10kV單元串聯(lián)型高壓變頻器在泵站中的應(yīng)用

鄧飛

(遵義水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 遵義563002)

摘要：綠塘水庫(kù)泵站建設(shè)中的高壓變頻器為單元串聯(lián)型，其通過(guò)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(duì)應(yīng)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(yùn)轉(zhuǎn)速度，可很好地達(dá)到節(jié)能改造的目的，提高經(jīng)濟(jì)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(hào)：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(dòng)調(diào)速技術(shù)，在實(shí)際工作中，主要用于交流電動(dòng)機(jī)中，對(duì)其進(jìn)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(dāng)前我國(guó)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(jìn)一步提升。通過(guò)多重化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備變頻調(diào)速控制，通過(guò)新的無(wú)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(jìn)的高壓變頻調(diào)速技術(shù)。

1泵站日常工作情況

綠塘水庫(kù)泵站設(shè)計(jì)供水能力2.9m3/s，泵站安裝了3臺(tái)10kV的水泵機(jī)組，裝機(jī)容量3×1120kW，其中1臺(tái)備用。泵站通過(guò)直徑1.5m、長(zhǎng)639m的取水管從庫(kù)內(nèi)取水直接引至水泵進(jìn)口，經(jīng)直徑1300mm、長(zhǎng)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(yīng)的水廠。圖1為綠塘水庫(kù)泵站主接線圖。

圖1　綠塘水庫(kù)泵站主接線

工作中水泵的閥門開度為75%，以此進(jìn)行水壓控制，同時(shí)為了進(jìn)一步控制水壓，對(duì)葉輪進(jìn)行切削；由于泵站采用直配供電方式，故采用變頻啟動(dòng)兼作運(yùn)行控制方式。實(shí)際應(yīng)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(fù)原狀。采用變頻器控制管道的取水量，按照用水量的要求進(jìn)行水量的調(diào)節(jié)。工作中具體的水泵電機(jī)參數(shù)為：額定電壓10kV，額定電流75A，額定功率1120kW。實(shí)際工作中的電流為74~80A，功率因數(shù)為0.86。對(duì)水泵葉輪進(jìn)行切削，通過(guò)對(duì)水泵的調(diào)速達(dá)到降低水泵特性曲線的效果，具有節(jié)能的作用。但在實(shí)際工作中，考慮到水壓和水量因素，大多采用閥門對(duì)水泵取水進(jìn)行調(diào)節(jié)。在運(yùn)用閥門進(jìn)行水泵取水量控制的過(guò)程中，本身耗能比較大，而且閥門開度越小耗能越多。

對(duì)綠塘水庫(kù)泵站水泵的日常工作研究分析發(fā)現(xiàn)，水泵的實(shí)際工作流量與額定流量相差甚遠(yuǎn)，工作效率低；而采用閥門控制水量的方法，耗能較嚴(yán)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(duì)水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，實(shí)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(diǎn)

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(jìn)行全數(shù)字化微機(jī)控制，不僅具有較高的可靠性，也使其操作方法更加簡(jiǎn)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(guò)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(duì)其進(jìn)行隨意的互換；如果在工作過(guò)程中功率單元發(fā)生故障，可對(duì)其IGBT信號(hào)進(jìn)行封鎖，導(dǎo)通旁路的SCR，以此來(lái)隔離故障功率單元。通過(guò)此種方法既能實(shí)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(yùn)行。

b.輸入側(cè)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過(guò)移向變壓器向系統(tǒng)內(nèi)部的每個(gè)功率模塊供應(yīng)電力，三組移動(dòng)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(jí)數(shù)，形成48脈沖的多級(jí)疊加形式。這種模式可有效改善電流波形，保障工作過(guò)程中網(wǎng)側(cè)電壓功率在標(biāo)準(zhǔn)水平，減少采用諧波抑制裝置或使用功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)霓k法。

c. 輸出側(cè)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)給電機(jī)供電的主要形式為每個(gè)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(duì)每個(gè)功率單元的正弦脈沖寬度調(diào)整波形的重組過(guò)程中，得到階梯形的正弦脈沖寬度調(diào)整波，由于該波形對(duì)于電機(jī)和電纜的絕緣性無(wú)傷害，因此不需要采用濾波器輸出；該波形還可對(duì)輸出電纜長(zhǎng)度進(jìn)行延伸。實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于普通電機(jī)可直接采用該波形。

d. 控制器。主要由嵌入式人機(jī)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(jī)界面可為使用者提供中文操作使用界面；此外還能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)化控制，以及對(duì)波形輸入輸出資料的采集。

采用高壓變頻器，通過(guò)對(duì)功率因數(shù)的提升，減少無(wú)功補(bǔ)償裝置的應(yīng)用頻率，在滿足工作需求的同時(shí)節(jié)約運(yùn)營(yíng)成本。由于高壓變頻器是通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)能耗的節(jié)約，因此，當(dāng)實(shí)際工作中的具體負(fù)荷率處于低位時(shí)，水泵電機(jī)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(fèi)用。采用高壓變頻器，在啟動(dòng)電機(jī)時(shí)可通過(guò)軟啟動(dòng)的方式使其啟動(dòng)電流保持在額定電流的1.2倍以下，這樣能有效降低啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，增加電機(jī)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(hù)功能相對(duì)較多，具體為短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、溫升保護(hù)、欠壓保護(hù)、缺相保護(hù)等，其對(duì)電機(jī)的保護(hù)更加全面完善。

3應(yīng)用高壓變頻調(diào)速技術(shù)促進(jìn)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(yè)圖2可知，當(dāng)水泵所需流量由Q1降低為Q2時(shí)，若采用傳統(tǒng)的閥門調(diào)節(jié)方法，則會(huì)增加管網(wǎng)的阻力，導(dǎo)致代表管網(wǎng)特性的曲線不斷上升，而系統(tǒng)的運(yùn)行工況點(diǎn)也會(huì)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?gòu)膍1降低到m2，此時(shí)對(duì)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(shí)，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(duì)此次水泵的工頻運(yùn)行功率進(jìn)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(jī)功率因數(shù)為0.84，工作運(yùn)行過(guò)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(kù)泵站水泵運(yùn)行曲線(轉(zhuǎn)速990r/min)

4采用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)注意的問(wèn)題

平時(shí)工作中應(yīng)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(huì)導(dǎo)致許多問(wèn)題，如增加測(cè)量?jī)x器儀表的誤差，影響電子計(jì)算機(jī)等裝置系統(tǒng)正常工作，增大電動(dòng)機(jī)、變壓器等設(shè)備損耗程度。傳統(tǒng)普通的電動(dòng)機(jī)直接設(shè)計(jì)成電網(wǎng)運(yùn)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(duì)其造成影響。輸出諧波引起電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，使其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音增加，而輸出dV/dt共模電壓也會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)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(shí)際工作中不必采用輸出濾波器也可使用普通電動(dòng)機(jī)。此外，還應(yīng)注意高壓變頻器進(jìn)線、出線刀閘以及旁路刀閘集成柜的選擇，根據(jù)輔機(jī)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(fēng)扇停止工作時(shí)，其功率單元會(huì)因超溫而導(dǎo)致變頻器停止工作，對(duì)此采用冷卻電源可有效保障變頻器正常工作。對(duì)于變頻器的冷卻電源，應(yīng)為兩套不同低壓段獨(dú)立供電電源。對(duì)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(dǎo)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(jìn)行水泵轉(zhuǎn)速控制時(shí)，要盡量創(chuàng)造良好的工作環(huán)境，應(yīng)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(fēng)、衛(wèi)生整潔。

5結(jié)語(yǔ)

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

參考文獻(xiàn)

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