国产高压变频调速技术在水厂的应用
1． 前言
随着电力电子技术与电力变流器件技术的发展，高压大功率变频调速技术在国内外均有长足的发展，尤其是近来随着智能芯片技术在容量与速度方面新的突破，智能自动控制技术再上一个新台阶，其与高压大功率变频调速技术的结合使其如虎添翼，新的设备产品不断涌现。这些年我们已经大量地接触了日本东芝、富士公司，德国西门子公司、法国阿尔斯通公司、瑞士ABB公司、丹麦丹佛斯公司、美国AB、GE、罗宾康公司等等的各种变频调速技术。电力电子器件与技术的发展也经历了SCR、GTO、GTR与SGCT，以及IGBT、IGCT技术。就在这国外变频调速设备技术的日益涌现中，现在出现了我们国内的利德华福等公司开发生产的高压变频调速技术，以及华为等公司开发的低压变频调速技术，给我们变频调速技术国产化带来了新的生机。本人对此不做综合评述，仅就这一年来在天津水司新开河水厂应用的利德华福高压大功率6KV/1000 KW变频调速装置做一初步探讨。
新开河水厂始建于86年，二期扩建通水在95年，其日产水能力100万吨，仅该厂水泵电机调速技术就有多种。86年投产之初，在一期送水泵房采用的是国产西安整流器厂的2套6KV/1000KW绕线转子电机串级调速装置，二期扩建时，在计量泵上应用的是西门子公司的低压小功率变频调速器，在排水泵房应用的是低压75KW富士变频器，在二期送水泵房应用的是ABB公司2200V/1650KW GTO变频调速装置。水厂在水泵调速技术应用上已有一定的历史。
2001年新开河水厂在一期泵房旧设备改造安装使用了清华大学技术、利德华福公司生产的HARSVERT－A06/130型6KV/1000KW高压直接变频调速装置，其拖动的设备水泵为：32SA－10型1983年9月生产的长沙水泵厂产品：电机为湘潭电机厂1983年9月生产的Y1000—10/1430普通鼠笼型产品。该泵组于87年投产运行，是至安装该变频调速装置时已运行使用13年之久的旧设备。现场安装极为简单，只将原6KV真空断路器至6KV电机间串接该装置即可，不需其他降压、升压变压器等设备。6月27日现场吊装安调，6月30日即拖动水泵开始并网送水，投入使用。
2． 基本电气原理与特点
2.1 基本电气原理
HARSVERT—A06/130型高压变频调速系统基本电气原理见附图一所示。由三大部分组成：移相整流变压器、功率单元和控制器组成。其中6KV系列有21个功率单元，每7个功率单元串联构成一相。其基本工作原理是：6KV高压电经过副边7组三相输出的降压、移相、隔离变压器输送给各个功率单元，功率单元（见附图二）为三相输入、单相输出，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，相邻功率单元的输出端串接起来，实现变频后的高压正弦波输出，直接驱动高压电机。
由电气原理图可见6KV输入侧为二极管全波整流42脉冲构成多极移相叠加的整流方式极大地改善网侧的电流波型，使其负载下的网侧功率因数接近1.0。输出侧由每个功率单元的U、V输出端子相互串联而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波型进行重组，得到阶梯的PWM波型，该波型正弦度好，dv/dt小，可以降低输出谐波及由此引起的电机振动、电机发热、噪音等。从而减少对输出电缆和电机的绝缘损坏，无须滤波器，电机不需降额使用，可直接驱动普通鼠笼电机，同时可用于旧设备的改造。
该装置在控制柜的面板上设置一个工业现场型的触摸屏与彩色液晶显示屏，内置一台PLC用于柜体内开关信号的逻辑处理以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的可控性与灵活性。由于控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压和高压完全隔离，系统具有极高的安全性和很好的抗电磁干扰性能。控制装置可以通过标准计算机接口与工控PC链接，提供友好的全中文Windows98监控和操作界面，与机装控制器协同运算，达到最优的运行性能。同时可以实现远程监控和网络化控制。其实现的功能包括：系统功能设定，参数设定、故障信息查询、运行波形显示、运行数据记录、运行模式设定、报警及报警解除与系统复位等等。
2.2 该装置的特点
2.2.1 适合中国国情的设计：由于每个功率之内有滤波电容，再加多组串联结构，可适用于中国电网电压波动大的现状、装置额定输入电压6KV +5% ~ -10%，实际使用适用范围还要大。
2.2.2 无论是设备上的控制器，还是外联的工业PC，人机界面均设计成全中文汉化的人机界面，特别适合工厂现场工人操作的现实。
2.2.3 由于系统不是高低高或高低的传统的加降压、升压变压器或电机降压使用的系统结构，所以系统的效率极大的提高，变频器的效率在额定负载下＞0.96。
2.2.4 由于功率单元采用二极管全波整流、且有滤波电容设计，所以系统的功率因数很高，Cosф＞0.95，甚至接近1.0。
2.2.5 由于功率单元分为7个不同相位组，相差8.6度电角度，故二极管全波型流形成42脉波的效果，理论上41次以下谐波基本不存在，故谐波干扰很低。
2.2.6 由于装置上设置了高速PLC控制器，可以适用不同的控制要求与控制方式。
2.2.7 如原理所述其有很好的变频正弦波输出，波纹系数低，从而被拖动的电机低噪音，低振动、不易发热，特别适合旧设备改造。
2.2.8 对被拖动的电动机可以实现过载、过流保护的电机保护。
2.2.9 具有高可靠性、高抗干扰能力。
3． 在天津公司的实际应用情况
3.1 变频器一体化设计、体积小，方便安装与调试
由于HARSVET—A06/130型变频器不需另外加装变压器、电抗器、滤波器、补偿电容器、启动设备等一系列其他装置，其自成系统，所有设备、器件都装设在自己的装置内，所以一体化设计体积很小，结构紧凑，现场占地很小、接线很少、安装调试简单周期短，三天安调完毕，水泵并网投运。
3.2 变频器运行稳定、性能良好，对电网谐波污染少。
变频器投运以来，运行稳定，电压、电流稳定，没有波动现象，转速调节平滑可靠，升、降速平稳，表现出变频器良好的性能。运行期间经由中国电力科学研究院对变频器做了谐波测试，结果表明：水泵机组在整个调速范围内，变频器网侧功率因数都在0.97以上，效率均高于96%，满载时网侧电流谐波总含量小于3%，优于天津水司同类进口设备。
3.3 水泵电机运行平稳。
此次HARSVERT—A06/130型变频器调速拖动的是一期送水泵房2# 机组，电机是83年9月出厂的87年投入运行的旧的鼠笼电机。此次变频调速运行以来，绝缘未受影响，没有出现异常振动和噪音，温升也处于正常范围，同时改善了机组启动电流与机械冲击。
3.4 变频调速装置适应能力强，运行可靠。
2001年7月中旬，天津连续高温天气，环境温度高达40℃以上，一度输入变压器绕组温度曾经达到110℃，但变频器一直正常运行，未发生异常现象。
同时水厂6KV电网在用电高峰电压峰谷波动经常超过5%，严重时达10%，当时引进的变频器时常因此波动而停机，而HARSVERT—A06/130变频器一切正常，运行稳定可靠。
3.5 使用中的故障情况
变频器在使用中，也遇到了一些实际的问题。变频器安装运行后，正值夏季，暴露出变压器温升太高的问题，后来由厂家对变压器柜的通风结构进行了更改，使变压器的温升在合理的范围之内。
由于变频器为空冷结构，在功率柜存在较强的空气循环，而变频器直接安装在敞开的送水泵房，曾经发生由于柜内太脏，堵塞光纤连接头，而导致的光纤故障。通过改进功率柜的密封结构，此问题得以解决。
变频器在水泵房的控制室内装有上位机，上位机与变频器采用RS485通讯，此通讯线在初期铺设时走线不太科学，与强电线路距离太近，后来发生通讯接口板损坏的现象；更换接口板后，将线路重新合理铺设，解决了这个问题。
对于自来水公司来讲，变频器属于高技术产品，在工程安装和日常运行中，还是要不断提高操作维护人员的水平，才能将它用得更好，发挥更大的效益。
3.6 初步效益
由于使用了该套变频调速装置，可以非常方便地适应供水压力、流量变化的不同工艺要求，只须调节装置频率输出而勿须频繁开合高压断路器与调节出口阀门开启度，减少了值班人员的工作量。
在初步测定水泵曲线的基础上，核定了水泵高效运行区，一般限制水泵调速在此范围内，故取得明显的节电效果。初步记录：在5月和6月份，采用ABB调速泵和两台工频定速泵并联运行，千吨水电耗指标分别是：138.63度和134.80度。在7月和8月使用该套调速装置，千吨水电耗指标分别是：128.61度和129.51度。综合电耗指标下降了5.6%。可见节电潜力很大，若与定速泵比效益更好。若从社会效益讲，天津水司试行以城市管网服务压力为调度指挥的原则以后，调速水泵技术的应用，极大地方便与适应了此种调度方式，可任意地调节水泵转速以适应不同的要求。
新开河水厂自1986年6月投产至今已有16年的历史，期间运行方式也发生了很大的变化，自1990年至今出厂压力由最高的41.4m降至目前的平均31m左右。自2000年6月一期送水泵房调速装置经调试后，主要运行的是调速泵组，另外配用一台定速泵组，二期全部采用调速泵组运行，泵组效率大大提高。因此我们选取在此期间前后稳定运行的数据，比较能耗情况。
一期送水泵房5#、6#水泵供水电耗（串级调速） 表一
时间 泵组配备情况 供水量
（km3） 用电量
（kWh） 送水电耗(kWh/km3) 出厂压力
（Mpa） 2000年1月 一期定速泵，二期调速泵 13038.26 1826818 140.11 0.295 2000年9月 一期5#、1定速泵，二期调速泵 12516.67 1595550 127.47 0.294 2001年5月 一期5#、1定速泵，二期调速泵 11659.59 1433471 122.94 0.296
一期送水泵房2#水泵供水电耗（变频调速） 表二
时间 泵组配备情况 供水量
（km3） 用电量
（kWh） 送水电耗(kWh/km3) 出厂压力
（Mpa） 2000年4月 一期定速泵，二期调速泵 11690.89 1642520 140.50 0.301 2001年9月 一期定速泵，二期调速泵 12007.58 1482408 123.46 0.302
对比表一中数据:在出厂压力基本相同的条件下,5#调速水泵节能率=140.11-127.47)/140.11=9.02 %，5#、6#调速水泵节能率=(140.11-122.94)/140.11=13.68 %。
对比表二中数据：得5#、6#、2#调速水泵并联运行节能率=(140.50-123.46)/140.50=12.13 %。
通过上述数据分析可以得出以下结论：当出厂压力(供水扬程)远离高效区时，应用调速技术，改变工作点，使机组效率提高，并联工况下节能率可达到10%左右。由于运行条件所限，未能进行单台泵组能耗的测定，以上表中所列均为并联工况下运行数据。
设备投资回收期
根据《调度日报》的统计数据，5#水泵节电12.64 kWh/km3，2000年7月至2001年6月送水量为：128641.87km3 ，天津水司综合电价为0.54元/kWh，则调速系统年节电费为：年节电量*电价=12.64*128641.87*0.54=87.8058万元/年，收回设备投资需要28.8091万元/87.8058万元=3.9个月(28.8091万元为1986年左右调速装置成本)，当年可收回5#、6#水泵调速装置成本。
2#水泵与5#、6#水泵并联共节电17.04kWh/ km3，2001年7月至2002年6月送水量为：127945.81km3 ，天津水司综合电价为0.54元/kWh，则调速系统年节电费为：年节电量*电价=17.04*127945.81*0.54=117.7306万元/年。如果把这些效益全部归为2#水泵节约的能源，那么收回设备投资需要125.1504万元/117.7306万元=12.8个月。设备投资回收期短，节能效果显著。
4． 该装置性能指标的测定与评价
4.1 设备的主要技术参数
输入频率（HZ）： 45HZ ~ 55HZ
额定输入电压： 6KV（+5% ~ -10%）
输入功率因数： 0.95（＞20%负载）
变频器效率： 额定负载下＞0.96
输出频率范围(HZ)： 0 ~ 120HZ
输出频率分辨率(HZ)： 0.01HZ
过载能力： 120% 一分钟，150%立即保护
加减速时间： 0.1 ~ 3000秒
4.2 主要性能指标的测定与评价
该套装置在天津水司运行期间，由国家电控配电设备质量监督检验中心和中国电力科学研究院主持对相关的性能与指标进行了检验与测定，例如输出电压不对称度、频率稳定精度、分辨力、功率因数、效率等多项指标，尤其是谐波含量。
其中对谐波专项的检测是按照国家标准GB/T14549-93《电能质量 公用电网谐波》要求测定。结果：变频系统引起的电网谐波电压符合国家标准；输入电流相对谐波电流含量满足IEEE Std 519—1992标准要求；输出电压相对谐波电压含量满足IEEE Std 519-1992标准要求。这些方面优于该厂进口的国外变频器指标。
5． 结束语
利德华福公司研制的高压大功率变频调速装置在天津水司新开河水厂运行结果表明：该套装置具有功能齐全，技术指标先进，可靠性高和便于维护管理，处于国内领先水平，达到国际同类新产品的水平。尤其其独有的特点更适合中国的国情，非常适用于自来水行业的技术改造和升级。我们预祝它今后产品更加系列化、多样化、产品质量更上一层楼，使其成为我国高压大功率电动机直接变频调速的主导产品。
以上是我个人对该技术产品应用的粗浅认识，可能有不妥之处，望专家同行批评指正。
图1 高压变频调速系统结构图
图2 功率单元电路结构
（摘自利德华福网站）