1、高压变频调速系统在水厂生产中的应用【摘要】本文对高压变频调速系统进行了简单概述，并分析了其应用的可行性。在结合具体的应用案例进行了深入探讨。 【关键词】高压变频、调速系统、水厂生产、应用 中图分类号：O52 文献标识码： A 前言 水厂关系到居民的切身利益，因此，水厂的正常生产运营对维护社会稳定有着重要意义。在水厂生产过程中使用高压变频调速系统，对提高生产效率，提高生产的自动化有着重要意义。 高压变频调速系统在水厂生产中的应用的可行性 1、高压大功率变频器 变频调速作为现在较为先进的调速技术，因具有无极调速，调速范围大，控制方便，自动化程度高等优点，在供水领域应用越来越广。高压交流电动机变频调
2、速系统是通过改变电动机供电电源的频率与电压来改变电动机的速度的。适用于鼠笼式异步电动机及同步电动机。高压变频调速系统目前有两种结构型方式 1）单元串联式多电平 PWM 变频器 单元串联式多电平 PWM 变频器是采用若干个低压 PWM 控制的变频器作为功率变换单元串联而实现中高压输出（3kV，6kV，10kV） 。其输出电压采用多电平移相式 PWM 控制。因此必须有一台多副绕组的大容量移相供电变压器（干式变压器）给若干个功率单元供电。调速装置应有变压器柜、变频柜（内装功率单元） 、控制柜。由于功率部份电压较高（6kV，10kV） ，控制部份与功率部份采用光纤通信，电气上完全隔离。 2）三电平变频
3、器 三电平变频器在结构上可分为二极管箝位型三电平变频器和电容箝位型三电平变频器。三电平变频器具有元器件少，结构紧凑，体积小等优点。但是三电平变频器的输出电压波形的谐波含量很大，必须加正弦波滤波器。另外它对电力电子器件的要求也比较高，国内产品比较少，控制较为复杂。三电平变频器在国内市场遇到的最大难题是电压输出问题，其最大输出电压达不到 6kV，所以往往需要采用变通的方法，要么改变电机的电压，要么在输出侧加升压变压器。这一弱点限制了它的应用。所以单元串联式多电平变频器虽然变流环节复杂，功率元器件数目多，体积略大一些，但是，在三电平的结构方式的输出电压不能完全解决国内应用的需要，高压器件应用的可靠性
4、还不是太高的情况下，在最近的一段时期内，单元串联式多电平 PWM 变频器仍是电机定子供电变频调速的主力军。 2、 应用高压变频器的必要性 现场中的供水泵等高能耗设备，其输出功率不能随生产负荷变化而变化，只有通过改变阀门的开度来调整，这导致负载运行效率较低，并且有大量能量浪费在节流损失中。 为了提高自来水厂的生产效率、降低能耗以及系统的综合可靠性，供水泵的驱动系统拟采用全数字交流高压变频器实施控制。高压变频调速系统是直接串联于高压电源与高压电机之间的变频调速设备，以其现场改造、安装方便以及安全、良好的运行性能正快速的替代其它调速产品，全面的进入到市政行业的节能改造项目中。利用高压变频调速技术的目
5、的是改变设备的运行速度，以实现调节现场工况所需水量的大小，大大提高了系统的自动化程度，既满足了生产要求，又达到了节约电能，并且减少了因调节阀门而造成阀门和管道的磨损以及因经常停机检修所造成的经济损失，同时使维护量大大降低，为自来水厂可带来了可观的效益，切实响应了国家节能降耗的号召。 3应用高压变频器的可行性 在水泵上，高压变频器的可行性如下： 1） 将高压变频器串联在用户现场的高压开关柜与高压电机之间即可。变频器的所有部件采用内部连线，用户只须连接高压输入、高压输出、AC220V 控制电源和控制信号线即可； 2） 该技术方案成熟可靠； 4） 适应于中国用户电网工况，主电源+15%-35%波动不
6、停机，瞬时失电 5 个周期可满载运行不跳闸，掉电 20s 内不会停机； 5） 输入功率因数高，网侧不需要添加功率因数补偿装置； 6） 电流谐波少，满足国际、国家标准要求，对电网没有谐波污染；7） 输出阶梯正弦 PWM 波形，无须输出滤波装置，可接普通电机； 8） 对电缆、电机绝缘无损害，电机谐波少，减少轴承、叶片的机械振动，输出线可以长达 1000 米； 9） 功率电路模块化设计，维护简单； 10）高压主回路与控制器之间为光纤连接，安全可靠； 11）完整的故障监测电路、精确的故障报警保护； 12）干式移相变压器在柜体中内置，安装方便，免维护； 13）内置 PLC，易于改变控制逻辑关系，适应多变
7、的现场需要； 14）可灵活选择现场控制、值班室远程控制，可通过电话网络遥测遥控； 15）可接受和输出 010V/420mA 工业标准信号； 16）直接内置 PID 调节器，可开环运行，可闭环运行； 17）全中文操作界面，具有无噪音、无运动部件、大容量数据存储、使用寿命长的特点，适应于一般值班人员的水平； 18）可进行运行数据和操作记录，打印输出运行报表； 19）完整的通用变频器参数设定功能； 20）设备安装调试、参数设定方便快捷。 三、 变频器系统控制方案及变频器部分参数 1、负载设备运行工艺介绍 供水泵、取水泵。首先要选好合适的水源和取水口，用管道输送至一级泵房（取水泵房）并在一级泵房前加氯
8、以杀灭藻类、植物和贝类动物。再通过一级泵房将水送至厂内处理系统中。通常经过混合（在水源水中加入适量的氯化铝，俗称矾）反应、沉淀、过滤、消毒等处理工艺，每一工艺配以相应的构筑物（如沉淀池、滤池、清水池等） ，滤后消毒一般是加氯和氨，投加了消毒剂的水经清水池、并在池内停留一小时左右就成为合格的饮用水，再经过二级泵房（供水泵房）加压输送到城市管网中，供生活饮用和生产使用。 下图为自来水厂水处理工艺流程图： 2、 系统控制方案 1）取水泵： 取水泵在控制方式上以流量恒定作为主控手段，原则上实行恒流量控制，根据静扬程的变化自动地调整水泵的转速，使一年四季的取水量保持不变。但由于季节的不同和不同时段的用水
9、量也不同，流量的目标值应能够自动调整。 为了防止净水池的水位过低或过高，故以净水池的水位作为辅助控制，即：水位低于一定程度时，控制系统将自动增大流量的目标值；水位超过上极限水位时，水泵停止。 2）供水泵： 对供水系统进行的控制，反映在流体压力的变化上，从而，压力就成为用来作为控制流量大小的参变量。就是说，保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了使该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量，这就是恒压供水所要达到的目的。用变频器实现恒压供水一般采用闭环控制，亦即 PID 控制。 3、系统主回路控制方案 一拖一手动系统成套设计方案如下（300 kW）： 方案：此方案是
10、手动旁路的典型方案。原理是由 3 个高压隔离开关QS1、QS2 和 QS3 和高压开关 QF、电动机 M 组成（见左图） 。要求 QS2 和QS3 之间存在机械互锁逻辑，不能同时闭合。变频运行时，QS3 断开，QS1 和 QS2 闭合；工频运行时，QS1 和 QS2 断开，QS3 闭合。高压开关QF、电动机 M 为现场原有设备。 一拖二手动旁路柜（500 kW） 基本原理：它是由六个高压隔离开关 QS1QS6 组成（见左图） 。其中QS2 和 QS3,QS5 和 QS6 有电气互锁,QS1 和 QS5,QS4 和 QS6 安装机械互锁装置。如果 M1 工作在变频状态，M2 可以工作在工频状态；
11、相反如果 M2工作在变频状态，则 M1 可以工作在工频状态；如果检修变频器，两台负载都可以工频运行。 4、 高压变频器参数 四、现场施工要点 1、安装环境控制要点 (1) 变频器启动时，要求环境温度大于 0，无结露，最高环境温度40，温度变化应不大于 5/h。如果环境温度超过允许值，应考虑为其配备相应的空调设备。一般情况下，希望将调速装置周围的环境温度控制在 25左右。 (2) 环境湿度要求小于 95%（20） ，相对湿度的变化率每小时不超过 5%，同时避免结露，否则应为其安装除湿设备； (3) 不能将调速装置安装在有较大灰尘、腐蚀或爆炸性气体、导电粉尘等空气污染的环境里，要求为调速装置提供经
12、过良好装修的专用房间。 (4) 安装现场的污秽等级不能大于级，现场电磁环境需满足以下国标中的规定（电磁兼容试验和测量技术）： GB/T 17626.2-1998；GB/T 17626.4-1998；GB/T 17626.5-1998； GB/T 17626.6-1998；GB/T 17626.8-1998。 (5) 要求变频器室及上级配电系统有良好的防雷措施，避免雷击的损坏。 (6) 如果安装变频器的房间需要采暖，应采用电暖气采暖设备，勿采用水暖气，以免因暖气漏水而带来变频器故障。 2、 柜体安装 (1) 变频器设备安装时，应考虑通风散热及操作空间的需要，整套装置背面离墙距离不得小于 1000
13、mm，装置顶部与屋顶空间距离不得小于1500mm，装置正面离墙距离不得小于 2000mm，装置侧面离墙必须保留不小于 1000 mm 的距离，方便安装调试及维护人员通过。 (2) 所有柜体应牢固安装于基座之上，并和厂房大地可靠连接。接地端子 PE 也应接至厂房大地。各柜体之间应相互连接成为一个整体。 (3) 安装过程中，要防止调速装置受到撞击和震动，所有柜体不得倒置，倾斜角度不得超过 30。 五、使用中的故障情况 变频器在使用中，也遇到了一些实际的问题。变频器安装运行后，正值夏季，暴露出变压器温升太高的问题，后来由厂家对变压器柜的通风结构进行了更改，使变压器的温升在合理的范围之内。 由于变频器
14、为空冷结构，在功率柜存在较强的空气循环，而变频器直接安装在敞开的送水泵房，曾经发生由于柜内太脏，堵塞光纤连接头，而导致的光纤故障。通过改进功率柜的密封结构，此问题得以解决。 变频器在水泵房的控制室内装有上位机，上位机与变频器采用 RS485通讯，此通讯线在初期铺设时走线不太科学，与强电线路距离太近，后来发生通讯接口板损坏的现象；更换接口板后，将线路重新合理铺设，解决了这个问题。 对于自来水公司来讲，变频器属于高技术产品，在工程安装和日常运行中，还是要不断提高操作维护人员的水平，才能将它用得更好，发挥更大的效益。 六、高压变频调速系统在水厂中的应用效果 1、 节能分析 （1）现场工况及负载技术数
15、据 1）供水泵运行参数（300kw） （2）工频状态下的耗电量计算 Pd：电动机功率 ；Cd：年耗电量值 ； U：电动机输入电压 ；I：电动机输入电流 ；cos：功率因数； T：年运行时间；：单负荷运行时间百分比 电机耗电功率计算公式：Pd =UIcos 累计年耗电量公式：Cd= T（Pd） 根据计算公式，通过计算可得出工频情况下各负载的耗电量如下： 表一 （3）变频状态下的年耗电量计算 1） 、对于水泵负载，变频状态下的计算如下： Pd：电动机轴功率 ； P：水泵轴功率 ；：电动机效率 ；：变频器实际效率 ；Q：水泵出口流量 ；H：水泵出、入口压力差，:管网特性系数。 由轴功率：P= Q*H
16、 ， 代入水泵的额定值，得出其管网特性系数 。 将水泵在不同负载下的、压力、流量值分别代入上式，可以求得轴功率。 综合考虑到电动机效率和变频器的效率， 电动机效率与电动机负荷率 之间的关系如图一所示。 变频器效率与系统负荷率 之间的关系如图二所示。 查图得出： 项目 设备名称 电动机效率 变频器效率 供水泵 0.88 0.95 则网侧消耗功率： 累计年耗电量公式：Cb= T（Pb） 根据计算公式，通过计算可得出变频情况下各负载的耗电量如下： 表二 （4） 节能计算 年节电量：C= CdCb 节电率=（C/Cd）100% 变频改造后，根据公式，可计算出各负载上变频后与工频相比每年的节电情况如下：
