高壓大功率變頻器在城市供水系統的應用

      近年來(lái)，從各行業(yè)所使用的調速裝置的情況看，高壓大功率變頻器的應用在不斷的深入到各種行業(yè)的生產(chǎn)系統及設備上。高壓大功率變頻器一方面具有調速精度高、功率因數高等特點(diǎn)，而且可以降低和減少機械設備的磨損和噪音，改善勞動(dòng)條件，滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求；另一方面，高壓大功率變頻器也是一種有效的節能降耗設備，能將因設計余量、節流損耗及用量變化等而浪費的電能節省下來(lái)，為各行業(yè)的企業(yè)的發(fā)展帶來(lái)無(wú)限的生機。 

關(guān)鍵詞：高壓大功率變頻器 “高—低—高”電流型變頻器 “水捶” 爆管 恒壓（變壓）供水 驅動(dòng)拖動(dòng)方式 PLC 觸摸屏 PID調節

 

一、 概述

      城市供水系統是現代生活和生產(chǎn)過(guò)程中不可缺少的重要的公共設施之一，因其供水范圍大容量大，供水水泵的功率大，牽扯到的問(wèn)題廣，故可直接影響到人們的工作和生活，提高供水系統的安全可靠性及供水質(zhì)量等也是個(gè)急需解決問(wèn)題。

城市供水系統運行時(shí)間長(cháng)，在使用過(guò)程中還存在著(zhù)供水壓力不穩、爆管故障及耗電量等等問(wèn)題。據有關(guān)調查統計，供水系統能耗不僅給能源、城市建設及環(huán)境保護帶來(lái)巨大壓力，也給經(jīng)營(yíng)的單位帶來(lái)較沉重的經(jīng)濟負擔。既要保障供水系統的安全可靠性提高供水質(zhì)量，又能降低供水系統的能源消耗，迫使設計供水系統的專(zhuān)家們不斷的改造舊系統，開(kāi)發(fā)使用現代化的可靠性高的能耗低的高科技新產(chǎn)品。

 

二、 傳統的城市供水系統狀況

城市供水系統通常由水廠(chǎng)（一般含取水泵、水處理系統、供水泵等）、增壓系統及其供水管網(wǎng)系統等組成。

城市供水系統的設計及其供水水泵的配置通常是按城市在一個(gè)時(shí)期的發(fā)展的最大供水量來(lái)考慮的，并由此配備帶有一定余量的水泵驅動(dòng)電機，對于較大規模的水廠(chǎng)通常是采用高壓電機驅動(dòng)。

城市供水系統實(shí)際使用過(guò)程中出現最大（高峰）供水負荷的時(shí)間較少，根據一些資料統計，城市供水系統的水泵會(huì )經(jīng)常在低負荷下運行，因而會(huì )出現人們常用來(lái)形容大電機帶小負載所出現的“大馬拉小車(chē)”的現象，這樣日積月累的同樣會(huì )造成大量的能源損耗，以及使長(cháng)期處在工頻額定狀態(tài)下的水泵的機械磨損嚴重，設備故障增加，使用壽命縮短等。

傳統的城市供水系統是對水泵的出口閥采用全開(kāi)閥半開(kāi)閥及開(kāi)停泵控制方法，這種控制方式存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

1、城市供水系統的水泵配套的大功率電機在啟動(dòng)和停止時(shí)對配電系統的沖擊大，不利于電網(wǎng)的安全運行。低負荷時(shí)電機的功率因素低、空載損耗大，占用配電系統的相對補償容量大。

2、節流損失大，使供水系統長(cháng)期在低效率狀態(tài)下運行，會(huì )增加供水系統相應的能源消耗。

3、供水壓力呈階段性的的變化，在工頻狀態(tài)下啟停大功率的水泵，也會(huì )沖擊供水管網(wǎng)，同時(shí)易產(chǎn)生“水錘”現象，增加管網(wǎng)的跑冒滴漏現象以至于爆管，很不利于管網(wǎng)的安全運行。

 

三、高壓大功率變頻器

隨著(zhù)近十幾年電力電子技術(shù)和微電腦技術(shù)的不斷發(fā)展、完善，高壓大功率變頻器性能也日趨完美，已被不同學(xué)科、不同行業(yè)的工程技術(shù)人員廣泛應用于不同的領(lǐng)域，且出現了很多的精品應用設計。為企業(yè)帶來(lái)了可觀(guān)的經(jīng)濟效益，推動(dòng)了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化進(jìn)程。

高壓大功率變頻調速器通常采用IGBT為逆變功率器件，經(jīng)過(guò)多年的使用和研發(fā)，其可靠性、可用性能不斷的得到提高，作為核心器件為高性能的高壓大功率的設計開(kāi)發(fā)提供了可靠的基礎保證。

高壓大功率變頻器按其變頻的方式可分為“交—交”型和“交—直—交”型，“交—交”型一般用于低速重轉矩的場(chǎng)合（如軋鋼機等），在此不去討論。

在水泵及風(fēng)機上所使用的大功率變頻器一般都是“交—直—交”型的，根據所驅動(dòng)設備的具體情況決定是選用“交—直—交”電壓型或“交—直—交”電流型。電壓型變頻器：中間耦合電路電容較大，使逆變輸入端直流電壓保持恒定，不受負載變化的影響，則逆變器的輸入端可以看成是一個(gè)電壓源（如深圳市梅林水廠(chǎng)安裝的四套1000 kW SIEMENS電壓型變頻器）。電流型變頻器：中間耦合電路電感較大，則逆變器輸入端就可以看成是一個(gè)電流源（如東莞梨川二水廠(chǎng)裝有一套800KW SIEMENS電流型變頻器）。

從整個(gè)高壓大功率變頻器系統的電壓變換的情況來(lái)看，高壓大功率變頻器系統還可分為“高—高”型、“高—低（中）—高”型（如東莞梨川二水廠(chǎng)裝設的為 SIEMENS“高—低—高”型變頻器）及“高—低”型（如深圳市梅林水廠(chǎng)安裝的為SIEMENS“高—低”型變頻器）。

因為高壓功率模塊的價(jià)格昂貴，也使得使用“高—高”型高壓變頻器比使用“高—低（中）—高”型高壓變頻器貴很多的情況，再者對于功率在200KW~500KW的高壓電機來(lái)說(shuō)，如首先需考慮的是被控系統的工藝質(zhì)量，則高壓大功率變頻系統可通過(guò)低壓大功率變頻器與兩臺變壓器（一降一升）組態(tài)來(lái)實(shí)現，其中變頻器還可采用國產(chǎn)的，這種組態(tài)的“高—低—高”型變頻器系統要比“高—高”型高壓變頻器經(jīng)濟很多。

 

 

圖一所示SIEMENS公司的800KW“高—低—高”型變頻器的組態(tài)系統，這種型式的變頻系統在有些地方是使用國產(chǎn)化的產(chǎn)品組態(tài)完成。

這種組態(tài)的高壓變頻器系統因通過(guò)變壓器三角接線(xiàn)方式接入電網(wǎng)，故對電網(wǎng)的諧波污染小。中間的變頻器因可選用電流型的，又可達到大電流的輸出目的。

組態(tài)的“高—低—高”型變頻器系統雖然經(jīng)濟實(shí)惠，但在實(shí)際使用時(shí)還需考慮其中變壓器的特殊性、變壓器的保護設計以及高電壓系統等因素。

 

組態(tài)的高—低—高電流型變頻器優(yōu)點(diǎn)：

1）啟動(dòng)轉矩大，輸出電流穩定，負載能力強，可靠性高，可適配的高壓電動(dòng)機種類(lèi)多。 

2）因輸入、輸出變壓器均有濾波作用，故電流諧波小，且對其也無(wú)須考慮功率因數補償及加裝諧波抑制裝置。 

3）維護簡(jiǎn)單，適應現場(chǎng)多變需求。 

4）高壓主回路與主控制板（器）之間進(jìn)行強弱電隔離，安全性好。 

5）故障檢測完善，各種智能化保護齊全，可故障顯示和報警。 

6）控制電源與高壓電相互獨立，檢測方便，便于現場(chǎng)調試。 

7）可接收和輸出多種工業(yè)標準信號，調節控制簡(jiǎn)單，易組成多種應用系統。 

8）相對投資少，經(jīng)濟實(shí)用。

 

三、高壓變頻恒壓（變壓）供水

變頻節電原理：

高低壓變頻調速的節電原理就變頻系統（從整流到逆變輸出）本身而言都相同，即水泵電機的轉速（變頻器輸出頻率）與其功率的三次方成正比，著(zhù)方面的論述目前在各種刊物、網(wǎng)絡(luò )等上已有很多，在此就不再重復。

 

關(guān)于變頻驅動(dòng)的拖動(dòng)方式：

高低變頻器及系統的單位投資高于低壓變頻器及系統，再因為功率大引起的總投資就更大了，這樣就需要從節省投資上多下功夫，盡量做到即能得到變頻調速節能系統帶來(lái)的經(jīng)濟效益，又節省投資額度。與低壓變頻器及系統相同的是可以從高低變頻器及系統拖動(dòng)方式上做文章。

關(guān)于變頻驅動(dòng)的拖動(dòng)方式牽扯到的問(wèn)題較廣，在此特做如下介紹：

1、根據電氣邏輯可知：變頻器驅動(dòng)的拖動(dòng)方式理論上可實(shí)現n拖n，n=1、2、3...n，實(shí)際應用時(shí)，一般最多做成“1拖4”到“2拖4”，再多無(wú)意義且反使投資因控制驅動(dòng)系統過(guò)于復雜而急速上升。

2、拖動(dòng)方式實(shí)現的辦法：有些國內品牌的變頻器生產(chǎn)商，將驅動(dòng)多臺水泵的功能設置在變頻器內，這種做法會(huì )不會(huì )出現：如變頻器出現故障就會(huì )使得整個(gè)自控系統癱瘓？如要使自控系統在變頻器出現故障時(shí)能繼續使用，則需另設電路并加控制設備，這反使系統變得更為復雜。

據經(jīng)驗：簡(jiǎn)單的PID調節功能可設置在變頻器內部，復雜的調節方式則最好通過(guò)專(zhuān)用調節器或PLC來(lái)實(shí)現，對于投切驅動(dòng)的自控功能二臺以上最好由電氣電路或PLC來(lái)實(shí)現。

3、切換拖動(dòng)的安全：在設計時(shí)應在單機的工頻與變頻間及多機的變頻與變頻間設置軟件和硬件（電氣、機械）聯(lián)鎖；在變頻與工頻的輸出端間還可增設雙向刀閘箱（低壓）或是三工位隔離刀閘柜（高壓）可進(jìn)一步加強其安全可靠性。

 

關(guān)于自動(dòng)調節方式

一般是采用PID的閉環(huán)自動(dòng)調節方式，其基本過(guò)程是：用壓力傳感器對供水系統母管出口的水壓進(jìn)行采樣，轉換成電量信號(一般為4—20mA、0—10V等)后送至PID調節器或PLC（變頻器內置PID功能的可直接送至變頻器）等，將該信號與設定值進(jìn)行比較運算后，送至變頻器，并用來(lái)調節變頻器（系統）的輸出頻率，從而改變了水泵轉速并調節供水壓力（供水量）以達到恒壓供水的目的。

近年來(lái)，隨著(zhù)模糊控制理論的不斷發(fā)展，其控制算法也在應用到實(shí)際中。它不僅能實(shí)現控制，從理論上講還能模擬人的思維方式，對一些無(wú)法構造數學(xué)模型的被控對象進(jìn)行有效的控制。模糊智能控制能消除超調現象，能更快速地響應外部擾動(dòng)，因此模糊控制方式的抗干擾能力更強。另外還有高智能型的自適應控制方式等等，如條件允許應使其在變頻供水系統中得到應用。

 

一般的設計方式：

改造舊系統的高壓變頻恒壓供水系統是在保留原工頻系統的基礎上加裝。對新系統是設計成純變頻回路，為節省投資也可采用“一拖多”等雙回路(工頻-變頻)系統，但要設置相應的安全聯(lián)鎖以確保系統的工作安全。變頻系統的聯(lián)動(dòng)控制功能與工頻系統的聯(lián)動(dòng)控制功能相同。

 

關(guān)于供水壓力的保障：

供水系統的變頻節能系統在實(shí)際使用中要考慮水泵的轉速與揚程的平方成正比的關(guān)系及水泵的轉速與管損平方成正比的關(guān)系：在水泵的揚程隨轉速的降低而降低的同時(shí)管道損失也在降低，因此，系統對水泵揚程的實(shí)際需求一樣要降低；而通過(guò)設定變頻器下限頻率的方法又可保證系統對水泵揚程的最低需求。

 

四、自動(dòng)化控制的高壓大功率變頻恒壓（變壓）供水系統案例

在城市供水中，高壓大功率變頻器一般是應用在水泵上，并進(jìn)行開(kāi)環(huán)或閉環(huán)的調速控制，使水泵的轉速隨著(zhù)外界用水情況的變化而變化，使水泵能始終運行在其特性曲線(xiàn)的高效區。

本人于1998年有機會(huì )設計并調試了東莞梨川二水廠(chǎng)二級泵房的〈自動(dòng)控制的高壓變頻恒壓（變壓）供水系統〉的全套軟硬件系統，現簡(jiǎn)介如下：

1、梨川二水廠(chǎng)二級泵房裝機概況：

裝機數量及容量：共5臺泵，2×710KW+3×500KW+1×250KW，每臺泵均由高壓電機驅動(dòng)，其出口均設重錘式電控液壓驅動(dòng)閥（該閥可停懸50%開(kāi)度位置）。

其調節方式：根據供水情況開(kāi)停泵及閥開(kāi)50%。各泵均不調速，利用出口閥門(mén)來(lái)控制水流量和管網(wǎng)壓力。

 

2、變頻應用系統主要設備：

高壓變頻器：6KV/800KW SIEMENS“高—低—高”型電流型變頻器。

PLC：SIEMENS S7-300一個(gè)整機架配置，10A電源1PC，314CPU 1PC，32點(diǎn)DI模塊2PC，16點(diǎn)DO模塊4PC，8AI模塊1PC，2AO模塊1PC。主要用來(lái)完成正個(gè)系統的邏輯控制，模擬量整合處理并與PID調節儀表組態(tài)。

調節及顯示儀表：共6臺，特別定做。其中一臺用來(lái)顯示高壓輸入端電流， 其它均為調節用表。

壓力傳感器：2PC，0~1MP量程，4~20mA標準信號

流量傳感器：2PC，4~20mA標準信號（實(shí)際是借用水廠(chǎng)的流量表輸出信號）。

電量變送器：5A/4~20mA標準信號 2PC 10VDC/4~20mA標準信號 2PC

壓力開(kāi)關(guān)：7PC（后用電接點(diǎn)壓力表代替）。

集中控制柜：一臺

10KV進(jìn)線(xiàn)柜：一臺帶反時(shí)

10KV出線(xiàn)柜：二臺

 

3、設計、驅動(dòng)控制及保護方式等：

設計原則：按電力系統有關(guān)10KV配電系統的設計規范設計高壓一次系統、二次控制及保護系統。保留所有的原工頻驅動(dòng)控制方式，再并入變頻控制系統。因為該高壓變頻系統是東莞地區的供水系統首次使用，在設計時(shí)盡可能的要保障整個(gè)系統的安全，對各大設備及系統的延伸所影響到的系統和設備盡可能的進(jìn)行全面監控。

變頻動(dòng)力拖動(dòng)方式：一拖二

集中控制：一步化自動(dòng)開(kāi)停機，全自動(dòng)控制，手動(dòng)控制（可將自控邏輯甩開(kāi)），輸入端電源給定，輸出端拖動(dòng)選擇，自/手動(dòng)切換，變頻啟停，變頻器監視等。

現場(chǎng)控制：水泵就地啟停，進(jìn)線(xiàn)柜及出線(xiàn)柜就地操作，變頻器就地操作等等。

調節方式：考慮到水廠(chǎng)的規模較大，送水距離遠，為確保有效的調節，將調節儀表及PLC的調節方式分配如下：兩臺為分時(shí)段PID調節器（恒壓調節），兩臺組成串級PID調節器（變壓調節）并與PLC組態(tài)，一臺與PLC組態(tài)成串級PID調節器（流量調節），PLC調節方式。

變頻器啟?？刂疲荷想姾?，先進(jìn)入準備狀態(tài)再啟動(dòng)，停機時(shí)斷開(kāi)啟動(dòng)與準備狀態(tài)。

變頻器監控：對所有的狀態(tài)、錯誤、故障信號進(jìn)行采樣，輸入PLC，并分類(lèi)處理。

PLC程序設計：對所有的輸入開(kāi)關(guān)量進(jìn)行采樣，編輯邏輯程序，驅動(dòng)相應的輸出。對流量、壓力信號處理后送到儀表及變頻器。

PLC硬件設計方式：可繼續擴展I/O和AI/AO?？?，可加裝人機介面或監控微機。

自動(dòng)補壓減壓控制：可按投入待運行的補壓方式自動(dòng)進(jìn)行補壓。

聯(lián)鎖方式：1、2號變頻出線(xiàn)柜聯(lián)鎖，1號變頻出線(xiàn)柜和1號工頻出線(xiàn)柜聯(lián)鎖，2號變頻出線(xiàn)柜和2號工頻出線(xiàn)柜聯(lián)鎖。

高壓柜控方式：以電力系統標準控制為基礎，再引如變頻系統及PLC的有關(guān)控制信號。

降壓變壓器保護：采用電力系統標準反時(shí)限保護。

升壓變壓器保護：因當時(shí)無(wú)合適的采樣元件及保護裝置，故將其交變頻器保護。

6KV電源側防雷保護：按有關(guān)高壓配電柜防雷電入侵波過(guò)壓保護方式設計。

 

5、所解決的主要問(wèn)題

大大提高了整個(gè)二級泵房的自動(dòng)化控制程度。

糾正并完善了原工頻系統自動(dòng)一步化開(kāi)停機的缺點(diǎn)和不足。

可以使水泵隨著(zhù)負荷的變化調節供水流量，達到節約能源的目的，同時(shí)對水泵進(jìn)行的是軟啟動(dòng)，減小對配電系統及供水管網(wǎng)的沖擊。

改善了水泵運行工況

 

5、存在的主要問(wèn)題

1）多次燒壞電源輸入端的400A保險，以后雖根據其原因設想并推敲了多種解決方法，但因多種原因而不能實(shí)施。

2）原計劃第二步實(shí)現人機介面控制，以完善現代PLC的控制方式，因多種原因而未能實(shí)施。

3）設計中的全自動(dòng)化控制按無(wú)人控制方式設計編程，但因多種原因只進(jìn)行了部分在線(xiàn)調試而不能得知完全的實(shí)用功能使用情況，故不能完全交與用戶(hù)使用。

 

6、設計調試總結

1）該系統好象是東莞的首套高壓變頻器系統（在西門(mén)子聽(tīng)說(shuō)），故在設計時(shí)為確保該系統的成功，考慮的方方面面很多，最后雖經(jīng)壓縮，但整個(gè)系統設計出來(lái)后仍感到挺復雜。

2）就當時(shí)的情況而言，用方和供方均對該系統的自動(dòng)化系統的復雜程度及牽扯的范圍之廣缺乏了解，沒(méi)能提供足夠的在線(xiàn)調試次數及修改軟件的機會(huì )，以致留下一些遺憾。

3）高壓變頻器運行情況介紹 

設備改造工程于1998年11月完成，高壓變頻器投運后，頻率運行在40Hz~48Hz，保證了供水的正常進(jìn)行。

 

結束語(yǔ)

      不管是科技還是應用技術(shù)，在其發(fā)展的過(guò)程中總會(huì )遇到重重的阻力和各種各樣的困難，特別是在情況不明朗時(shí)，總會(huì )走些彎路，付出一定的代價(jià)交一定的學(xué)費，但這阻礙不了人們對新事物的追求和對未知領(lǐng)域的探索。