一、概述

　　變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的 迅猛發(fā)展，高壓大功率變頻調(diào)速裝置不斷地成熟起來，原來一直難于解決的高壓問題，近年來通過器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。其應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍也越 來越為廣范，這使得高效、合理地利用能源（尤其是電能）成為了可能。電機(jī)是國民經(jīng)濟(jì)中主要的耗電大戶，高壓大功率的更為突出，而這些設(shè)備大部分都有節(jié)能的 潛力。大力發(fā)展高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)，將是時(shí)代賦予我們的一項(xiàng)神圣使命，而這一使命也將具有深遠(yuǎn)的意義。

　　葫蘆島市是遼寧省一座重要的新興工業(yè)城市，伴隨城市發(fā)展，用水供需矛盾日益嚴(yán)重。早在1993年，葫蘆島市就被水利部確定為全國20個(gè)嚴(yán)重缺水城市之一。為此，葫蘆島市政府決定引六股河之水，興建平山水源工程。1996年6月，平山水源工程正式開工，1998年12月，葫蘆島市政府與遼寧供水集團(tuán)成立葫蘆島平山供水有限責(zé)任公司，合資建設(shè)平山水源工程。平山水源于2000年4月開始向葫蘆島市供水，工程設(shè)計(jì)供水能力為10萬噸/日。平山水源取水泵站共有4臺同容量機(jī)組，電機(jī)功率為710KW,電壓等級為1萬伏，水泵功率為536KW,設(shè)計(jì)為三用一備。根據(jù)平山水源供水的這一實(shí)際情況，平山供水公司經(jīng)多方咨詢，決定對水泵作調(diào)速改造。公司為此專門組織了由公司總工程師帶隊(duì)，有公司主要技術(shù)人員和省水利設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)人員參加的考察小組，先后到北京、天津、湖南考察調(diào)速電機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用情況。變頻調(diào)速系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可操作性，性價(jià)比優(yōu)越，安全調(diào)試方便，適合本企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，于是終決定采用該變頻器進(jìn)行水泵的調(diào)速改造。

　　二、HARSVERT-A系列變頻器原理

　　變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)、改變功率因數(shù)、過流/過壓/過載保護(hù)等功能。國內(nèi)技術(shù)較的品牌有英威騰、匯川、三 晶、紫日電氣科技有限公司、雷諾爾、歐瑞（原煙臺惠豐）、藍(lán)海華騰。

　　HARSVERT-A系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖2.1,由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10000V系列有24個(gè)功率單元，每8個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。

　　每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)見圖2.2,為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，可得到如圖2.3所示的波形。

　　輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構(gòu)成48脈沖整流方式；經(jīng)多級移相疊加的整流方式，可改善電流波形，是逼近標(biāo)準(zhǔn)正弦波，高次諧彼<2%,完全符合1992年制定的IEEE519標(biāo)準(zhǔn)和GB/T14549,93國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》要求。負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1.

　　另外，由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對獨(dú)立，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。

　　輸出側(cè)由每個(gè)單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過對每個(gè)單元的PWM波形進(jìn)行重組，可得到如圖2.4所示的階梯PWM波形。這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械振動(dòng)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。

　　變頻器系統(tǒng)安全、可靠，保護(hù)裝置功能齊全，具有過電壓、欠壓、過電流、過熱、缺相等保護(hù)裝置。具有完整的故障監(jiān)測電路、的故障報(bào)警保護(hù)和將故障功率模塊旁路功能。

　　當(dāng)某一個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)，通過使圖2.2中的繼電器K閉合，可將此單元旁路出系統(tǒng)而不影響其他單元的運(yùn)行，變頻器可持續(xù)降額運(yùn)行；如此可減少很多場合下停機(jī)造成的損失。

　　三、調(diào)速方案

　　根據(jù)實(shí)際情況，我們確定的調(diào)速方案為：選擇1、4號泵為可調(diào)速水泵，正常運(yùn)行時(shí)其中任一臺運(yùn)行于調(diào)速狀態(tài)，而另一臺泵作為備用，也可隨時(shí)投入工頻狀態(tài)運(yùn)行。兩臺泵運(yùn)行狀態(tài)的切換采用手動(dòng)方式。并要求兩臺泵不能同時(shí)投入變頻狀態(tài)，或同時(shí)投入工頻狀態(tài)運(yùn)行，對此要求，在設(shè)計(jì)旁路切換柜時(shí)特別設(shè)計(jì)了機(jī)械聯(lián)鎖裝置。實(shí)際的原理接線圖如圖3.1:

　　其中：KA1、KA2為高壓開關(guān)

　　KG1-KG4 為隔離開關(guān)

　　四、水泵調(diào)速替代閥門節(jié)流后的節(jié)能情況

　　1.水泵實(shí)際應(yīng)用工況

　　平山供水公司是向葫蘆島市自來水公司提供源水的公司。其水源由平山水源泵站輸送到位于葫蘆島市的平山供水公司的清水廠，在清水池中進(jìn)行處理后再送到自來水公司。

　　2.節(jié)能分析

　　如果通過水泵調(diào)速方式改變流量，使流量由Q1變至Q2,速度由N1調(diào)至N2,則工作點(diǎn)由A點(diǎn)降到B點(diǎn)；如果水泵定速為N1運(yùn)行，通過閥門改變流量，則水泵從A點(diǎn)變?yōu)镃點(diǎn)。水泵在B、C兩工作點(diǎn)的功率分別為：PC=H3×Q1, PB =H2×Q1;

　　假設(shè)水泵在B、C兩點(diǎn)效率差別不大，都約為η，則調(diào)速方式相對于關(guān)閥方式，節(jié)能效益

　　3. 實(shí)際節(jié)能情況

　　實(shí)際運(yùn)行中，每臺泵在工頻運(yùn)轉(zhuǎn)下的滿負(fù)荷輸出為1800m3/h,我們根據(jù)典型的應(yīng)用工況，分別統(tǒng)計(jì)了管網(wǎng)輸出為3268m3/h及2600m3/h時(shí)兩臺工頻泵及一臺工頻泵配一臺變頻泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的幾組數(shù)據(jù)：

　　兩臺工頻泵在管網(wǎng)流量為3268m3/h下運(yùn)轉(zhuǎn)，統(tǒng)計(jì)時(shí)段累計(jì)供水量為50190m3,耗電量為21450度，計(jì)算得噸水耗電量為0.4274度；

　　一臺工頻泵配合一臺變頻泵在管網(wǎng)流量為3268m3/h下運(yùn)轉(zhuǎn)，統(tǒng)計(jì)時(shí)段累計(jì)供水量為47525m3,耗電18375度，計(jì)算得噸水耗電量為0.3866度；

　　兩臺工頻泵在管網(wǎng)流量為2600m3/h下運(yùn)轉(zhuǎn)，統(tǒng)計(jì)時(shí)段累計(jì)供水量為62270m3,耗電量為28950度，計(jì)算得噸水耗電量為0.464度；

　　一臺工頻泵配合一臺變頻泵在管網(wǎng)流量為2600m3/h下運(yùn)轉(zhuǎn)，統(tǒng)計(jì)時(shí)段累計(jì)供水量為68100m3,耗電29550度，計(jì)算得噸水耗電量為0.4339度；

　　假設(shè)使用一臺變頻泵配一臺工頻泵，一年中各有一半時(shí)間分別在3268m3/h及2600m3/h下運(yùn)轉(zhuǎn)，每度電費(fèi)為0.45元，則一年中較使用兩臺工頻泵節(jié)約的電費(fèi)為：

　　（0.4274-0.3866）×3268×24×365/2×0.45+（0.4649-0.4339）×2600×24×365/2×0.45=262802+158862=42.1664萬元。

　　五、方便的閥門聯(lián)鎖功能

　　HARSVERT-A系列高壓變頻器配備了西門子公司的S7-200系列PLC,在實(shí)現(xiàn)外部邏輯控制時(shí)顯得尤為方便。其閥門聯(lián)鎖功能的作用是：在啟動(dòng)水泵升速過程中，水泵出口水壓逐漸增高，當(dāng)大于設(shè)定的"開閥出口水壓"時(shí)，閥門開始打開，直至開全；在停泵時(shí)，閥門同步關(guān)閉；如果開泵時(shí)，閥門因各種原因未能開全，將提示"閥門沒有開全",停泵時(shí)，如閥門未關(guān)嚴(yán)，將提示"閥門沒有關(guān)嚴(yán)".實(shí)際運(yùn)用中，我們將"開閥水壓"設(shè)定為0.9MPa,這樣在開泵和停泵過程中，值班人員無需再對閥門執(zhí)行任何操作，不僅減少了操作的失誤，而且在開閥、關(guān)閥過程中對管網(wǎng)的沖擊也很小。

　　六、方便快捷的操作

　　HARSVERT-A系列高壓變頻器有完善的上位機(jī)監(jiān)控功能，操作人員在值班室即可完成對變頻器的一切操作，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際工況，在變頻器的控制界面和遠(yuǎn)程監(jiān)控界面上可以實(shí)時(shí)顯示總管流量、總管水壓、變頻泵出口水壓等參數(shù)，極大的減輕了操作人員的工作量，提高了工作效率。監(jiān)控界面見圖6.1.

　　七、先進(jìn)的遠(yuǎn)程撥號監(jiān)控功能

　　對于供水公司的上層管理者而言，他們需要經(jīng)常了解變頻器的現(xiàn)場運(yùn)行情況，而變頻器的遠(yuǎn)程撥號監(jiān)控功能無疑給他們提供了極大的方便。他們只需在自己的辦公電腦上安裝利德華福公司提供的遠(yuǎn)程撥號軟件，在需要時(shí)撥通為變頻器提供的專線電話，即可看到變頻器的現(xiàn)場運(yùn)行界面。遠(yuǎn)程撥號軟件為他們設(shè)置了操作權(quán)限，不會發(fā)生誤操作而對變頻器的運(yùn)行正常造成任何影響。如果變頻器在運(yùn)行中出現(xiàn)故障，利德華福公司的技術(shù)服務(wù)部門也可通過遠(yuǎn)程監(jiān)控掌握現(xiàn)場的確切的運(yùn)行資料，以幫助他們及時(shí)作出準(zhǔn)確的判斷。

　　八、高壓大功率變頻器使用時(shí)的注意事項(xiàng)

　　1、當(dāng)全速泵和調(diào)速泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，為了保證不發(fā)生內(nèi)耗，水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍不宜太大，通常應(yīng)不低于額定轉(zhuǎn)速的50%,在70~100%之間。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的40~50%時(shí)，水泵本身的效率明顯下降，更不經(jīng)濟(jì)。

　　2、傳統(tǒng)的水泵都是按工頻全速運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)的，一般只在轉(zhuǎn)速下長期運(yùn)行，僅在啟動(dòng)過程中短時(shí)經(jīng)歷其他轉(zhuǎn)速點(diǎn)，所以難保在除工頻之外的其他頻率點(diǎn)上不存在機(jī)械共振現(xiàn)象。將傳統(tǒng)的水泵用變頻器驅(qū)動(dòng)調(diào)速運(yùn)行后，除工頻點(diǎn)之外，水泵也可能在調(diào)速區(qū)域的所有頻點(diǎn)上穩(wěn)定運(yùn)行，所以需要在整個(gè)調(diào)速區(qū)域?qū)λ脵C(jī)組作機(jī)械共振測定。如果存在機(jī)械共振頻點(diǎn)，應(yīng)該輸入變頻器，防止變頻器在這些特殊的頻率點(diǎn)上長期運(yùn)行。

　　3、變頻器安裝位置周圍的環(huán)境溫度應(yīng)低于40℃，變頻器的安裝空間應(yīng)足夠大，否則熱量無法散出，會使變頻器保護(hù)停機(jī)。當(dāng)環(huán)境溫度高于40℃，需配備相應(yīng)的空調(diào)設(shè)備。當(dāng)變頻器的安裝空間有，為了保證變頻器的正常運(yùn)行，需加裝強(qiáng)迫通風(fēng)裝置。

　　九、結(jié)束語

　　高壓大功率變頻器在工業(yè)和生活供水系統(tǒng)中的應(yīng)用將會越來越廣泛，除了有明顯的節(jié)能效果外，還可以接入工廠的DCS系統(tǒng)中，組成一個(gè)大閉環(huán)的調(diào)速控制系統(tǒng)，使工藝設(shè)備運(yùn)行方式更趨合理，使設(shè)備的自動(dòng)化程度提高到了一個(gè)新水平，將會有有很可觀的社會效益。