一、前言

　　隨著電子技術(shù)、電力技術(shù)的不斷發(fā)展。高、低壓變頻裝置正朝著大功率方向邁進(jìn)，它在節(jié)能以及方便生產(chǎn)調(diào)度方面的應(yīng)用正被越來越多的人所認(rèn)知。變頻調(diào)速技術(shù)以其顯著的節(jié)能效果和可靠的控制方式，在水泵和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。一些著名公司如德國的西門子公司、瑞士的ABB公司、美國的羅賓康公司、意大利的安薩爾多公司等在高、低壓變頻器調(diào)速技術(shù)上已趨成熟。變頻器電力電子器件由最早的SCR、GTO、GTR、SGCT發(fā)展到目前的IGBT、IGCT，其產(chǎn)品的耐壓水平、開關(guān)頻次等特性指標(biāo)不斷提高，生產(chǎn)成本也逐步降低，為變頻器的推廣應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。浦口水廠一泵房從1997年開始應(yīng)用意大利的安薩爾多380V低壓變頻器；2004年，在二泵房使用了美國的羅賓康6KV高壓變頻器，均取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。本文通過對變頻器在浦口水廠中的應(yīng)用案例進(jìn)行總結(jié)研究，為同行提供建議，充分發(fā)揮變頻器在水廠生產(chǎn)中的作用。

二、低壓變頻技術(shù)在一泵房的應(yīng)用

1、工藝情況介紹
　　浦口水廠地處南京市浦口地區(qū)。水廠一泵房共4臺200kW機(jī)組，設(shè)計(jì)能力為15萬m³。目前實(shí)際出水量只有5萬m³左右。最低水量為4萬m³，最高水量為6~7萬m³。是浦口地區(qū)惟一的水廠，未裝變頻器時(shí)，當(dāng)水需求量低時(shí)，一泵房開一臺機(jī)組運(yùn)行，其額定流量超過需求的水量，須采用勒閘方式或停泵的方式；當(dāng)水需求量高時(shí)，一泵房開兩臺機(jī)組運(yùn)行，其額定流量超過需求的水量，須采用勒閘方式或停泵的方式運(yùn)行，造成電機(jī)頻繁開關(guān)。面對這樣不合理的狀況，通過安裝了變頻器，設(shè)置合理的控制方式，便于生產(chǎn)調(diào)度與節(jié)能運(yùn)行。
2、低壓變頻器工作原理概述
　　浦口水廠低壓變頻器為意大利安薩爾多公司生產(chǎn)的380V低壓變頻器，型號為SVTS200，功率為200kW，為電流型變頻器，在3號和4號機(jī)組上各安裝了一臺。低壓變頻器的基本構(gòu)成如下：

　　如上圖，整流器把電網(wǎng)側(cè)交流電轉(zhuǎn)為直流電，逆變器在控制器的控制下利用6個(gè)半導(dǎo)體主開關(guān)器件，組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制主開關(guān)的通斷取得任意三相交流電源，中間環(huán)利用電容、電感實(shí)現(xiàn)電機(jī)與中間直流環(huán)節(jié)的無功交換?？刂破髦饕瓿蓪δ孀兤鞯拈_關(guān)控制，對整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)顯示功能。其變頻器特點(diǎn)：
　　（1）逆變單元采用目前性能比較先進(jìn)的IGBT元件，其耐壓在1200V以上，最大電流為400A。
　　（2）采用正弦脈沖寬度調(diào)節(jié)（PWM）技術(shù)，這樣可由逆變器自身完成調(diào)頻和調(diào)壓的任務(wù)；不需要由整流器完成調(diào)壓，同時(shí)可減少和消除某些諧波。
　　（3）對交流電機(jī)沒有特殊要求。
　?。?）直接控制磁通量，具有VVVF特性。
　　（5）保護(hù)功能比較全面。
3、低壓變頻器的控制方式
　　在水廠一泵房應(yīng)用變頻器的目的是為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能及平滑調(diào)節(jié)生產(chǎn)的目的。下圖是浦口水廠一泵房3號水泵變頻機(jī)組的控制設(shè)計(jì)原理簡圖：

　　從上圖可以看出，水泵有兩種運(yùn)行方式，通過合KM1（KM2斷開）可實(shí)現(xiàn)工頻運(yùn)行方式；另一種是通過合KM2（KM1斷開）運(yùn)行變頻方式。在變頻器發(fā)生故障的情況下或水量需求滿足工頻運(yùn)行的情況下，水泵運(yùn)行在工頻的方式下。在變頻運(yùn)行方式下，設(shè)置手動和自動控制方式。自動控制的方式是變頻器設(shè)定水位給定信號，并與液位儀采集的信號進(jìn)行比較，變頻自動判斷增加或減少頻率。當(dāng)超過信號采集時(shí)間30分鐘后再比較采集信號，來進(jìn)行增加或減低頻率。這是因?yàn)樽冾l器在增加或降低頻率后，須經(jīng)歷沉淀、過濾工藝過程，源水的變化才響應(yīng)到清水池，所以需要延遲一段時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。通過反復(fù)試驗(yàn)，獲取了上述經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，此經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用保持了清水池水位的相對穩(wěn)定，便利了生產(chǎn)調(diào)度。
4、經(jīng)濟(jì)效益分析與應(yīng)用注意事項(xiàng)
　　現(xiàn)對一泵房安裝變頻器前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。1996年未采用變頻器之前，一泵房用電單耗為0.0534 kWh/ m³，在使用變頻后用電單耗0.0440 kWh/ m³，單耗下降了18%，使用變頻機(jī)組后月平均用電減少約2萬度，年節(jié)省費(fèi)用12萬元以上，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
　　變頻器在應(yīng)用中的注意事項(xiàng)總結(jié)如下：
　　大功率變頻器由于運(yùn)行時(shí)電流較大，特別是在夏季，運(yùn)行溫度較高。變頻器對環(huán)境溫度有一定的要求，—般不超過40℃。如果超過40℃，變頻器壽命將減少。浦口水廠為此把變頻器安裝在通風(fēng)除塵良好的房間。
　　變頻器出線安裝接觸器，從浦口水廠實(shí)踐看效果不好。浦口水廠兩臺變頻器進(jìn)出線安裝有相應(yīng)交流接觸器。在變頻器遠(yuǎn)行中，特別是出線接觸器其主觸頭及鐵芯線圈溫度較高，測量時(shí)達(dá)120℃以上，造成線圈燒壞。其原閃可能是諧波串入接觸器，造成接觸器發(fā)熱。目前，浦口水廠把出線接觸器解掉。
　　變頻器應(yīng)有良好的接地。二次控制線與電力電源線不能在同一導(dǎo)線槽內(nèi)。至少離開10cm以上，且控制線應(yīng)該采用屏蔽雙絞線。

三、高壓變頻技術(shù)在二泵房的應(yīng)用

1、工藝情況介紹
　　浦口水廠二泵房共5臺機(jī)泵，其中1號機(jī)泵400kW，2號機(jī)泵和4號機(jī)泵250kW，3號機(jī)泵和5號機(jī)泵630kW，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為15萬米³/天。最低時(shí)出水量是1440 m³/h。最高時(shí)出水量是3210 m³/h，最高日出水量為67670 m³/d。在機(jī)泵沒進(jìn)行變頻改造前，白天一般運(yùn)行1號單臺機(jī)泵，在出水量較大時(shí)運(yùn)行1號機(jī)泵和2號機(jī)泵或4號機(jī)泵兩臺并聯(lián)運(yùn)行，但由于在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)出水壓力較高，一般采用勒2號機(jī)泵或4號機(jī)泵出水閘門的方式調(diào)節(jié)壓力。晚上，一般運(yùn)行2號機(jī)泵過夜，但出水壓力較低；若運(yùn)行1號機(jī)泵時(shí)壓力又偏高?？梢姡\(yùn)行方式比較單一，沒有備用泵使用。因此決定對1號機(jī)泵進(jìn)行變頻改造，并同時(shí)把3號機(jī)泵進(jìn)行改造為355kW。
2、高壓變頻器工作原理概述
　　浦口水廠二泵房采用美國安塞羅賓康6KV完美無諧波高壓變頻器，功率為450Kw，型號為PH-6-6-450KW。其工作原理如下：
　　如下如圖所示，它主要由隔離變壓器及功率單元組成。每相由6個(gè)相同的功率單元串接而成，各功率單元由一個(gè)變壓器的二次線圈供電，功率單元的供電電壓為580V，功率單元和二次線圈相互絕緣。由于每個(gè)功率單元輸出電壓為580V，6個(gè)相加為3480V，對應(yīng)線電壓為6027V，額定值為6000V。每個(gè)功率單元采用IGBT構(gòu)成的三相輸入，單相功率單元輸出0~580V可調(diào)電壓和0~120HZ的可調(diào)頻率，功率單元受控于中央控制器。命令信號由光纖傳送，具有良好的抗干擾性。由于變壓器二次線圈在繞制時(shí)相互間存在相位差，這樣可消除各單元產(chǎn)生的大系數(shù)諧波電流，功率因數(shù)可在0.95以上，經(jīng)實(shí)測電壓、電流諧波畸變（THD）小于3%；變頻器輸入端的電壓電流波形其THD小于3%。功率單元越多，其THD將越小。

　　無諧波高壓變頻器從本質(zhì)上解決了以往高壓大功率變頻器應(yīng)用中存在的許多問題，如對電網(wǎng)的諧波污染，輸入功率因數(shù)較低，電機(jī)發(fā)熱，轉(zhuǎn)矩脈動，dv/dt影響影響電機(jī)絕緣等。
3、高壓變頻器的控制方式
　　變頻器用于二泵房其主要目的為節(jié)能降耗、平穩(wěn)調(diào)節(jié)供水壓力為市民優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。經(jīng)設(shè)計(jì)確定1號400kW機(jī)泵安裝450kW變頻器。2004年12月份變頻器投入運(yùn)行。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡圖見下圖：

　　該系統(tǒng)由旁路柜、變頻器及壓力采樣儀表，計(jì)算機(jī)組成。旁路隔離開關(guān)主要用于電機(jī)的工頻運(yùn)行及變頻器檢修時(shí)的運(yùn)行。1號機(jī)泵變頻器有手動和自動運(yùn)行方式。自動運(yùn)行時(shí)，由人工設(shè)定出廠水壓力。變頻器通過采集出廠水管網(wǎng)壓力信號并與設(shè)定值進(jìn)行比較，自動降低或升高電機(jī)運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的供水壓力。
4、經(jīng)濟(jì)效益分析與應(yīng)用注意事項(xiàng)
　　現(xiàn)對二泵房安裝變頻器前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。數(shù)據(jù)采集時(shí)間為變頻器前后一個(gè)月運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)。

運(yùn)行方式 總用電量（kWh） 總送水量（m³） 單耗（kWh/ m³） 變頻前 18552 100510 0.1846 變頻后 30368 182560 0.1663

　　由數(shù)據(jù)可以計(jì)算出二泵房電耗下降了9.9%。減少了開關(guān)機(jī)泵次數(shù)，減少了機(jī)械磨損和噪音。同時(shí)現(xiàn)在出廠水壓力依據(jù)管網(wǎng)的要求在0.35MPa~0.44Mpa之間任意設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了衡壓供水（見下圖），改善了管網(wǎng)供水壓力，為市民提供了更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

　　變頻器在應(yīng)用中的注意事項(xiàng)總結(jié)如下：
　　應(yīng)用大功率變頻調(diào)速節(jié)能效果非常顯著，無諧波變頻器適合于改造項(xiàng)目，無須更換原有的高壓電機(jī)或另加升壓變壓器。在采用大功率變頻器時(shí)，首先要考慮采用調(diào)速系統(tǒng)的節(jié)能潛力，其次要考慮到諧波對電網(wǎng)的影響，選擇合適的容量與臺數(shù)。
　　經(jīng)常記錄變頻器運(yùn)行情況（運(yùn)行模式、電壓、電流、速度、功率等）， 發(fā)生跳閘時(shí)，要記錄下故障情況，查明原因解除故障后方可再次送電。
　　1) 長期運(yùn)行的變頻器特別是高壓變頻器在溫度、濕度、振動、灰塵等影響下，其性能會發(fā)生變化，因此有必要加強(qiáng)日常維護(hù)和檢查，主要是檢查各部分有無異味、振動、過熱現(xiàn)象和及時(shí)清理灰塵等。
　　由于變頻器為進(jìn)口設(shè)備，運(yùn)行操作較復(fù)雜，需及時(shí)對運(yùn)行人員進(jìn)行培訓(xùn)，能盡快正確操作變頻器，保證安全生產(chǎn)。

四、結(jié)束語

　　從變頻器在浦口水廠多年的運(yùn)行中可以得出結(jié)論，變頻器運(yùn)行可以降低能耗，調(diào)節(jié)生產(chǎn)，保證水廠穩(wěn)定安全運(yùn)行。城市供水企業(yè)是一個(gè)耗能大戶，許多設(shè)備的綜合能耗大大高于先進(jìn)水平；另一方面在制水過程中存在著自動化程度較低的現(xiàn)象，靠操作人員勤跑、勤看、勤調(diào)節(jié)的落后生產(chǎn)管理方法，在水質(zhì)要求越來越高的情況下越來越不適應(yīng)。因此，在供水行業(yè)推廣應(yīng)用變頻器對節(jié)能降耗和提高自動化程度有著重要的意義；對變頻器的應(yīng)用要不斷進(jìn)行總結(jié)，一方面要維護(hù)好它，更重要的是變頻器的應(yīng)用與工藝充分結(jié)合，發(fā)揮它的最大效用。