國產高壓變頻調速技術在水廠的應用 
1． 前言 
　　隨著電力電子技術與電力變流器件技術的發展，高壓大功率變頻調速技術在國內外均有長足的發展，尤其是近來隨著智能芯片技術在容量與速度方面新的突破，智能自動控制技術再上一個新臺階，其與高壓大功率變頻調速技術的結合使其如虎添翼，新的設備產品不斷涌現。這些年我們已經大量地接觸了日本東芝、富士公司，德國西門子公司、法國阿爾斯通公司、瑞士ABB公司、丹麥丹佛斯公司、美國AB、GE、羅賓康公司等等的各種變頻調速技術。電力電子器件與技術的發展也經歷了SCR、GTO、GTR與SGCT，以及IGBT、IGCT技術。就在這國外變頻調速設備技術的日益涌現中，現在出現了我們國內的利德華福等公司開發生產的高壓變頻調速技術，以及華為等公司開發的低壓變頻調速技術，給我們變頻調速技術國產化帶來了新的生機。本人對此不做綜合評述，僅就這一年來在天津水司新開河水廠應用的利德華福高壓大功率6KV/1000 KW變頻調速裝置做一初步探討。 
　　新開河水廠始建于86年，二期擴建通水在95年，其日產水能力100萬噸，僅該廠水泵電機調速技術就有多種。86年投產之初，在一期送水泵房采用的是國產西安整流器廠的2套6KV/1000KW繞線轉子電機串級調速裝置，二期擴建時，在計量泵上應用的是西門子公司的低壓小功率變頻調速器，在排水泵房應用的是低壓75KW富士變頻器，在二期送水泵房應用的是ABB公司2200V/1650KW GTO變頻調速裝置。水廠在水泵調速技術應用上已有一定的歷史。 
　　2001年新開河水廠在一期泵房舊設備改造安裝使用了清華大學技術、利德華福公司生產的HARSVERT－A06/130型6KV/1000KW高壓直接變頻調速裝置，其拖動的設備水泵為：32SA－10型1983年9月生產的長沙水泵廠產品：電機為湘潭電機廠1983年9月生產的Y1000—10/1430普通鼠籠型產品。該泵組于87年投產運行，是至安裝該變頻調速裝置時已運行使用13年之久的舊設備?，F場安裝極為簡單，只將原6KV真空斷路器至6KV電機間串接該裝置即可，不需其他降壓、升壓變壓器等設備。6月27日現場吊裝安調，6月30日即拖動水泵開始并網送水，投入使用。 
2． 基本電氣原理與特點 
2.1 基本電氣原理  
　　HARSVERT—A06/130型高壓變頻調速系統基本電氣原理見附圖一所示。由三大部分組成：移相整流變壓器、功率單元和控制器組成。其中6KV系列有21個功率單元，每7個功率單元串聯構成一相。其基本工作原理是：6KV高壓電經過副邊7組三相輸出的降壓、移相、隔離變壓器輸送給各個功率單元，功率單元（見附圖二）為三相輸入、單相輸出，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制，相鄰功率單元的輸出端串接起來，實現變頻后的高壓正弦波輸出，直接驅動高壓電機。  
　　由電氣原理圖可見6KV輸入側為二極管全波整流42脈沖構成多極移相疊加的整流方式極大地改善網側的電流波型，使其負載下的網側功率因數接近1.0。輸出側由每個功率單元的U、V輸出端子相互串聯而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波型進行重組，得到階梯的PWM波型，該波型正弦度好，dv/dt小，可以降低輸出諧波及由此引起的電機振動、電機發熱、噪音等。從而減少對輸出電纜和電機的絕緣損壞，無須濾波器，電機不需降額使用，可直接驅動普通鼠籠電機，同時可用于舊設備的改造。  
　　該裝置在控制柜的面板上設置一個工業現場型的觸摸屏與彩色液晶顯示屏，內置一臺PLC用于柜體內開關信號的邏輯處理以及與現場各種操作信號和狀態信號的協調，增強了系統的可控性與靈活性。由于控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術，低壓和高壓完全隔離，系統具有極高的安全性和很好的抗電磁干擾性能?？刂蒲b置可以通過標準計算機接口與工控PC鏈接，提供友好的全中文Windows98監控和操作界面，與機裝控制器協同運算，達到最優的運行性能。同時可以實現遠程監控和網絡化控制。其實現的功能包括：系統功能設定，參數設定、故障信息查詢、運行波形顯示、運行數據記錄、運行模式設定、報警及報警解除與系統復位等等。 

2.2 該裝置的特點  
　　2.2.1 適合中國國情的設計：由于每個功率之內有濾波電容，再加多組串聯結構，可適用于中國電網電壓波動大的現狀、裝置額定輸入電壓6KV +5% ~ -10%，實際使用適用范圍還要大。  
　　2.2.2 無論是設備上的控制器，還是外聯的工業PC，人機界面均設計成全中文漢化的人機界面，特別適合工廠現場工人操作的現實。  
　　2.2.3 由于系統不是高低高或高低的傳統的加降壓、升壓變壓器或電機降壓使用的系統結構，所以系統的效率極大的提高，變頻器的效率在額定負載下＞0.96。 
　　2.2.4 由于功率單元采用二極管全波整流、且有濾波電容設計，所以系統的功率因數很高，Cosф＞0.95，甚至接近1.0。  
　　2.2.5 由于功率單元分為7個不同相位組，相差8.6度電角度，故二極管全波型流形成42脈波的效果，理論上41次以下諧波基本不存在，故諧波干擾很低。  
　　2.2.6 由于裝置上設置了高速PLC控制器，可以適用不同的控制要求與控制方式。  
　　2.2.7 如原理所述其有很好的變頻正弦波輸出，波紋系數低，從而被拖動的電機低噪音，低振動、不易發熱，特別適合舊設備改造。  
　　2.2.8 對被拖動的電動機可以實現過載、過流保護的電機保護。 
　　2.2.9 具有高可靠性、高抗干擾能力。  
3． 在天津公司的實際應用情況 
3.1 變頻器一體化設計、體積小，方便安裝與調試  
　　由于HARSVET—A06/130型變頻器不需另外加裝變壓器、電抗器、濾波器、補償電容器、啟動設備等一系列其他裝置，其自成系統，所有設備、器件都裝設在自己的裝置內，所以一體化設計體積很小，結構緊湊，現場占地很小、接線很少、安裝調試簡單周期短，三天安調完畢，水泵并網投運。 
3.2 變頻器運行穩定、性能良好，對電網諧波污染少。  
　　變頻器投運以來，運行穩定，電壓、電流穩定，沒有波動現象，轉速調節平滑可靠，升、降速平穩，表現出變頻器良好的性能。運行期間經由中國電力科學研究院對變頻器做了諧波測試，結果表明：水泵機組在整個調速范圍內，變頻器網側功率因數都在0.97以上，效率均高于96%，滿載時網側電流諧波總含量小于3%，優于天津水司同類進口設備。  
3.3 水泵電機運行平穩。  
　　此次HARSVERT—A06/130型變頻器調速拖動的是一期送水泵房2# 機組，電機是83年9月出廠的87年投入運行的舊的鼠籠電機。此次變頻調速運行以來，絕緣未受影響，沒有出現異常振動和噪音，溫升也處于正常范圍，同時改善了機組啟動電流與機械沖擊。  
3.4 變頻調速裝置適應能力強，運行可靠。  
　　2001年7月中旬，天津連續高溫天氣，環境溫度高達40℃以上，一度輸入變壓器繞組溫度曾經達到110℃，但變頻器一直正常運行，未發生異?，F象。 
　　同時水廠6KV電網在用電高峰電壓峰谷波動經常超過5%，嚴重時達10%，當時引進的變頻器時常因此波動而停機，而HARSVERT—A06/130變頻器一切正常，運行穩定可靠。 
3.5 使用中的故障情況  
　　變頻器在使用中，也遇到了一些實際的問題。變頻器安裝運行后，正值夏季，暴露出變壓器溫升太高的問題，后來由廠家對變壓器柜的通風結構進行了更改，使變壓器的溫升在合理的范圍之內。 
　　由于變頻器為空冷結構，在功率柜存在較強的空氣循環，而變頻器直接安裝在敞開的送水泵房，曾經發生由于柜內太臟，堵塞光纖連接頭，而導致的光纖故障。通過改進功率柜的密封結構，此問題得以解決。 
　　變頻器在水泵房的控制室內裝有上位機，上位機與變頻器采用RS485通訊，此通訊線在初期鋪設時走線不太科學，與強電線路距離太近，后來發生通訊接口板損壞的現象；更換接口板后，將線路重新合理鋪設，解決了這個問題。

　　對于自來水公司來講，變頻器屬于高技術產品，在工程安裝和日常運行中，還是要不斷提高操作維護人員的水平，才能將它用得更好，發揮更大的效益。 
3.6 初步效益 
　　由于使用了該套變頻調速裝置，可以非常方便地適應供水壓力、流量變化的不同工藝要求，只須調節裝置頻率輸出而勿須頻繁開合高壓斷路器與調節出口閥門開啟度，減少了值班人員的工作量。 
　　在初步測定水泵曲線的基礎上，核定了水泵高效運行區，一般限制水泵調速在此范圍內，故取得明顯的節電效果。初步記錄：在5月和6月份，采用ABB調速泵和兩臺工頻定速泵并聯運行，千噸水電耗指標分別是：138.63度和134.80度。在7月和8月使用該套調速裝置，千噸水電耗指標分別是：128.61度和129.51度。綜合電耗指標下降了5.6%?？梢姽濍姖摿艽?，若與定速泵比效益更好。若從社會效益講，天津水司試行以城市管網服務壓力為調度指揮的原則以后，調速水泵技術的應用，極大地方便與適應了此種調度方式，可任意地調節水泵轉速以適應不同的要求。 
　　新開河水廠自1986年6月投產至今已有16年的歷史，期間運行方式也發生了很大的變化，自1990年至今出廠壓力由最高的41.4m降至目前的平均31m左右。自2000年6月一期送水泵房調速裝置經調試后，主要運行的是調速泵組，另外配用一臺定速泵組，二期全部采用調速泵組運行，泵組效率大大提高。因此我們選取在此期間前后穩定運行的數據，比較能耗情況。 
 　　　　　　　　　　　一期送水泵房5#、6#水泵供水電耗（串級調速） 表一  
 時間 泵組配備情況 供水量 
 （km3） 用電量 
 （kWh） 送水電耗(kWh/km3) 出廠壓力 
 （Mpa） 2000年1月 一期定速泵，二期調速泵 13038.26 1826818 140.11 0.295 2000年9月 一期5#、1定速泵，二期調速泵 12516.67 1595550 127.47 0.294 2001年5月 一期5#、1定速泵，二期調速泵 11659.59 1433471 122.94 0.296  
 　　　　　　　　　　　一期送水泵房2#水泵供水電耗（變頻調速） 表二  
 時間 泵組配備情況 供水量 
 （km3） 用電量 
 （kWh） 送水電耗(kWh/km3) 出廠壓力 
 （Mpa） 2000年4月 一期定速泵，二期調速泵 11690.89 1642520 140.50 0.301 2001年9月 一期定速泵，二期調速泵 12007.58 1482408 123.46 0.302  
　　對比表一中數據:在出廠壓力基本相同的條件下,5#調速水泵節能率=140.11-127.47)/140.11=9.02 %，5#、6#調速水泵節能率=(140.11-122.94)/140.11=13.68 %。 
　　對比表二中數據：得5#、6#、2#調速水泵并聯運行節能率=(140.50-123.46)/140.50=12.13 %。 
　　通過上述數據分析可以得出以下結論：當出廠壓力(供水揚程)遠離高效區時，應用調速技術，改變工作點，使機組效率提高，并聯工況下節能率可達到10%左右。由于運行條件所限，未能進行單臺泵組能耗的測定，以上表中所列均為并聯工況下運行數據。 
設備投資回收期 
　　根據《調度日報》的統計數據，5#水泵節電12.64 kWh/km3，2000年7月至2001年6月送水量為：128641.87km3 ，天津水司綜合電價為0.54元/kWh，則調速系統年節電費為：年節電量*電價=12.64*128641.87*0.54=87.8058萬元/年，收回設備投資需要28.8091萬元/87.8058萬元=3.9個月(28.8091萬元為1986年左右調速裝置成本)，當年可收回5#、6#水泵調速裝置成本。

　　2#水泵與5#、6#水泵并聯共節電17.04kWh/ km3，2001年7月至2002年6月送水量為：127945.81km3 ，天津水司綜合電價為0.54元/kWh，則調速系統年節電費為：年節電量*電價=17.04*127945.81*0.54=117.7306萬元/年。如果把這些效益全部歸為2#水泵節約的能源，那么收回設備投資需要125.1504萬元/117.7306萬元=12.8個月。設備投資回收期短，節能效果顯著。 
4． 該裝置性能指標的測定與評價  
4.1 設備的主要技術參數  
　　輸入頻率（HZ）：　　　　　　　　　45HZ ~ 55HZ 
　　額定輸入電壓：　　　　　　　　　　6KV（+5% ~ -10%） 
　　輸入功率因數：　　　　　　　　　　0.95（＞20%負載） 
　　變頻器效率：　　　　　　　　　　　額定負載下＞0.96 
　　輸出頻率范圍(HZ)：　　　　　　　　0 ~ 120HZ 
　　輸出頻率分辨率(HZ)：　　　　　　　0.01HZ 
　　過載能力：　　　　　　　　　　　　120% 一分鐘，150%立即保護 
　　加減速時間：　　　　　　　　　　　0.1 ~ 3000秒 
4.2 主要性能指標的測定與評價  
　　該套裝置在天津水司運行期間，由國家電控配電設備質量監督檢驗中心和中國電力科學研究院主持對相關的性能與指標進行了檢驗與測定，例如輸出電壓不對稱度、頻率穩定精度、分辨力、功率因數、效率等多項指標，尤其是諧波含量。 
　　其中對諧波專項的檢測是按照國家標準GB/T14549-93《電能質量 公用電網諧波》要求測定。結果：變頻系統引起的電網諧波電壓符合國家標準；輸入電流相對諧波電流含量滿足IEEE Std 519—1992標準要求；輸出電壓相對諧波電壓含量滿足IEEE Std 519-1992標準要求。這些方面優于該廠進口的國外變頻器指標。 
5． 結束語  
　　利德華福公司研制的高壓大功率變頻調速裝置在天津水司新開河水廠運行結果表明：該套裝置具有功能齊全，技術指標先進，可靠性高和便于維護管理，處于國內領先水平，達到國際同類新產品的水平。尤其其獨有的特點更適合中國的國情，非常適用于自來水行業的技術改造和升級。我們預祝它今后產品更加系列化、多樣化、產品質量更上一層樓，使其成為我國高壓大功率電動機直接變頻調速的主導產品。 
　　以上是我個人對該技術產品應用的粗淺認識，可能有不妥之處，望專家同行批評指正。 
圖1 高壓變頻調速系統結構圖  
圖2 功率單元電路結構  
（摘自利德華福網站）