謝喜平
(太倉(cāng)市自來(lái)水公司，江蘇　太倉(cāng)　215400)

　　摘　要： 分析了水廠送水泵房原工藝控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題，闡述了送水泵進(jìn)行變頻調(diào)速改造的設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)配置，并對(duì)如何實(shí)現(xiàn)水泵的變頻控制作了較詳細(xì)的介紹，最后就目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的幾種中壓變頻器進(jìn)行了比較。
　　關(guān)鍵詞： 中壓變頻器； 變頻調(diào)速； 水泵； 閉環(huán)控制
　　中圖分類號(hào)：TU991.35　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C　　　文章編號(hào)：1000-4602(201)4)06-0077-03

　　太倉(cāng)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(duì)水廠送水泵房變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了改造。太倉(cāng)水廠二期改造送水量為20x10⁴m³／d，送水泵4臺(tái)(2臺(tái)為10x10⁴m³／d，2臺(tái)為5x10⁴m³／d)，用水量低谷時(shí)為(10-15)x10⁴m³／d，高峰時(shí)為(15～20)x10⁴m³／d。現(xiàn)決定將其中1臺(tái)10x10⁴m³／d的送水泵(電機(jī)型號(hào)為Y560-8，功率為800 kw，轉(zhuǎn)速為744 r／min，電流為94.1A，電壓為6kv，功率因數(shù)為0．873)進(jìn)行變頻改造，與送水量分別為5x10⁴m³／d和10x10⁴m³／d的兩臺(tái)泵配合使用，以滿足實(shí)際的供水要求。
1　改造前的狀況
　　經(jīng)多年的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)有以下問(wèn)題制約著生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行：
　　① 用戶的用水量隨季節(jié)、時(shí)間的變化而變化，使供水量難以控制；而整個(gè)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(shè)計(jì)余量，這樣使得在用水量較低時(shí)浪費(fèi)了大量的電能。
　　② 操作人員需要頻繁增減泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)或者通過(guò)調(diào)節(jié)閥門來(lái)保持水量的平衡，這樣不但增加了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且難以保證供水壓力的恒定，影響了供水質(zhì)量。
　　③ 頻繁開(kāi)啟水泵增加了對(duì)電機(jī)、泵的機(jī)械沖擊，縮短了它們的檢修周期和使用壽命，增加了設(shè)備的檢修費(fèi)用，尤其是當(dāng)大容量水泵啟動(dòng)時(shí)引起的電壓波動(dòng)會(huì)對(duì)其他設(shè)備運(yùn)行帶來(lái)不良影響。
2　改造的目的和要求
　　為了解決上述問(wèn)題，達(dá)到優(yōu)化工藝控制、節(jié)能降耗和穩(wěn)定生產(chǎn)的目的，通過(guò)廣泛調(diào)研最終決定對(duì)送水泵進(jìn)行變頻調(diào)速改造，理由如下：
　　①節(jié)能降耗
　　a．變頻調(diào)速節(jié)能
　　恒速電機(jī)利用閥門調(diào)節(jié)供水量，揚(yáng)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(diào)速時(shí)的閥門為完全打開(kāi)狀態(tài)，使得管阻特性不變，揚(yáng)程特性則隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，在保證管網(wǎng)壓力的前提下改變了供水量，真正實(shí)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(yùn)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(zhuǎn)速
　　　　對(duì)于離心式負(fù)載：Ｑ_１／n_１＝Ｑ_２／n_２　　　　　　　　　　　（２）
　　可見(jiàn)水泵在變頻調(diào)速的過(guò)程中始終處在高效區(qū)。而電機(jī)在變頻調(diào)速過(guò)程中，由于電機(jī)電壓隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，所以確保了電機(jī)在輕載時(shí)也能工作在高效區(qū)。
　　② 自動(dòng)恒壓供水
　　水壓的閉路循環(huán)控制可以通過(guò)變頻器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)過(guò)程中無(wú)需進(jìn)行閥門操作即可完全自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，并且還可根據(jù)給定的壓力指令對(duì)管內(nèi)水壓自動(dòng)跟蹤，這樣使得管網(wǎng)壓力變化基本為零（見(jiàn)圖１）。

　　③ 減小電網(wǎng)和機(jī)械沖擊
　　變頻器可以在提供足夠啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的前提下保證電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)，啟動(dòng)電流可以控制在額定電流以下且電網(wǎng)不會(huì)受到啟停泵引起的不利影響，從而保證了其他設(shè)備的安全運(yùn)行。
　　管網(wǎng)在水泵直接啟停時(shí)會(huì)產(chǎn)生水錘，長(zhǎng)期如此將會(huì)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(yīng)”對(duì)管網(wǎng)的危害，同時(shí)電機(jī)本身也免除了因直接啟動(dòng)帶來(lái)的損壞。
　　在確定了變頻改造的目標(biāo)后，又對(duì)改造中可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)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(huì)給安全生產(chǎn)帶來(lái)巨大隱患。
　　② 在原有配電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，應(yīng)盡量減少對(duì)原系統(tǒng)電氣設(shè)備、土建等方面的改動(dòng)，否則會(huì)使追加成本過(guò)高。
　　③ 受空間的限制需盡量減小所需設(shè)備的占地面積。
　　④ 要保證良好的售后服務(wù)。
3 變頻器的比選
　　為了更好地完成中壓變頻器的選型，對(duì)目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的中壓變頻器進(jìn)行了比較分析：
　　①　高—低—高形式
　　利用現(xiàn)有低壓變頻器，通過(guò)降壓和升壓變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)中壓變頻器方案。此方案效率低，變頻器的負(fù)載由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)變成變壓器，在低頻段和啟動(dòng)過(guò)程中均有較大的局限性，故此方案的應(yīng)用并不多見(jiàn)。
　　②　功率元件串聯(lián)形式
　　通過(guò)對(duì)進(jìn)線裂相變壓器的降壓，使每個(gè)功率單元的耐壓要求降低，從而實(shí)現(xiàn)中壓變頻器方案，但是由于設(shè)備內(nèi)部環(huán)節(jié)過(guò)多(6kv變頻器功率元件多達(dá)150個(gè))，設(shè)備的穩(wěn)定性有待于進(jìn)一步提高。此方案由于進(jìn)線為多脈沖整流使得電網(wǎng)的進(jìn)線諧波含量較低，每個(gè)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(chǎn)品造價(jià)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(cè)為二極管，逆變側(cè)為IGBT或IGCT與二極管構(gòu)成。此形式通過(guò)直流側(cè)電容器分壓，降低了單個(gè)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(yīng)用于3 kv電機(jī)，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(jìn)行電機(jī)的星一角轉(zhuǎn)換或在變頻器的輸出側(cè)增加升壓環(huán)節(jié)，以提高輸出電壓。
　　另外，也有些產(chǎn)品通過(guò)功率元器件的串聯(lián)來(lái)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(shí)也增加了控制的復(fù)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(shè)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(cè)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(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、可靠。整流側(cè)采用脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行變流，使得在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)的電機(jī)功率因數(shù)始終接近1。另外，此方案無(wú)需進(jìn)線變壓器，由此提高了設(shè)備的運(yùn)行效率和減小了占地。電流源型的構(gòu)造使得電機(jī)可以四象限運(yùn)行。此方案由于整流、逆變側(cè)均采用大容量的高壓元器件，所以設(shè)備的整體造價(jià)較高，初期投入較大。
　　選擇變頻器時(shí)還應(yīng)注意以下問(wèn)題：
　　①　變頻器應(yīng)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)滿足IEEE519—1992對(duì)電網(wǎng)的諧波要求，即整流側(cè)應(yīng)為18及18脈沖以上或PWM形式的整流方式，否則將對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)污染。變頻器的輸出dv/dt對(duì)電機(jī)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(zhǎng)期運(yùn)行則會(huì)使電機(jī)出現(xiàn)發(fā)熱、噪音、震動(dòng)等問(wèn)題。
　　②　作為變頻器的核心一功率元器件，決定了整個(gè)設(shè)備的性能。變頻器的發(fā)展過(guò)程也是功率元件發(fā)展的過(guò)程，尤其當(dāng)電壓等級(jí)、容量提高以后，一些在使用低壓變頻器時(shí)可以忽略的問(wèn)題則變得比較突出，故中壓變頻功率元件應(yīng)從耐壓水平、容量、故障率、故障模式、冷卻方式等多方面進(jìn)行比較。
　　③　變頻器的結(jié)構(gòu)、元件數(shù)量與產(chǎn)品的穩(wěn)定性直接相關(guān)。經(jīng)過(guò)調(diào)研，設(shè)備的后期投入同樣不可忽視。變頻器的性價(jià)比計(jì)算公式如下：

　　權(quán)衡后最終選擇了羅克韋爾自動(dòng)化公司的PowerFlex7000雙PWM中壓變頻器。
　　該設(shè)備為一體化設(shè)計(jì)(包括進(jìn)線開(kāi)關(guān))，變頻器體積為2800mm x l000mm x 2300mm，設(shè)備可靠墻安裝。由于設(shè)備為整體設(shè)計(jì)，故僅需提供進(jìn)出線動(dòng)力電纜即可。根據(jù)工藝要求將設(shè)備提供的轉(zhuǎn)速、功率、狀態(tài)等信息反饋至主控室。
　　設(shè)備投入使用后運(yùn)行穩(wěn)定。經(jīng)測(cè)試，進(jìn)線諧波電流THD＜4％、電壓THD＜1.5％，整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)功率因數(shù)接近1，系統(tǒng)效率＞98％，電機(jī)噪音不明顯且無(wú)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(jì)算，則可節(jié)約電費(fèi)約62萬(wàn)元／a，設(shè)備的投入可在2～3年內(nèi)收回。

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