葫蘆島市平山供水公司 劉旭生 何鳳桐 張志剛
一、概述
　　近幾年來，高壓變頻調速技術這一嶄新的、變革性的技術在國民經濟的各個重要的行業正得到越來越廣泛的應用。特別是國內一些生產廠家的技術水平，已接近世界同行業的領先水平。作為高壓變頻調速的最新技術，單元串聯多電平高壓變頻器，采用多重化技術，提供無諧波的波形、具有顯著的節能效果，是其他高壓變頻調速技術所無法比擬的。
　　葫蘆島市是國內嚴重的缺水城市，而平山水源則是葫蘆島市水源供給的命脈。水資源的嚴重匱乏，使供水量的調節尤為重要。平山水源泵站有4臺10KV、功率710KW的水泵機組。每臺機組的額定流量為1800m3/h，揚程為120米。平山水源距葫蘆島市60公里，沿途要翻越幾座100米左右的山坡，因而管網壓力已達0.9MPa。總管流量根據用戶需要及水源蓄水狀況進行調節，一般的波動區間為2000~3800m3/h，所以一般要開兩臺泵，最多時須同時開啟三臺泵。原來使用調節閥門開度的方法改變管網流量，既不直觀，又造成了能源的浪費。公司經過大量的調研工作，決定采用國內最先進的高壓變頻調速技術－單元串聯多電平高壓變頻調速技術，并選用了北京利德華福的HARSVERT-A系列變頻器。經過幾個月的運行，我們發現北京利德華福的HARSVERT-A系列變頻器具有節能效果明顯，操作簡便，穩定可靠等優點。
二、HARSVERT-A系列變頻器原理
　　HARSVERT-A系列高壓變頻調速系統的結構見圖2.1，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10000V系列有24個功率單元，每8個功率單元串聯構成一相。


圖2.1 高壓變頻調速系統結構圖

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


圖2.2 功率單元電路結構


圖2.3 單元輸出的PWM波形

　　輸入側由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，構成48脈沖整流方式；經多級移相疊加的整流方式，可改善電流波形，是逼近標準正弦波，高次諧彼＜2％，完全符合1992年制定的IEEE519標準和GB／T14549，93國家標準《電能質量公用電網諧波》要求。負載下的網側功率因數接近1。
　　另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規低壓變頻器，便于采用現有的成熟技術。
　　輸出側由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，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，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械振動，減小了軸承和葉片的機械應力。


圖2.4 HARSVERT-A系列變頻器的輸出波形

　　變頻器系統安全、可靠，保護裝置功能齊全，具有過電壓、欠壓、過電流、過熱、缺相等保護裝置。具有完整的故障監測電路、精確的故障報警保護和將故障功率模塊旁路功能。
當某一個單元出現故障時，通過使圖2.2中的繼電器K閉合，可將此單元旁路出系統而不影響其他單元的運行，變頻器可持續降額運行；如此可減少很多場合下停機造成的損失。
三、調速方案
　　根據實際情況，我們確定的調速方案為：選擇1、4號泵為可調速水泵，正常運行時其中任一臺運行于調速狀態，而另一臺泵作為備用，也可隨時投入工頻狀態運行。兩臺泵運行狀態的切換采用手動方式。并要求兩臺泵不能同時投入變頻狀態，或同時投入工頻狀態運行，對此要求，在設計旁路切換柜時特別設計了機械聯鎖裝置。實際的原理接線圖如圖3.1：


圖3.1 旁路切換柜原理圖
　　其中：KA1、KA2為高壓開關
　　　　　KG1-KG4 為隔離開關
四、水泵調速替代閥門節流后的節能情況
1.水泵實際應用工況
　　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，在清水池中進行處理后再送到自來水公司。
2.節能分析
如果通過水泵調速方式改變流量，使流量由Q1變至Q2，速度由N1調至N2，則工作點由A點降到B點；如果水泵定速為N1運行，通過閥門改變流量，則水泵從A點變為C點。水泵在B、C兩工作點的功率分別為：PC=H3×Q1, PB =H2×Q1；
假設水泵在B、C兩點效率差別不大，都約為η，則調速方式相對于關閥方式，節能效益



　　　　
3. 實際節能情況
　　實際運行中，每臺泵在工頻運轉下的滿負荷輸出為1800m3/h，我們根據最典型的應用工況，分別統計了管網輸出為3268m3/h及2600m3/h時兩臺工頻泵及一臺工頻泵配一臺變頻泵運轉時的幾組數據：
　　兩臺工頻泵在管網流量為3268m3/h下運轉，統計時段累計供水量為50190m3，耗電量為21450度，計算得噸水耗電量為0.4274度；
　　一臺工頻泵配合一臺變頻泵在管網流量為3268m3/h下運轉，統計時段累計供水量為47525m3，耗電18375度，計算得噸水耗電量為0.3866度；
　　兩臺工頻泵在管網流量為2600m3/h下運轉，統計時段累計供水量為62270m3，耗電量為28950度，計算得噸水耗電量為0.464度；
　　一臺工頻泵配合一臺變頻泵在管網流量為2600m3/h下運轉，統計時段累計供水量為68100m3，耗電29550度，計算得噸水耗電量為0.4339度；
　　假設使用一臺變頻泵配一臺工頻泵，一年中各有一半時間分別在3268m3/h及2600m3/h下運轉，每度電費為0.45元，則一年中較使用兩臺工頻泵節約的電費為：
　　（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，在實現外部邏輯控制時顯得尤為方便。其閥門聯鎖功能的作用是：在啟動水泵升速過程中，水泵出口水壓逐漸增高，當大于設定的“最小開閥出口水壓”時，閥門開始打開，直至開全；在停泵時，閥門同步關閉；如果開泵時，閥門因各種原因未能開全，將提示“閥門沒有開全”，停泵時，如閥門未關嚴，將提示“閥門沒有關嚴”。實際運用中，我們將“最小開閥水壓”設定為0.9MPa，這樣在開泵和停泵過程中，值班人員無需再對閥門執行任何操作，不僅減少了操作的失誤，而且在開閥、關閥過程中對管網的沖擊也很小。
六、方便快捷的操作
　　HARSVERT-A系列高壓變頻器有完善的上位機監控功能，操作人員在值班室即可完成對變頻器的一切操作，結合現場的實際工況，在變頻器的控制界面和遠程監控界面上可以實時顯示總管流量、總管水壓、變頻泵出口水壓等參數，極大的減輕了操作人員的工作量，提高了工作效率。監控界面見圖6.1。


七、先進的遠程撥號監控功能
　　對于供水公司的上層管理者而言，他們需要經常了解變頻器的現場運行情況，而變頻器的遠程撥號監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程撥號軟件，在需要時撥通為變頻器提供的專線電話，即可看到變頻器的現場運行界面。遠程撥號軟件為他們設置了操作權限，不會發生誤操作而對變頻器的運行正常造成任何影響。如果變頻器在運行中出現故障，利德華福公司的技術服務部門也可通過遠程監控掌握現場的最確切的運行資料，以幫助他們及時作出準確的判斷。
八、高壓大功率變頻器使用時的注意事項
1、當全速泵和調速泵并聯運行時，為了保證不發生內耗，水泵轉速調節范圍不宜太大，通常應不低于額定轉速的50％，最好在70～100％之間。當轉速低于額定轉速的40～50％時，水泵本身的效率明顯下降，更不經濟。
2、傳統的水泵都是按工頻全速運轉設計的，一般只在最高轉速下長期運行，僅在啟動過程中短時經歷其他轉速點，所以難保在除工頻之外的其他頻率點上不存在機械共振現象。將傳統的水泵用變頻器驅動調速運行后，除工頻點之外，水泵也可能在調速區域的所有頻點上穩定運行，所以需要在整個調速區域對水泵機組作機械共振測定。如果存在機械共振頻點，應該輸入變頻器，防止變頻器在這些特殊的頻率點上長期運行。
3、變頻器安裝位置周圍的環境溫度應低于40℃，變頻器的安裝空間應足夠大，否則熱量無法散出，會使變頻器保護停機。當環境溫度高于40℃，需配備相應的空調設備。當變頻器的安裝空間有限時，為了保證變頻器的正常運行，需加裝強迫通風裝置。
九、結束語
　　高壓大功率變頻器在工業和生活供水系統中的應用將會越來越廣泛，除了有明顯的節能效果外，還可以接入工廠的DCS系統中，組成一個大閉環的調速控制系統，使工藝設備運行方式更趨合理，使設備的自動化程度提高到了一個新水平，將會有有很可觀的社會效益。