謝喜平
(太倉市自來水公司，江蘇　太倉　215400)

　　摘　要： 分析了水廠送水泵房原工藝控制系統(tǒng)存在的問題，闡述了送水泵進行變頻調速改造的設計要求和系統(tǒng)配置，并對如何實現(xiàn)水泵的變頻控制作了較詳細的介紹，最后就目前市場上常見的幾種中壓變頻器進行了比較。
　　關鍵詞： 中壓變頻器； 變頻調速； 水泵； 閉環(huán)控制
　　中圖分類號：TU991.35　　　文獻標識碼：C　　　文章編號：1000-4602(201)4)06-0077-03

　　太倉水廠隨著供水能力的提高以及所覆蓋的用戶群的增大，為了穩(wěn)定供水，對水廠送水泵房變頻調速系統(tǒng)進行了改造。太倉水廠二期改造送水量為20x10⁴m³／d，送水泵4臺(2臺為10x10⁴m³／d，2臺為5x10⁴m³／d)，用水量低谷時為(10-15)x10⁴m³／d，高峰時為(15～20)x10⁴m³／d。現(xiàn)決定將其中1臺10x10⁴m³／d的送水泵(電機型號為Y560-8，功率為800 kw，轉速為744 r／min，電流為94.1A，電壓為6kv，功率因數(shù)為0．873)進行變頻改造，與送水量分別為5x10⁴m³／d和10x10⁴m³／d的兩臺泵配合使用，以滿足實際的供水要求。
1　改造前的狀況
　　經多年的運行發(fā)現(xiàn)有以下問題制約著生產的安全、穩(wěn)定運行：
　　① 用戶的用水量隨季節(jié)、時間的變化而變化，使供水量難以控制；而整個供水系統(tǒng)為了能夠滿足最大供水量的要求，做出了較大的設計余量，這樣使得在用水量較低時浪費了大量的電能。
　　② 操作人員需要頻繁增減泵的運行臺數(shù)或者通過調節(jié)閥門來保持水量的平衡，這樣不但增加了操作人員的勞動強度，而且難以保證供水壓力的恒定，影響了供水質量。
　　③ 頻繁開啟水泵增加了對電機、泵的機械沖擊，縮短了它們的檢修周期和使用壽命，增加了設備的檢修費用，尤其是當大容量水泵啟動時引起的電壓波動會對其他設備運行帶來不良影響。
2　改造的目的和要求
　　為了解決上述問題，達到優(yōu)化工藝控制、節(jié)能降耗和穩(wěn)定生產的目的，通過廣泛調研最終決定對送水泵進行變頻調速改造，理由如下：
　　①節(jié)能降耗
　　a．變頻調速節(jié)能
　　恒速電機利用閥門調節(jié)供水量，揚程特性不變而管阻特性改變，使得大量的能量損失在閥門上。而變頻調速時的閥門為完全打開狀態(tài)，使得管阻特性不變，揚程特性則隨電機轉速的變化而變化，在保證管網壓力的前提下改變了供水量，真正實現(xiàn)“所供即為所需”，從而節(jié)省了電能。
　　b．高效節(jié)能區(qū)運行
　　水泵的工作效率為：
　　　　η＝Ｃ_１（Ｑ／n）－Ｃ_２（Ｑ／n）^２　　　　　　　　　　　　　（１）
　　　　式中　Ｃ_１、Ｃ_２——常數(shù)，且Ｃ_１－Ｃ_２＝１
　　　　　　　Ｑ——流量　　　　　　n——轉速
　　　　對于離心式負載：Ｑ_１／n_１＝Ｑ_２／n_２　　　　　　　　　　　（２）
　　可見水泵在變頻調速的過程中始終處在高效區(qū)。而電機在變頻調速過程中，由于電機電壓隨著轉速的變化而變化，所以確保了電機在輕載時也能工作在高效區(qū)。
　　② 自動恒壓供水
　　水壓的閉路循環(huán)控制可以通過變頻器對電機轉速的調節(jié)來實現(xiàn)，調節(jié)過程中無需進行閥門操作即可完全自動實現(xiàn)，并且還可根據(jù)給定的壓力指令對管內水壓自動跟蹤，這樣使得管網壓力變化基本為零（見圖１）。

　　③ 減小電網和機械沖擊
　　變頻器可以在提供足夠啟動轉矩的前提下保證電機平穩(wěn)啟動，啟動電流可以控制在額定電流以下且電網不會受到啟停泵引起的不利影響，從而保證了其他設備的安全運行。
　　管網在水泵直接啟停時會產生水錘，長期如此將會造成管道的破裂或塌陷。變頻器的軟啟軟停特性則從根本上解決了“水錘效應”對管網的危害，同時電機本身也免除了因直接啟動帶來的損壞。
　　在確定了變頻改造的目標后，又對改造中可能出現(xiàn)的問題進行了充分的論證，并提出如下要求：
　　① 所需改造的變頻器裝置必須性能穩(wěn)定可靠，否則不但起不到節(jié)能降耗的作用，反而會給安全生產帶來巨大隱患。
　　② 在原有配電系統(tǒng)的基礎上進行改造，應盡量減少對原系統(tǒng)電氣設備、土建等方面的改動，否則會使追加成本過高。
　　③ 受空間的限制需盡量減小所需設備的占地面積。
　　④ 要保證良好的售后服務。
3 變頻器的比選
　　為了更好地完成中壓變頻器的選型，對目前市場上常見的中壓變頻器進行了比較分析：
　　①　高—低—高形式
　　利用現(xiàn)有低壓變頻器，通過降壓和升壓變壓器來實現(xiàn)中壓變頻器方案。此方案效率低，變頻器的負載由電動機轉變成變壓器，在低頻段和啟動過程中均有較大的局限性，故此方案的應用并不多見。
　　②　功率元件串聯(lián)形式
　　通過對進線裂相變壓器的降壓，使每個功率單元的耐壓要求降低，從而實現(xiàn)中壓變頻器方案，但是由于設備內部環(huán)節(jié)過多(6kv變頻器功率元件多達150個)，設備的穩(wěn)定性有待于進一步提高。此方案由于進線為多脈沖整流使得電網的進線諧波含量較低，每個功率單元可依然采用傳統(tǒng)的低壓IGBT與二極管的組合，使得此方案的產品造價較低，從而降低了用戶的初期投入。
　　③　三電平形式
　　通常功率元器件整流側為二極管，逆變側為IGBT或IGCT與二極管構成。此形式通過直流側電容器分壓，降低了單個元件的耐壓要求，但受目前大容量功率元器件的限制，此方案多應用于3 kv電機，即變頻器只能提供3 kv的輸出電壓，在6 kv系統(tǒng)中用戶需進行電機的星一角轉換或在變頻器的輸出側增加升壓環(huán)節(jié)，以提高輸出電壓。
　　另外，也有些產品通過功率元器件的串聯(lián)來提高電壓的輸出水平，但此舉違背了三電平分壓以降低單體元器件耐壓的初衷，同時也增加了控制的復雜程度。此形式的變頻器元器件數(shù)量與串聯(lián)形式的相比減少了許多，且設備穩(wěn)定性也有所提高。
　　④　雙PWM電流源型
　　變頻器采用SGCT作為整流與逆變側功率元件，SGCT單體耐壓為6.5kv，使得變頻器元件數(shù)量大大降低而整體結構更加簡單、可靠。整流側采用脈寬調制技術進行變流，使得在整個調速范圍內的電機功率因數(shù)始終接近1。另外，此方案無需進線變壓器，由此提高了設備的運行效率和減小了占地。電流源型的構造使得電機可以四象限運行。此方案由于整流、逆變側均采用大容量的高壓元器件，所以設備的整體造價較高，初期投入較大。
　　選擇變頻器時還應注意以下問題：
　　①　變頻器應在整個調速范圍內滿足IEEE519—1992對電網的諧波要求，即整流側應為18及18脈沖以上或PWM形式的整流方式，否則將對電網帶來污染。變頻器的輸出dv/dt對電機的影響同樣不可忽視，如多重化電壓源型變頻器的輸出dv／dt>1kv／ms，長期運行則會使電機出現(xiàn)發(fā)熱、噪音、震動等問題。
　　②　作為變頻器的核心一功率元器件，決定了整個設備的性能。變頻器的發(fā)展過程也是功率元件發(fā)展的過程，尤其當電壓等級、容量提高以后，一些在使用低壓變頻器時可以忽略的問題則變得比較突出，故中壓變頻功率元件應從耐壓水平、容量、故障率、故障模式、冷卻方式等多方面進行比較。
　　③　變頻器的結構、元件數(shù)量與產品的穩(wěn)定性直接相關。經過調研，設備的后期投入同樣不可忽視。變頻器的性價比計算公式如下：

　　權衡后最終選擇了羅克韋爾自動化公司的PowerFlex7000雙PWM中壓變頻器。
　　該設備為一體化設計(包括進線開關)，變頻器體積為2800mm x l000mm x 2300mm，設備可靠墻安裝。由于設備為整體設計，故僅需提供進出線動力電纜即可。根據(jù)工藝要求將設備提供的轉速、功率、狀態(tài)等信息反饋至主控室。
　　設備投入使用后運行穩(wěn)定。經測試，進線諧波電流THD＜4％、電壓THD＜1.5％，整個調速范圍內功率因數(shù)接近1，系統(tǒng)效率＞98％，電機噪音不明顯且無明顯額外溫升。
　　在節(jié)能方面，與改造前相比較節(jié)電為131.4x10⁴(kw·h)／a。若按0.473元／(kw·h)計算，則可節(jié)約電費約62萬元／a，設備的投入可在2～3年內收回。

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