摘 要： 在工业控制领域, 变频调速普遍使用于各种调速系统中, 它具有体积小、重量轻、安装操作简单、数据可靠、性能稳定、节电效果显著等特点。用在水泵调速控制系统中具有软起动功能, 减少了对电网的污染。
关键字： 变频器 污水泵 闭环自动控制
一、 污水处理工艺过程 （氧化沟二级处理方式，日处理量为 10万吨级）：
南太子湖污水处理厂是武汉市第一座氧化沟工艺处理污水的二级污水处理厂，是武汉市第一个处理后的污水通过潜污泵排入长江的污水处理厂。是武汉市实现国家及地区水环境达标的重点工程，总投资约1.7亿元，工程完工后日处理污水10万吨.南太子湖污水处理厂建成后，将截住汉阳地区北起汉江、南至南太子湖、西至墨水湖、东抵长江的20多平方公里内的大部分生活污水，让26万市民直接受益。
二、 出水泵房潜污泵在运行中存在的问题：
1.为了保护生态环境，南太子湖污水处理厂已于2005年7月正式投入使用，而自动化需10月份投入使用。南太子湖污水处理厂进水泵房采用4台67KW、3台105KW潜污泵，出水泵房采用4台120KW、2台150KW潜污泵运行，由于进、出水泵房潜污泵不匹配（出水泵房前池小，无缓冲余地。水位上升、下降快，后果要么淹厂区要么缺水数分钟烧水泵），造成出水泵房一台潜污泵运行，水位不断上涨；而两台潜污泵运行，水位迅速下降，致使其中一台潜污泵每30分钟启动一次运行10分钟就必须停机，如此频繁开停机，给操作人员带来相当大的工作强度，并给设备带来非常大的损害。
造成这种现象的原因在于进出水泵房潜污泵扬程不一致，系统运行效率低。这是因为系统单机选型匹配不当、系数裕度过大和不合理的调节方式所造成。参数裕度过大由两方面造成：一是设计规范的裕度系数过大，“宽打窄用”；另一是系统中单机选型过大，向上靠档、宁大勿小。最终造成整套系统“大马拉小车”负载运行的不匹配状况。
2.污水处理厂的设备是全天候运转的，而且潜污泵是污水处理的核心设备，对于这个问题可以通过两种方案解决：一个是压出水闸门，另一个需要用变频器对潜污泵进行调速。
由于水泵类大多为平方转矩负载，轴功率与转速成立方关系，所以当水泵转速下降时，消耗的功率也大大下降。经测算，当机泵的流量由100%降到50%时，若分别采用出口和入口闸阀的节流调节方式，则此时电机的输入功率分别为额定功率的84%和60%，而此时机泵的轴功率仅为12.5% ，即损失功率分别为71.5%和47.5%，这说明即使机泵的设计效率为100%， 在不采用先进的调节措施时，其实际的运行效率可能只有百分之十几或更低。
水泵要靠闸阀来节流，人为地增加管网阻力以减小流量，因此阻力损失相应增加，而此时水泵的特性曲线不变，叶片转速不变，系统输入功率并无减少，而是白白地损失在节流过程中。在节流调节方式中，电动机、水泵等长期处于高速、大负载下运行，造成维护工作量大，设备寿命低，并且运行现场噪声大，影响环境。
三、变频器在出水泵房潜污泵的应用 ：
1.在工业控制领域, 变频调速普遍使用于各种调速系统中, 它具有体积小、重量轻、安装操作简单、数据可靠、性能稳定、节电效果显著等特点。用在水泵调速控制系统中具有软起动功能, 减少了对电网的污染。同时, 单台变频器既可用于多台水泵软起动又可用于对某台水泵调速。这样既可以减小设备的投入, 又可以减小电机起动对电网的冲击电流影响。
2.潜污泵起动时的急扭和突然停机时的水锤现象往往容易造成管道松动或破裂，严重的可能造成电机的损坏，且电机起动 / 停止时需开启 / 关闭闸阀来减小水锤的影响，如此操作一方面工作强度大，且难以满足工艺的需要。在潜污泵安装变频调速器以后，可以根据工艺的需要，使电机软启 / 软停，从而使急扭及水锤现象得到解决。而且在流量不大的情况下，可以降低泵的转速，一方面可以避免水泵长期工作在满负荷状态，造成电机过早的老化，而且变频的软启动大大的减小水泵启动时对机械的冲击。并且具有明显的节电效果。
3.变频潜污泵的节电原理就是用调速控制代替闸阀控制流量，这是一个节电的有效途径。水泵的特性曲线如图 1 所示。在用闸阀控制额定流量 Q1 =100% 输出时，则轴功率 N1 与面积 AH1 OQ1 成正比，若流量减半 Q2 =50% 输出时，则轴功率 N2 与面积 BH2 OQ2 成正比，它比 N1 减少不多，这是因为需要克服闸阀阻力增大出水压力所致。如果采用调速控制同样流量减半输出时，转数由 n1 降至 n2 ，按水泵参数比例定律画出 n2 时的特性曲线， C 点为新的工况点，这时轴功率 N2 与面积 CH3OQ2 成正比，在满足同样流量 Q2 情况轴功能降低很多，节省的功率耗损△ N 与面积 BH2H3C 成正比，可见节电效果十分显著。
4.流体力学的观点：
流量 ∝ 转速
压力 ∝转速2
轴功率∝转速3
若转速下降 20%，则功率下降到51.2%
若转速下降 50%，则轴功率下降到12.5%
即使考虑调速装置本身的损耗等因素，节电也是相当可观的。
四、变频泵的优化配置
有一种变频模式通常叫做恒水位变量循环状启动并先开先停的工作模式。在这种排水运行模式中，当来水流量少于变频泵在恒水位工频下的流量时，由变频泵自动调速排水，当来水流量增大，变频泵的转速升高。当变频泵的转速升高到工频转速，由变频排水控制器控制把该台水泵切换到由工频电网直接供电(不通过变频器供电)。变频器则另外启动一台并联泵投入工作。随来水流量增大，其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入。这就是循环软启动投入方式。
但是，在任一台泵变频运行时，万一水泵故障有可能使变频器保护跳闸而停止工作。各并联水泵是由变频器控制运行的 ；当变频器跳闸，必然使所有并联水泵停机而中断排水，造成厂区淹水。
因此，当水泵的可靠性一定，具有自动轮换控制功能的变频恒水位的可靠性将低于不具备自动轮换控制功能的变频恒水位机。因此 从安全生产的角度，我们不主张采用一拖几系统。而计划在出水泵房选用2台变频潜污泵各自独立运行来提高安全系数。并在进水泵房安装2台变频潜污泵调节水量。
五、自动化控制的实现
根据出水泵房前池的水位，通过改变潜污泵电动机供电电源的频率来调整潜污泵的转速，从而控制排水量，因而变频必须受到水位反馈信号的控制，以构成水位自动控制系统。
常用的闭环控制方案是采用线性反馈控制系统。这种系统虽然能够实现恒液位自动控制，但是存在以下不足：
① 成本高，这是由于线性液位(压力)传感器及调节器价格昂贵；
② 可靠性低，由于线性液位(压力)传感器必须沉入水底且与水充分接触才能测量到水的高度(或压力)，因此传感器的测量孔被泥沙堵塞而容易产生测量误差，致使被控水位偏离期望值；
③现场调试复杂，被控对象的非线性和大惯性因素给调节器的参数配置带来了困难，有可能影响系统的稳定性和动态性能。总之,对于这样一个非线性、大惯性过程采用线性反馈控制是不合理的，在经济上不合算，在性能上不优越，而且调试不方便。
南太子湖决定采用一种结构简单、运行可靠、成本低廉的非线性反馈变频调速系统，成功地克服了线性反馈控制存在的问题。在该系统中，采用国产的变频器控制潜污泵，通过一套超声波液位传感器构成非线性反馈控制系统，将水位控制在极限环内。
在出水泵房前池上安装一套超声波液位传感器，它可以测量4个液位。通常运行时水位将在2SL和3SL之间波动，当有大扰动时1SL或4SL实现运行频率自整定和水位报警功能，该超声波液位传感器输出信号被输送到电气控制单元，实现继电器型非线性反馈特性，并与变频器控制端子相结合，形成非线性控制。
六、系统应用效果：
由于变频器每千瓦的成本随着其功率增大而减少，变频调速装置的经济性也随着电机功率的增大而提高。变频调速装置投资回收期为一年左右，使用寿命约10年。
本潜污泵24小时运行，每月30 天，本变频控制柜在恒水位运行区的综合节电率约在20%左右，由此：
每月节电总量=120KW×20%×24×30=17280度
按每度电以0.75 元计算，则：
潜污泵的节电资金：0.75×17280 度 =12960元/每月
变频调速除节电外，还有增产、降耗、优质的效果。由于它具有体积小、重量轻、精度高、通用性强、工艺先进、功能丰富、保护齐全、可靠性高、操作简便等优点，深受使用人员欢迎，变频调速确是节能、降耗、优质、高产的理想设备。
结束语：南太子湖污水处理厂出水泵房的潜污泵在使用了 EV2000 系列变频器以后，不但免去了许多繁琐的人工操作，不安全隐患因素，并使系统始终处于一种节能状态下运行，延长了设备的使用寿命，更好的适应了生产需要。而且通用型变频器丰富的内部控制功能可以很方便地与其他控制系统实现闭环自动控制。从运行情况来看，效果很好。因此，在污水处理厂或相似的系统中使用变频器应具有很好的推广价值。
作者：刘勤学
