入频率：45-55Hz 输出频率范畴：0.5-120 Hz 过载能力：120%一分钟，50%立即保护。加减速度：0.1-3000S 保护特性：过

13、流保护、I2t、过压保护、欠压保护、过热保护、短路保护、接地保护、欠压缓冲、电机欠/过载保护、堵转保护、串行通讯故障保护等。5、改造后系统工作原理工作原理见图7所示，1#、2#浊环泵共同采用一套变频调速装置。其中QF1、QF2表达高压开关、TF表达高压变频器、M表达浊环水泵电动机； QS1和QS4之间、QS2和QS5之间、QS3和QS2之间、QS6和QS5之间刀闸均存在机械闭锁关系，避免高压变频器输出侧与此外一段10 kV电源侧短路。高压开关QF2、QF3是现场已有设备，安装在水解决高压配电室，QF2、QF3只具有手动合闸功能，前提纲有高压变频器容许合闸信号。高压变频器安装于此外独立一间房间，

14、通过电缆与高压配电室高压开关QF2、QF3直接相连接。QS1、QS4、QS2、QS5、QS3、QS6刀闸分别安装高压变频器旁路柜上。“高压变频器室”内所有开关的2路直流控制电源、2路动力直流电源均由#2机直流母线供电。1#浊环泵变频运营时，断开QS3、QS4，合上QS2、QS1、 QS6，在合上QF2开关，1浊环泵处在变频运营状态； 2#浊环泵处在工频备用状态。当1#浊环泵变频运营故障跳闸时，合上QF3开关起动2#浊环泵工频运营。这样可以大大减少操作时间，能迅速恢复生产。反之2#浊环泵变频运营时，1#浊环泵也可以处在工频备用状态。以这种思路改造有两个好处：一是投资较少，二、是充足运用了本来的既

15、有设备。 五、运营效果分析通过对1#2#浊环水泵电机的改造前后运营效果对比状况来看重要长处如下：表三 改造前、后运营参数数据分析改造前改造后电流42A电流29A频率50Hz (工频)频率38Hz流量1697m3/h流量1697 m3/h功率因素0.88功率因素0.96实时功率640KW实时功率482KW每年可节省的电量1375320KWH 1、采用变频调器对水泵电机调速后节能上与此前水泵电机恒速控制相比普遍节能在20%以上。2、采用变频调节水泵电机转速可实现水泵电机的空载软启动，启动峰值电流和时间大为减少，避免了因启动电流大导致电机及电缆的绝缘老化。 3、采用变频调节水泵电机转速机械磨损大为减

16、少，机械故障率降为本来的3550%左右，大大减少了设备维护费用节省了生产成本，避免了由于较大电动力矩导致对电机的机械冲击，延长了电机的寿命减少了对电机的维护工作量。 4、采用变频调器对水泵电机调速后阀门全开，不参与流量调节，减少了阀门维护工作量；不仅达到了降耗节能的目的，同步还减小了管道系统的振动，使管道压力减小，延长了管道的使用寿命和检修周期，使系统运营稳定性得到改善。 5、采用变频调速对水泵电机调速后功率因数得以提高，可省去功率因数补偿装置，电动机转速减少使环境噪音影响得到大大改善。 6、采用变频调速后，调节管道流量，压力等工况，只需在值班室通过调节电源频率，就能精确稳定的调节工况，值班人员的工作效力得到了大幅提高，同步减少了工作人员的劳动强度。六、 结束语由北京利德华福电气技术有限公司生产的高压变频器在我厂投运以来，运营稳定。改造前通过技术人员对变频器的选型和设计，应当说对1#、2#浊环泵电机变频改造后运营至今来看是成功的，但仍有许多值得总结的地方，例如变频器和plc组合，结合我们水解决既有设备。在不增长或少增长投入的状况下实现全自动，最大限度的发挥出变频器的各项性能。参照文献1 陈伯时.电力拖动自动控制系统机械工业出版社 2 孙虎章.自动控制原理.中央广播电视大学出版社 3曾毅.变频调速系统的设计与维护.山东科技出版社 4黄俊.半导体变流技术.机械工业出版社