作 者 ：哈爾濱九洲電氣股份有限公司 李 凱 劉 爽 摘 要 ：本文介紹高壓變頻器在北京燕化供水車間的應(yīng)用，利用變頻器可以進(jìn)行大量程速度無級(jí)調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，解決了用大水泵在小流量地表水源取水中出現(xiàn)抽干的難題。使小流量地表水源得到利用，并同時(shí)節(jié)約大量電能，取得了資源和經(jīng)濟(jì)的雙重效益。 英文摘 要 ：The article is presentation high voltage inverters device use in Beijing YanHua supply water workshop, it is untie so make of big water pump from little flux the earth is surface water source pump water appear empty of difficult problem by inverters device can being deep measurement speed stepless modulation of excellence. Uitilize little flux the earth surface water the same time economize more electric energy, take out resource and economic of dual benefit. 關(guān)鍵詞： 高壓變頻器 調(diào)速運(yùn)行 節(jié)能 1.引言 在泵站供水系統(tǒng)中，常常是多泵供應(yīng)多個(gè)用戶，同時(shí)內(nèi)部管路進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，能做到互為備用。在設(shè)計(jì)初期多個(gè)用戶的用水量是基本一致的。但經(jīng)常有個(gè)別終端的用戶常會(huì)由于工況改變，工藝調(diào)整，供應(yīng)面積變化等原因，其供水量會(huì)小于原設(shè)計(jì)的容量，這時(shí)就出現(xiàn)了用大泵往出輸送小水量的情況。 北京燕化公司動(dòng)力事業(yè)部一供水車間的其中一路供水用戶的用水量較小,其總需求量不到水泵額定容量的三分之一。運(yùn)行時(shí)閥門開度很低，在運(yùn)行時(shí)泵壓較高，不但使電能浪費(fèi)較大，而且用閥門調(diào)節(jié)時(shí)，由于其開度與流量的非線性特性，往往一個(gè)很小角度的調(diào)節(jié)，其流量就發(fā)生很大的變化。 在北京燕化公司動(dòng)力事業(yè)部一供水車間附近，有一個(gè)小流量水渠，其地表流量與用量較小的用戶終端的使用量相近。在2004年，北京水務(wù)局從北京水資源的充分利用出發(fā)，要求北京燕化公司將這個(gè)小流量地表水利用上，以優(yōu)化水網(wǎng)的資源調(diào)配。但是實(shí)際的供水調(diào)配時(shí)，由于其小流量地表水流量與用量較小的用戶終端的使用量相近，而泵的容量較大，用閥門調(diào)節(jié)時(shí)，不是供水量不足，就是將小流量地表水抽干，無法對(duì)其進(jìn)行利用。 為充分利用珍貴的水資源和電力資源，北京燕化公司動(dòng)力事業(yè)部一供水車間對(duì)3號(hào)泵進(jìn)行調(diào)速改造，通過高壓變頻器能對(duì)轉(zhuǎn)速無級(jí)精密調(diào)節(jié)的功能，使大流量的3號(hào)泵能順利抽取小流量的地表水渠中的水滿足用戶終端要求而不出現(xiàn)抽空現(xiàn)象。 2.燕化公司一供水車間3號(hào)泵參數(shù)與改造方案簡(jiǎn)介 2.1 燕化公司一供水車間3號(hào)取水泵參數(shù) 名稱：離心式清水泵； 型號(hào)：24SA-10A； 揚(yáng)程：39m； 流量：2700m3/h； 允許吸上真空高度：4.8m； 轉(zhuǎn)速：730r/min； 功率：319kW； 配用功率：360kW； 重量：4100kg； 生產(chǎn)日期：1975年5月； 生產(chǎn)廠家：長(zhǎng)沙水泵廠。 2.2 3號(hào)取水泵配套電動(dòng)機(jī)參數(shù) 名稱：異步電動(dòng)機(jī)； 型號(hào)：JS158-8； 額定功率：380kW； 額定電壓：6000V； 額定電流：47A； 環(huán)境溫度：35℃； 轉(zhuǎn)速：740r/min； 絕緣等級(jí)：A； 接法：星； 重量：4100kg； 序號(hào)：750259； 技術(shù)條件：OAG.510.004； 生產(chǎn)日期：1975年6月； 生產(chǎn)廠家：湘潭電機(jī)廠。 2.3 北京燕化公司動(dòng)力事業(yè)部一供水車間3號(hào)泵取水網(wǎng)簡(jiǎn)介 在北京的頤和園水系中,有一路從燕山下來的小流量天然水道,其流量較小,平均僅在1000m3/h左右,但是其水質(zhì)較好,在匯入總水系前,其能作為優(yōu)質(zhì)水源而直接利用。 北京燕化公司動(dòng)力事業(yè)部一供水車間3號(hào)泵的進(jìn)口管道經(jīng)過多管路的組合，即可以從主干渠中取水，亦可從小流量地表水渠取水，其形式如圖1所示。 [ALIGN=CENTER] 圖1 3號(hào)泵取水系統(tǒng)[/ALIGN] 在圖中，用水終端的用水為880m3/h，小流量地表水的流量約為1000m3/h。在用3號(hào)泵進(jìn)行小流量地表水取水的測(cè)試中，用出口閥調(diào)節(jié)出水的流量，由于閥調(diào)節(jié)流量的精度較低，同時(shí)從取水到供水的管路都較長(zhǎng)，在達(dá)到時(shí)終端用水要求時(shí)，其輸出流量多出用水終端較多。隨著小流量地表水的早晚流量的變化,出現(xiàn)了將小流量地表水抽干的現(xiàn)象。經(jīng)過多次調(diào)節(jié)，由于精度不夠，不時(shí)出現(xiàn)用水終端供水不足，再就是小流量地表水抽干，并出現(xiàn)了幾次水泵打空，險(xiǎn)些出現(xiàn)水錘事故。 在這種情況下，只好放棄對(duì)小流量地表水的應(yīng)用。這樣不但是小流量的水資源白白的浪費(fèi)，而且由于從主干渠取水的管道比從小流量地表水要長(zhǎng)出近一倍多，又浪費(fèi)了大量的電能，并占用了大量的管道資源。 2.4 北京燕化公司動(dòng)力事業(yè)部一供水車間3號(hào)泵調(diào)速改造方案 為充分利用水源資和節(jié)能增效，通過大量的分析與調(diào)查，確定利用高壓變頻器對(duì)電機(jī)速度調(diào)節(jié)精度高，輸出力矩穩(wěn)定的特點(diǎn)，采用檔板全開運(yùn)行，在低轉(zhuǎn)速下能實(shí)現(xiàn)小流量，低泵壓的精細(xì)流量輸出。故北京燕化公司動(dòng)力事業(yè)部確定用變頻調(diào)速的方案可以使額定流量為2700m3/h的離心水泵穩(wěn)定輸出880m3/h的水量，達(dá)到利用小流量地表水為小水量用戶供水的目標(biāo)。 北京市水務(wù)局于2004年12月份投資采用哈爾濱九洲電氣股份有限公司生產(chǎn)的高壓變頻調(diào)速裝置對(duì)3號(hào)泵進(jìn)行改造。 3 高壓變頻器的工作原理 3.1 高壓變頻器的構(gòu)成 多電平單元串聯(lián)高壓變頻器是由十八個(gè)相同的單元模塊構(gòu)成，每六個(gè)模塊為一組，分別對(duì)應(yīng)高壓回路的三相，單元供電由移相變壓器進(jìn)行供電，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。 [ALIGN=CENTER] 圖2 高壓變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖[/ALIGN] 3.2 功率單元構(gòu)成 功率單元是一種單相橋式變換器，由輸入切分變壓器的副邊繞組供電。經(jīng)整流、濾波后由4個(gè)IGBT以PWM方法進(jìn)行控制，產(chǎn)生設(shè)定的頻率波形。變頻器中所有的功率單元，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相同，實(shí)行模塊化的設(shè)計(jì)。其控制通過光纖發(fā)送。原理框圖如圖3所示。 [ALIGN=CENTER] 圖3 功率單元原理框圖[/ALIGN] 來自主控制器的控制光信號(hào)，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，送到控制信號(hào)處理器，由控制電路處理器接收到相應(yīng)的指令后，發(fā)出相應(yīng)的IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路接到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓送到IGBT控制極，操作IGBT關(guān)斷和開通，輸出相應(yīng)波形。 功率單元中的狀態(tài)信息將被收集到應(yīng)答信號(hào)電路中進(jìn)行處理，集中后經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換器變換，以光信號(hào)向主控制器發(fā)送。 3.3 高壓變頻器運(yùn)行原理 高壓變頻器的每個(gè)功率單元相當(dāng)于一個(gè)三電平的二相輸出的低壓變頻器，通過疊加成為高壓三相交流電，以6kV變頻器為例論述：6kV輸出電壓的變頻器，每相有6個(gè)功率單元相串聯(lián)。單元的輸入電壓為三相600V，輸出側(cè)為單相577V，單元相互串聯(lián)疊加后可輸出相電壓3464V。當(dāng)變頻器輸出頻率為50Hz時(shí)，相電壓為13階梯波，如圖4所示。圖中UA1…UA6分別為A相6個(gè)功率單元的輸出電壓，疊加后為變頻器A相輸出電壓UA0。圖中顯示出了生成PWM控制信號(hào)時(shí)所采用的A相參考電壓UAr，可以看出UA0很好地逼近UAr。UAF為A相輸出電壓中的基波成分。 [ALIGN=CENTER] 圖4 相電壓回路疊加波形[/ALIGN] 由于變頻器中點(diǎn)與電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)不連接,變頻器輸出實(shí)際上為線電壓,由A相和B相輸出電壓產(chǎn)生的UAB輸出線電壓可達(dá)6000V,為25階梯波。圖5所示的為輸出的線電壓和相電壓的階梯波形,UAB不僅具有正弦波形而且臺(tái)階數(shù)也成倍增加,因而諧波成分及dv/dt均較小。 [ALIGN=CENTER] 圖5 線電回路疊加波形[/ALIGN] 3.4 多電平單元串聯(lián)疊加型變頻器的三相波形輸出質(zhì)量 高壓變頻器在運(yùn)行后，將輸入的工頻三相高壓交流電轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行頻率可調(diào)節(jié)的三相交流電，其電壓和頻率按照V/F的設(shè)定進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié),保持電機(jī)在不同的頻率下運(yùn)行,而定子鐵心中的主磁通保持在額定水準(zhǔn),提高電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，圖6是在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí),經(jīng)過PT采集的電動(dòng)機(jī)三相輸入波形。 [ALIGN=CENTER] 圖6 電動(dòng)機(jī)入電壓波形[/ALIGN] 多重疊加的應(yīng)用,使高壓變頻器輸出電壓的諧波含量很低，已達(dá)到常規(guī)供電電壓允許的諧波含量,同時(shí)輸出電壓的dv/dt也較小,不會(huì)增加電機(jī)繞組的應(yīng)力,可以向普通標(biāo)準(zhǔn)型交流電動(dòng)機(jī)供電,不需要降容或加輸出濾波電抗器，保證了高壓設(shè)備的通用性。 4 高壓變頻器在3號(hào)泵上的應(yīng)用與效果 4.1 高變頻器安裝運(yùn)行 燕化公司動(dòng)力事業(yè)部一供水車間3號(hào)水泵原來采用工頻運(yùn)行，閥門調(diào)節(jié)方式控制流量，不能滿足生產(chǎn)工藝要求，又浪費(fèi)了大量的電能。為此北京市水務(wù)局于2004年12月份投資采用哈爾濱九洲電氣股份有限公司生產(chǎn)的高壓變頻調(diào)速裝置對(duì)3號(hào)泵進(jìn)行改造。該裝置采用單元串聯(lián)式多重疊加型直接高—高變頻器，帶自動(dòng)旁路柜，就地，遠(yuǎn)控均為彩色液晶觸摸屏控制，預(yù)留DCS控制和閉環(huán)控制功能。并于2005年1月4日正式投入運(yùn)行。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行考核證明，哈爾濱九洲電氣股份有限公司所生產(chǎn)的高壓變頻調(diào)速裝置運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好，既滿足了生產(chǎn)工藝的要求，又具有顯著的節(jié)能效果。 4.2 高壓大功率變頻調(diào)速裝置 型號(hào)：JZHICON-IA-06/50; 額定輸入電壓：6000V; 額定輸出電壓：6000V; 額定輸出頻率：50Hz; 額定輸出功率：500kW; 額定輸出電流：50A; 輸出頻率調(diào)節(jié)范圍：0～50Hz; 生產(chǎn)廠家：哈爾濱九洲電氣股份有限公司。 4.3 電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)的工況 電動(dòng)機(jī)電流：26A; 電動(dòng)機(jī)溫度：45℃; 運(yùn)行頻率：50Hz; 出口壓力：0.50Mpa; 輸出流量：880m3/h; 出口閥門開度：60%。 4.4 電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)的工況 電動(dòng)機(jī)電流：14A; 電動(dòng)機(jī)溫度：25℃; 運(yùn)行頻率：39.8Hz; 出口壓力：0.33Mpa; 輸出流量：880m3/h; 出口閥門開度：100%。 ● 電動(dòng)機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)的耗電量 每小時(shí)耗電：（26A÷47A）×380kW×1h=210kW·h 每天耗電：210×24=5040kW·h 每年耗電：5040×365=1839600kW·h ● 電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行時(shí)的耗電量 每小時(shí)耗電:（14A÷47A）×380kW×1h=113.2kW·h 每天耗電：113.2×24h=2716.8kW·h 每年耗電：2716.8×365=991632kW·h ● 電動(dòng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速裝置后的節(jié)電量 每小時(shí)節(jié)電：210-113.2=96.8kW·h 每天節(jié)電：5040-2716.8=2323.2kW·h 每年節(jié)電：1839600-991632=847968kW·h ● 平均節(jié)電率 847968÷1839600=46% ● 電動(dòng)機(jī)采用高壓變頻調(diào)速裝置后節(jié)約電費(fèi) 平均電費(fèi)以0.5元/kW·h計(jì)算 每年節(jié)約電費(fèi)：0.5元/kW·h×847968kW·h=423984元≈42.4萬元 5 結(jié)束語(yǔ) 通過北京燕化公司動(dòng)力事業(yè)部一供水車間的3號(hào)泵高壓變頻器調(diào)速改造，解決了大容量的離心泵在供水量與用戶的用水量相近的小水量輸出情況的安全運(yùn)行的難題，使3號(hào)泵安全地運(yùn)行于額定流量的1/3以下，并可以保持精確的流量調(diào)節(jié),在不抽干小流量地表水的同時(shí),保證的用戶終端的用水需求。 高壓變頻器的精確控制功能，可以使水泵工作于原來閥門調(diào)節(jié)方式下無法達(dá)到的工況，在極小流量的情況下仍能精細(xì)的調(diào)節(jié)介質(zhì)流量,這樣就能將大泵使用一些原先無法應(yīng)用的小流量水源,在節(jié)約大量電量的同時(shí)，還充分利用了稀少的水資源。 在自主創(chuàng)新,占領(lǐng)世界科技高端的精神帶動(dòng)下,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)大功率與超大功率高壓變頻的技術(shù)不斷成熟,在中國(guó)的大型工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的電動(dòng)機(jī)調(diào)速應(yīng)用越來越廣泛,并開始進(jìn)入原來由國(guó)外的高壓變頻器壟斷的領(lǐng)域。