高、低压变频器在浦口水厂的应用

一、前言

　　随着电子技术、电力技术的不断发展。高、低压变频装置正朝着大功率方向迈进，它在节能以及方便生产调度方面的应用正被越来越多的人所认知。变频调速技术以其显著的节能效果和可靠的控制方式，在水泵和风机系统中得到了广泛的应用。一些著名公司如德国的西门子公司、瑞士的ABB公司、美国的罗宾康公司、意大利的安萨尔多公司等在高、低压变频器调速技术上已趋成熟。变频器电力电子器件由最早的SCR、GTO、GTR、SGCT发展到目前的IGBT、IGCT，其产品的耐压水平、开关频次等特性指标不断提高，生产成本也逐步降低，为变频器的推广应用奠定了良好的基础。浦口水厂一泵房从1997年开始应用意大利的安萨尔多380V低压变频器；2004年，在二泵房使用了美国的罗宾康6KV高压变频器，均取得了良好的经济效益与社会效益。本文通过对变频器在浦口水厂中的应用案例进行总结研究，为同行提供建议，充分发挥变频器在水厂生产中的作用。

二、低压变频技术在一泵房的应用

1、工艺情况介绍
　　浦口水厂地处南京市浦口地区。水厂一泵房共4台200kW机组，设计能力为15万m³。目前实际出水量只有5万m³左右。最低水量为4万m³，最高水量为6~7万m³。是浦口地区惟一的水厂，未装变频器时，当水需求量低时，一泵房开一台机组运行，其额定流量超过需求的水量，须采用勒闸方式或停泵的方式；当水需求量高时，一泵房开两台机组运行，其额定流量超过需求的水量，须采用勒闸方式或停泵的方式运行，造成电机频繁开关。面对这样不合理的状况，通过安装了变频器，设置合理的控制方式，便于生产调度与节能运行。
2、低压变频器工作原理概述
　　浦口水厂低压变频器为意大利安萨尔多公司生产的380V低压变频器，型号为SVTS200，功率为200kW，为电流型变频器，在3号和4号机组上各安装了一台。低压变频器的基本构成如下：

　　如上图，整流器把电网侧交流电转为直流电，逆变器在控制器的控制下利用6个半导体主开关器件，组成的三相桥式逆变电路，有规律的控制主开关的通断取得任意三相交流电源，中间环利用电容、电感实现电机与中间直流环节的无功交换。控制器主要完成对逆变器的开关控制，对整流器的电压控制以及完成各种保护显示功能。其变频器特点：
　　（1）逆变单元采用目前性能比较先进的IGBT元件，其耐压在1200V以上，最大电流为400A。
　　（2）采用正弦脉冲宽度调节（PWM）技术，这样可由逆变器自身完成调频和调压的任务；不需要由整流器完成调压，同时可减少和消除某些谐波。
　　（3）对交流电机没有特殊要求。
　　（4）直接控制磁通量，具有VVVF特性。
　　（5）保护功能比较全面。
3、低压变频器的控制方式
　　在水厂一泵房应用变频器的目的是为了实现节能及平滑调节生产的目的。下图是浦口水厂一泵房3号水泵变频机组的控制设计原理简图：

　　从上图可以看出，水泵有两种运行方式，通过合KM1（KM2断开）可实现工频运行方式；另一种是通过合KM2（KM1断开）运行变频方式。在变频器发生故障的情况下或水量需求满足工频运行的情况下，水泵运行在工频的方式下。在变频运行方式下，设置手动和自动控制方式。自动控制的方式是变频器设定水位给定信号，并与液位仪采集的信号进行比较，变频自动判断增加或减少频率。当超过信号采集时间30分钟后再比较采集信号，来进行增加或减低频率。这是因为变频器在增加或降低频率后，须经历沉淀、过滤工艺过程，源水的变化才响应到清水池，所以需要延迟一段时间进行数据比较。通过反复试验，获取了上述经验数据。在实际生产中，此经验数据的应用保持了清水池水位的相对稳定，便利了生产调度。
4、经济效益分析与应用注意事项
　　现对一泵房安装变频器前后的数据进行比较。1996年未采用变频器之前，一泵房用电单耗为0.0534 kWh/ m³，在使用变频后用电单耗0.0440 kWh/ m³，单耗下降了18%，使用变频机组后月平均用电减少约2万度，年节省费用12万元以上，取得了良好的经济效益。
　　变频器在应用中的注意事项总结如下：
　　大功率变频器由于运行时电流较大，特别是在夏季，运行温度较高。变频器对环境温度有一定的要求，—般不超过40℃。如果超过40℃，变频器寿命将减少。浦口水厂为此把变频器安装在通风除尘良好的房间。
　　变频器出线安装接触器，从浦口水厂实践看效果不好。浦口水厂两台变频器进出线安装有相应交流接触器。在变频器远行中，特别是出线接触器其主触头及铁芯线圈温度较高，测量时达120℃以上，造成线圈烧坏。其原闪可能是谐波串入接触器，造成接触器发热。目前，浦口水厂把出线接触器解掉。
　　变频器应有良好的接地。二次控制线与电力电源线不能在同一导线槽内。至少离开10cm以上，且控制线应该采用屏蔽双绞线。

三、高压变频技术在二泵房的应用

1、工艺情况介绍
　　浦口水厂二泵房共5台机泵，其中1号机泵400kW，2号机泵和4号机泵250kW，3号机泵和5号机泵630kW，设计生产能力为15万米³/天。最低时出水量是1440 m³/h。最高时出水量是3210 m³/h，最高日出水量为67670 m³/d。在机泵没进行变频改造前，白天一般运行1号单台机泵，在出水量较大时运行1号机泵和2号机泵或4号机泵两台并联运行，但由于在并联运行时出水压力较高，一般采用勒2号机泵或4号机泵出水闸门的方式调节压力。晚上，一般运行2号机泵过夜，但出水压力较低；若运行1号机泵时压力又偏高。可见，运行方式比较单一，没有备用泵使用。因此决定对1号机泵进行变频改造，并同时把3号机泵进行改造为355kW。
2、高压变频器工作原理概述
　　浦口水厂二泵房采用美国安塞罗宾康6KV完美无谐波高压变频器，功率为450Kw，型号为PH-6-6-450KW。其工作原理如下：
　　如下如图所示，它主要由隔离变压器及功率单元组成。每相由6个相同的功率单元串接而成，各功率单元由一个变压器的二次线圈供电，功率单元的供电电压为580V，功率单元和二次线圈相互绝缘。由于每个功率单元输出电压为580V，6个相加为3480V，对应线电压为6027V，额定值为6000V。每个功率单元采用IGBT构成的三相输入，单相功率单元输出0~580V可调电压和0~120HZ的可调频率，功率单元受控于中央控制器。命令信号由光纤传送，具有良好的抗干扰性。由于变压器二次线圈在绕制时相互间存在相位差，这样可消除各单元产生的大系数谐波电流，功率因数可在0.95以上，经实测电压、电流谐波畸变（THD）小于3%；变频器输入端的电压电流波形其THD小于3%。功率单元越多，其THD将越小。

　　无谐波高压变频器从本质上解决了以往高压大功率变频器应用中存在的许多问题，如对电网的谐波污染，输入功率因数较低，电机发热，转矩脉动，dv/dt影响影响电机绝缘等。
3、高压变频器的控制方式
　　变频器用于二泵房其主要目的为节能降耗、平稳调节供水压力为市民优质的服务。经设计确定1号400kW机泵安装450kW变频器。2004年12月份变频器投入运行。系统控制结构简图见下图：

　　该系统由旁路柜、变频器及压力采样仪表，计算机组成。旁路隔离开关主要用于电机的工频运行及变频器检修时的运行。1号机泵变频器有手动和自动运行方式。自动运行时，由人工设定出厂水压力。变频器通过采集出厂水管网压力信号并与设定值进行比较，自动降低或升高电机运行频率，实现稳定的供水压力。
4、经济效益分析与应用注意事项
　　现对二泵房安装变频器前后的数据进行比较分析。数据采集时间为变频器前后一个月运行时的数据。

运行方式 总用电量（kWh） 总送水量（m³） 单耗（kWh/ m³） 变频前 18552 100510 0.1846 变频后 30368 182560 0.1663

　　由数据可以计算出二泵房电耗下降了9.9%。减少了开关机泵次数，减少了机械磨损和噪音。同时现在出厂水压力依据管网的要求在0.35MPa~0.44Mpa之间任意设定，实现了衡压供水（见下图），改善了管网供水压力，为市民提供了更优质的服务。

　　变频器在应用中的注意事项总结如下：
　　应用大功率变频调速节能效果非常显著，无谐波变频器适合于改造项目，无须更换原有的高压电机或另加升压变压器。在采用大功率变频器时，首先要考虑采用调速系统的节能潜力，其次要考虑到谐波对电网的影响，选择合适的容量与台数。
　　经常记录变频器运行情况（运行模式、电压、电流、速度、功率等）， 发生跳闸时，要记录下故障情况，查明原因解除故障后方可再次送电。
　　1) 长期运行的变频器特别是高压变频器在温度、湿度、振动、灰尘等影响下，其性能会发生变化，因此有必要加强日常维护和检查，主要是检查各部分有无异味、振动、过热现象和及时清理灰尘等。
　　由于变频器为进口设备，运行操作较复杂，需及时对运行人员进行培训，能尽快正确操作变频器，保证安全生产。

四、结束语

　　从变频器在浦口水厂多年的运行中可以得出结论，变频器运行可以降低能耗，调节生产，保证水厂稳定安全运行。城市供水企业是一个耗能大户，许多设备的综合能耗大大高于先进水平；另一方面在制水过程中存在着自动化程度较低的现象，靠操作人员勤跑、勤看、勤调节的落后生产管理方法，在水质要求越来越高的情况下越来越不适应。因此，在供水行业推广应用变频器对节能降耗和提高自动化程度有着重要的意义；对变频器的应用要不断进行总结，一方面要维护好它，更重要的是变频器的应用与工艺充分结合，发挥它的最大效用。