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(shè)計院
[2]吉林市水務(wù)集團(tuán)
[3]大連市水務(wù)集團(tuán)
[4]阜新市水務(wù)集團(tuán)

　　摘要：本文結(jié)合吉林市第三凈水廠變頻調(diào)速設(shè)計的實例，介紹了多電平拓?fù)潆娐吩�理及特點。應(yīng)用變頻器的節(jié)能分析，以及提出送水泵房優(yōu)化控制的想法，并且介紹了調(diào)速系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。

　　關(guān)鍵詞：變頻設(shè)備 脈沖寬度調(diào)制 拓?fù)潆娐?中壓變頻器

　　一、前言

　　高壓變頻器的產(chǎn)業(yè)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(fā)展和巨大的市場推動力，高壓變頻器十多年來的發(fā)展非常迅速，使用器件已經(jīng)從SCR、GTR、GTO發(fā)展到IGBT、IECT、IGCT（SGCT）等，功率范圍從幾百千瓦到幾十兆瓦，技術(shù)已經(jīng)成熟，可靠性得到保證，應(yīng)用越來越廣。國內(nèi)外生產(chǎn)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(nèi)的利德華福公司等均生產(chǎn)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(cè)為10kV的變頻調(diào)速裝置。其中哈爾濱第三凈水廠用的是奧地利ELEN公司的設(shè)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(shè)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(shù)等同的利德華福公司的10kV變頻調(diào)速設(shè)備。吉林市第三凈水廠產(chǎn)品新穎、運行可靠、技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能優(yōu)點顯著。另外，以前我們對西門子公司不同時期的產(chǎn)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(jī)組的變頻調(diào)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(tuán)有限公司在考察對比了國內(nèi)外多家高壓變頻器生產(chǎn)廠家后,決定選用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)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(shù)先進(jìn),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(lǐng)域成功應(yīng)用，得到了用戶的普遍認(rèn)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(jī)系統(tǒng)由設(shè)計院和法國得利滿聯(lián)合設(shè)計。V型濾池用的設(shè)備（閥門、儀表、控制臺）材料，送水泵房的水泵，高壓10kV電機(jī)，中控室計算機(jī)系統(tǒng)及模擬屏、投影設(shè)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(nèi)外水廠考察調(diào)研，學(xué)習(xí)到了國內(nèi)外水廠的長處，積累了豐富的經(jīng)驗，尤其是時間已進(jìn)入了二十一世紀(jì)，在設(shè)計三水廠時，必須以“高起點、上水平、創(chuàng)特色”為宗旨，厚積薄發(fā)，開拓創(chuàng)新，要設(shè)計、建設(shè)最好的水廠，讓市民滿意的水廠。

　　三、節(jié)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(chǎn)規(guī)律所決定的。由于流量的變化從而影響到管網(wǎng)水頭損失的變化，尤其是地勢平坦的市區(qū)，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(jī)是按最不利條件下、最大時流量和所需相應(yīng)揚程決定的。而實際上每天內(nèi)只有很短時間能達(dá)到最大時流量，大多數(shù)時間里，水泵站都處在小流量下工作。為了適應(yīng)流量的變化，許多泵站在運行中采取關(guān)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(dāng)水泵臺數(shù)足夠多時，是可以很好地適應(yīng)水量變化的，但是水泵型號是有限的，裝機(jī)臺數(shù)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(yīng)水量變化，還需要用閘門來調(diào)節(jié)水量（如圖2）。

　　很多水廠切削水泵葉輪適應(yīng)工作點需要，因水泵工作點不連續(xù)照樣有能量損失。

　　為此，采用水泵機(jī)組無級調(diào)速技術(shù)，可連續(xù)地改變水泵轉(zhuǎn)數(shù)，來變更水泵工況，使其流量與揚程適應(yīng)于管網(wǎng)用水量的變化，才能提高機(jī)組效率，維持管網(wǎng)壓力恒定，達(dá)到節(jié)能的效果。節(jié)能原理如圖3所示。AB為全速泵特性曲線，AnBn為調(diào)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(dāng)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(wǎng)所需揚程將沿BBn曲線下降，這兩條曲線縱坐標(biāo)的差值就意味著全速泵揚程的浪費。應(yīng)用水泵調(diào)速技術(shù)時，當(dāng)用水量從Qmax變動到Qmin的過程中，水泵轉(zhuǎn)數(shù)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(yīng)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(tǒng)阻力相適應(yīng)，做到?jīng)]有多余壓力的損失，且能保持管網(wǎng)壓力恒定，根據(jù)水泵軸功率的計算公式，明顯收到節(jié)能效果。

 
    為實現(xiàn)水泵機(jī)組隨用水量變化而自動調(diào)速，最直接的辦法是在管網(wǎng)最不利點處設(shè)遠(yuǎn)傳壓力計，并設(shè)定壓力值。微機(jī)系統(tǒng)輸入的壓力信號按存放的程序改變水泵轉(zhuǎn)數(shù)，達(dá)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(yuǎn)，遠(yuǎn)傳信號不方便。采用泵站出口壓力和流量來控制水泵轉(zhuǎn)數(shù)是常用的辦法。當(dāng)管網(wǎng)確定之后，出口壓力應(yīng)是流量的函數(shù)曲線即為管路特性曲線，所以可以利用圖4的控制系統(tǒng)自動地調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)數(shù)。

　　四、系統(tǒng)方案設(shè)計

　　1. 系統(tǒng)電氣設(shè)計

　　1.1三水廠的凈水廠

　　設(shè)計院和吉林市自來水集團(tuán)有限公司通過工藝上認(rèn)真計算，根據(jù)實際工況要求設(shè)計主回路電氣結(jié)構(gòu)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(jī)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(guān)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(guān)，一般情況下處于合閘狀態(tài)，僅在變頻器檢修時拉開，用于電機(jī)工頻運行情況下對變頻器進(jìn)行安全檢修。

　　特點：

　　1）可以實現(xiàn)工頻/變頻自動切換功能。在變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，系統(tǒng)能夠自動切入工頻電網(wǎng)中，斷開變頻器時，負(fù)載不用停機(jī)，滿足現(xiàn)場不能停機(jī)要求。

　　2）易實現(xiàn)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(guān)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(guān)，一般情況下處于合閘狀態(tài)，僅在變頻器檢修時拉開，用于電機(jī)工頻運行情況下對變頻器進(jìn)行安全檢修。

　　高壓變頻器工作特點：

　　1）可以實現(xiàn)工/變頻自動切換功能。在變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，系統(tǒng)能夠自動切入工頻電網(wǎng)中，斷開變頻器時，負(fù)載不用停機(jī)，滿足現(xiàn)場不能停機(jī)要求。

　　2）易實現(xiàn)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(diào)速設(shè)備

　　HARSVERT-A高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平電壓源型拓樸方式。

　　其優(yōu)點是采用輸入多重化設(shè)計，高次諧波含量非常小，輸出采用單元模塊串聯(lián)，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(zhuǎn)矩紋波和電機(jī)噪聲；功率因數(shù)可達(dá)0.95；對電機(jī)絕緣無損害，電纜長度無限制；便于冗余設(shè)計；中文操作界面便于維修。

　　1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　HARSVERT-A系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(lián)構(gòu)成一相。

           圖7：高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　2.功率單元結(jié)構(gòu)

　　每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)如圖8，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制。

           圖8：功率單元結(jié)構(gòu)圖

　　4.輸入側(cè)結(jié)構(gòu)

　　    輸入側(cè)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(gòu)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(wǎng)側(cè)的電流波形，使其網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)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(guī)低壓變頻器。便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。

　　5.輸出側(cè)結(jié)構(gòu)

　　    輸出側(cè)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(jī)供電，通過對每個單元的PWM波形進(jìn)行重組，這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對電纜和電機(jī)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(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械震動，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。

　　    當(dāng)某一個單元出現(xiàn)故障時，通過使繼電器K閉合，可將此單元旁路出系統(tǒng)而不影響其他單元的運行，高壓變頻器可持續(xù)降額運行；如此可減少很多場合下停機(jī)造成的損失。

　　6.控制器

　　    控制器核心由高速單片機(jī)和工控PC協(xié)同運算來實現(xiàn)，精心設(shè)計的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運行性能。工控PC提供友好的全中文WINDOWS監(jiān)控和操作界面，同時可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制。控制器還包括一臺內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。

　　    控制器結(jié)構(gòu)上采用VME標(biāo)準(zhǔn)箱體結(jié)構(gòu)，各控制單元采用FPGA、CPLD等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)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(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)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(shè)計及自動化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

　　1.軟件設(shè)計

　　上位機(jī)系統(tǒng)選用亞控公司生產(chǎn)的組態(tài)王軟件。該軟件具有友好的人機(jī)界面，支持以太網(wǎng)絡(luò)�？梢院芊奖愕膶崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視等功能。報表、報警功能強(qiáng)大，支持OPC，支持多種型號的PLC通訊。

　　軟件設(shè)計過程中，由于上位機(jī)的程序組態(tài)王不直接支持西門子的以太網(wǎng)通訊協(xié)議，因此需要利用OPC Server來作為過渡。這樣也使得局域網(wǎng)上的機(jī)器可以方便調(diào)用該機(jī)的參數(shù)，便于遠(yuǎn)程監(jiān)視。

　　兩臺上位機(jī)同時監(jiān)控整個系統(tǒng)，當(dāng)主上位機(jī)A故障退出時，從上位機(jī)B仍然能實時監(jiān)控系統(tǒng)，這樣保證系統(tǒng)的安全性、可靠性。

　　2.自動化網(wǎng)路設(shè)計

　　 控制系統(tǒng)由主控PLC、旁路柜控制PLC、高壓變頻器、上位機(jī)組成。其中主控系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC、旁路柜內(nèi)置西門子S7-200-PLC、上位機(jī)監(jiān)控選用組態(tài)王軟件。通訊網(wǎng)路在底層采用Profibus DP總線，主控PLC和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊。西門子S7-300PLC作為整個系統(tǒng)的控制核心，處理人機(jī)界面對系統(tǒng)的各種請求，對整個系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)對集氣管壓力的PID調(diào)節(jié)，維持管網(wǎng)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(jī)系統(tǒng)采用用戶熟悉的組態(tài)王監(jiān)控軟件，與PLC的連接采用以太網(wǎng)方式�？紤]現(xiàn)場工況，對安全性、可靠性、穩(wěn)定性要求都很高，我們現(xiàn)場控制級采用Profibus DP總線連接，監(jiān)控操作級采用Ethernet方案，接入焦化廠局域網(wǎng)主服務(wù)器系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)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(wǎng)模塊，PLC集成的DP接口用于連接S7-200，以太網(wǎng)模塊CP343-1T用于和上位機(jī)的以太網(wǎng)連接。

　　控制網(wǎng)絡(luò)具有如下特點：良好的穩(wěn)定性、擴(kuò)展性、軟硬件的開放性以及友好的人機(jī)界面，上位機(jī)按冗余控制配置等優(yōu)點。

　　七、結(jié)束語

　　用高壓變頻器控制水泵機(jī)組，大大改善了供水、凈水生產(chǎn)及現(xiàn)場環(huán)境，完全達(dá)到了生產(chǎn)工藝要求。PLC控制技術(shù)、Profibus總線技術(shù)和高壓變頻技術(shù)的完美結(jié)合，使得集成自動化程度高，運行穩(wěn)定，操作簡單，節(jié)能高效明顯等優(yōu)點。

　　吉林市三水廠高壓變頻器控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，對于節(jié)約電能、減員增效、技術(shù)創(chuàng)新，都具有很高的經(jīng)濟(jì)價值，值得推廣。

　　要想送水泵站每臺泵實現(xiàn)優(yōu)化運行，就要研究其定性與定量的運行規(guī)律。我們根據(jù)吉林市區(qū)用水曲線、出廠壓力與管網(wǎng)壓力控制點，清水池水位等參數(shù)，正在建立優(yōu)化控制數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，下一步定量控制凈水廠泵站定速與變頻調(diào)速機(jī)組優(yōu)化運行時的流量、揚程、效率變化規(guī)律。這樣可以根據(jù)用戶對于用水量與揚程要求，實現(xiàn)最優(yōu)化控制。這種方式實現(xiàn)之時，便可以滿足用戶對水量、水壓的需要，又達(dá)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(jī)組調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效果很明顯，比不調(diào)速節(jié)能30％左右，而且設(shè)備運行可靠，操作維護(hù)方便，由計算機(jī)控制，實現(xiàn)了吉林市第三凈水廠優(yōu)化控制，現(xiàn)代化管理。我們要繼續(xù)努力,力爭將吉林三水廠建成國內(nèi)外先進(jìn)水平的水廠。