高壓變頻在江岸水泵站節能改造中的應用
2007/4/10 9:18:00
1、引言
隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的發展，電氣傳動技術正經歷著比較大的革新。工業生產領域大量使用的高壓感應異步電動機，已經可以進行直接的電子控制，即由原來的改變其它機械環節的控制方法到直接改變供給的交流電源的頻率和幅值的變壓變頻控制方法，進行速度調節和位移控制，從而可以提高生產工藝，降低能源消耗。由于高壓感應電動機的耗能比例較大，因而針對它的交流變頻調速技術，雖然不如低壓系統那么完善，但節能效益顯著。特別是在當今面臨能源危機的條件下，節能降耗不僅有近期的直接經濟效益，更有長遠的社會效益。
采用新型高壓大功率電力電子器件構造的直接“高-高”式變頻器，具有結構簡單，工作可靠的特點，有很好的調速和起動與制動性能。由于采用不控整流和全控器件進行開關調制，具有輸入側高功率因數、整裝置優良的控制性能和高的運行效率。特別是通過改變送給電動機的電流的頻率，在很寬的轉速范圍內進行高效率的轉速調節，可以取得很好的節電效果，在風機和水泵的節能改造上已經得到廣泛證實。
2、高壓變頻器的系統組成和原理
一般直接“高-高”式高壓變頻器可以采用公用直流母線的三電平或兩電平電路結構，也可以采用懸浮供電的級連多單元串聯多電平方式。重鋼動力廠15#江岸水泵站變頻改造采用的是基于IGCT器件的三電平中點箝位電壓源式逆變器，其電路結構如圖1所示。
圖1 三電平中點箝位電壓源逆變器系統原理圖
系統主要包含AC到DC的整流、DC到AC的逆變、控制保護和輸出LC濾波四個主要部分。6KV交流經過進線變壓器，變換得到四組低壓交流電，再經過不控的二極管整流橋級連得到24脈波的整流輸出；一組串聯的IGCT組件做為直流緩啟動和故障時的保護元件，而后經過消除共模影響的電抗器到直流支撐電容器得到額定母線電壓10KVDC；進入逆變橋母線前，經過兩組L-C-D構成的di/dt保護電路，到達逆變橋的正負極（P和N）；串聯的直流支撐電容分壓得到一個虛擬的電壓中點，送到逆變橋的中點（稱為T點）。
逆變橋由串聯的四個IGCT功率組件和兩個交聯的二極管組件構成，自上而下分別稱之為S1，S2，S3，S3，D1，D2，其中D1和D2為二極管元件。按照四個開關的位置不同，逆變橋的輸出如表1所示
表1 三電平狀態表
除上述6個有效的開關位置外，四個開關還有另外10種無效的組合，在對開關進行控制時，需要規避這些無效的狀態。因為這些無效狀態很多是故障狀態，如S1、S2和S3都是ON，S4是OFF的狀態，對應正組的橋臂直通，會導致器件損壞。當逆變橋的控制正確時，輸出波形如圖2所示：
圖2逆變橋的輸出
由上圖不難看出，S1有半周時間處于關斷狀態，而S2則有半周的導通時間，S4與S1類似，S3與S2類似；輸出波形中，正半周電壓在0和正母線電壓之間變化，負半周則是在0和負母線之間變化，這樣直流母線雖然有10KV，但輸出端子上的電壓每次的變化僅是母線電壓的一半，為5KV。同兩電平回路相比，相當于犧牲了開關的數量，換回了更高的工作電壓和/或比較小的電壓變化率。
逆變橋的輸出經過一個LC濾波器，送給電動機，濾波前后的線電壓波形如圖3所示：
圖3 變頻輸出的線電壓與電機端電壓
從上圖可以看出，變頻器輸出線電壓有5個臺階，同比兩電平回路的輸出線電壓，同樣的器件開關頻率下，它有更低的諧波含量。即使如此，為了老舊電機的改造需要和新電動機的長期安全運行，變頻器內部都設置了一個正弦波LC濾波器，使輸出到電機的波形更加接近正弦波，而不需要電動機降容使用。變頻輸出的調制波因為存在比較大的dv/dt，會對電動機的端部絕緣形成一定危害。
由于10KV的直流母線運行時是由兩個處于關斷狀態的開關功率組件承受的，每組件要承擔5000V，在主開關IGCT工作耐壓只有4500V的條件下，需要采用兩只串聯的方式構造一只功率組件。與之配套的電壓和電流箝位二極管也因為工作電壓的原因采用兩只串聯。
3、變頻調速改造方式
重鋼動力廠15#江岸水站為自備水處理廠，取水口靠近長江邊，原水泵房系統如圖4所示：
圖4 原水泵房工作示意圖
原水泵房四臺電泵兩備兩用，從長江中取得原水，打到30多米高處的凈化濾池，經過投藥、凈化、沉淀得到工業用清水。由于工藝過程的變化，清水用量跟著不斷變化，對原水的需求也要相應變化；同時，由于季節的不同，原水水質的變化也影響原水的需求。季節變化造成的江面水位變化會影響水泵的功率需求。
正常情況下，原水15#泵房的電泵開一臺不夠，開兩臺多余，需要根據凈化后的清水池水位進行電泵的起停控制，如一臺常開，另外一臺開一個段時間，水位到了某個位置，就停一段時間，到低水位后，再開啟。如果值班人員停機不及時，清水池的水可以通過溢流口流出，不致有很大危害。但溢流無形中等于浪費了凈化水的藥物，也浪費了多余的電能。
節能改造的目標是通過變頻驅動原水泵房的一臺電動機，實現原水流量的控制，控制的對象目標選定為清水池的水位。通過穩定清水池的水位，保證供水安全。
3.1 控制原理
在清水池的水泵出口附近，設置壓力式水位傳感器，測量得到水位的相對高度，變換成4~20mA電流環接口送給變頻器；變頻器計算出當前水位與設定值的偏差，通過內置的數字PID調節器改變變頻器的輸出頻率，調節電動機的轉速進而改變原水的流量。
3.2 控制難點
由于清水的需求量因為清水泵的起停變化呈現出階梯狀特征，水位的變化受到出口水泵的影響也受到。在清水池的水泵出口附近，設置壓力式水位傳感器，測量得到水位的相對高度，變換成4～20mA電流環接口送給變頻器；變頻器計算出當前水位與設定值的偏差，通過內置的數字PID調節器改變變頻器的輸出頻率，進而改變原水的流量。
水位的測量采用壓力式傳感器時需要認真選擇測量點的位置，否則會因為水池內的水流因素和水面波動引起測量的不穩定性。一般地說，選擇一個水流變化不大的靠池壁的位置，會有不錯的效果。
原水進入濾池系統到轉化為清水，需要一定的時間，是一個時間常數比較大的滯后系統，對于PID控制來說，需要仔細選擇控制參數。
最低運行頻率的選擇要保證節能還能兼顧水壓力，因為并聯運行的水泵速度太低會不出水。
4、系統調試
我們針對清水池的容量和出口清水泵的流量，以及水流經過濾池的時間，建立了一個合適的模型，經過一段時間的調試，找到了相對合理的運行方案。圖5是某日的變頻泵流量曲線圖。
圖5 變頻驅動泵某日的流量曲線
通過閉環跟蹤水位，穩定了清水池的水位，不再有溢流現象發生，節約了凈化水所需要的藥物。
實際用戶運行時也可以通過系統設置，運行在開環狀態，以適應非自動投藥的需要。因為原水流量自動改變以后，投藥的量也要改變，在人工投藥方式下，水質會受到一定影響，開環運行也可以達到節能的目的同時，投藥操作簡化。
5、變頻改造后的效果
經過變頻技術改造以后，提高了運行的自動化程度，減少了溢流造成的清水浪費，節約了一定量的凈化藥物，也取得了一定程度的節電效果。
三電平IGCT開關逆變器器件數量少，工作可靠性高，是一個不錯的選擇。
系統具有工頻旁路運行功能，方便檢修。
6、結束語
江岸原水泵站經過變頻改造以后，提高了對江面水位變化的適應性，特別是三峽蓄水以后江面抬升帶來的泵運行容量富裕造成的能源浪費問題。通過清水池水位的閉環調節，控制了溢流現象的發生，減少了凈化處理材料的消耗。
作者簡介
馬學亮（1970-） 男，西安交通大學博士研究生，從事電力電子，電機控制研究。
參考文獻
[1]陳運珍. 水工業領域與調速節能技術. 北京：電工技術雜志，2002，1
隨著電力電子技術、計算機技術、自動控制技術的發展，電氣傳動技術正經歷著比較大的革新。工業生產領域大量使用的高壓感應異步電動機，已經可以進行直接的電子控制，即由原來的改變其它機械環節的控制方法到直接改變供給的交流電源的頻率和幅值的變壓變頻控制方法，進行速度調節和位移控制，從而可以提高生產工藝，降低能源消耗。由于高壓感應電動機的耗能比例較大，因而針對它的交流變頻調速技術，雖然不如低壓系統那么完善，但節能效益顯著。特別是在當今面臨能源危機的條件下，節能降耗不僅有近期的直接經濟效益，更有長遠的社會效益。
采用新型高壓大功率電力電子器件構造的直接“高-高”式變頻器，具有結構簡單，工作可靠的特點，有很好的調速和起動與制動性能。由于采用不控整流和全控器件進行開關調制，具有輸入側高功率因數、整裝置優良的控制性能和高的運行效率。特別是通過改變送給電動機的電流的頻率，在很寬的轉速范圍內進行高效率的轉速調節，可以取得很好的節電效果，在風機和水泵的節能改造上已經得到廣泛證實。
2、高壓變頻器的系統組成和原理
一般直接“高-高”式高壓變頻器可以采用公用直流母線的三電平或兩電平電路結構，也可以采用懸浮供電的級連多單元串聯多電平方式。重鋼動力廠15#江岸水泵站變頻改造采用的是基于IGCT器件的三電平中點箝位電壓源式逆變器，其電路結構如圖1所示。
圖1 三電平中點箝位電壓源逆變器系統原理圖
系統主要包含AC到DC的整流、DC到AC的逆變、控制保護和輸出LC濾波四個主要部分。6KV交流經過進線變壓器，變換得到四組低壓交流電，再經過不控的二極管整流橋級連得到24脈波的整流輸出；一組串聯的IGCT組件做為直流緩啟動和故障時的保護元件，而后經過消除共模影響的電抗器到直流支撐電容器得到額定母線電壓10KVDC；進入逆變橋母線前，經過兩組L-C-D構成的di/dt保護電路，到達逆變橋的正負極（P和N）；串聯的直流支撐電容分壓得到一個虛擬的電壓中點，送到逆變橋的中點（稱為T點）。
逆變橋由串聯的四個IGCT功率組件和兩個交聯的二極管組件構成，自上而下分別稱之為S1，S2，S3，S3，D1，D2，其中D1和D2為二極管元件。按照四個開關的位置不同，逆變橋的輸出如表1所示
表1 三電平狀態表
除上述6個有效的開關位置外，四個開關還有另外10種無效的組合，在對開關進行控制時，需要規避這些無效的狀態。因為這些無效狀態很多是故障狀態，如S1、S2和S3都是ON，S4是OFF的狀態，對應正組的橋臂直通，會導致器件損壞。當逆變橋的控制正確時，輸出波形如圖2所示：
圖2逆變橋的輸出
由上圖不難看出，S1有半周時間處于關斷狀態，而S2則有半周的導通時間，S4與S1類似，S3與S2類似；輸出波形中，正半周電壓在0和正母線電壓之間變化，負半周則是在0和負母線之間變化，這樣直流母線雖然有10KV，但輸出端子上的電壓每次的變化僅是母線電壓的一半，為5KV。同兩電平回路相比，相當于犧牲了開關的數量，換回了更高的工作電壓和/或比較小的電壓變化率。
逆變橋的輸出經過一個LC濾波器，送給電動機，濾波前后的線電壓波形如圖3所示：
圖3 變頻輸出的線電壓與電機端電壓
從上圖可以看出，變頻器輸出線電壓有5個臺階，同比兩電平回路的輸出線電壓，同樣的器件開關頻率下，它有更低的諧波含量。即使如此，為了老舊電機的改造需要和新電動機的長期安全運行，變頻器內部都設置了一個正弦波LC濾波器，使輸出到電機的波形更加接近正弦波，而不需要電動機降容使用。變頻輸出的調制波因為存在比較大的dv/dt，會對電動機的端部絕緣形成一定危害。
由于10KV的直流母線運行時是由兩個處于關斷狀態的開關功率組件承受的，每組件要承擔5000V，在主開關IGCT工作耐壓只有4500V的條件下，需要采用兩只串聯的方式構造一只功率組件。與之配套的電壓和電流箝位二極管也因為工作電壓的原因采用兩只串聯。
3、變頻調速改造方式
重鋼動力廠15#江岸水站為自備水處理廠，取水口靠近長江邊，原水泵房系統如圖4所示：
圖4 原水泵房工作示意圖
原水泵房四臺電泵兩備兩用，從長江中取得原水，打到30多米高處的凈化濾池，經過投藥、凈化、沉淀得到工業用清水。由于工藝過程的變化，清水用量跟著不斷變化，對原水的需求也要相應變化；同時，由于季節的不同，原水水質的變化也影響原水的需求。季節變化造成的江面水位變化會影響水泵的功率需求。
正常情況下，原水15#泵房的電泵開一臺不夠，開兩臺多余，需要根據凈化后的清水池水位進行電泵的起停控制，如一臺常開，另外一臺開一個段時間，水位到了某個位置，就停一段時間，到低水位后，再開啟。如果值班人員停機不及時，清水池的水可以通過溢流口流出，不致有很大危害。但溢流無形中等于浪費了凈化水的藥物，也浪費了多余的電能。
節能改造的目標是通過變頻驅動原水泵房的一臺電動機，實現原水流量的控制，控制的對象目標選定為清水池的水位。通過穩定清水池的水位，保證供水安全。
3.1 控制原理
在清水池的水泵出口附近，設置壓力式水位傳感器，測量得到水位的相對高度，變換成4~20mA電流環接口送給變頻器；變頻器計算出當前水位與設定值的偏差，通過內置的數字PID調節器改變變頻器的輸出頻率，調節電動機的轉速進而改變原水的流量。
3.2 控制難點
由于清水的需求量因為清水泵的起停變化呈現出階梯狀特征，水位的變化受到出口水泵的影響也受到。在清水池的水泵出口附近，設置壓力式水位傳感器，測量得到水位的相對高度，變換成4～20mA電流環接口送給變頻器；變頻器計算出當前水位與設定值的偏差，通過內置的數字PID調節器改變變頻器的輸出頻率，進而改變原水的流量。
水位的測量采用壓力式傳感器時需要認真選擇測量點的位置，否則會因為水池內的水流因素和水面波動引起測量的不穩定性。一般地說，選擇一個水流變化不大的靠池壁的位置，會有不錯的效果。
原水進入濾池系統到轉化為清水，需要一定的時間，是一個時間常數比較大的滯后系統，對于PID控制來說，需要仔細選擇控制參數。
最低運行頻率的選擇要保證節能還能兼顧水壓力，因為并聯運行的水泵速度太低會不出水。
4、系統調試
我們針對清水池的容量和出口清水泵的流量，以及水流經過濾池的時間，建立了一個合適的模型，經過一段時間的調試，找到了相對合理的運行方案。圖5是某日的變頻泵流量曲線圖。
圖5 變頻驅動泵某日的流量曲線
通過閉環跟蹤水位，穩定了清水池的水位，不再有溢流現象發生，節約了凈化水所需要的藥物。
實際用戶運行時也可以通過系統設置，運行在開環狀態，以適應非自動投藥的需要。因為原水流量自動改變以后，投藥的量也要改變，在人工投藥方式下，水質會受到一定影響，開環運行也可以達到節能的目的同時，投藥操作簡化。
5、變頻改造后的效果
經過變頻技術改造以后，提高了運行的自動化程度，減少了溢流造成的清水浪費，節約了一定量的凈化藥物，也取得了一定程度的節電效果。
三電平IGCT開關逆變器器件數量少，工作可靠性高，是一個不錯的選擇。
系統具有工頻旁路運行功能，方便檢修。
6、結束語
江岸原水泵站經過變頻改造以后，提高了對江面水位變化的適應性，特別是三峽蓄水以后江面抬升帶來的泵運行容量富裕造成的能源浪費問題。通過清水池水位的閉環調節，控制了溢流現象的發生，減少了凈化處理材料的消耗。
作者簡介
馬學亮（1970-） 男，西安交通大學博士研究生，從事電力電子，電機控制研究。
參考文獻
[1]陳運珍. 水工業領域與調速節能技術. 北京：電工技術雜志，2002，1
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