10kV級(jí)聯(lián)式高壓交-交變頻技術(shù)及在城市供水的應(yīng)用

1 引言

高壓變頻器已經(jīng)在我國城市供水行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，這些產(chǎn)品多以級(jí)聯(lián)式交-直-交pwm電路結(jié)構(gòu)為主，主功率半導(dǎo)體器件采用igbt，該技術(shù)路線網(wǎng)側(cè)輸出入電流諧波小，電機(jī)側(cè)輸出電壓正弦度高，電氣性能滿足高壓大容量電機(jī)調(diào)速的要求，并取得了很好的節(jié)能效益。但是，該技術(shù)方案仍然存在諸多問題，例如電路復(fù)雜，成本高，壽命短等等。由北京時(shí)代金能電氣科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的級(jí)聯(lián)式高壓交-交變頻器，是高壓變頻技術(shù)的全新解決方案，該方案使用可控硅作為主功率器件，無需整流濾波環(huán)節(jié)，電路簡(jiǎn)單，可靠性高，不存在大容量電容器所引起的運(yùn)行壽命短問題。
北京自來水集團(tuán)某水廠一泵房有4臺(tái)取水泵并聯(lián)運(yùn)行，工作方式為2開2備，泵站設(shè)置有集中控制室，用于監(jiān)視并遠(yuǎn)程控制水泵的運(yùn)行狀況。水泵拖動(dòng)電機(jī)均為10kv，220kw鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，在變頻改造前采用調(diào)節(jié)閥門來控制取水量，造成很大的電能浪費(fèi)，為此集團(tuán)進(jìn)行了變頻節(jié)能改造，通過對(duì)國內(nèi)外多個(gè)廠家的產(chǎn)品及不同的技術(shù)路線進(jìn)行對(duì)比，確定采用了以級(jí)聯(lián)式高壓交-交變頻技術(shù)為技術(shù)路線的高壓變頻器產(chǎn)品。

2 級(jí)聯(lián)式高壓交-交變頻技術(shù)介紹
2.1主電路介紹
級(jí)聯(lián)式高壓交-交變頻技術(shù)的原理是，通過輸入變壓器產(chǎn)生的多路浮動(dòng)低壓電源給各功率單元供電，各功率單元的輸出經(jīng)過串聯(lián)后，得到了疊加后的高壓輸出。輸入隔離變壓器采用移相技術(shù)，使輸入電流的高次諧波得以抵消，符合ieee std519-1992和gb/t14549-1993的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)諧波的規(guī)定。多級(jí)低壓電的疊加輸出，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓電流的高正弦度，無需增加輸出濾波裝置就可以直接驅(qū)動(dòng)普通高壓同、異步電動(dòng)機(jī)，而不會(huì)增加電機(jī)溫升，電機(jī)不需因諧波而降額使用，可使主回路電機(jī)、電纜絕緣免受dv/dt應(yīng)力的損傷，也沒有諧波引起的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可延長電機(jī)和機(jī)械設(shè)備使用壽命，電機(jī)電纜在壓降允許范圍內(nèi)無任何長度限制。
該方案主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。各功率單元通過光纖與主控制單元連接，同時(shí)功率單元內(nèi)部的控制電路供電取自變壓器浮動(dòng)電源，因此強(qiáng)電與弱電實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。

圖1 級(jí)聯(lián)式交-交變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖

2.2功率單元電路介紹
級(jí)聯(lián)式高壓交-交變頻技術(shù)采用的功率單元原理如圖2所示，其以可控硅作為主半導(dǎo)體開關(guān)器件，主電路工作在零電流軟關(guān)斷狀態(tài)，避免了igbt等器件強(qiáng)迫關(guān)斷產(chǎn)生的應(yīng)力，這對(duì)于工作在高電壓大電流狀態(tài)的高壓大容量變頻器尤為重要。而可控硅器件則具有通態(tài)損耗小，抗過電流能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)該方案工作在工頻開關(guān)狀態(tài)，因此不論是導(dǎo)通損耗還是開關(guān)損耗，都大大小于pwm交-直-交傳統(tǒng)方案。該方案同樣有別于以往的相控交-交變頻控制技術(shù)，由于采用級(jí)聯(lián)方式，在輸出低頻時(shí)，依然可以保持高功率因數(shù)輸出，且其輸出頻率可達(dá)到甚至超過50hz。
pwm交-直-交方案功率單元的直流環(huán)節(jié)需要對(duì)輸入交流電壓進(jìn)行整流、濾波，因此，其中最薄弱的環(huán)節(jié)，也是最大的安全隱患所在。特別是電解電容器，由于其內(nèi)部電解液的逐漸揮發(fā)，在額定工作狀況下，一般長壽命產(chǎn)品標(biāo)稱額定連續(xù)工作壽命僅為3000-5000h，即半年左右，通過降額使用，且在工況較好時(shí)，其連續(xù)使用壽命也只有5年左右，因此，在電解電容超過使用年限，或檢測(cè)到性能指標(biāo)下降時(shí)，必須立即加以更換。另外，大容量電容器價(jià)格不菲，占相當(dāng)大比例的設(shè)備成本，體積也無法減小，致使設(shè)備價(jià)格高，體積大。
級(jí)聯(lián)式高壓交-交變頻方案的開關(guān)器件工作于低頻狀態(tài)，且為零電流關(guān)斷，因此dv/dt非常小，其對(duì)電機(jī)及導(dǎo)線絕緣的影響可以忽略。同時(shí)其工作于四象限狀態(tài)，避免了在電機(jī)減速或者故障時(shí)產(chǎn)生反充電，而這一問題對(duì)于pwm交-直-交方案，容易引發(fā)電容器擊穿事故。
3 設(shè)備狀況
北京自來水集團(tuán)某水廠一泵房的4臺(tái)取水泵，變頻改造采用直連1對(duì)1方式，水廠設(shè)有集控室，通過數(shù)據(jù)總線modbus協(xié)議與變頻器連接，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作及監(jiān)控的功能。restime系列級(jí)聯(lián)式交-交高壓變頻產(chǎn)品工作效率高，自身發(fā)熱少，因此將變頻器置于泵房?jī)?nèi)，不需要額外增加通風(fēng)降溫設(shè)施，由于變頻器功率單元實(shí)現(xiàn)了全密封，因此也不需要采取防塵過濾等措施，不需要定期更換過濾網(wǎng)，日常運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)，極大地方便了使用。取水泵電機(jī)與變頻器主要技術(shù)參數(shù)如下：
3.1電機(jī)主要參數(shù)
型號(hào)：y450-6；
額定功率：220kw；
額定電流：17a ；
額定功率因數(shù)：0.82 ；
額定轉(zhuǎn)速：992r/min 。
3.2 變頻器主要參數(shù)
變頻器功率：500kva；
適配電機(jī)功率：400kw；
額定輸出電流：29a ；
輸入頻率：45hz ～ 55hz ；
額定輸入電壓：10kv ；
允許電壓波動(dòng)：± 15% ；
輸出電壓范圍：0 - 10kv；
變頻器效率：≥ 98%；
輸出頻率范圍：0 - 50hz。

4 變頻器改造后運(yùn)行情況
該項(xiàng)目調(diào)試完成并投入運(yùn)行后，達(dá)到了變頻改造的目的，并具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)監(jiān)控簡(jiǎn)便
設(shè)備運(yùn)行時(shí)的所有數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)在變頻器液晶界面及上位機(jī)顯示屏上都有中文顯示，如運(yùn)行頻率，輸出電壓，輸出電流，電機(jī)運(yùn)行功率等等。
(2)實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)
變頻改造后，電機(jī)及水泵機(jī)組實(shí)現(xiàn)了軟啟動(dòng)，對(duì)機(jī)組的機(jī)械沖擊大幅度減小。
(3)機(jī)組運(yùn)行噪聲及震動(dòng)減小
由于采用了變頻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，當(dāng)水量減小而工作于較低頻狀態(tài)時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速及輸出功率較小，從而震動(dòng)及噪聲同時(shí)減小，延長了機(jī)械設(shè)備的使用壽命。
(4)電機(jī)溫升降低
當(dāng)水泵工作于較低頻狀態(tài)時(shí)，電機(jī)電流小于額定值，因此電機(jī)溫升也有所降低。
(5)日常運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)
restime系列級(jí)聯(lián)式交-交高壓變頻器自身發(fā)熱少，變頻器功率單元實(shí)現(xiàn)了全密封，無需加裝防塵過濾等措施，因此也不需要定期更換過濾網(wǎng)，日常運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)，極大的方便了使用，同時(shí)也降低了維護(hù)費(fèi)用。
(6)運(yùn)行費(fèi)用低
級(jí)聯(lián)式交-交高壓變頻器由于沒有中間直流環(huán)節(jié)，省去了大容量電解電容器，設(shè)備壽命由此得到大幅度提升，同時(shí)也極大的降低了用戶定期更換元器件的費(fèi)用。
(7)節(jié)電效果明顯
本項(xiàng)目水泵機(jī)組工作于不同季節(jié)時(shí)，供水量變化較大，一般情況下，供水量設(shè)定為7.5萬t～5萬t之間變化，當(dāng)5萬t時(shí)，需要采用閥門調(diào)節(jié)流量，存在較大的電能浪費(fèi)現(xiàn)象。進(jìn)行變頻改造后，供水量在5萬t時(shí)，單機(jī)平均耗電功率由216kw下降到142kw，節(jié)電率為34%，節(jié)電效果非常顯著。

圖2 級(jí)聯(lián)式高壓交-交變頻技術(shù)功率單元原理圖

5 結(jié)束語
從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況來看，由北京時(shí)代金能電氣科技有限公司生產(chǎn)的thv10-050高壓變頻器性能優(yōu)越，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，能滿足城市供水中高壓電機(jī)的使用需要。高壓變頻器技術(shù)產(chǎn)品不僅可以在供水系統(tǒng)中應(yīng)用，也適合于舊設(shè)備改造，不僅提高了供水質(zhì)量、保障供水壓力，而且降低了供水成本。

作者簡(jiǎn)介
馬建軍 男 電力工程師，副廠長，現(xiàn)就職于北京市自來水集團(tuán)有限責(zé)任公司，專業(yè)為電氣技術(shù)。