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大容量中壓變頻調(diào)速裝置在英那河水源泵站中的應(yīng)用
1 引言
英那河水源泵站位于莊河市的英那河水庫(kù)下游400m處，在大連市的東北部，距市中心180km。英那河泵站是大連市引英入連供水應(yīng)急工程的頭部工程，通過(guò)水泵加壓經(jīng)109.18km的DN1800鋼管輸水至洼子店受水池，以解決大連市城市居民生活及用水緊張的局面。泵站揚(yáng)程H=109.45m，水庫(kù)最低水位為60m，水庫(kù)多年平均水位為73.80m，正常高水位為79.10m。水庫(kù)水位高差為13.80m,為了充分利用水庫(kù)位能，以降低運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，達(dá)到節(jié)約能源的目的，確定英那河水源泵站水泵采用變頻調(diào)速設(shè)備。
泵站分兩期建設(shè)，一期供水規(guī)模33 萬(wàn)噸/日，水泵3臺(tái)，2 用1備，2臺(tái)工作泵配套電機(jī)功率為2750kW，采用變頻調(diào)速裝置;備用泵配套電機(jī)功率為2800kW，不調(diào)速;系統(tǒng)額定電壓為10kV。
二期供水規(guī)模25萬(wàn)噸/日，再上2臺(tái)泵，配套電機(jī)功率為2750kW，2臺(tái)都采用變頻調(diào)速裝置。
2 幾個(gè)知名公司變頻器的性能比較
變頻調(diào)速裝置根據(jù)輸出電壓的調(diào)節(jié)方法分為2種:
(1) 改變脈沖寬度比例的調(diào)節(jié)方法，稱為PWM脈寬調(diào)制方法
(2) 改變輸出電壓幅值的調(diào)節(jié)方法，稱為PAM脈沖幅值調(diào)制方法
最近10幾年來(lái)，隨著高電壓、大容量全控型器件的發(fā)展，在水泵類(lèi)的調(diào)速應(yīng)用上脈寬調(diào)制方法的變頻調(diào)速裝置已基本上占據(jù)了主導(dǎo)地位。所以，只對(duì)采用PWM脈寬調(diào)制方法的變頻調(diào)速裝置進(jìn)行了調(diào)研，也向一些專(zhuān)家進(jìn)行了咨詢。調(diào)研的對(duì)象主要是針對(duì)幾個(gè)在中國(guó)上銷(xiāo)售的知名公司和有特色的公司。筆者根據(jù)、研究和應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)其產(chǎn)品的性能及應(yīng)用作出了比較。
2.1 Siemens公司的高壓IGBT三電平大容量變頻器(SIMOVERT MV)
Simovert MV電壓源型系列變頻器采用了基于電壓空間矢量調(diào)制原理的三電平技術(shù)，高性能矢量控制(VC)技術(shù)以及全數(shù)字無(wú)速度傳感器控制技術(shù)。變頻器的整流部分是由2個(gè)功率相同的三相整流橋系統(tǒng)組成，形成12脈沖，從而保證網(wǎng)側(cè)電源反饋諧波較小，并使電機(jī)受到較小的沖擊。變頻器的逆變部分是由IGBT和鉗位二極管形成的三電平的電壓源逆變器。原理接線見(jiàn)圖1。
圖1 Simovert MV型高壓變頻器的主電路圖
主要技術(shù)特點(diǎn)為:輸入側(cè)設(shè)置變頻傳動(dòng)變壓器，三卷變壓器二次側(cè)分別采用Δ/Δ/Y接線，等效12脈沖整流使得電源輸入側(cè)諧波大為降低，在逆變器側(cè)采用了大功率半導(dǎo)體全控器件－高壓IGBT，逆變器采用三電平PWM控制。變頻傳動(dòng)變壓器與變頻器柜是分體的，功率元件是HV-IGBT，輸出頻率范圍是0~150Hz。冷卻方式:風(fēng)冷水冷可任選。
不足之處:輸出電壓特性具有低諧波分量，當(dāng)與Siemens生產(chǎn)的電機(jī)配套使用時(shí)，可直接應(yīng)用，在選用其他廠商生產(chǎn)的電機(jī)時(shí)，需要一個(gè)輸出濾波電抗器。IGBT具有快速的開(kāi)關(guān)性能，但在高壓變頻中其導(dǎo)通損耗大，變頻裝置的發(fā)熱是個(gè)不能輕視的問(wèn)題，大容量的變頻裝置應(yīng)采取強(qiáng)排風(fēng)措施。
2.2 ROBICON公司采用低壓IGBT的多重式、多級(jí)串聯(lián)高壓變頻器
主要原理是利用輸入隔離變壓器得到多組低壓工頻電壓，采用多級(jí)低壓小功率IGBT的PWM變頻單元，分別進(jìn)行整流、濾波和逆變，串聯(lián)疊加得到高壓三相變頻輸出。羅賓康采用功率單元串接的新型結(jié)構(gòu)方式,將幾個(gè)低壓的PWM功率單元串接組成中、高壓變頻器，較好的解決了一般6脈沖或12脈沖變頻器不可避免的諧波干擾問(wèn)題，這樣無(wú)需額外加裝消諧濾波裝置，同時(shí)也可選用國(guó)產(chǎn)普通電機(jī)，這樣將提高性能價(jià)格比。原理接線見(jiàn)圖2。
主要技術(shù)特點(diǎn)為:電源側(cè)諧波非常小，對(duì)電網(wǎng)污染很小，由于采用了多重化的脈寬調(diào)制技術(shù)，輸出諧波更小，幾乎可認(rèn)為是正弦波，稱作完美無(wú)諧波，不用考慮因諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及電機(jī)發(fā)熱、噪音問(wèn)題。采用多重化的技術(shù)，使用功率元件的數(shù)量大為增加。功率單元可選擇旁路，可讓用戶在一個(gè)功率單元故障的情況下繼續(xù)運(yùn)行變頻，無(wú)需馬上停機(jī)。輸入隔離變壓器(干式變壓器)與變頻器的功率單元柜可并柜，功率元件是LV-IGBT，功率元件的電壓等級(jí)是690V。輸出頻率范圍是0~150Hz。
不足之處:使用的功率單元及功率器件數(shù)量相比比較多，可能故障的環(huán)節(jié)就相對(duì)的多一些，可靠性比使用功率元件的數(shù)量少的差，如果處理不及時(shí)，易造成功率元件“雪崩”似的故障。采用風(fēng)冷時(shí)，噪聲比較大。
對(duì)電機(jī)絕緣沒(méi)有特殊要求，可適用于任何電機(jī)，而不用配置輸出濾波電抗器。
圖2 ROBICON 公司高壓變頻器的主電路圖
2.3 北京利德華福公司采用低壓IGBT的單元串聯(lián)多電平高壓變頻調(diào)速器(HARSVERT)
原理與ROBICON基本相同。該公司是依托清華大學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的一流技術(shù)基礎(chǔ)進(jìn)行開(kāi)發(fā)、研究、生產(chǎn)變頻器的。
主要技術(shù)特點(diǎn):與ROBICON基本相同，二者電路結(jié)構(gòu)大同小異。只是他們采用的IGBT功率元件的耐壓不同，所用的逆變器數(shù)量也不同。適配電機(jī)額定電壓可達(dá)10kV。目前，生產(chǎn)輸出電壓為10kV的變頻裝置的公司比較少，因國(guó)外3kV電壓等級(jí)用的較多，他們可能不太注重開(kāi)發(fā)10kV的變頻裝置。
不足之處:使用功率元件的數(shù)量相比稍多，可能故障的環(huán)節(jié)就相對(duì)的多一些。采用風(fēng)冷時(shí)，噪聲比較大。IGBT具有快速的開(kāi)關(guān)性能，但在高壓變頻中其導(dǎo)電損耗高，變頻裝置的發(fā)熱是個(gè)不能輕視的問(wèn)題。因其為國(guó)內(nèi)公司研究開(kāi)發(fā)的，應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較少。尤其是適配電機(jī)功率達(dá)到2750kW的大容量高壓變頻器。
與國(guó)外同容量的變頻裝置相比價(jià)格占有優(yōu)勢(shì)。對(duì)電機(jī)沒(méi)有特殊要求，可適用于任何電機(jī)，而不用配置輸出濾波電抗器。
可直接適用于舊設(shè)備的改造，無(wú)須輸出濾波器就可使輸出電纜長(zhǎng)度很長(zhǎng)。對(duì)于原有10kV電機(jī)的，如果還利用原電機(jī)，則用HARSVERT的變頻器比較合適。如果用其他的變頻器，要配升壓變壓器將6kV升到10kV。
2.4 ABB公司采用IGCT的三電平大容量變頻器(ACS1000)
IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)是90年代在晶體管技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合了GTO和IGBT技術(shù)開(kāi)發(fā)的大功率新型器件，與IGBT相比，它開(kāi)關(guān)快速，開(kāi)通能力強(qiáng)、存儲(chǔ)時(shí)間短、開(kāi)關(guān)導(dǎo)電損耗較低。為減小引線電感，其管芯必須與門(mén)驅(qū)動(dòng)電路集成安裝、整體更換。IGCT由于其導(dǎo)通壓降低，損耗低，比IGBT更適合于高電壓、大容量使用。目前使用的IGCT元件電壓等級(jí)最大做到4.5kV，接線原理與SIEMENS的高壓IGBT三電平大容量變頻器(SIMOVERT MV)基本相同，只是采用的元件不同，不需要元件串、并聯(lián)。IGCT器件耐壓等級(jí)提高以后，它將是構(gòu)成大功率和超大功率高壓變頻器的優(yōu)選功率器件。
主要技術(shù)特點(diǎn)為:輸入側(cè)設(shè)置變頻傳動(dòng)變壓器，三卷變壓器二次側(cè)分別采用Y、Δ接法，等效12脈沖整流使得電源輸入側(cè)諧波大為降低。變頻傳動(dòng)變壓器與變頻器柜是分體的，功率元件是HV-IGCT，輸出頻率范圍是0~150Hz，逆變器采用三電平PWM控制。采用了DTC-直接轉(zhuǎn)矩控制專(zhuān)利技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)是交流傳動(dòng)中最佳的電動(dòng)機(jī)控制方法，可以對(duì)電動(dòng)機(jī)所有的關(guān)鍵變量進(jìn)行直接控制。
表1
不 足之處:IGCT元件需要的觸發(fā)電路要比IGBT元件所需要的觸發(fā)電路復(fù)雜、觸發(fā)功率大。當(dāng)適配電機(jī)功率超過(guò)1800kW時(shí)，變頻裝置需要采用水冷，整套設(shè)備占地面積比較大。因?qū)鋮s循環(huán)水的水質(zhì)有要求，要加一套凈化水設(shè)備。實(shí)際上，運(yùn)行人員更習(xí)慣于用風(fēng)冷，也更喜歡用風(fēng)冷。由于IGCT器件耐壓的限制，某些型號(hào)的三電平變頻器至今尚無(wú)輸出電壓6000伏規(guī)格的產(chǎn)品。表1為4家中壓大容量變頻裝置特性比較。
3 結(jié)論
綜合各方面因素，經(jīng)過(guò)招標(biāo)，最后采用的是SIEMENS變頻裝置(6SE8033-1CA01)和配套電機(jī)(1RQ4562-6JV40)。
此規(guī)格變頻器在歐洲已有應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)水行業(yè)中還是頭次應(yīng)用，取得了一些經(jīng)驗(yàn)。
(1)該工程于2000年10月開(kāi)始設(shè)計(jì)，2001年7月一次通水成功，現(xiàn)已運(yùn)行將近2年時(shí)間。通過(guò)這段時(shí)間的運(yùn)行看，該泵站運(yùn)行安全穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著。根據(jù)最典型的應(yīng)用工況，一期各方案比較見(jiàn)表2。
從表2分析結(jié)果知，b方案為最優(yōu)方案，即2臺(tái)調(diào)速泵方案最優(yōu)。其次方案為a方案，即一臺(tái)調(diào)速與一臺(tái)恒速泵并聯(lián)方案。雖然a方案的設(shè)備比b方案少425萬(wàn)元，但a方案比b方案一年的運(yùn)行費(fèi)用多108.84萬(wàn)元，這樣b方案3.9年所省的運(yùn)行費(fèi)，即可抵消掉其設(shè)備所增加的投資，即靜態(tài)回收期為3.9年。
從表2還可看出全調(diào)方案與閥調(diào)節(jié)方案的比較其節(jié)能效果:水位控制變頻調(diào)速技術(shù)為泵站一年省電費(fèi)378.25萬(wàn)元(一期工程), 靜態(tài)回收期為2.25年。(注:上述的計(jì)算只是針對(duì)水庫(kù)多年平均水位，電費(fèi)按0.50元/度計(jì)算)
通過(guò)幾年來(lái)的運(yùn)行表明，在大型地表水廠的送水泵房中采用大功率變頻器(水行業(yè)中最大單機(jī)容量2800 kW)，雖然一次性投資較大，但是長(zhǎng)期運(yùn)行節(jié)能效果非常明顯，特別是在較大產(chǎn)水量的情況下，節(jié)能效果更加明顯，值得推廣。
(2) 通過(guò)這段時(shí)間的運(yùn)行看，其不足之處有以下幾點(diǎn):
a) 變頻裝置的進(jìn)線斷路器要具有失壓脫扣功能。
當(dāng)控制電源沒(méi)有時(shí)，不論高壓工作電源是否故障，都要跳開(kāi)進(jìn)線斷路器，使變頻裝置斷開(kāi)工作電源。此時(shí)，當(dāng)變頻裝置恰巧發(fā)生故障時(shí)的跳閘，對(duì)變頻裝置起到了保護(hù)的作用。而當(dāng)變頻裝置無(wú)故障時(shí)的跳閘，易額外產(chǎn)生水錘效應(yīng)，水錘效應(yīng)具有極大的破壞性:壓強(qiáng)過(guò)高處，將引起管子的破裂;反之，壓強(qiáng)過(guò)低處又會(huì)導(dǎo)致管子的癟塌，對(duì)供水管線產(chǎn)生危害。此外，水錘效應(yīng)也可能損壞閥門(mén)和固定件，對(duì)泵站廠房產(chǎn)生危害，易淹泵房。如何解決這個(gè)問(wèn)題并獲得認(rèn)可，值得研究。
b) 大容量的變頻裝置的發(fā)熱是個(gè)不能輕視的問(wèn)題。
從目前使用來(lái)看，發(fā)熱比較厲害，尤其夏季溫度比較高的時(shí)候。對(duì)變頻裝置采取了強(qiáng)排風(fēng)措施,但排風(fēng)扇產(chǎn)生的噪聲比較大，相應(yīng)的要采取隔音措施。如何解決大功率高壓變頻器發(fā)熱和噪聲，將是變頻器生產(chǎn)廠家迫切解決的問(wèn)題。
參考文獻(xiàn)
[1] 水泵變頻調(diào)速的節(jié)電量計(jì)算及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 科學(xué)出版社,1998.
[2] 白勇. 風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)變頻調(diào)速節(jié)能原理及大容量變頻技術(shù)應(yīng)用[J]. 變頻器世界,2000,(7).
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