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李大勇[1] 溫奇志[1] 李克菲[2] 李昕[3] 李德普[3] 王永成[4]
[1]中國市政工程東北設計院
[2]吉林市水務集團
[3]大連市水務集團
[4]阜新市水務集團
摘要：本文結合吉林市第三凈水廠變頻調速設計的實例，介紹了多電平拓撲電路原理及特點。應用變頻器的節能分析，以及提出送水泵房優化控制的想法，并且介紹了調速系統的標準配置。
關鍵詞：變頻設備 脈沖寬度調制 拓撲電路 中壓變頻器
一、前言
高壓變頻器的產業化在80年代中期才開始形成，但隨著大功率電力電子器件的迅速發展和巨大的市場推動力，高壓變頻器十多年來的發展非常迅速，使用器件已經從SCR、GTR、GTO發展到IGBT、IECT、IGCT（SGCT）等，功率范圍從幾百千瓦到幾十兆瓦，技術已經成熟，可靠性得到保證，應用越來越廣。國內外生產高壓變頻器的廠家很多，如西門子公司、ABB公司、依林公司、日本的日立公司、國內的利德華福公司等均生產高壓變頻器。
從1984年開始，在沈陽市、哈爾濱市、大連市、鞍山市等城市的供水工程中不同時期先后選用了不同型號，一次側為10kV的變頻調速裝置。其中哈爾濱第三凈水廠用的是奧地利ELEN公司的設備（奧地利政府貸款）鞍山市三家凈水廠用的是德國西門子公司80年代末的設備（日元貸款）。大連沙河第二凈水廠用的是德國西門子公司1998年以后推出的最新的SIMOVERT（日元貸款）。吉林市第二凈水廠及第三凈水廠分別于2002年、2004年選用了和美國羅賓康技術等同的利德華福公司的10kV變頻調速設備。吉林市第三凈水廠產品新穎、運行可靠、技術先進、節能優點顯著。另外，以前我們對西門子公司不同時期的產品介紹很多，2005年美國羅賓康公司被西門子公司收購，所以本文重點介紹吉林市第三凈水廠水泵機組的變頻調速，其很具有代表性，而且實際意義也很大。
吉林市自來水集團有限公司在考察對比了國內外多家高壓變頻器生產廠家后,決定選用北京利德華福電氣技術有限公司生產的HARSVERT-A系列高壓變頻器。2002年先在二水廠選用一臺，兩年來運行效果很好，2004年決定在三水廠再選用兩臺。HARSVERT-A系列高壓變頻器技術先進,可靠性高,輸出電壓波形好，并且已在電力、冶金、石化、市政供水、水泥等多個領域成功應用，得到了用戶的普遍認可和市場的長久考驗。
二、工程概況
吉林市于1998年建成二水廠（凈水廠）,于2004年建成三水廠（凈水廠及原水給水廠），二水廠與法國得利滿公司合作，V型濾池計算機系統由設計院和法國得利滿聯合設計。V型濾池用的設備（閥門、儀表、控制臺）材料，送水泵房的水泵，高壓10kV電機，中控室計算機系統及模擬屏、投影設備均由法國得利滿公司供貨。幾年來，通過與外方合作，去國內外水廠考察調研，學習到了國內外水廠的長處，積累了豐富的經驗，尤其是時間已進入了二十一世紀，在設計三水廠時，必須以“高起點、上水平、創特色”為宗旨，厚積薄發，開拓創新，要設計、建設最好的水廠，讓市民滿意的水廠。
三、節能原理
同中國其他城市一樣，吉林市城市用水量是不均勻的，這是由于氣候和人們生活以及生產規律所決定的。由于流量的變化從而影響到管網水頭損失的變化，尤其是地勢平坦的市區，在幾何揚程很小的情況下，送水泵站出口所需壓力隨流量的變化更為顯著。
水泵站的裝機是按最不利條件下、最大時流量和所需相應揚程決定的。而實際上每天內只有很短時間能達到最大時流量，大多數時間里，水泵站都處在小流量下工作。為了適應流量的變化，許多泵站在運行中采取關小出口閘門的辦法來控制流量，從而造成出口閘門前后的壓力差值（少則多米，多則幾十米）就白白地浪費于閘門阻力上（如圖1）。
當水泵臺數足夠多時，是可以很好地適應水量變化的，但是水泵型號是有限的，裝機臺數過多，不僅管理不便，而且會無謂地增大建筑面積，提高工程造價，即使這樣，也無法做到完全適應水量變化，還需要用閘門來調節水量（如圖2）。
很多水廠切削水泵葉輪適應工作點需要，因水泵工作點不連續照樣有能量損失。
為此，采用水泵機組無級調速技術，可連續地改變水泵轉數，來變更水泵工況，使其流量與揚程適應于管網用水量的變化，才能提高機組效率，維持管網壓力恒定，達到節能的效果。節能原理如圖3所示。AB為全速泵特性曲線，AnBn為調速泵特性曲線，CBnB為管路特性曲線，CO為幾何揚程（含地形差和自由水頭），當用水量從Qmax減少到Qmin的過程中，全速泵的揚程將沿BA曲線上升，而管網所需揚程將沿BBn曲線下降，這兩條曲線縱坐標的差值就意味著全速泵揚程的浪費。應用水泵調速技術時，當用水量從Qmax變動到Qmin的過程中，水泵轉數隨流量從額定位n降到n1n2n3……nn，水泵的Q—H特性曲線AB也相應變化為A1B1，A2B2，A3B3……AnBn。而這組平行的特性曲線AB—AnBn與管路特性曲線CB的交點軌跡BBn正在管路特性曲線上。這樣就可使水泵工作點沿管路特性曲線滑動，使揚程處能與系統阻力相適應，做到沒有多余壓力的損失，且能保持管網壓力恒定，根據水泵軸功率的計算公式，明顯收到節能效果。
為實現水泵機組隨用水量變化而自動調速，最直接的辦法是在管網最不利點處設遠傳壓力計，并設定壓力值。微機系統輸入的壓力信號按存放的程序改變水泵轉數，達到最不利點壓力恒定和供需水量平衡。但是最不利點距泵站往往很遠，遠傳信號不方便。采用泵站出口壓力和流量來控制水泵轉數是常用的辦法。當管網確定之后，出口壓力應是流量的函數曲線即為管路特性曲線，所以可以利用圖4的控制系統自動地調節水泵轉數。
四、系統方案設計
1. 系統電氣設計
1.1三水廠的凈水廠
設計院和吉林市自來水集團有限公司通過工藝上認真計算，根據實際工況要求設計主回路電氣結構圖，選用HARSVERT-A型高壓變頻器一拖一的成功方案。如圖5所示。一拖一的兩臺電機互為備用。
以3#水泵為例說明，工作原理是由3個真空接觸器KM31、KM32、KM33以及2個高壓隔離開關QS31、QS32組成（如圖5），其中KM31、KM32、KM33為高壓真空接觸器，用于變頻和工頻的電動切換。QS31和QS32為高壓隔離開關，一般情況下處于合閘狀態，僅在變頻器檢修時拉開，用于電機工頻運行情況下對變頻器進行安全檢修。
特點：
1）可以實現工頻/變頻自動切換功能。在變頻器出現嚴重故障時，系統能夠自動切入工頻電網中，斷開變頻器時，負載不用停機，滿足現場不能停機要求。
2）易實現四運兩備運行方式。即一臺變頻運行，三臺工頻運行，二臺工頻備用；四臺工頻運行，一臺工頻備用，一臺變頻備用。
1. 2三水廠的取水廠
選用HARSVERT-A型高壓變頻器一拖一的成功方案。如圖6所示。
以1#水泵為例說明，工作原理是由3個真空接觸器KM11、KM12、KM13以及2個高壓隔離開關QS11、QS12組成（如圖6），其中KM11、KM12、KM13為高壓真空接觸器，用于變頻和工頻的電動切換。QS11和QS12為高壓隔離開關，一般情況下處于合閘狀態，僅在變頻器檢修時拉開，用于電機工頻運行情況下對變頻器進行安全檢修。
高壓變頻器工作特點：
1）可以實現工/變頻自動切換功能。在變頻器出現嚴重故障時，系統能夠自動切入工頻電網中，斷開變頻器時，負載不用停機，滿足現場不能停機要求。
2）易實現三運一備運行方式。即一臺變頻運行，二臺工頻運行，一臺工頻備用；三臺工頻運行，一臺變頻備用。
圖5：一拖一方案
圖6：高壓變頻器工作原理
五、變頻調速設備
HARSVERT-A高壓變頻器采用單元串聯多電平電壓源型拓樸方式。
其優點是采用輸入多重化設計，高次諧波含量非常小，輸出采用單元模塊串聯，使得諧波含量極低，在無輸出濾波器的情況下，可使THD<3％，堪稱“完美無諧波”高壓變頻器；極低的轉矩紋波和電機噪聲；功率因數可達0.95；對電機絕緣無損害，電纜長度無限制；便于冗余設計；中文操作界面便于維修。
1.系統結構
HARSVERT-A系列高壓變頻調速系統的結構如圖7，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10kV系列有24個功率單元，每8個功率單元串聯構成一相。
圖7：高壓變頻調速系統結構圖
2.功率單元結構
每個功率單元結構上完全一致，可以互換，其電路結構如圖8，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進行正弦PWM控制。
圖8：功率單元結構圖
4.輸入側結構
輸入側由移相變壓器給每個單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，對10kV系列，構成48脈沖整流方式；這種多級移相疊加的整流方式可以大大改善網側的電流波形，使其網側功率因數接近1。
另外，由于變壓器副邊繞組的獨立性，使每個功率單元的主回路相對獨立，類似常規低壓變頻器。便于采用現有的成熟技術。
5.輸出側結構
輸出側由每個單元的U、V輸出端子互相串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以使輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用，可直接用于舊設備的改造；同時，電機的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機械震動，減小了軸承和葉片的機械應力。
當某一個單元出現故障時，通過使繼電器K閉合，可將此單元旁路出系統而不影響其他單元的運行，高壓變頻器可持續降額運行；如此可減少很多場合下停機造成的損失。
6.控制器
控制器核心由高速單片機和工控PC協同運算來實現，精心設計的算法可以保證電機達到最優的運行性能。工控PC提供友好的全中文WINDOWS監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制。控制器還包括一臺內置的PLC，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號的協調，增強了系統的靈活性。
控制器結構上采用VME標準箱體結構，各控制單元采用FPGA、CPLD等大規模集成電路和表面焊接技術，系統具有極高的可靠性。
另外，控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。
六、軟件設計及自動化網絡設計
1.軟件設計
上位機系統選用亞控公司生產的組態王軟件。該軟件具有友好的人機界面，支持以太網絡�？梢院芊奖愕膶崿F遠程監視等功能。報表、報警功能強大，支持OPC，支持多種型號的PLC通訊。
軟件設計過程中，由于上位機的程序組態王不直接支持西門子的以太網通訊協議，因此需要利用OPC Server來作為過渡。這樣也使得局域網上的機器可以方便調用該機的參數，便于遠程監視。
兩臺上位機同時監控整個系統，當主上位機A故障退出時，從上位機B仍然能實時監控系統，這樣保證系統的安全性、可靠性。
2.自動化網路設計
控制系統由主控PLC、旁路柜控制PLC、高壓變頻器、上位機組成。其中主控系統采用西門子S7-300PLC、旁路柜內置西門子S7-200-PLC、上位機監控選用組態王軟件。通訊網路在底層采用Profibus DP總線，主控PLC和上位機監控系統采用以太網通訊。西門子S7-300PLC作為整個系統的控制核心，處理人機界面對系統的各種請求，對整個系統的參數進行監控，實現對集氣管壓力的PID調節，維持管網的壓力恒定。自動旁路柜集成有S7-200PLC,完成變頻工頻切換功能。上位機系統采用用戶熟悉的組態王監控軟件，與PLC的連接采用以太網方式。考慮現場工況，對安全性、可靠性、穩定性要求都很高，我們現場控制級采用Profibus DP總線連接，監控操作級采用Ethernet方案，接入焦化廠局域網主服務器系統，實現遠程監視。配置上：西門子S7-200配置EM277 Profibus 總線模塊，S7-300選用315-2 DP,并配置CP341-1T 以太網模塊，PLC集成的DP接口用于連接S7-200，以太網模塊CP343-1T用于和上位機的以太網連接。
控制網絡具有如下特點：良好的穩定性、擴展性、軟硬件的開放性以及友好的人機界面，上位機按冗余控制配置等優點。
七、結束語
用高壓變頻器控制水泵機組，大大改善了供水、凈水生產及現場環境，完全達到了生產工藝要求。PLC控制技術、Profibus總線技術和高壓變頻技術的完美結合，使得集成自動化程度高，運行穩定，操作簡單，節能高效明顯等優點。
吉林市三水廠高壓變頻器控制系統的成功應用，對于節約電能、減員增效、技術創新，都具有很高的經濟價值，值得推廣。
要想送水泵站每臺泵實現優化運行，就要研究其定性與定量的運行規律。我們根據吉林市區用水曲線、出廠壓力與管網壓力控制點，清水池水位等參數，正在建立優化控制數學模型，在此基礎上，下一步定量控制凈水廠泵站定速與變頻調速機組優化運行時的流量、揚程、效率變化規律。這樣可以根據用戶對于用水量與揚程要求，實現最優化控制。這種方式實現之時，便可以滿足用戶對水量、水壓的需要，又達到明顯降低電耗的目的。這是我們面臨的一個艱巨的、必須攻克的難題。
吉林市凈水廠送水泵房水泵機組調速的經濟效果很明顯，比不調速節能30％左右，而且設備運行可靠，操作維護方便，由計算機控制，實現了吉林市第三凈水廠優化控制，現代化管理。我們要繼續努力,力爭將吉林三水廠建成國內外先進水平的水廠。
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