國產(chǎn)高壓變頻器在供水系統(tǒng)中供水泵的應(yīng)用

1、國產(chǎn)高壓變頻器在供水系統(tǒng)中供水泵的應(yīng)用    1、引言福建石獅供水公司（圖1）設(shè)計(jì)有3臺供水泵組，前期為2臺（#2、#3）供水泵組工頻啟動運(yùn)行（#1供水泵組進(jìn)行技改），#2機(jī)組電機(jī)功率為200kw/10kv，泵組額定流量為4200m3/h，#3機(jī)組電機(jī)功率為1120kw/10kv，泵組額定流量為8200m3/h，由于全天各個(gè)時(shí)間段電價(jià)的不同及水廠用水量變化較大的因素，水廠平時(shí)要靠經(jīng)常啟停供水泵組來控制系統(tǒng)的供水，這樣會造成工頻啟動供水泵時(shí)對泵組及供水管道造成沖擊威脅，并且通過閥門的開度來調(diào)節(jié)1、引言福建石獅供水公司（圖1）設(shè)計(jì)有3臺供水泵組，前期為2臺（

2、#2、#3）供水泵組工頻啟動運(yùn)行（#1供水泵組進(jìn)行技改），#2機(jī)組電機(jī)功率為200kw/10kv，泵組額定流量為4200m3/h，#3機(jī)組電機(jī)功率為1120kw/10kv，泵組額定流量為8200m3/h，由于全天各個(gè)時(shí)間段電價(jià)的不同及水廠用水量變化較大的因素，水廠平時(shí)要靠經(jīng)常啟停供水泵組來控制系統(tǒng)的供水，這樣會造成工頻啟動供水泵時(shí)對泵組及供水管道造成沖擊威脅，并且通過閥門的開度來調(diào)節(jié)供水量，大量電能消耗在閥門上?？紤]到上述因素，供水站決定對#1供水泵組進(jìn)行技改。圖1 福建石獅供水公司2、變頻改造方案經(jīng)過考察及研究，變頻調(diào)速在節(jié)能、調(diào)速精度、調(diào)速范圍等方面具有同其它調(diào)速裝置無法比擬的優(yōu)越性，以及

3、可以方便實(shí)現(xiàn)同自動化控制系統(tǒng)（如dcs系統(tǒng)等）的通訊，決定使用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司變頻裝置帶#1泵組運(yùn)行。并同時(shí)對#2、#3泵組進(jìn)行增加軟啟動技改項(xiàng)目。2.1 harsvert-a10/120型高壓變頻裝置原理harsvert高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由多組功率模塊串聯(lián)而成，從而由各組低壓疊加而產(chǎn)生需要的高壓輸出，它對電網(wǎng)諧波污染小，總體諧波畸變thd小于4%，直接滿足ieee519-1992的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置;輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動、噪音、輸出dv

4、/dt問題、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機(jī)。變頻裝置10kv系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10kv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)以及電氣性能完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，它為基本的交-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3所示的波形。圖2 功率單元電路結(jié)構(gòu)圖3 單元輸出的pwm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;這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1

5、。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，每個(gè)功率單元等效為一臺單相低壓變頻器。輸出側(cè)由每個(gè)單元的u、v輸出端子相互串接成星型接法直接給高壓電機(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4所示的階梯正弦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延長，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，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。圖4 變頻器輸出的線電壓階梯正弦pwm波形當(dāng)某一個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)，通過使圖2中的軟開關(guān)節(jié)點(diǎn)k導(dǎo)通，可將此單元旁路出系統(tǒng)而

6、不影響其他單元的運(yùn)行，變頻器可持續(xù)降額運(yùn)行，可減少很多場合下停機(jī)造成的損失。2.2 設(shè)備選型引水一號機(jī)組技改配置水泵揚(yáng)程45m，流量8600m3/h，配套電機(jī)1600kw/10kv，配套一臺北京利德華福電氣技術(shù)有限公司1600kw/10kv高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，變頻系統(tǒng)安裝、調(diào)試在2004年7月份完成并開始運(yùn)行。自水站引水通水以來，管路特性不斷惡化，后采用前加氯，管道特性開始好轉(zhuǎn)，但未達(dá)到設(shè)計(jì)值，選型時(shí)水泵揚(yáng)程只有根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算，水廠根據(jù)運(yùn)行情況將水泵揚(yáng)程設(shè)計(jì)值由50m降到45m，現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，額定點(diǎn)揚(yáng)程45m，流量8600m3/h，保證了水泵在最高效區(qū)的運(yùn)行。3、改造后系統(tǒng)運(yùn)行情況3.1 變頻

7、試運(yùn)情況試運(yùn)行時(shí)，電機(jī)在頻率2426hz之間存在機(jī)械共振，后設(shè)置變頻跳躍頻率點(diǎn)，避開共振區(qū)，供水泵組穩(wěn)定運(yùn)行;實(shí)際調(diào)速時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速可降到額定的40%，即198r/min穩(wěn)定運(yùn)行，各種參數(shù)符合其特性曲線。3.2 變頻操作及節(jié)能情況這次技改，通過變頻可以減少工作人員的工作量、保護(hù)管道、節(jié)省電耗，在選型及可行性論證中水站投入了比較大的精力，引水變頻的使用屬于采用調(diào)速且管路特性不變的情況，水泵運(yùn)行時(shí)單泵走單管，不屬于變頻和工頻水泵并聯(lián)運(yùn)行的情況，應(yīng)該算是比較簡單并且最省電的情況，但實(shí)際上，由于峰谷電價(jià)、調(diào)節(jié)池的水位調(diào)節(jié)、水廠用水量變化較大（水廠取水只可用開關(guān)水泵調(diào)節(jié)）等因素，不能單純地按流量來調(diào)節(jié)，需

8、要建立一個(gè)有效的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行變頻的控制，現(xiàn)將變頻的控制做一個(gè)說明:（1） 變頻的數(shù)據(jù)采集是通過變頻本身的plc模塊實(shí)現(xiàn)，plc模塊和工控機(jī)通過rs-485卡通訊，水站通過原有控制系統(tǒng)即ab的plc和變頻器中的西門子的plc進(jìn)行modbus通訊，通訊成功后信號非常穩(wěn)定。（2） 變頻控制分開環(huán)和閉環(huán)控制（恒壓供水）兩種，水站的運(yùn)行方式為開環(huán)運(yùn)行，即在ab的plc內(nèi)計(jì)算數(shù)值輸送到變頻進(jìn)行控制，泵站控制系統(tǒng)上位機(jī)的控制分為手動和自動兩種，手動即手動輸入頻率，自動為ab的plc根據(jù)調(diào)節(jié)池水位、峰谷電價(jià)、總用水量的情況計(jì)算出變頻輸出頻率以控制變頻器，自動方式受影響方式較多，為了實(shí)現(xiàn)自動控制，水站先對中控調(diào)

9、度主機(jī)進(jìn)行軟件修改，穩(wěn)定了數(shù)據(jù)傳送，并在調(diào)節(jié)池增加了水位信號。在信號穩(wěn)定之前，變頻控制采用手動控制，電價(jià)谷值開1、3號機(jī)，其余開1、2號機(jī)，峰值時(shí)變頻器頻率調(diào)在30hz，平值根據(jù)水位手動調(diào)節(jié)，這樣整個(gè)供水系統(tǒng)可年省100萬元以上（日供30萬噸），但手動調(diào)節(jié)存在不能合理地分配平值電價(jià)時(shí)的流量及時(shí)間控制上的誤差以及對日供水量的估計(jì)不足等因素，因此，水站在日供水為27.531萬噸時(shí)建立一模型，和手動調(diào)節(jié)的唯一不同在平值電價(jià)時(shí)的頻率根據(jù)調(diào)節(jié)池水位及總用水量（山兜取水量+20萬噸取水量）進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)池水位設(shè)定在3.3m，運(yùn)行一星期，和手動調(diào)節(jié)相比，千噸水的耗電量由112kwh降到105kwh（日供30萬噸），以平均電價(jià) 0.51元/kwh計(jì)算，日省1071元，年省38萬元，自動運(yùn)行后，到晚上11:00調(diào)節(jié)池水位保持在3.283.38之間，達(dá)到設(shè)計(jì)理想值，若將保持水位降到3.3m以下，則省電效果更加明顯。在日供水流量低于27.5萬噸或大于31萬噸時(shí)，要達(dá)到最佳省電效果就要調(diào)節(jié)工頻機(jī)（2#、3#機(jī)組）的運(yùn)行時(shí)間，更加復(fù)雜，現(xiàn)水廠正在努力進(jìn)行計(jì)算，爭取可以拿出一個(gè)最佳的方案?？梢?，建立一個(gè)可行有效的模型是省電的關(guān)鍵，在做好日常維護(hù)的同時(shí)，需時(shí)時(shí)根據(jù)管道參數(shù)及水泵運(yùn)行參數(shù)完善運(yùn)行模型，使之可以讓變頻發(fā)揮最大的作用。4、結(jié)束語高壓變頻