1． 前言
隨著電力電子技術(shù)與電力變流器件技術(shù)的發(fā)展，高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)在國內(nèi)外均有長足的發(fā)展，尤其是近來隨著智能芯片技術(shù)在容量與速度方面新的突破，智能自動控制技術(shù)再上一個新臺階，其與高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)的結(jié)合使其如虎添翼，新的設(shè)備產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。這些年我們已經(jīng)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(diào)速技術(shù)。電力電子器件與技術(shù)的發(fā)展也經(jīng)歷了SCR、GTO、GTR與SGCT，以及IGBT、IGCT技術(shù)。就在這國外變頻調(diào)速設(shè)備技術(shù)的日益涌現(xiàn)中，現(xiàn)在出現(xiàn)了我們國內(nèi)的利德華福等公司開發(fā)生產(chǎn)的高壓變頻調(diào)速技術(shù)，以及華為等公司開發(fā)的低壓變頻調(diào)速技術(shù)，給我們變頻調(diào)速技術(shù)國產(chǎn)化帶來了新的生機(jī)。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(yīng)用的利德華福高壓大功率6KV/1000 KW變頻調(diào)速裝置做一初步探討。
新開河水廠始建于86年，二期擴(kuò)建通水在95年，其日產(chǎn)水能力100萬噸，僅該廠水泵電機(jī)調(diào)速技術(shù)就有多種。86年投產(chǎn)之初，在一期送水泵房采用的是國產(chǎn)西安整流器廠的2套6KV/1000KW繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)串級調(diào)速裝置，二期擴(kuò)建時，在計(jì)量泵上應(yīng)用的是西門子公司的低壓小功率變頻調(diào)速器，在排水泵房應(yīng)用的是低壓75KW富士變頻器，在二期送水泵房應(yīng)用的是ABB公司2200V/1650KW GTO變頻調(diào)速裝置。水廠在水泵調(diào)速技術(shù)應(yīng)用上已有一定的歷史。
2001年新開河水廠在一期泵房舊設(shè)備改造安裝使用了清華大學(xué)技術(shù)、利德華福公司生產(chǎn)的HARSVERT－A06/130型6KV/1000KW高壓直接變頻調(diào)速裝置，其拖動的設(shè)備水泵為：32SA－10型1983年9月生產(chǎn)的長沙水泵廠產(chǎn)品：電機(jī)為湘潭電機(jī)廠1983年9月生產(chǎn)的Y1000—10/1430普通鼠籠型產(chǎn)品。該泵組于87年投產(chǎn)運(yùn)行，是至安裝該變頻調(diào)速裝置時已運(yùn)行使用13年之久的舊設(shè)備?，F(xiàn)場安裝極為簡單，只將原6KV真空斷路器至6KV電機(jī)間串接該裝置即可，不需其他降壓、升壓變壓器等設(shè)備。6月27日現(xiàn)場吊裝安調(diào)，6月30日即拖動水泵開始并網(wǎng)送水，投入使用。
2． 基本電氣原理與特點(diǎn)
2.1 基本電氣原理
HARSVERT—A06/130型高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)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(lián)構(gòu)成一相。其基本工作原理是：6KV高壓電經(jīng)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(jìn)行正弦PWM控制，相鄰功率單元的輸出端串接起來，實(shí)現(xiàn)變頻后的高壓正弦波輸出，直接驅(qū)動高壓電機(jī)。
由電氣原理圖可見6KV輸入側(cè)為二極管全波整流42脈沖構(gòu)成多極移相疊加的整流方式極大地改善網(wǎng)側(cè)的電流波型，使其負(fù)載下的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1.0。輸出側(cè)由每個功率單元的U、V輸出端子相互串聯(lián)而成星型接法給電機(jī)供電，通過對每個單元的PWM波型進(jìn)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(jī)振動、電機(jī)發(fā)熱、噪音等。從而減少對輸出電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無須濾波器，電機(jī)不需降額使用，可直接驅(qū)動普通鼠籠電機(jī)，同時可用于舊設(shè)備的改造。
該裝置在控制柜的面板上設(shè)置一個工業(yè)現(xiàn)場型的觸摸屏與彩色液晶顯示屏，內(nèi)置一臺PLC用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)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(shù)，低壓和高壓完全隔離，系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)接口與工控PC鏈接，提供友好的全中文Windows98監(jiān)控和操作界面，與機(jī)裝控制器協(xié)同運(yùn)算，達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。同時可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。其實(shí)現(xiàn)的功能包括：系統(tǒng)功能設(shè)定，參數(shù)設(shè)定、故障信息查詢、運(yùn)行波形顯示、運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄、運(yùn)行模式設(shè)定、報(bào)警及報(bào)警解除與系統(tǒng)復(fù)位等等。
2.2 該裝置的特點(diǎn)
2.2.1 適合中國國情的設(shè)計(jì)：由于每個功率之內(nèi)有濾波電容，再加多組串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可適用于中國電網(wǎng)電壓波動大的現(xiàn)狀、裝置額定輸入電壓6KV +5% ~ -10%，實(shí)際使用適用范圍還要大。
2.2.2 無論是設(shè)備上的控制器，還是外聯(lián)的工業(yè)PC，人機(jī)界面均設(shè)計(jì)成全中文漢化的人機(jī)界面，特別適合工廠現(xiàn)場工人操作的現(xiàn)實(shí)。
2.2.3 由于系統(tǒng)不是高低高或高低的傳統(tǒng)的加降壓、升壓變壓器或電機(jī)降壓使用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，所以系統(tǒng)的效率極大的提高，變頻器的效率在額定負(fù)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(shè)計(jì)，所以系統(tǒng)的功率因數(shù)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(shè)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(shù)低，從而被拖動的電機(jī)低噪音，低振動、不易發(fā)熱，特別適合舊設(shè)備改造。
2.2.8 對被拖動的電動機(jī)可以實(shí)現(xiàn)過載、過流保護(hù)的電機(jī)保護(hù)。
2.2.9 具有高可靠性、高抗干擾能力。
3． 在天津公司的實(shí)際應(yīng)用情況
3.1 變頻器一體化設(shè)計(jì)、體積小，方便安裝與調(diào)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(bǔ)償電容器、啟動設(shè)備等一系列其他裝置，其自成系統(tǒng)，所有設(shè)備、器件都裝設(shè)在自己的裝置內(nèi)，所以一體化設(shè)計(jì)體積很小，結(jié)構(gòu)緊湊，現(xiàn)場占地很小、接線很少、安裝調(diào)試簡單周期短，三天安調(diào)完畢，水泵并網(wǎng)投運(yùn)。
3.2 變頻器運(yùn)行穩(wěn)定、性能良好，對電網(wǎng)諧波污染少。
變頻器投運(yùn)以來，運(yùn)行穩(wěn)定，電壓、電流穩(wěn)定，沒有波動現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)平滑可靠，升、降速平穩(wěn)，表現(xiàn)出變頻器良好的性能。運(yùn)行期間經(jīng)由中國電力科學(xué)研究院對變頻器做了諧波測試，結(jié)果表明：水泵機(jī)組在整個調(diào)速范圍內(nèi)，變頻器網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)都在0.97以上，效率均高于96%，滿載時網(wǎng)側(cè)電流諧波總含量小于3%，優(yōu)于天津水司同類進(jìn)口設(shè)備。
3.3 水泵電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。
此次HARSVERT—A06/130型變頻器調(diào)速拖動的是一期送水泵房2# 機(jī)組，電機(jī)是83年9月出廠的87年投入運(yùn)行的舊的鼠籠電機(jī)。此次變頻調(diào)速運(yùn)行以來，絕緣未受影響，沒有出現(xiàn)異常振動和噪音，溫升也處于正常范圍，同時改善了機(jī)組啟動電流與機(jī)械沖擊。
3.4 變頻調(diào)速裝置適應(yīng)能力強(qiáng)，運(yùn)行可靠。
2001年7月中旬，天津連續(xù)高溫天氣，環(huán)境溫度高達(dá)40℃以上，一度輸入變壓器繞組溫度曾經(jīng)達(dá)到110℃，但變頻器一直正常運(yùn)行，未發(fā)生異?，F(xiàn)象。
同時水廠6KV電網(wǎng)在用電高峰電壓峰谷波動經(jīng)常超過5%，嚴(yán)重時達(dá)10%，當(dāng)時引進(jìn)的變頻器時常因此波動而停機(jī)，而HARSVERT—A06/130變頻器一切正常，運(yùn)行穩(wěn)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(shí)際的問題。變頻器安裝運(yùn)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(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更改，使變壓器的溫升在合理的范圍之內(nèi)。
由于變頻器為空冷結(jié)構(gòu)，在功率柜存在較強(qiáng)的空氣循環(huán)，而變頻器直接安裝在敞開的送水泵房，曾經(jīng)發(fā)生由于柜內(nèi)太臟，堵塞光纖連接頭，而導(dǎo)致的光纖故障。通過改進(jìn)功率柜的密封結(jié)構(gòu)，此問題得以解決。
變頻器在水泵房的控制室內(nèi)裝有上位機(jī)，上位機(jī)與變頻器采用RS485通訊，此通訊線在初期鋪設(shè)時走線不太科學(xué)，與強(qiáng)電線路距離太近，后來發(fā)生通訊接口板損壞的現(xiàn)象；更換接口板后，將線路重新合理鋪設(shè)，解決了這個問題。
對于自來水公司來講，變頻器屬于高技術(shù)產(chǎn)品，在工程安裝和日常運(yùn)行中，還是要不斷提高操作維護(hù)人員的水平，才能將它用得更好，發(fā)揮更大的效益。
3.6 初步效益
由于使用了該套變頻調(diào)速裝置，可以非常方便地適應(yīng)供水壓力、流量變化的不同工藝要求，只須調(diào)節(jié)裝置頻率輸出而勿須頻繁開合高壓斷路器與調(diào)節(jié)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(chǔ)上，核定了水泵高效運(yùn)行區(qū)，一般限制水泵調(diào)速在此范圍內(nèi)，故取得明顯的節(jié)電效果。初步記錄：在5月和6月份，采用ABB調(diào)速泵和兩臺工頻定速泵并聯(lián)運(yùn)行，千噸水電耗指標(biāo)分別是：138.63度和134.80度。在7月和8月使用該套調(diào)速裝置，千噸水電耗指標(biāo)分別是：128.61度和129.51度。綜合電耗指標(biāo)下降了5.6%。可見節(jié)電潛力很大，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(wǎng)服務(wù)壓力為調(diào)度指揮的原則以后，調(diào)速水泵技術(shù)的應(yīng)用，極大地方便與適應(yīng)了此種調(diào)度方式，可任意地調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速以適應(yīng)不同的要求。
新開河水廠自1986年6月投產(chǎn)至今已有16年的歷史，期間運(yùn)行方式也發(fā)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(diào)速裝置經(jīng)調(diào)試后，主要運(yùn)行的是調(diào)速泵組，另外配用一臺定速泵組，二期全部采用調(diào)速泵組運(yùn)行，泵組效率大大提高。因此我們選取在此期間前后穩(wěn)定運(yùn)行的數(shù)據(jù)，比較能耗情況。
一期送水泵房5#、6#水泵供水電耗（串級調(diào)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(diào)速泵 13038.26 1826818 140.11 0.295 2000年9月 一期5#、1定速泵，二期調(diào)速泵 12516.67 1595550 127.47 0.294 2001年5月 一期5#、1定速泵，二期調(diào)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(diào)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(diào)速泵 11690.89 1642520 140.50 0.301 2001年9月 一期定速泵，二期調(diào)速泵 12007.58 1482408 123.46 0.302
對比表一中數(shù)據(jù):在出廠壓力基本相同的條件下,5#調(diào)速水泵節(jié)能率=140.11-127.47)/140.11=9.02 %，5#、6#調(diào)速水泵節(jié)能率=(140.11-122.94)/140.11=13.68 %。
對比表二中數(shù)據(jù)：得5#、6#、2#調(diào)速水泵并聯(lián)運(yùn)行節(jié)能率=(140.50-123.46)/140.50=12.13 %。
通過上述數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論：當(dāng)出廠壓力(供水揚(yáng)程)遠(yuǎn)離高效區(qū)時，應(yīng)用調(diào)速技術(shù)，改變工作點(diǎn)，使機(jī)組效率提高，并聯(lián)工況下節(jié)能率可達(dá)到10%左右。由于運(yùn)行條件所限，未能進(jìn)行單臺泵組能耗的測定，以上表中所列均為并聯(lián)工況下運(yùn)行數(shù)據(jù)。
設(shè)備投資回收期
根據(jù)《調(diào)度日報(bào)》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，5#水泵節(jié)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(diào)速系統(tǒng)年節(jié)電費(fèi)為：年節(jié)電量*電價=12.64*128641.87*0.54=87.8058萬元/年，收回設(shè)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(diào)速裝置成本)，當(dāng)年可收回5#、6#水泵調(diào)速裝置成本。
2#水泵與5#、6#水泵并聯(lián)共節(jié)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(diào)速系統(tǒng)年節(jié)電費(fèi)為：年節(jié)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(jié)約的能源，那么收回設(shè)備投資需要125.1504萬元/117.7306萬元=12.8個月。設(shè)備投資回收期短，節(jié)能效果顯著。
4． 該裝置性能指標(biāo)的測定與評價
4.1 設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)
輸入頻率（HZ）： 45HZ ~ 55HZ
額定輸入電壓： 6KV（+5% ~ -10%）
輸入功率因數(shù)： 0.95（＞20%負(fù)載）
變頻器效率： 額定負(fù)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(hù)
加減速時間： 0.1 ~ 3000秒
4.2 主要性能指標(biāo)的測定與評價
該套裝置在天津水司運(yùn)行期間，由國家電控配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心和中國電力科學(xué)研究院主持對相關(guān)的性能與指標(biāo)進(jìn)行了檢驗(yàn)與測定，例如輸出電壓不對稱度、頻率穩(wěn)定精度、分辨力、功率因數(shù)、效率等多項(xiàng)指標(biāo)，尤其是諧波含量。
其中對諧波專項(xiàng)的檢測是按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》要求測定。結(jié)果：變頻系統(tǒng)引起的電網(wǎng)諧波電壓符合國家標(biāo)準(zhǔn)；輸入電流相對諧波電流含量滿足IEEE Std 519—1992標(biāo)準(zhǔn)要求；輸出電壓相對諧波電壓含量滿足IEEE Std 519-1992標(biāo)準(zhǔn)要求。這些方面優(yōu)于該廠進(jìn)口的國外變頻器指標(biāo)。
5． 結(jié)束語
利德華福公司研制的高壓大功率變頻調(diào)速裝置在天津水司新開河水廠運(yùn)行結(jié)果表明：該套裝置具有功能齊全，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，可靠性高和便于維護(hù)管理，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，達(dá)到國際同類新產(chǎn)品的水平。尤其其獨(dú)有的特點(diǎn)更適合中國的國情，非常適用于自來水行業(yè)的技術(shù)改造和升級。我們預(yù)祝它今后產(chǎn)品更加系列化、多樣化、產(chǎn)品質(zhì)量更上一層樓，使其成為我國高壓大功率電動機(jī)直接變頻調(diào)速的主導(dǎo)產(chǎn)品。
以上是我個人對該技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用的粗淺認(rèn)識，可能有不妥之處，望專家同行批評指正。
圖1 高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖2 功率單元電路結(jié)構(gòu)
（摘自利德華福網(wǎng)站）
（轉(zhuǎn)載）
