[摘要]本文介紹高壓變頻器在北京燕化供水車間的應用，利用變頻器可以進行大量程速度無級調節的優點，解決了用大水泵在小流量地表水源取水中出現抽干的難題。使小流量地表水源得到利用，并同時節約大量電能，取得了資源和經濟的雙重效益。 [關鍵詞] 高壓變頻器 調速運行 節能 1、 引言： 在泵站供水系統中,常常是多泵供應多個用戶，同時內部管路進行聯網，能做到互為備用。在設計初期多個用戶的用量是基本一致的。但經常有個別終端的用戶常會由于工況改變，工藝調整，供應面積變化等原因，其供水量會小于原設計的容量，這時就出現了用大泵往出輸送小水量的情況。 北京燕化公司動力事業部一供水車間的其中一路供水用戶的用水量較小,其總需求量不到水泵額定容量的三分之一。運行時檔板開度很低，在運行時泵壓較高，不但是電能浪費較大。同時用檔板調節時，由于其開度與流量的非線性特性，往往一個很小角度的調節，其流量就發生很大的變化。 在北京燕化公司動力事業部一供水車間附近，有一個小流量水渠，其地表流量與用量較小的用戶終端的使用量相近。在2004年，北京水務局從北京水資源的充分利用出發，要求北京燕化公司將這個小流量地表水利用上，以優化水網的資源調配。但是實際的供水調配時，由于其小流量地表水流量與用量較小的用戶終端的使用量相近，而泵的容量較大，用檔板調節時，不是供水量不足，就是將小流量地表水抽干，無法對其進行利用。 為充分利用珍貴的水資源和電力資源，北京燕化公司動力事業部一供水車間對3號泵進行調速改造，通過高壓變頻器能對轉速無級精密調節的功能，使大流的量3號泵能順利抽取小流量的地表水渠中的水滿足用戶終端要求而不出現抽空現象。 2、 燕化公司一供水車間3號泵參數與改造方案簡介： （1）、燕化公司一供水車間3號取水泵參數： 名稱：離心式清水泵 型號：24SA—10A 揚程：39m 流量：2700 m3/h 允許吸上真空高度：4.8 m 轉速：730 r/min 功率：319KW 配用功率：360KW 生產日期：1975年5月 重量：4100Kg 生產廠家：長沙水泵廠 （2）、3號取水泵配套電動機參數： 名稱：異步電動機 型號：JS158-8 額定功率：380KW 額定電壓：6000V 額定電流：47A 環境溫度：35℃ 轉速：740 r/min 絕緣等級：A 接法：星 重量：4100 Kg 技術條件：OAG.510.004 序號：750259 生產日期：1975年6月 生產廠家：湘潭電機廠 （3）、北京燕化公司動力事業部一供水車間3號泵取水網簡介： 在北京的頤和園水系中，有一路從燕山下來的小流量天然水道，其流量較小，平均僅在1000 m3/h左右，但是其水質較好，在匯入總水系前，其能作為優質水源而直接利用。 北京燕化公司動力事業部一供水車間3號泵的進口管道經過多管路的組合，即可以從主干渠中取水，宜可從小流量地表水渠取水，其形式如圖所示： [align=center] 圖1 3號泵取水系統[/align] 在圖中，用水終端的用水為880m3/h，小流量地表水的流量約為1000 m3/h。在用3號泵進行小流量地表水取水的測試中，用出口閥調節出水的流量，由于閥調節流量的精度較低，同時從取水到時供水的管路都較長，在達到時終端用水要求時，其輸出流量多出用水終端較多。隨著小流量地表水的早晚流量的變化,出現了將小流量地表水抽干的現象。經過多次調節，由于精度不夠，不時出現用水終端供水不足，再就是小流量地表水抽干，并出現了幾次水泵打空，險些出現水錘事故。 在這種情況下，只好放棄對小流量地表水的應用。這樣不但是小流量的水資源白白的浪費，而且由于從主干渠取水的管道比從小流量地表水要長出近一倍多，又浪費了大量的電能，并占用了大量的管道資源。 （4）、北京燕化公司動力事業部一供水車間3號泵調速改造方案： 為充分利用水源資和節能增效，通過大量的分析與調查，確定利用高壓變頻器對電機速度調節精度高，輸出力矩穩定的特點，采用檔板全開運行，在低轉速下能實現小流量，低泵壓的精細流量輸出。故北京燕化公司動力事業部確定用變頻調速的方案可以使額定流量為2700 m3/h的離心水泵穩定輸出880m3/h的水量，達到利用小流量地表水為小水量用戶供水的目標。 北京市水務局于2004年12月份投資采用哈爾濱九洲電氣股份有限公司生產的高壓變頻調速裝置對3號泵進行改造。 1、 變頻調速節能的原理分析： （1）、離心泵負載的相似理論 離心泵的流量，運行壓力，吸收軸功率這三個基本參數與轉速間的運算公司極其復雜，同時離心泵類負荷隨環境變化參數也隨之變化，在工程一般根據離心泵的運行曲線，進行大致的參數運算，稱之為離心泵類負載的相似理論： Q / Q0 = n / n0 H / H0 = （ n / n0 ）2（ ρ / ρ0 ） N / N0 = （ n / n0 ）3（ ρ / ρ0 ） 式中： Q —— 離心泵流量 H —— 離心泵全壓 n —— 離心泵轉速 ρ—— 介質密度 N —— 軸功率 離心泵流量Q與電機轉速n成正比。（Q∝n） 離心泵壓力H與電機轉速n的平方成正比。（H∝n2） 離心泵軸功率N與電機轉速n的立方成正比。（N∝n3） （2）、離心泵在額定工況下運行的特性曲線 [align=center] 圖2 離心泵特性曲線（β=90º）[/align] ⑴H—Q曲線：當轉速為恒定時，表示離心泵壓力與流量間的關系特性。 ⑵N—Q曲線：當轉速為恒定時，表示離心泵軸功率與流量間的關系特性。 ⑶η—Q曲線：當轉速為恒定時，表示離心泵的效率特性。 從中可以看出，離心泵的軸功率和離心泵壓力相交處即為效率最高點。 （3）、電動機容量的計算： 其中： P ——離心泵電動機所需的輸出軸功率（kW）； Q ——離心泵流量（m3/s）； H ——離心泵壓力（kg/m2）； ——傳動裝置的效率；直接傳動為1.0，皮帶傳動為0.9～0.98,齒輪傳動為0.96～0.98。 ——離心泵的效率； 102 ——由kg•m/s變換為kW的單位變換系數； （4）、通過改變離心泵的管網特性曲線來實現對離心泵的介質流量的調節通常的辦法是通過調節擋板的開關程度來實現的 [align=center] 圖3、不同管網的特性曲線離心泵流量的特性曲線[/align] 如圖所示。 離心泵檔板開度一定時，離心泵在管網特性曲線R1工作時，工況點為M1。 離心泵擋板關小，管網特性曲線變為R2，工況點移至M2。 離心泵擋板再關小，管網特性曲線變為R3，工況點移至M3。 從上面的曲線分析，通過調節離心泵檔板的開度，管網的特性參數將發生改變，輸出流量發生變化，這樣就達到了在定速運行時調節離心泵輸出流量的目標。 在調節離心泵流量的過程中，離心泵的性能曲線（H—Q曲線）不變，工況點沿著離心泵的性能曲線（H—Q曲線）由M1移到M2，特性曲線由R1變為R2，風機輸出流量由Q1變為Q2。這時離心泵隨著輸出流量的減少，離心泵的壓力相應上升。 這種調節流量方法簡單，操作容易。但是在流量減少的同時，離心泵壓力同時上升，而經過檔板后的運行壓力卻又很低，這樣使大量的軸功率消耗在離心泵體的內部壓力的無效損耗上，不但浪費了大量的能源，同時由于泵體內壓力較大，其機械結構的損害也較大。 （5）、通過改變離心泵的轉速來實現對離心泵的流量調節 在離心泵的管網特性不變情況下，改變離心泵的轉速，使離心泵的特性曲線（H—Q曲線）平行移動，工況點將沿著管網特性曲線移動，達到調節離心泵流量的目的。 [align=center] 圖4、離心泵在不同轉速時的特性曲線[/align] 當離心泵轉速為n1時，離心泵的壓力-流量曲線與管網特性曲線R相交于M1點。 當離心泵轉速為n2時，離心泵的壓力-流量曲線與管網特性曲線R相交于M2點。 當離心泵轉速降低，流量降低的同時，離心泵的壓力也同時隨之降低，這樣，在調低流量的同時，離心泵內部壓力也隨之下降，具有極好的節電效果。 這種方法不必對離心泵本身進行改造，轉速由外部調節，離心泵檔板可處于最大點保持不變，并能實現無極線性調節流量。 （6）、采用改變離心泵轉速調節流量與采用改變離心泵檔板調節流量消耗功率的差值 采用改變離心泵轉速和改變管網特性進行離心泵輸出流量的調節，在調節相同流量的時候，其離心泵的特性曲線（H—Q曲線）變化不同，二種調節方法的運行工況點也不同其運行的對比圖如下 [align=center] 圖5、離心泵轉速調節與檔板調節的特性曲線對比[/align] ●在額定流量Q1時： 離心泵檔板為額定開度，其管網特性曲線為R1，離心泵轉速為額定轉速，其特性曲線為n1，此時離心泵處于額定出力的狀態，轉速調節和檔板調節的工況點重合，處于M1點，此時兩種調節方式的消耗軸功率是相同的。 ●在運行中需輸出流量Q2時調速運行離心泵消耗軸功率： 調節離心泵轉速將流量調為Q2，這時離心泵的特性曲線（H—Q曲線）平行下移，工況點處于M2點，離心泵壓力變為H2。其消耗的軸功率為 ： [/align] ●在運行中需輸出流量Q2用檔板調節流量時離心泵消耗軸功率： 調節離心泵檔板改變管網特性，將流量調為Q2，這時離心泵的特性曲線（H—Q曲線）不變，管網特性曲線由R1變化到R2，與n1時的離心泵特性曲線相交于M3，此時離心泵為Q2，壓力為Hf，在曲線上看出，Hf＞H1，雖然流量下降了，但是壓力卻上升了，其消耗的軸功率為 ●用速度調節流量時壓力的變化 H2 = H1（ n / n0 ）2（ ρ / ρ0 ） ●用檔板調節流量時壓力的變化 Hf ＞ H1 ●檔板調節與轉速調節消耗軸功率的差值： 由于在運行時，用轉速調節流量時， H2 << H1,在工程計算中定義： Hf ≈ H1 檔板調節與轉速調節消耗軸功率的差值： 將 H2 = H1（ n / n0 ）2（ ρ / ρ0 ）與Hf ≈ H1 代入上式可得： △ P ≈ P3 [1 - （ n / n0 ）2（ ρ / ρ0 ）] 從而得出用轉速調節流量比用檔板調節流量要節約按轉速變化的平方系數的能量。 1、 高壓變頻器的工作原理： （1）高壓變頻器的構成： 多電平單元串聯高壓變頻器是由十八個相同的單元模塊構成，每六個模塊為一組，分別對應高壓回路的三相，單元供電由移相變壓器進行供電，原理圖如下： [align=center] 圖6 高壓變頻器內部結構圖[/align] （2）功率單元構成： 功率單元是一種單相橋式變換器，由輸入切分變壓器的副邊繞組供電。經整流、濾波后由4個IGBT以PWM方法進行控制，產生設定的頻率波形。變頻器中所有的功率單元，電路的拓撲結構相同，實行模塊化的設計。其控制通過光纖發送。原理框圖如下所示： [align=center] 圖7 功率單元原理框圖[/align] 來自主控制器的控制光信號，經光/電轉換，送到控制信號處理器，由控制電路處理器接收到相應的指令后，發出相應設的IGBT的驅動信號，驅動電路接到相應的驅動信號后，發出相應的驅動電壓送到IGBT控制極，操作IGBT關斷和開通，輸出相應波形。 功率單元中的狀態信息將被收集到應答信號電路中進行處理，集中后經電/光轉換器變換，以光信號向主控制器發送。 （3）、高壓變頻器運行原理： 高壓變頻器的每個功率單元相當于一個三電平的二相輸出的低壓變頻器，通過疊加成為高壓三相交流電，以6KV變頻器為例，論述：6KV輸出電壓的變頻器，每相有6個功率單元相串聯。單元的輸入電壓為三相600V，輸出則為單相577V，單元相互串聯疊加后可輸出相電壓3464V。當變頻器輸出頻率為50HZ時，相電壓為13階梯波，如下圖所示。圖中UA1 … UA6分別為A相6個功率單元的輸出電壓，疊加后為變頻器A相輸出電壓UA0。圖中顯示出了生成PWM控制信號時所采用A相參考電壓UAr，可以看出UA0很好地逼近UAr。UAF為A相輸出電壓中的基波成分。 [align=center] 圖8 相電壓回路疊加波形[/align] 由于變頻器中點與電動機中性點不連接，變頻器輸出實際上為線電壓，由A相和B相輸出電壓產生的UAB輸出線電壓可達6000V，為25階梯波。如下圖所示，為輸出的線電壓和相電壓的階梯波形，UAB不僅具有正弦波形而且臺階數也成倍增加，因而諧波成分及dV/dt均較小。 [align=center] 圖9 線電回路疊加波形[/align] （4）、多電平單元串聯疊加型變頻器的三相波形輸出質量： 高壓變頻器在運行后，將輸入的工頻的三相高壓交流電轉化為可以進行頻率可調節的三相交流電，其電壓和頻率按照V/F的設定進行相應的調節，保持電機在不同的頻率下運行，而定子磁心中的主磁通保持在額定水準，提高電機的轉換效率，在下圖中是在現場運行時，經過PT采集的電動機三相輸入波形： [align=center] 圖5 電動機入電壓波形[/align] 多重疊加應用，高壓變頻器輸出電壓的諧波含量很低，已達到常規供電電壓允許的諧波含量，同時輸出電壓的dV/dt較小，不會增加電機繞組的應力，可以向普通標準型交流電動機供電，不需要降容或加輸出濾波電抗器，保證了高壓設備的通用性。 1、 高壓變頻器在3號泵上的應用與效果： （1）、高變頻器安裝運行： 燕化公司動力事業部一供水車間3號水泵原來采用工頻運行，閥門調節方式控制流量，不能滿足生產工藝要求，又浪費了大量的電能。為此北京市水務局于2004年12月份投資采用哈爾濱九洲電氣股份有限公司生產的高壓變頻調速裝置對3號泵進行改造。該裝置采用單元串聯式多重疊加型直接高—高變頻器，帶自動旁路柜，就地，遠控均為彩色液晶觸摸屏控制，預留DCS控制和閉環控制功能。并于2005年1月4日正式投入運行。經過半年的餓考核，哈爾濱九洲電氣股份有限公司所生產的高壓變頻調速裝置運行穩定，性能良好，即滿足了生產工藝的要求，又具有顯著的節能效果。 （2）、現場設備參數： ●名稱：離心式清水泵 型號：24SA—10A 揚程：39m 流量：2700 m3/h 允許吸上真空高度：4.8 m 轉速：730 r/min 功率：319KW 配用功率：360KW 生產日期：1975年5月 重量：4100Kg 生產廠家：長沙水泵廠 ●名稱：異步電動機 型號：JS158-8 額定功率：380KW 額定電壓：6000V 額定電流：47A 環境溫度：35℃ 轉速：740 r/min 絕緣等級：A 接法：星 重量：4100 Kg 技術條件：OAG.510.004 序號：750259 生產日期：1975年6月 生產廠家：湘潭電機廠 ●名稱：高壓大功率變頻調速裝置 型號：JZHICON-IA-06/50 額定輸入電壓：6000V 額定輸出電壓：6000V 額定輸出頻率：50HZ 額定輸出功率：500KW 額定輸出電流：50A 輸出頻率調節范圍：0～50 HZ 生產廠家：哈爾濱九洲電氣股份有限公司 （3）、電動機工頻運行時的工況： 電動機電流：26A 電動機溫度：45℃ 運行頻率：50HZ 出口壓力：0.50Mpa 輸出流量：880　m3/h 出口閥擋板開度：60% （4）、電動機變頻調速運行時的工況： 電動機電流：14A 電動機溫度：25℃ 運行頻率：39.8HZ 出口壓力：0.33Mpa 輸出流量：880　m3/h 出口閥擋板開度：100% （5）、電動機工頻運行時的耗電量： 每小時耗電：（26A÷47A）×380KW×1h = 210KW 每天耗電：210×24h = 5040 kwh 每年耗電：5040 × 365 = 1839600 kwh （6）.電動機變頻運行時的耗電量： 每小時耗電：（26A÷47A）×380KW×1h = 113.2 kwh 每天耗電：113.2×24h = 2716.8 kwh 每年耗電：2716.8×365 = 991632 kwh （7）.電動機采用高壓變頻調速裝置后的電量： 每小時節電：210 － 113.2 = 96.8 kwh 每天節電：5040 － 2716.8 = 2323.2 kwh 每年節電：1839600 － 991632 = 847968 kwh （8）.平均節電率： 847968 ÷ 1839600 = 46% （9）.電動機采用高壓變頻調速裝置后節約電費： 平均電費以0.5元/ kwh計算： 每年節約電費：847968 kwh × 0.5元/kwh = 423984 元 ≈42.4萬元 6、結束語： 通過北京燕化公司動力事業部一供水車間的3號泵高壓變頻器調速改造，解決了大容量的離心泵在供水量與用戶量相值相近的小水量輸出情況的安全運行的難題。使3號泵安全地運行于額定流量的1/3以下，并可以保持精確的流量調節,在不抽干小流量地表水的同時,保證的用戶終端的用水需求。 高壓變頻器的精確控制功能，可以使水泵工作于原來調節方式下無法達到的工況，在極小流量的情況下仍能精細的調節介質流量,這樣就能將大泵使用一些原先無法應用的小流量水源,這樣在節約大量電量的同時，同時充分利用了稀少的水資源。 在自主創新，占領世界科技高端的精神帶動下，具有自主知識產權的國產大功率與超大功率高壓變頻的技術不斷成熟，在中國的大型工業領域內的電動機調速應用越來廣泛，并開始進入原來由國外的高壓變頻器壟斷的領域。使高壓變頻器這種現代電力電子的高科技產品將在我國能源高效利用的領域得到更加廣泛的應用。