高压变频器在北京燕化供水车间中的应用-AET-电子技术应用

摘要：本文介绍高压变频器在北京燕化供水车间的应用，利用变频器可以进行大量程速度无级调节的优点，解决了用大水泵在小流量地表水源取水中出现抽干的难题。使小流量地表水源得到利用，并同时节约大量电能，取得了资源和经济的双重效益。

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.

关键词：高压变频器调速运行节能

1.引言
在泵站供水系统中，常常是多泵供应多个用户，同时内部管路进行联网，能做到互为备用。在设计初期多个用户的用水量是基本一致的。但经常有个别终端的用户常会由于工况改变，工艺调整，供应面积变化等原因，其供水量会小于原设计的容量，这时就出现了用大泵往出输送小水量的情况。
北京燕化公司动力事业部一供水车间的其中一路供水用户的用水量较小,其总需求量不到水泵额定容量的三分之一。运行时阀门开度很低，在运行时泵压较高，不但使电能浪费较大，而且用阀门调节时，由于其开度与流量的非线性特性，往往一个很小角度的调节，其流量就发生很大的变化。
在北京燕化公司动力事业部一供水车间附近，有一个小流量水渠，其地表流量与用量较小的用户终端的使用量相近。在2004年，北京水务局从北京水资源的充分利用出发，要求北京燕化公司将这个小流量地表水利用上，以优化水网的资源调配。但是实际的供水调配时，由于其小流量地表水流量与用量较小的用户终端的使用量相近，而泵的容量较大，用阀门调节时，不是供水量不足，就是将小流量地表水抽干，无法对其进行利用。
为充分利用珍贵的水资源和电力资源，北京燕化公司动力事业部一供水车间对3号泵进行调速改造，通过高压变频器能对转速无级精密调节的功能，使大流量的3号泵能顺利抽取小流量的地表水渠中的水满足用户终端要求而不出现抽空现象。

2.燕化公司一供水车间3号泵参数与改造方案简介
2.1 燕化公司一供水车间3号取水泵参数
名称：离心式清水泵；
型号：24SA-10A；
扬程：39m；
流量：2700m3/h；
允许吸上真空高度：4.8m；
转速：730r/min；
功率：319kW；
配用功率：360kW；
重量：4100kg；
生产日期：1975年5月；
生产厂家：长沙水泵厂。
2.2 3号取水泵配套电动机参数
名称：异步电动机；型号：JS158-8；
额定功率：380kW；额定电压：6000V；
额定电流：47A；环境温度：35℃；
转速：740r/min；绝缘等级：A；
接法：星；重量：4100kg；
序号：750259；
技术条件：OAG.510.004；
生产日期：1975年6月；
生产厂家：湘潭电机厂。
2.3 北京燕化公司动力事业部一供水车间3号泵取水网简介
在北京的颐和园水系中,有一路从燕山下来的小流量天然水道,其流量较小,平均仅在1000m3/h左右,但是其水质较好,在汇入总水系前,其能作为优质水源而直接利用。
北京燕化公司动力事业部一供水车间3号泵的进口管道经过多管路的组合，即可以从主干渠中取水，亦可从小流量地表水渠取水，其形式如图1所示。

图1 3号泵取水系统

在图中，用水终端的用水为880m3/h，小流量地表水的流量约为1000m3/h。在用3号泵进行小流量地表水取水的测试中，用出口阀调节出水的流量，由于阀调节流量的精度较低，同时从取水到供水的管路都较长，在达到时终端用水要求时，其输出流量多出用水终端较多。随着小流量地表水的早晚流量的变化,出现了将小流量地表水抽干的现象。经过多次调节，由于精度不够，不时出现用水终端供水不足，再就是小流量地表水抽干，并出现了几次水泵打空，险些出现水锤事故。
在这种情况下，只好放弃对小流量地表水的应用。这样不但是小流量的水资源白白的浪费，而且由于从主干渠取水的管道比从小流量地表水要长出近一倍多，又浪费了大量的电能，并占用了大量的管道资源。
2.4 北京燕化公司动力事业部一供水车间3号泵调速改造方案
为充分利用水源资和节能增效，通过大量的分析与调查，确定利用高压变频器对电机速度调节精度高，输出力矩稳定的特点，采用档板全开运行，在低转速下能实现小流量，低泵压的精细流量输出。故北京燕化公司动力事业部确定用变频调速的方案可以使额定流量为2700m3/h的离心水泵稳定输出880m3 /h的水量，达到利用小流量地表水为小水量用户供水的目标。
北京市水务局于2004年12月份投资采用哈尔滨九洲电气股份有限公司生产的高压变频调速装置对3号泵进行改造。

3 高压变频器的工作原理
3.1 高压变频器的构成
多电平单元串联高压变频器是由十八个相同的单元模块构成，每六个模块为一组，分别对应高压回路的三相，单元供电由移相变压器进行供电，其内部结构原理图如图2所示。

图2 高压变频器内部结构图

3.2 功率单元构成
功率单元是一种单相桥式变换器，由输入切分变压器的副边绕组供电。经整流、滤波后由4个IGBT以PWM方法进行控制，产生设定的频率波形。变频器中所有的功率单元，电路的拓扑结构相同，实行模块化的设计。其控制通过光纤发送。原理框图如图3所示。

图3 功率单元原理框图

来自主控制器的控制光信号，经光/电转换，送到控制信号处理器，由控制电路处理器接收到相应的指令后，发出相应的IGBT的驱动信号，驱动电路接到相应的驱动信号后，发出相应的驱动电压送到IGBT控制极，操作IGBT关断和开通，输出相应波形。
功率单元中的状态信息将被收集到应答信号电路中进行处理，集中后经电/光转换器变换，以光信号向主控制器发送。
3.3 高压变频器运行原理
高压变频器的每个功率单元相当于一个三电平的二相输出的低压变频器，通过叠加成为高压三相交流电，以6kV变频器为例论述：6kV输出电压的变频器，每相有6个功率单元相串联。单元的输入电压为三相600V，输出侧为单相577V，单元相互串联叠加后可输出相电压3464V。当变频器输出频率为 50Hz时，相电压为13阶梯波，如图4所示。图中UA1…UA6分别为A相6个功率单元的输出电压，叠加后为变频器A相输出电压UA0。图中显示出了生成PWM控制信号时所采用的A相参考电压UAr，可以看出UA0很好地逼近UAr。UAF为A相输出电压中的基波成分。

图4 相电压回路叠加波形

由于变频器中点与电动机中性点不连接,变频器输出实际上为线电压,由A相和B相输出电压产生的UAB输出线电压可达6000V,为25阶梯波。图 5所示的为输出的线电压和相电压的阶梯波形,UAB不仅具有正弦波形而且台阶数也成倍增加,因而谐波成分及dv/dt均较小。

图5 线电回路叠加波形

3.4 多电平单元串联叠加型变频器的三相波形输出质量
高压变频器在运行后，将输入的工频三相高压交流电转化为可以进行频率可调节的三相交流电，其电压和频率按照V/F的设定进行相应的调节,保持电机在不同的频率下运行,而定子铁心中的主磁通保持在额定水准,提高电机的转换效率，图6是在现场运行时,经过PT采集的电动机三相输入波形。

图6 电动机入电压波形

多重叠加的应用,使高压变频器输出电压的谐波含量很低，已达到常规供电电压允许的谐波含量,同时输出电压的dv/dt也较小,不会增加电机绕组的应力,可以向普通标准型交流电动机供电,不需要降容或加输出滤波电抗器，保证了高压设备的通用性。

4 高压变频器在3号泵上的应用与效果
4.1 高变频器安装运行
燕化公司动力事业部一供水车间3号水泵原来采用工频运行，阀门调节方式控制流量，不能满足生产工艺要求，又浪费了大量的电能。为此北京市水务局于 2004年12月份投资采用哈尔滨九洲电气股份有限公司生产的高压变频调速装置对3号泵进行改造。该装置采用单元串联式多重叠加型直接高—高变频器，带自动旁路柜，就地，远控均为彩色液晶触摸屏控制，预留DCS控制和闭环控制功能。并于2005年1月4日正式投入运行。经过实际运行考核证明，哈尔滨九洲电气股份有限公司所生产的高压变频调速装置运行稳定，性能良好，既满足了生产工艺的要求，又具有显著的节能效果。
4.2 高压大功率变频调速装置
型号：JZHICON-IA-06/50;
额定输入电压：6000V;
额定输出电压：6000V;
额定输出频率：50Hz;
额定输出功率：500kW;
额定输出电流：50A;
输出频率调节范围：0～50Hz;
生产厂家：哈尔滨九洲电气股份有限公司。
4.3 电动机工频运行时的工况
电动机电流：26A;
电动机温度：45℃;
运行频率：50Hz;
出口压力：0.50Mpa;
输出流量：880m3/h;
出口阀门开度：60%。
4.4 电动机变频调速运行时的工况
电动机电流：14A;
电动机温度：25℃;
运行频率：39.8Hz;
出口压力：0.33Mpa;
输出流量：880m3/h;
出口阀门开度：100%。
● 电动机工频运行时的耗电量
每小时耗电：（26A÷47A）×380kW×1h=210kW·h
每天耗电：210×24=5040kW·h
每年耗电：5040×365=1839600kW·h
● 电动机变频运行时的耗电量
每小时耗电:（14A÷47A）×380kW×1h=113.2kW·h
每天耗电：113.2×24h=2716.8kW·h
每年耗电：2716.8×365=991632kW·h
● 电动机采用高压变频调速装置后的节电量
每小时节电：210-113.2=96.8kW·h
每天节电：5040-2716.8=2323.2kW·h
每年节电：1839600-991632=847968kW·h
● 平均节电率
847968÷1839600=46%
● 电动机采用高压变频调速装置后节约电费
平均电费以0.5元/kW·h计算
每年节约电费：0.5元/kW·h×847968kW·h=423984元≈42.4万元

5 结束语
通过北京燕化公司动力事业部一供水车间的3号泵高压变频器调速改造，解决了大容量的离心泵在供水量与用户的用水量相近的小水量输出情况的安全运行的难题，使3号泵安全地运行于额定流量的1/3以下，并可以保持精确的流量调节,在不抽干小流量地表水的同时,保证的用户终端的用水需求。
高压变频器的精确控制功能，可以使水泵工作于原来阀门调节方式下无法达到的工况，在极小流量的情况下仍能精细的调节介质流量,这样就能将大泵使用一些原先无法应用的小流量水源,在节约大量电量的同时，还充分利用了稀少的水资源。
在自主创新,占领世界科技高端的精神带动下,具有自主知识产权的国产大功率与超大功率高压变频的技术不断成熟,在中国的大型工业领域内的电动机调速应用越来越广泛,并开始进入原来由国外的高压变频器垄断的领域。

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设计应用

高压变频器在北京燕化供水车间中的应用