10kV單元串聯(lián)型高壓變頻器在泵站中的應用

鄧飛

(遵義水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 遵義563002)

摘要：綠塘水庫泵站建設(shè)中的高壓變頻器為單元串聯(lián)型，其通過單元串聯(lián)多電平技術(shù)控制高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，屬高—高電壓源型變頻器。對應用結(jié)果的分析研究發(fā)現(xiàn)，采用高壓變頻器控制水泵設(shè)備的運轉(zhuǎn)速度，可很好地達到節(jié)能改造的目的，提高經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：10kV單元串聯(lián)型；高壓變頻器；泵站

中圖分類號：TN773

Application of 10kV Unit Series High-voltage Inverter in Pumping Station

DENG Fei

(ZunyiSurveyandDesignInstituteofWaterConservancyandHydropower,Zunyi563002,China)

Abstract：Unit series form is adopted in high voltage inverter in Lvtang Reservoir Pumping Station construction. High voltage frequency control system is controlled through unit series multi-level technology, which belongs to high-high voltage source type inverter. Analysis and study on application results show that high-pressure inverter can be adopted for controlling operation speed of water pump equipment, thereby better achieving the purpose of energy-saving rebuilding and improving economic benefits.

Keywords：10kV unit series type; high voltage inverter; pump station

作為一種較新的電力傳動調(diào)速技術(shù)，在實際工作中，主要用于交流電動機中，對其進行變頻調(diào)速控制。高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展比較迅速，當前我國許多高壓變頻器的技術(shù)水平已和世界接軌。而在高壓變頻調(diào)速技術(shù)中，單元串聯(lián)多電平高壓變頻器的誕生，又使其得到進一步提升。通過多重化的技術(shù)實現(xiàn)對設(shè)備變頻調(diào)速控制，通過新的無諧波波形觀察設(shè)備工作的具體情況，有效地降低了能源損耗，是目前比較先進的高壓變頻調(diào)速技術(shù)。

1泵站日常工作情況

綠塘水庫泵站設(shè)計供水能力2.9m3/s，泵站安裝了3臺10kV的水泵機組，裝機容量3×1120kW，其中1臺備用。泵站通過直徑1.5m、長639m的取水管從庫內(nèi)取水直接引至水泵進口，經(jīng)直徑1300mm、長503m的上水管將水送到上水池，然后以重力流輸水管道形式，將水輸至相應的水廠。圖1為綠塘水庫泵站主接線圖。

圖1　綠塘水庫泵站主接線

工作中水泵的閥門開度為75%，以此進行水壓控制，同時為了進一步控制水壓，對葉輪進行切削；由于泵站采用直配供電方式，故采用變頻啟動兼作運行控制方式。實際應用中，其中一套管道采用工頻泵，并保持其閥門全開，將另一套管道水泵的葉輪配置恢復原狀。采用變頻器控制管道的取水量，按照用水量的要求進行水量的調(diào)節(jié)。工作中具體的水泵電機參數(shù)為：額定電壓10kV，額定電流75A，額定功率1120kW。實際工作中的電流為74~80A，功率因數(shù)為0.86。對水泵葉輪進行切削，通過對水泵的調(diào)速達到降低水泵特性曲線的效果，具有節(jié)能的作用。但在實際工作中，考慮到水壓和水量因素，大多采用閥門對水泵取水進行調(diào)節(jié)。在運用閥門進行水泵取水量控制的過程中，本身耗能比較大，而且閥門開度越小耗能越多。

對綠塘水庫泵站水泵的日常工作研究分析發(fā)現(xiàn)，水泵的實際工作流量與額定流量相差甚遠，工作效率低；而采用閥門控制水量的方法，耗能較嚴重。因此，為降低能耗和提升工作效率，采用與工作額定電壓相符的單元串聯(lián)型高壓變頻器對水泵進行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，實現(xiàn)泵站水泵最佳工作效果。

2單元串聯(lián)型高壓變頻器的技術(shù)特點

此次新建綠塘水泵站工程，采用的高壓變頻器為某公司的ARSVERT-A10/080功率單元串聯(lián)多電平高壓變頻器，主要組成部分包括功率模塊、控制器、移向變壓器；采用IGBT功率器件進行全數(shù)字化微機控制，不僅具有較高的可靠性，也使其操作方法更加簡便，工作性能更加穩(wěn)定。單元串聯(lián)型高壓變電器的內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括以下部分：

a. 功率模塊結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要由低壓絕緣柵雙極型晶閘管逆變橋、電容器組，以及不可控二極管整流三相全控橋等相關(guān)器件組合而成，形成交-直-交單向逆變電路，在日常工作中，采用正弦脈沖控制低壓絕緣柵雙極型晶閘管逆變橋，可通過功率單元輸出正弦脈沖波形，由于功率單元的結(jié)構(gòu)相同，因此，可以對其進行隨意的互換；如果在工作過程中功率單元發(fā)生故障，可對其IGBT信號進行封鎖，導通旁路的SCR，以此來隔離故障功率單元。通過此種方法既能實現(xiàn)故障功率單元的診斷，又能保障其他正常功率單元的正常運行。

b.輸入側(cè)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過移向變壓器向系統(tǒng)內(nèi)部的每個功率模塊供應電力，三組移動變壓器副邊繞組的電流整流方式，按照電壓、功率模塊串聯(lián)的級數(shù)，形成48脈沖的多級疊加形式。這種模式可有效改善電流波形，保障工作過程中網(wǎng)側(cè)電壓功率在標準水平，減少采用諧波抑制裝置或使用功率因數(shù)補償?shù)霓k法。

c. 輸出側(cè)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)給電機供電的主要形式為每個功率模塊的U、V輸出端子相互連接形成串聯(lián)的星形接法形式。在對每個功率單元的正弦脈沖寬度調(diào)整波形的重組過程中，得到階梯形的正弦脈沖寬度調(diào)整波，由于該波形對于電機和電纜的絕緣性無傷害，因此不需要采用濾波器輸出；該波形還可對輸出電纜長度進行延伸。實際應用中，對于普通電機可直接采用該波形。

d. 控制器。主要由嵌入式人機界面、PLC，以及DSP芯片組成，通用DSP芯片控制正弦脈沖波形，嵌入式人機界面可為使用者提供中文操作使用界面；此外還能進行遠程監(jiān)控、網(wǎng)絡化控制，以及對波形輸入輸出資料的采集。

采用高壓變頻器，通過對功率因數(shù)的提升，減少無功補償裝置的應用頻率，在滿足工作需求的同時節(jié)約運營成本。由于高壓變頻器是通過對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)能耗的節(jié)約，因此，當實際工作中的具體負荷率處于低位時，水泵電機轉(zhuǎn)速也隨之降低，可以很好地降低水泵抽水系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的磨損程度，增加其使用壽命，一定程度上也降低了設(shè)備維修的成本費用。采用高壓變頻器，在啟動電機時可通過軟啟動的方式使其啟動電流保持在額定電流的1.2倍以下，這樣能有效降低啟動電流對電網(wǎng)的沖擊，增加電機的使用壽命。比較傳統(tǒng)的水泵供水系統(tǒng)，高壓變頻器的保護功能相對較多，具體為短路保護、過流保護、過壓保護、溫升保護、欠壓保護、缺相保護等，其對電機的保護更加全面完善。

3應用高壓變頻調(diào)速技術(shù)促進水泵節(jié)能

3.1高壓變頻調(diào)速技術(shù)的工作節(jié)能原理

由下頁圖2可知，當水泵所需流量由Q1降低為Q2時，若采用傳統(tǒng)的閥門調(diào)節(jié)方法，則會增加管網(wǎng)的阻力，導致代表管網(wǎng)特性的曲線不斷上升，而系統(tǒng)的運行工況點也會發(fā)生改變，其軸功率和流量面積為正比關(guān)系。若采用變頻調(diào)速控制技術(shù)，使水泵的轉(zhuǎn)速從m1降低到m2，此時對管網(wǎng)的特性沒有影響，僅水泵特性、系統(tǒng)工況發(fā)生改變，此時，水泵的軸功率和流量面積為正比例關(guān)系。

3.2泵站水泵變頻調(diào)節(jié)具體分析

對此次水泵的工頻運行功率進行分析，其公式為P1=UI×1.732cosφ=10×80.8×1.732×0.73=1022kW。其中，額定的電機功率因數(shù)為0.84，工作運行過程中的功率因素近似值為0.73。根據(jù)泵站工作

圖2　綠塘水庫泵站水泵運行曲線(轉(zhuǎn)速990r/min)

4采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應注意的問題

平時工作中應注意高壓變頻器的可靠性和變頻器輸入諧波。如果變頻器的輸入電流諧波較大，會導致許多問題，如增加測量儀器儀表的誤差，影響電子計算機等裝置系統(tǒng)正常工作，增大電動機、變壓器等設(shè)備損耗程度。傳統(tǒng)普通的電動機直接設(shè)計成電網(wǎng)運行，再加上電網(wǎng)電壓波形大都為正弦波，在變頻器波形輸出質(zhì)量較差的情況下，很容易對其造成影響。輸出諧波引起電動機發(fā)熱，使其轉(zhuǎn)矩脈動、噪音增加，而輸出dV/dt共模電壓也會對電動機絕緣特性造成影響。此次改造水泵所使用的高壓變頻器，其輸出波形質(zhì)量較高，實際工作中不必采用輸出濾波器也可使用普通電動機。此外，還應注意高壓變頻器進線、出線刀閘以及旁路刀閘集成柜的選擇，根據(jù)輔機設(shè)備重要程度選擇高壓變頻器。注重高壓變頻器冷卻電源裝置的配置。冷卻風扇停止工作時，其功率單元會因超溫而導致變頻器停止工作，對此采用冷卻電源可有效保障變頻器正常工作。對于變頻器的冷卻電源，應為兩套不同低壓段獨立供電電源。對高壓變頻器及其變壓器柜、功率柜濾網(wǎng)定期打掃，使其保持清潔，避免因灰塵阻塞濾網(wǎng)而導致冷卻效果降低，從而造成功率單元溫度增加，最終使高壓變頻器停止工作。采用高壓變頻器進行水泵轉(zhuǎn)速控制時，要盡量創(chuàng)造良好的工作環(huán)境，應在其工作室內(nèi)配置空調(diào)設(shè)備，保證工作環(huán)境干燥通風、衛(wèi)生整潔。

5結(jié)語

高壓變頻器優(yōu)點較多，在實際工作中采用單元型串聯(lián)高壓變頻器，嚴格把握各方面的技術(shù)要求，可有效實現(xiàn)提升工作效率、降低能耗的目標。

參考文獻

[1]杜賢國，郭培彬，韓文昭.高壓變頻器在冷卻水循環(huán)泵上的應用[J].變頻器世界，2005(7):11-12.

[2]陳國呈.PWM變頻調(diào)速及軟開關(guān)電力變換技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2003.