《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高壓變頻器在揚(yáng)州水廠中的應(yīng)用
中國自動(dòng)化網(wǎng)
摘要: 眾所周知,供水行業(yè)水泵機(jī)組實(shí)施變頻調(diào)速方案,可以收到一定的節(jié)能效果和確保城市供水管網(wǎng)的運(yùn)行安全。除直接經(jīng)濟(jì)效益外,還具有明顯的社會(huì)效益,??梢灶A(yù)計(jì),大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用是我國節(jié)能的主導(dǎo)方向之一,也是供水行業(yè)不斷努力的目標(biāo),。
Abstract:
Key words :

 

1 引言

眾所周知,供水行業(yè)水泵機(jī)組實(shí)施變頻調(diào)速方案,可以收到一定的節(jié)能效果和確保城市供水管網(wǎng)的運(yùn)行安全,。除直接經(jīng)濟(jì)效益外,還具有明顯的社會(huì)效益,??梢灶A(yù)計(jì),大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用是我國節(jié)能的主導(dǎo)方向之一,也是供水行業(yè)不斷努力的目標(biāo),。

2 目前現(xiàn)狀

前些年,高壓變頻調(diào)速技術(shù)在大功率交流傳動(dòng)中推廣應(yīng)用較慢,,其原因主要有兩個(gè):一是大功率電動(dòng)機(jī)的供電電壓高(筆者所在公司的29臺(tái)三相交流異步電機(jī)均為6kV、單臺(tái)最小功率185kW),,而組成變頻器功率器件的耐壓水平較低,,造成電壓匹配上的難題;二是高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)含量高,,難度大,,成本也高,而一般的水泵等節(jié)能改造都要求低投入,、高回報(bào),,從而造成微觀經(jīng)濟(jì)效益上的難題。在高壓供電而功率器件耐壓能力有限的情況下,,目前,,除羅克韋爾公司的電流型外,一般采用功率單元串聯(lián)或功率器件串聯(lián)的方法來解決高電壓的問題,。

3 主電路及控制電路的比較

3.1 主電路比較

目前市場上的高壓變頻器還沒有低壓變頻器那樣具有成熟的,、一致性的主電路的拓樸結(jié)構(gòu),僅限于采用目前電壓耐量的功率器件,。如何面對高電壓使用條件的要求,,國內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠家各有不盡一致的主電路結(jié)構(gòu),,但都較為成功地解決了高電壓大容量這一難題。異步電機(jī)高壓變頻器先后出現(xiàn)了電流型高壓變頻器,、功率單元串聯(lián)型高壓變頻器,、二極管箝位三電平高壓變頻器、電容箝位四電平高壓變頻器,、直接串聯(lián)IGBT高壓變頻器,、電壓型高—低—高式高壓變頻器等多種拓樸結(jié)構(gòu)。大功率高電壓的變頻器尤其以電壓型和電流型二種較為普遍,。目前,,市場上一些知名品牌的變頻器屬電壓型或電流型變頻器。

(1)電壓型變頻器

電壓型變頻器是采用低耐壓器件串聯(lián)進(jìn)行電壓疊加,,來滿足高電壓電機(jī)的使用要求,。這類變頻器的優(yōu)點(diǎn)是一次性投資略低,但從理論上來講,,器件在串聯(lián)使用時(shí),,因?yàn)楦髌骷膭?dòng)態(tài)電阻和極電容不同,而存在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓的問題,。如果采用與器件并聯(lián)R(電阻)和RC(阻容)的均壓措施,,會(huì)使電路復(fù)雜,損耗增加;同時(shí),,器件的串聯(lián)對驅(qū)動(dòng)電路的要求也大大提高,要盡量做到串聯(lián)器件同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷,否則由于各器件開斷時(shí)間不一,承受電壓不均,會(huì)導(dǎo)致器件損壞甚至整個(gè)裝置崩潰,。

(2)電流型變頻器

電流型變頻器目前主要是羅克韋爾公司的產(chǎn)品,尤其以其近年推出新一代的6kV變頻器PowerFlex7000系列,,用新型功率器件即對稱門極換流晶閘管(SGCT)代替原先的GTO,,使驅(qū)動(dòng)和吸收電路簡化,系統(tǒng)效率提高,,6kV系統(tǒng)每個(gè)橋臂采用三只耐壓為6500V的SGCT,。PWM整流器,標(biāo)準(zhǔn)的諧波濾波器及功率因數(shù)補(bǔ)償器,,以使其諧波符合IEEE519-1992標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,。

PowerFlex7000系列6kV變頻器的優(yōu)點(diǎn)是易于控制電流,便于實(shí)現(xiàn)能量回饋和四象限運(yùn)行;輸入端采用可控器件實(shí)現(xiàn)PWM整流,,該變頻器采用功率器件串聯(lián)的二電平逆變方案,,結(jié)構(gòu)簡單,使用的功率器件最少,。同時(shí)設(shè)置了進(jìn)線電抗器及濾波器,,滿足電網(wǎng)及系統(tǒng)對諧波的要求。

PowerFlex7000的性能與電機(jī)的參數(shù)有關(guān),具有自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng),消除了有些品牌變頻器的電流的諧波成分大,污染和損耗較大,且共模電壓高,對電機(jī)的絕緣有影響等不足。但PowerFlex7000的不足之處是一次性投資略高,。

不同型式的6kV變頻器,,除主電路拓樸結(jié)構(gòu)不相一致外,還有效率,、諧波,、和可靠性、冗余設(shè)計(jì)等問題也有所不同,。

供水行業(yè)的機(jī)組變頻調(diào)速裝量的容量較大,,隨著人們節(jié)能意識的不斷提高,對系統(tǒng)的效率問題認(rèn)識也就愈加注重,。采用不同的主電路拓樸結(jié)構(gòu),,使用的功率器件的種類、數(shù)量的多少,,以及變壓器,,濾波器等的使用,都會(huì)影響系統(tǒng)的效率,。為了提高系統(tǒng)效率,,必須設(shè)法盡量減少功率開關(guān)器件和變頻調(diào)速裝置的損耗。在多種6kV變頻器中,,PowerFlex7000屬高-高電壓等級(6kV進(jìn)線—6kV出線)的電流型變頻器,,系統(tǒng)采用了冗余設(shè)計(jì),脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM),,電流源逆變器(CSI)作為驅(qū)動(dòng)端逆變器等的運(yùn)用,,使系統(tǒng)的性能得到進(jìn)一步的提高。它的功率單元結(jié)構(gòu)簡單,、性價(jià)比高及穩(wěn)定可靠,,能適應(yīng)較寬的電壓和功率范圍。電力半導(dǎo)體器件的額定反向峰值電壓PIV高達(dá)6500V,,同電壓等級、同容量變頻器中,,其功率器件最少,。采用有源前端的PWM整流器,因此,,它不需要輸入裂相隔離變壓器就可滿足IEEE-519的要求,。PowerFlex7000可以向電動(dòng)機(jī)提供接近正弦波的電流、電壓,,降低了對散熱條件和絕緣強(qiáng)度的要求,。電壓波形的dv/dt小于10V/ms。困擾電壓型逆變器(VSI)的反射波形和dv/dt的問題在PowerFlex7000根本不存在,同時(shí)還在逆變器中應(yīng)用了諧波選擇消除結(jié)構(gòu)(SHE),,消除主要階次的諧波(如3,、5、7次諧波等),,集成在變頻器中的輸出小電容器消除了其余的高次諧波,,使整個(gè)輸出波型接近完美正弦波。該裝置還使用了SGCT(帶集成門極驅(qū)動(dòng)器的改進(jìn)門極關(guān)斷晶閘管GTO),。門極驅(qū)動(dòng)器的位置靠近SGCT,,控制回路阻抗低,它在降低門極開關(guān)時(shí)電流和電壓的起伏程度方面大大優(yōu)于傳統(tǒng)的功率器件,。

3.2 控制電路比較 

早期通用變頻器如東芝TOSVERT-130系列,、FUJI FVRG5/P5系列,SANKEN SVF系列等大多數(shù)為開環(huán)恒壓比(V/F=常數(shù))的控制方式,。其優(yōu)點(diǎn)是控制結(jié)構(gòu)簡單,、成本較低,缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能不高,。具體來說,,其控制曲線會(huì)隨著負(fù)載的變化而變化;轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢,,電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率不高,,低速時(shí)因定子電阻和逆變器死區(qū)效應(yīng)的存在而性能下降,穩(wěn)定性變差等,。對變頻器U/F控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了以下3個(gè)階段,;

(1)第1階段:磁通軌跡控制

80年代初日本學(xué)者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量(或稱磁通軌跡法)。該方法以三相波形的整體生成效果為前提,,以逼近電機(jī)氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的,一次生成二相調(diào)制波形,。這種方法被稱為電壓空間矢量控制。典型機(jī)種如1989年前后進(jìn)入中國市場的FUJI(富士)FRN5OOOG5/P5,、SANKEN(三墾)MF系列等,。1991年由富士電機(jī)推出的FVR與FRNG7/P7的設(shè)計(jì)中,三菱,、日立,,東芝等系列中也都有類似的產(chǎn)品。然而,在上述四種方法中,由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié),,系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善,。

(2)第2階段:磁場定向控制,也稱矢量控制

它是70年代初由西德 F.Blasschke等人首先提出,以直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)比較的方法,,分析闡述了這一原理,,由此開創(chuàng)了交流電動(dòng)機(jī)等效直流電動(dòng)機(jī)控制的先河。它使人們看到交流電動(dòng)機(jī)盡管控制復(fù)雜,但同樣可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩,、磁場獨(dú)立控制的內(nèi)在本質(zhì),。矢量控制的基本點(diǎn)是控制轉(zhuǎn)子磁鏈,以轉(zhuǎn)子磁通定向,,然后分解定子電流,,使之成為轉(zhuǎn)矩和磁場兩個(gè)分量,經(jīng)過坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)正交或解耦控制,。但是,,由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準(zhǔn)確觀測,以及矢量變換的復(fù)雜性,,使得實(shí)際控制效果往往難以達(dá)到理論分析的效果,,這是矢量控制技術(shù)在實(shí)踐上的不足。此外,,它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實(shí)現(xiàn)定子電流解耦控制,,在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配置轉(zhuǎn)子位置傳感器或速度傳感器,這顯然給許多應(yīng)用場合帶來不便,。因此,,矢量控制技術(shù)仍然在努力融入通用型變頻器中,1992年開始,,德國西門子開發(fā)了6SE70通用型系列,,通過FC、VC,、SC板可以分別實(shí)現(xiàn)頻率控制,、矢量控制、伺服控制,。1994年將該系列擴(kuò)展至315kW以上,。

(3)第3階段:直接轉(zhuǎn)矩控制

PowerFlex7000變頻器正是采用了無速度傳感器的直接轉(zhuǎn)矩控制方法。這種方法允許電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩快速變化而不影響電動(dòng)機(jī)的磁通,,且無需使用測速發(fā)電機(jī)即可達(dá)到較高的控制精度,。直接轉(zhuǎn)矩控制理論(Direct Torque Control簡稱DTC)是1985年德國魯爾大學(xué) Depenbrock教授首先提出的。直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同,,它不是通過控制電流,、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩,而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控量來控制,。轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于:轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈,在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息,;控制上對除定子電阻外的所有電機(jī)參數(shù)變化適應(yīng)性良好,;所引入的定子磁鏈觀測器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實(shí)現(xiàn)無速度傳感器化。這種控制方法被應(yīng)用于通用變頻器的設(shè)計(jì)之中,,是很自然的事,,這種控制被稱為無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。然而,,這種控制依賴于精確的電機(jī)數(shù)學(xué)模型和對電機(jī)參數(shù)的自動(dòng)識別,,通過ID運(yùn)行自動(dòng)確立電機(jī)實(shí)際的定子阻抗、互感,、電動(dòng)機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等重要參數(shù),,然后根據(jù)精確的電動(dòng)機(jī)模型,估算出電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)矩,、定子磁鏈和轉(zhuǎn)子速度,,并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band-Band控制產(chǎn)生PWM信號,對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制,。這種系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)很快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度和很高的速度控制,、轉(zhuǎn)矩控制精度。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的技術(shù)性能指標(biāo):轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度已達(dá)到<2ms,,在帶PG時(shí)的靜態(tài)速度精度達(dá)土0.01%,,在不帶PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負(fù)載突變的影響,可以達(dá)到土0.1%的速度控制精度,。

4 工程實(shí)例

揚(yáng)州第四水廠變頻調(diào)速節(jié)電項(xiàng)目改造工程是與泵房改造相結(jié)合進(jìn)行實(shí)施的,。為確保該工程的順利完成。從2002年初就進(jìn)行了市場調(diào)研和考察,。根據(jù)四水廠改造前的實(shí)際情況(5臺(tái)機(jī)組,,4用1備),對部份機(jī)組進(jìn)行變頻調(diào)速節(jié)能改造,,使四水廠的供水能力能滿足2005年的供水的峰谷期的變化需求,。改造前后四水廠的二泵房機(jī)泵設(shè)備對照表如表1所示。

 

在揚(yáng)州四水廠變頻器改造項(xiàng)目的調(diào)研,、考察,、招投標(biāo)的期間,從變頻器的主電路的拓樸結(jié)構(gòu)、裝置的可靠性,、控制方式,、控制精度、效率,、諧波,、性價(jià)比及供水行業(yè)的使用效果等因素方面綜合考慮,最終選擇了羅克韋爾公司的PowerFlex7000變頻器。其變頻器室的土建工程按照安裝3臺(tái)套6kV電壓等級,功率為630kW的變頻器進(jìn)行建設(shè),全部工程于2005年5月底進(jìn)行調(diào)試并投入試生產(chǎn),。

在變頻器的控制方面采用就地和遠(yuǎn)程控制兩種方式,,應(yīng)用羅克韋爾公司的MicroLogix500型PLC控制系統(tǒng),,設(shè)置了工作日與節(jié)假日不相同的,每天分24個(gè)時(shí)間段的壓力數(shù)據(jù)表,,并可實(shí)時(shí)在線修改其數(shù)據(jù),,實(shí)現(xiàn)了變頻器開停、出水閥門的開關(guān),、壓力調(diào)整等操作,,同時(shí)還具有頻率實(shí)時(shí)顯示、曲線跟蹤以及報(bào)警功能,。使其運(yùn)行控制實(shí)現(xiàn)了閉環(huán),、全自動(dòng)化的分時(shí)段恒壓供水的目標(biāo)。

5 改造效果

該工程自2005年5月底進(jìn)行調(diào)試并投入生產(chǎn)以來,,運(yùn)行情況良好,,并具有一定的節(jié)能效果。

5.1 微觀經(jīng)濟(jì)效益

(1)根據(jù)泵的出口壓力量測

目前機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況是將泵的出口壓力從原先的基本維持在0.45Mpa,,由變頻器根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)表自動(dòng)調(diào)整為 0.38Mpa~0.45Mpa,忽略變頻調(diào)整后的短時(shí)間0.45Mpa壓力值,,設(shè)泵的出口壓力由0.45Mpa調(diào)整為0.38Mpa,近似計(jì)算如下:

水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系:Q1/Q2=n1/n2
水泵的壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比:N1/N2=(n1/n2)2
軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比:P1/P2=(n1/n2)3
0.38Mpa/0.45Mpa=(n1/n2)2
n1/n2=0.919
P1/P2=(n1/n2)3=0.776=77.6%
由計(jì)算可知,,電機(jī)消耗的功率為原來的77.6%,,節(jié)能22.4%。

(2)由實(shí)際功耗測量節(jié)電效果

某季的單臺(tái)630kW變頻機(jī)組的實(shí)際功耗的日平均測試數(shù)如表2所示,。

 

由表2的測試數(shù)據(jù)得:單臺(tái)日節(jié)電量為2780kW·h,,年節(jié)電量為2780×341=94.8萬kW·h(全年以341天計(jì)算,扣除每月2天保養(yǎng)維護(hù)時(shí)間),,考慮到變頻器的效率為97.6%,,則年實(shí)際節(jié)電量為92.5萬kW·h,節(jié)約資金92.5×0.473=43.75萬元,。

5.2 宏觀經(jīng)濟(jì)效益

(1)安全性  

自該工程投運(yùn)幾年來,,由于采用了恒壓供水,從未發(fā)生過一起供水管網(wǎng)的主干管爆管事故,,有效地保證了城市供水的安全,,取得了較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,對維護(hù)城市的安定,、和諧發(fā)揮了重要作用,。

(2)政府獎(jiǎng)勵(lì) 
 
由于該工程為揚(yáng)州地區(qū)第一臺(tái)6kV電壓等級的大功率變頻器項(xiàng)目,對本地區(qū)的各行業(yè)的高壓變頻器節(jié)能改造起到了示范作用,。另一方面,,由于該項(xiàng)目的成功實(shí)施,適應(yīng)了電力需求側(cè)負(fù)荷的調(diào)節(jié)要求,,得到市政府和省政府能源主管部門的好評,,并獲得了江蘇省節(jié)能項(xiàng)目獎(jiǎng),。

6 結(jié)束語

電壓等級為6kV的變頻器目前市場上有較多的品牌,筆者認(rèn)為,,PowerFlex7000型變頻器在供水行業(yè)6kV電機(jī)調(diào)速中應(yīng)用效果較好。揚(yáng)州水司根據(jù)該變頻器在四水廠運(yùn)行情況,,于2006年下半年又購置了一臺(tái)套PowerFlex7000型變頻器,,用于一水廠機(jī)組變頻調(diào)速,以實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,。筆者所述,,供同行在選擇6kV變頻器設(shè)備時(shí)參考。

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