1 前言当前，我国钢铁行业正在经历寒冬。钢铁行业大部分处于亏损状态，中国铁矿石进口困难，铁矿石价格上涨，导致生产成本增加，利润率下降。钢铁工业增产减收，销售利润率大大低于全国规模以上工业平均水平。为提高利润，如何在节能方面降低生产成本，刻不容缓。
    随着电力电子技术、微电子技术及现代控制理论的发展，变频器已经广泛地用于交流电动机的速度控制。其最主要的特点是具有高效率的驱动性能及良好的控制特性。若我们正确地应用变频器，能显著地节省电力，提高经济效益。
    2 水泵采用变频调速的节能分析2.1 变频调速节电原则异步电动机变压变频调速时，通常在50HZ以上采用恒功率调速，50HZ以下采用恒转矩调速。在恒功率调速时，电动机已发挥最大使用功率，此时应用变频器是不节电的。在恒转矩调速时，电动机的转矩基本恒定，则频率越低转速越低，机械输出功率越小，变频器输入的电功率也相应减少。在恒转矩调速时，转速越低越节电。变频器的节电原则：必须采用恒转矩调速，频率越低节电越多。
    2.2 水泵典型的压力、流量、功率与转速的特性当输送流体的密度p不变，仅转速改变时，其性能参数的变化遵循比例定律：水泵流量与转速的一次方成正比；压头（扬程）与转速的二次方成正比；液体压力与转速的一次方成正比；功率与转速的三次方成正比。
    如图1所示以一台水泵为例，它的出口压头为H0（出口压头即泵入口和管路出口的静压力差），额定转速为n0，阀门全开时的管阻特性为r0，额定工况下与之对应的压力为H1，出口流量为Q1。在现场控制中，通常采用水泵定速运行，出口阀门控制流量。当流量从Q1减小至Q2时，阀门开度减小使管网阻力特性由r0变为r1，系统工作点沿方向由原来的A点移至B点；受其节流作用压力H1变为H2。则电机节省的功耗为AQ1OH1和BQ2OH2的面积差。如果采用调速手段改变水泵的转速n，当流量从Q1减小至Q2时，那么管网阻力特性为同一曲线r0，系统工作点将沿方向由原来的A点移至C点，水泵的运行也更趋合理。在阀门全开，只有管网阻力的情况下，系统满足现场的流量要求，能耗势必降低。此时，电机节省的功耗为BQ2OH2和CQ2OH3的面积差。
    由变频控制电机的转速调节流量，电机的转速越低，消耗的电能越小，为转速的立方衰减。因此变频调速在泵类上的应用将大大节省电能。同时可根据生产工艺的需求在管道上安装压力传感器检测液体压力，与变频器形成闭环控制，实现泵类的恒压运行，管道的阻抗损耗减小，使系统的节能效果更理想；也可在泵类系统上安装液位控制器，参与变频器的二次回路控制，实现变频器的自动调速。
    3 自吸泵控制方式改造方案3.1 改造所要实现的目标福建三钢炼钢厂板坯连铸车间的铁皮沉淀池自吸泵自安装投产以来的控制方式为：用软启动器驱动90KW的电机恒功率输出，用管道上的电动蝶阀控制废水流量，从而控制废水池内的水量。经过几年的生产运行，用此方式控制的水泵系统出现以下弊端：①水泵系统从电网吸收的能量并没有减少，电动机的输出动力基本没有改变。虽然阀门的输出量达到了工况要求，但能量有效应用的比例减少了，白白浪费掉大量的无用功，造成电力的严重浪费；②由于通过阀门调节使系统压力升高，对管道和阀体的密封性能造成威胁和破坏，电动阀的故障率高，经常是电动阀的阀体漏水而更换电动阀，平均一年需更换2台电动阀；③水泵叶轮长期处于高速运行状态，对叶轮和泵体的机械性能影响较大，通常是由于叶轮磨损和泵体憋死导致二年需更换1台水泵，④水泵电机长期满负荷运行，电机温度高，由于电机烧，平均半年需更换1台电机；⑤曾出现过多次由于生产进行中水泵电机未开，废水坑水位过高，导致一次坑的多数设备被淹；⑥需根据水位高度，人为的调节阀门开度，浪费人力资源。
    本次对板坯铁皮沉淀池水泵系统的控制方式改造，就是为了实现节省电能，降低设备故障率，减少备件的消耗，减少维修人员的工作量，从而达到节能的目标。
    3.2 变频调速改造方案水泵为变转矩负载，使用恒转矩调速的电机驱动时，速度变化到低速时所能输出的转矩仍有剩余。因此，恒转矩调速电机可以满足调速要求。在实际应用设计方案时，应根据生产工艺的具体要求来决定采用开环控制还是闭环控制。变频器可以是水泵专用变频调速器，也可选用通用变频调速器。在满足生产工艺需求的前提下，选择最实用、最经济的方案。
    选用艾默生（EV2000-4T132OP）水泵专用变频器取代软启动器控制自吸泵90KW电机，变频器高速运行设置为45HZ，低速运行设置为30HZ；在废水坑上方安装液位计检测水位，为变频器的高、低速度运行提供信号；考虑到降低改造成本和减少控制系统的故障点，本次改造不采用PLC控制，而是在板坯P6操作室内安装自吸泵控制箱；设计变频器控制的二次回路，实现电机的自动变频调速运行。
    如图2、3所示，自吸泵控制箱上设置“手动——自动”转换开关。若转换开关处于自动状态下，当生产过程中废水池内的水位高于液位计设置的高位时，KA3线圈得电，KA3常开触点闭合，KA1线圈得电，变频器自动启动，并且高速运行；当水位低于高位时，KA3线圈失电，KA1常开触点自锁，变频调速电机低速运行；当水位低于液位计设置的低位时，KA2线圈得电，KA2常闭触点断开，KA1线圈失电，变频器停止工作，电机不运行。根据电气原理图分析，电机的转速由变频器自动调节，电机多数时间运行在低速状态。
    在改造后的试运行阶段，初步使用的浮球液位控制器。由于废水池的进水量大且急，水面波动大，液位计的浮球上下摆动，水池的高、低位难以判断，给变频器的自动控制造成很大的麻烦，变频器大多数时间处于高速运行状态。浮球液位计不适合在液面波动较大的地方使用。为解决这一问题改用超声波液位计，由于受水面波动的影响减小，液位计工作正常。
    经过改造后一年的投入使用，从液位计→变频器→电机很好地实现了根据水位的变化对水泵电机的自动变频调速控制。由于水泵电机长期处于低速运行，电动机运行电流有较大幅度下降，节电效果明显，系统效率有较大提高。电机运行温度下降，叶轮和泵体的磨损降低，水压对管道阻抗和阀体密封性的影响降低，使得各设备的使用寿命大大提高，降低了设备的损耗。板坯一次铁皮沉淀池自吸泵的变频调速改造成功，很好地实现了节能目的。
    4 变频调速改造时应注意的问题可选用水泵专用的变频器，此类变频器比通用变频器功率器件的容量小，价格较低，选此类变频器可减少投资。此类变频器已按风水泵的特性设定好V/f曲线，节电效果显著。
    用变频器控制泵类时，要设定好加减速度时间，一般应根据电动机功率适当放长升速与减速时间，避免起动与关机太快造成冲击电流太大。
    在变频器输出频率低时，输出电压也低，电压降比例也大。因此，改造所用的电缆的截面积比没有用变频器作驱动电动机的电缆截面积要大一级。
    5 结束语目前全国的钢铁行业正面临着严峻的挑战，有效地减少生产能耗，降低吨钢生产成本，提高利润，是全国钢铁企业首当其冲必须考虑的问题。本次对板坯一次铁皮沉淀池自吸泵的改造，不仅节省了生产用电，还大大降低了水泵系统设备的故障率，减少了设备采购费用，节能改造效果明显。