蒼南平原引供水公司成立于1998年，擔(dān)任著蒼南江南平原地區(qū)60萬人口的供水任務(wù)，日設(shè)計(jì)供水量為10萬噸。其送水泵房共有7臺水泵機(jī)組，10kV/250kW二臺，380kV/160kW二臺，380kV/90kW二臺，380kV/55kW一臺，采用工頻運(yùn)行方式，泵站自1998年3月投入試運(yùn)行。但由于實(shí)際需求輸水總量為6-7萬噸/日,所以只能依靠調(diào)節(jié)出口閥開度及頻繁開停泵來調(diào)節(jié)流量。以保證生產(chǎn)廠的處理平衡的需求。這不但操作麻煩、難以控制，而且能源浪費(fèi)大。同時(shí)，根據(jù)預(yù)測，在近二、三年內(nèi)還尚未能達(dá)到10萬噸/日的需求量。鑒此，為了資源的合理利用和能源的節(jié)約，保證輸水管網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，擬考慮安裝變頻調(diào)速裝置，并經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)評估，認(rèn)為是可行的，于2003年3月籌劃建設(shè)該技改項(xiàng)目。通過社會調(diào)查和篩選，決定選用北京利德華福公司制造的HARSVERT-A10/015高壓變頻調(diào)速裝置，并于2003年12月投入使用。實(shí)踐證明，將近5年多時(shí)間的運(yùn)用高壓變頻調(diào)速裝置是切實(shí)可行的，公司的加壓水泵明顯降低了能耗，提高了工作效率。

一、變頻器節(jié)能的理論依據(jù)
蒼南平原地區(qū)的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的用水量是不均勻的，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，尤其是地勢平坦的地區(qū)，在幾何揚(yáng)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(shí)流量和所需相應(yīng)揚(yáng)程決定的。而實(shí)際上每天內(nèi)只有很短時(shí)間能達(dá)到最大時(shí)流量，大多數(shù)時(shí)間里，水泵站都處在小流量下工作。為了適應(yīng)流量的變化，先前泵站在運(yùn)行中多采取關(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(fèi)于閘門阻力上。當(dāng)水泵臺數(shù)足夠多時(shí)，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(jià)，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。為此，采用水泵機(jī)組高壓變頻調(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(yáng)程適應(yīng)于管網(wǎng)用水量的變化，從而提高機(jī)組效率，維持管網(wǎng)壓力恒定，達(dá)到節(jié)能的效果。我們從水泵調(diào)節(jié)原理得知，當(dāng)水泵拖動電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，出力為額定值，轉(zhuǎn)速及功率亦為額定值；當(dāng)采用變頻調(diào)速時(shí)，可以按需要升降電機(jī)轉(zhuǎn)速，改變水泵的性能曲線，使水泵的額定參數(shù)滿足工藝要求。根據(jù)水泵的相似定律，變速前后流量、揚(yáng)程、功率與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

 

二、國內(nèi)高壓變頻器技術(shù)現(xiàn)狀與主要分類

由于高壓大功率交流傳動應(yīng)用場合的限定，評價(jià)高壓變頻器的表現(xiàn)需要了解多方面的技術(shù)指標(biāo)——可靠性、冗余設(shè)計(jì)、諧波含量、損耗等等的因素。由于對高壓變頻器性能的辨識還沒有到更多技術(shù)細(xì)節(jié)的程度,因與低壓變頻器統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，高壓變頻器為解決功率器件的耐壓問題，不同廠家采用了不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而形成了多種技術(shù)流派。

1.功率器件串聯(lián)二電平電流型的代表廠商是Rockwell，早期代表產(chǎn)品有 Bulletin1557，以GTO為功率器件；近幾年，又推出了PowerFlex7000，使用SGCT替代GTO 。優(yōu)點(diǎn)是變頻器可以四象限運(yùn)行，缺點(diǎn)是功率因數(shù)隨調(diào)速曲線變化，低速時(shí)功率因數(shù)隨之變的很低。另外，只有6kV產(chǎn)品，無法適配10kV電機(jī)。

2.中性點(diǎn)鉗位三電平PWM的代表廠商是ABB和西門子。Abb公司代表產(chǎn)品有ACS1000，IGCT為功率器件；西門子公司主推SIMOVERTMV系列產(chǎn)品， 以高壓IGBT為主要功率器件；此技術(shù)方案最高輸出電壓僅有4.16kV（abb公司），不能適配10kV電網(wǎng)。

3.利德華福、羅賓康為代表的單元串聯(lián)多電平技術(shù)方案。代表產(chǎn)品有HARSVERT-A系統(tǒng)， Perfect Harmony，以低壓IGBT為功率器件，通過逆變H橋的串聯(lián)形成高壓。就目前的市場份額而言，以利德華福為代表的單元串聯(lián)多重化電壓源型變頻器銷售量占據(jù)優(yōu)勢，并且是國內(nèi)產(chǎn)品的主要技術(shù)類型。其使用單元串聯(lián)多電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以直接使用成熟的低壓變頻器技術(shù)方案，具有對電網(wǎng)諧波污染小，輸出波形多電平，正弦度高，適配普通國產(chǎn)異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。該類型產(chǎn)品，輸出電壓可以直接到10kV，輸出不需要加裝升壓變壓器及濾波電抗器，結(jié)構(gòu)簡單。

4.在以上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之外，成都佳靈采用了直接串連的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但這種技術(shù)的成熟度市場還沒有定論。如果在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定應(yīng)用的突破，將是一種極有前景的技術(shù)，將對市場格局產(chǎn)生重大影響。但是目前從市場反應(yīng)來看，成都佳靈仍然有很長的一段路要走。

根據(jù)實(shí)際情況確定的調(diào)速方案為：選擇1、2號泵為可調(diào)速水泵，正常運(yùn)行時(shí)其中任一臺運(yùn)行于調(diào)速狀態(tài)，而另一臺泵作為備用，也可隨時(shí)投入工頻狀態(tài)運(yùn)行。兩臺泵運(yùn)行狀態(tài)的切換采用手動方式。并要求兩臺泵不能同時(shí)投入變頻狀態(tài)，或同時(shí)投入工頻狀態(tài)運(yùn)行，對此要求，在設(shè)計(jì)旁路切換柜時(shí)特別設(shè)計(jì)了機(jī)械聯(lián)鎖裝置 。開環(huán)或閉環(huán)自動恒壓供水，帶閥門聯(lián)動功能。

變頻器與現(xiàn)場設(shè)備接口如圖1所示：

其中：高壓緊急分?jǐn)嘈盘柵cKM1高壓開關(guān)控制跳閘回路并聯(lián)，高壓合閘允許信號與KM1高壓開關(guān)控制合閘回路串聯(lián)，M1、M2閥門開全，關(guān)嚴(yán)信號取自閥門行程開關(guān)的空節(jié)點(diǎn)。M1、M2閥門開閥，關(guān)閥信號與閥門開閥，關(guān)閥控制回的開關(guān)閥按鈕并聯(lián)。M1、M2，水泵重故障信號取自水泵控制保護(hù)柜的空節(jié)點(diǎn)。
變頻器與現(xiàn)場設(shè)備一次接線如圖2所示：

                              圖2：變頻器與現(xiàn)場設(shè)備一次接線圖

 

四、 恒壓供水系統(tǒng)原理及PID調(diào)整
　　由于蒼南平原引供水公司泵站是新改建工程，用水負(fù)荷需要在實(shí)際運(yùn)行時(shí)進(jìn)行精確調(diào)整和測量，因此采用的是恒壓供水系統(tǒng)，其工作原理如圖3所示，測量元件為壓力傳感器，將它設(shè)在水泵機(jī)組出水口，Vi為恒定供水壓力設(shè)定值，供水壓力V作為輸出量，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。變頻器內(nèi)部的PLC采集供水壓力值V與用戶給定值Vi進(jìn)行比較和運(yùn)算，通過PID進(jìn)行調(diào)整，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號送至變頻器，直至達(dá)到供水壓力的給定值Vi。不管系統(tǒng)供水流量如何變化，供水壓力值V始終維持在給定壓力值Vi附近。
 

 

　　1.在PID控制中，比例增益P加大，會使系統(tǒng)的動作靈敏，速度加快，P偏大，振蕩次數(shù)加多，調(diào)節(jié)時(shí)間加長。當(dāng)P太大時(shí)，系統(tǒng)會趨于不穩(wěn)定。若P太小，又會使系統(tǒng)的動作緩慢；
　　2.積分I的作用主要是消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差。但過強(qiáng)的積分作用使供水系統(tǒng)超調(diào)加大。所以在調(diào)節(jié)過程初期，應(yīng)減弱積分作用，防止產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象；而到過程后期，應(yīng)適當(dāng)增強(qiáng)積分作用，以提高控制精度。
　　3.微分D的作用主要是改善供水系統(tǒng)的動態(tài)性能。增大微分時(shí)間，有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但抑制外擾能力下降。所以微分時(shí)間常數(shù)應(yīng)該在供水系統(tǒng)控制要求的前提下而隨機(jī)改變。即在調(diào)節(jié)過程初期，應(yīng)加大微分的作用，以減小超調(diào)；在調(diào)節(jié)過程中、后期，應(yīng)不斷減小微分時(shí)間，以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)還可以縮短調(diào)節(jié)時(shí)間。
　　泵站變頻器在運(yùn)行初期，供水系統(tǒng)采用恒壓閉環(huán)控制，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)運(yùn)行頻率曲線呈鋸齒波，上下波動幅度較大，因此對PID系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，將P由1改為0.06、I由0.2改為0.5。通過幾次逐步調(diào)整，現(xiàn)運(yùn)行曲線較為平緩，波動幅度相當(dāng)小。變頻器根據(jù)偏差相應(yīng)調(diào)節(jié)PID的參數(shù)，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)離目標(biāo)參數(shù)時(shí)，調(diào)節(jié)幅度加快，隨著偏差的逐步接近，跟蹤的幅度逐漸減小，近似相等時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)動態(tài)平衡，維持供水系統(tǒng)的恒壓穩(wěn)定狀態(tài)。

根據(jù)泵站供水系統(tǒng)改造之前一個(gè)月的報(bào)表計(jì)算得1000t水耗電率為98度電，改造之后的一個(gè)月1000t水耗電率為92度電. 分析泵站一年可節(jié)電(98-92)×70×360=15120度電。并且隨著供水量的增加泵站供水系統(tǒng)采用一臺工頻，一臺變頻兩臺高壓電動機(jī)供水方式節(jié)能效果更顯著�，F(xiàn)在泵站供水量隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展日供水量已達(dá)到9.5萬噸。根據(jù)運(yùn)行節(jié)能分析的需要對泵站供水系統(tǒng)泵的運(yùn)行組合方式進(jìn)行測試結(jié)果如下表

七、應(yīng)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)生產(chǎn)的其他效果     

1.改善了工藝。在實(shí)際生產(chǎn)操作過程中，泵的參數(shù)（尤其是流量）需時(shí)常調(diào)整，不僅需要調(diào)節(jié)參數(shù)，而且備用設(shè)備需時(shí)常切換。根據(jù)工藝的變動，工藝參數(shù)又主要通過調(diào)節(jié)出口閥來控制，人工關(guān)小或開大閥門不僅費(fèi)事，速度慢，也縮短閥門的壽命（填料及閥桿的磨損）采用變頻調(diào)速就不用調(diào)節(jié)出口閥，只需要控制室內(nèi)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速即可。變頻啟動轉(zhuǎn)速可以從零開始逐漸升高，因此帶負(fù)荷直接啟動不會有較大的啟動電流，避免了通常泵組首先關(guān)閉出口閥后再啟動的要求（無載啟動是為了降低啟動電流，保護(hù)電機(jī)）。

2.維護(hù)量減少。采用變頻調(diào)速后，可能避免因通過閥門控制使泵過多偏離額定工作區(qū)而引起的振動，嚴(yán)重時(shí)會引起懸臂泵軸頭斷裂。通常情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用主要是為了降低泵的轉(zhuǎn)速。由于啟動緩慢及轉(zhuǎn)速的降低，相應(yīng)地延長了許多零部件，特別是密封、軸承的壽命。

3.工作強(qiáng)度降低。由于調(diào)速系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備與備用設(shè)備間實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖控制，機(jī)組實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)行和相應(yīng)的保護(hù)及故障報(bào)警，操作工作由動手轉(zhuǎn)變?yōu)楸O(jiān)控，完全實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的無人操作，大大降低了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，為優(yōu)化運(yùn)營提供了可靠保證。

4.減少了對電網(wǎng)的沖擊。采用變頻調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟啟動，電機(jī)啟動電流只是額定電流，啟動時(shí)間相應(yīng)延長，對電網(wǎng)無大的沖擊，減輕了啟動機(jī)械轉(zhuǎn)矩對電機(jī)機(jī)械損傷，有效的延長了電機(jī)的使用壽命。

八、高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的問題與改善

   高壓變頻器在安裝時(shí)對安裝的環(huán)境考慮不周到,引起夏天高壓變頻器運(yùn)行溫度偏高需要安裝空調(diào)才能滿足高壓變頻器運(yùn)行溫度的要求并且室內(nèi)環(huán)境溫度偏高，引起變頻器頻繁過熱保護(hù)。而且空調(diào)的可靠性會影響變頻器的穩(wěn)定運(yùn)行，空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用偏高，我們根據(jù)本站變頻器的運(yùn)行和環(huán)境情況對目前高壓變頻器的三種冷卻方式進(jìn)行分析決定采用安裝風(fēng)道加空調(diào)的方式進(jìn)行改造，利用變頻器原有的排風(fēng)扇加裝通風(fēng)通道將熱風(fēng)引出室外，改裝散熱風(fēng)道及空調(diào)后問題解決。另外，由于泵站處于平原地帶，夏季雷雨臺風(fēng)季節(jié)，雷電頻繁，變頻器因此出現(xiàn)異常。后通過改善接地，加裝避雷裝置，問題得到一定解決。

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(yùn)行穩(wěn)定，操作簡單，節(jié)能高效明顯等優(yōu)點(diǎn)。
　　蒼南平原引供水公司高壓變頻器控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，對于節(jié)約電能、提高效益、技術(shù)創(chuàng)新，都具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，值得推廣。
　　但要想送水泵站每臺泵實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行，就要研究其定性與定量的運(yùn)行規(guī)律。根據(jù)蒼南平原引供水公司地區(qū)用水曲線、出廠壓力與管網(wǎng)壓力控制點(diǎn)，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，下一步定量控制泵站定速與變頻調(diào)速機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行時(shí)的流量、揚(yáng)程、效率變化規(guī)律。這樣可以根據(jù)用戶對于用水量與揚(yáng)程要求，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制。這種方式實(shí)現(xiàn)之時(shí)，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(gè)艱巨的、必須攻克的難題。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8％左右，而且設(shè)備運(yùn)行可靠，操作維護(hù)方便，由計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了泵站優(yōu)化控制和現(xiàn)代化管理。要繼續(xù)努力，力爭將送水泵房水泵機(jī)組調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效果更明顯，比不調(diào)速節(jié)能15％左右，將蒼南平原引供水公司供水泵站建成國內(nèi)外先進(jìn)水平的泵站。

1.俞金壽，何衍慶等.集散控制的原理及應(yīng)用。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994

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

3.馬小亮，大功率風(fēng)機(jī),泵節(jié)能調(diào)速發(fā)展方向探討。電氣傳動.1999(1)

4.陳伯時(shí)，陳敏遜.交流調(diào)速系統(tǒng)電氣自動化新技叢書。北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998

5.HARSVERT-A高壓變頻調(diào)速技術(shù)培訓(xùn)教材。北京利德華福電氣技術(shù)有限公司