石元基 上海铁路局合肥给水公司

随着工业化的发展，变频器技术在工业控制领域的作用越来越大，尤其是微电脑技术的日新月异，给变频器技术的发展带来了飞越[3]。变频器的应用，能提高异步电动机的效率，降低电动机的功耗。变频器在供水系统的使用，可减轻电动机开启停止及水量调节时对供水管网的冲击；能在保持水泵出口阀门不变的情况下调节供水量，从而达到节能的效果。通过对变频器的合理选型，可以得到较为理想的组网方案。

1 变频调速

1.1 变频调速原理

电动机转速公式[1]为：

其中n为电动机转速，f为电源的频率，s为电动机的转差率，p为电动机的电极数。从公式(1)中可以看出，电动机的速度与电源频率成正比，也就是说，电动机的转速n会随着频率的变化而相应地变化。

1.2 变频调速节能

在转速控制情况下，水泵的扬程Q和流量H，以及电动机功率P，三者与电动机的转速n的关系如下[2]：

表1给出了H、Q、n、P四者之间的关系。当流量降到额定值的50%，其功率下降到额定值的12.5%，即节约了87.5%的能源，节能效果非常明显。

从以上分析可以看出，转速的降低，将引起水泵扬程、流量、电动机的负载功率的降低。实际应用中，我们可以根据现场管网的水压来调节电动机的频率，从而控制电动机的转速，达到恒压供水的目的。

表1 各项数据关系(%)

变频器的节能原理如图1所示。图中曲线1为阀门控制水流量曲线；曲线2为阀门全开状态水流量曲线；曲线3为额定转速下的水流量曲线；曲线4为转速下降后的水流量曲线。由图1可以分析得出，若采用阀门控制水量，当水流量由Qa降到Qc时，在水泵功率不变的情况下，A、C两点的功率损失都加到了阀门上（即AHaOQa的面积与CHcOQc的面积之差）。若改为变速控制，当水流量由Qa降到Qb时，变频调速在阀门保持不变（全开）状态下，扬程由Ha降到Hb，相应的水泵供水功率有较大的降低（因为水泵功率与H、Q的乘积成正比，即与图中方框的面积成正比）。因此，在流量不大的情况下，降低泵的转速，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，并且具有明显的节电效果。

图1 使用变频调速器节能原理示意图

1.3 变频软启动原理

采用变频软启动对水泵的启动、制动进行控制，使急扭及水锤现象得到解决，延长了设备的使用寿命。同时，减少了启动电流对电网的冲击。如图2所示为某变频启动输出特性示意图，图中U1为死区电压，低于该电压值系统将无法启动。该电压值对应一个死区频率，一般取20Hz。之后不断提高频率值，直到额定功率（工频50Hz），启动完毕。

图2 变频启动输出特性示意图

变频软停车和软启动类似，将电动机频率由工频50Hz逐步降低到0Hz，实现软停车。可以根据负载设备的实际要求，对起始频率进行选择，从而得到不同的电压、电流、功率和转矩初始值。

2 铁路供水系统变频器组网方案

2.1 变频器在系统中的连接方式

变频器在供水系统中的连接方式比较多，可以根据实际需要进行取舍。下面简要介绍几种常用的连接方式及其应用场景。

2.1.1 单机软启动、软停车

此连接方式多用于深井泵房的场景（如图3所示）。在水泵后面一级有蓄水池水塔等设施，因此对于水压的测量不敏感，只需将蓄水池或水塔的水位反馈给变频器即可。当水位降低到下限水位时，变频器软启动电动机M，直到进入工况运行，给蓄水池、水塔供水。当水位升高到上限值时，启动软停车过程，直到电动机进入停机状态。

图3 单机软启动、软停车运行方式

利用变频器的软启动、软停车功能，实现对水泵电动机的自动控制，实现对泵房的无人值守。另外因为软启动、软停车的作用，能减少对电网的冲击，延长设备使用寿命。

2.1.2 单台恒压供水

此连接方式常用于建筑物供水（如图4所示）。在没有条件建蓄水池、水塔的地方，使用此方式供水可以保证供水水压的恒定。当用户水压下降时，变频调速器将升高水泵电动机的转速，从而提高管道的水流量，随着流量的加大，管道压力增加；当管道中水压升高过一定值，降低水泵电动机的转速，降低水流量，水压相应下降。

通过管道中水的压力调节变频器的输出频率，输出频率的改变最终影响管道水压力，最终达到一个动态平衡状态。

图4 单机恒压运行方式

2.1.3 一拖二方式

一台变频器带两台电动机（如图5所示）。该连接方式适合水源地泵房等，需要多台大容量的电动机的场合。在最初投入运营时，由变频器启动电动机M1，软启动至正常运行状态，保持一定时间后KM2闭合，M1电动机进入工况运行。此时如果需要更大的供水量（或者管网压力不够），则软启动电动机M2。同时M2可以根据管网运行情况进入变频运行状态，从而达到恒压供水的目标。电动机M1和M2互为备用电动机，可以设置成轮换运行方式，从而保证电动机的寿命。

图5 一拖二运行方式

一拖二方式结合了变频软启动、软停车以及变频恒压运行的优点。对单个水泵电动机而言，可以实现软启动、软停车；对于整个泵房而言，可以根据需求运行电动机，实现电动机的高效运行。

对于铁路供水系统来说，因其供水环境的复杂性，要求针对不同的场景选择不同的变频调速运行方式。做好先期准备工作，调查泵房运行的历史数据，并作合理的估计和详细的计算，配备合适的水泵电动机，再根据水泵电动机的容量和类型配备合适的变频器。铁路供水系统应该根据现场的实际环境进行选择安装，使得系统的整体效率得到提高。

2.2 铁路系统供水系统的特点

铁路供水系统的主要特点是：用户分散并且类型复杂。既有要求等级高的车站客车上水用户、各种消防用水用户，又有一般的居民用水用户；既有用水量较大的中心站用户，也有偏远小站的零散用户。既要满足不同用户的要求，又要提高供水效率，是供水公司面临的一个课题。要完成各种供水指标，除了在人员管理上下功夫之外，还需要从技术的层面来提高供水的效率和能力。

传统的供水方式需要提供大量的人员，提供大量的供水设施。不仅效率低下，还增加了人员管理、设备维护的难度。新型变频器的不断应用，提高了供水系统的自动化水平，在减员增效、节能降耗方面起到了非常重要的作用。

2.3 组网方案

根据上海铁路局合肥给水公司的管网运行情况，采用目前较为通行的SCADA系统对整个给水系统进行监测和控制。合肥给水公司管辖范围内供水系统设计如下：

（1）供水站共有31个，分别为：阜阳、阜阳北、合肥、合肥东、合肥西、合肥南、蚌埠、蚌埠东、亳州、涡阳、张集、淮南西、淮南、九龙岗、青龙山、明光、安庆、芜湖北、裕溪口、六安、叶集、巢湖、全椒、金寨等。

（2）各供水站管辖若干个泵房，每个泵房有若干个变频器，由变频器控制水泵电动机。

（3）系统监控通信采用铁路公共电话网，对于各个供水站进行轮询式数据采集和监控。对于较为偏远的没有公话网的给水站，采用无线传输。各泵房安装无线电台，主调度机与各控制终端机之间的数据传输，采用无线调频方式，实现调度与现场随机通信。

对变频器运行情况的数据采集包括输出电压、输出电流、输出频率、输出转矩及管网压力反馈等。同时该系统支持对运行环境的数据采集，如对现场温度、湿度、烟雾等的采集。变频器作为一个单元与系统的连接方式如图6所示。

图6 应用变频调速供水系统组网方案

虚线方框中是变频器结构图，对水泵电动机的运行参数实时监控，实时采集供水站设备的监测和控制信息，经本地初步处理后，反馈到监控中心。实时接收来自监控中心的监控命令。变频器支持现场和远程的参数设置，便于维护。对于系统采集的数据可以在控制中心实现报表自动生成功能。

3 应用效果分析

从2000年开始，公司着手阜阳给水站各给水所扬水系统改造，配套安装变频调速供水装置。阜阳和阜阳北有6座水塔和二套75kW型号为250S39、三套135kW型号为300S58的水泵机组，承担阜阳地区的供水任务。利用路局更新计划安装了四套90kW变频器控制水泵机组的变频恒压供水设备，根据用水情况，停止使用4座水塔，运行管网合并为2个区，将原来的水塔的水位作为供水压力信号，圆满地解决出厂水压力的问题，有效保证行车和旅客列车用水压力，并且供水的安全性得到大大提高。通过实际使用，设计白天 8：00-20：00，0.4Mpa，其余时间为 0.36Mpa 的情况下，千吨水电耗较工频运行时的水泵机组组成的系统降低电耗22.6%（原系统千吨水电耗190.7kWh，改造后减低为147.5kWh，一年就节约用电10万kWh以上），取得良好效果。

合肥给水公司运行变频调速系统以来，在节能方面收效很大。表2给出了运行变频调速系统前后的数据月度对比。

表2 变频器运行前后数据对比（前/后）

从表2中可以看出，采用变频调速后，给水设备的使用效率明显提高，由原先的71.1%上升到82.7%；设备的故障次数降低，由原先的月度平均21次降低11次。运营人员减少6名，降低了设备运营成本，经济效益显著。

4 总结与展望

水泵电动机的用电量占整个供水系统的用电量的90%以上，因此水泵电动机的节能非常重要。变频器用于水泵电动机类设备驱动控制能取得十分显著的节电效果，是一种理想的调速控制方式。既提高了设备效率，又满足了生产工艺要求，并且可大大减少设备维护、维修费用。直接和间接经济效益十分明显，设备一次性投资回收很快，很有必要在铁路建设项目中大力推广。另外，使用变频器，免去了许多繁琐的人工操作，消除了许多不安全隐患因素，并使系统始终处在一种节能状态下运行，合理地轮换使用电动机，能延长设备的使用寿命，更好地适应生产需要。随着变频器技术的发展，变频调速技术必将在铁路供水系统得到全面应用。