高压变频在江岸水泵站节能改造中的应用
2007/4/10 9:18:00
1、引言
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的发展，电气传动技术正经历着比较大的革新。工业生产领域大量使用的高压感应异步电动机，已经可以进行直接的电子控制，即由原来的改变其它机械环节的控制方法到直接改变供给的交流电源的频率和幅值的变压变频控制方法，进行速度调节和位移控制，从而可以提高生产工艺，降低能源消耗。由于高压感应电动机的耗能比例较大，因而针对它的交流变频调速技术，虽然不如低压系统那么完善，但节能效益显著。特别是在当今面临能源危机的条件下，节能降耗不仅有近期的直接经济效益，更有长远的社会效益。
采用新型高压大功率电力电子器件构造的直接“高-高”式变频器，具有结构简单，工作可靠的特点，有很好的调速和起动与制动性能。由于采用不控整流和全控器件进行开关调制，具有输入侧高功率因数、整装置优良的控制性能和高的运行效率。特别是通过改变送给电动机的电流的频率，在很宽的转速范围内进行高效率的转速调节，可以取得很好的节电效果，在风机和水泵的节能改造上已经得到广泛证实。
2、高压变频器的系统组成和原理
一般直接“高-高”式高压变频器可以采用公用直流母线的三电平或两电平电路结构，也可以采用悬浮供电的级连多单元串联多电平方式。重钢动力厂15#江岸水泵站变频改造采用的是基于IGCT器件的三电平中点箝位电压源式逆变器，其电路结构如图1所示。
图1 三电平中点箝位电压源逆变器系统原理图
系统主要包含AC到DC的整流、DC到AC的逆变、控制保护和输出LC滤波四个主要部分。6KV交流经过进线变压器，变换得到四组低压交流电，再经过不控的二极管整流桥级连得到24脉波的整流输出；一组串联的IGCT组件做为直流缓启动和故障时的保护元件，而后经过消除共模影响的电抗器到直流支撑电容器得到额定母线电压10KVDC；进入逆变桥母线前，经过两组L-C-D构成的di/dt保护电路，到达逆变桥的正负极（P和N）；串联的直流支撑电容分压得到一个虚拟的电压中点，送到逆变桥的中点（称为T点）。
逆变桥由串联的四个IGCT功率组件和两个交联的二极管组件构成，自上而下分别称之为S1，S2，S3，S3，D1，D2，其中D1和D2为二极管元件。按照四个开关的位置不同，逆变桥的输出如表1所示
表1 三电平状态表
除上述6个有效的开关位置外，四个开关还有另外10种无效的组合，在对开关进行控制时，需要规避这些无效的状态。因为这些无效状态很多是故障状态，如S1、S2和S3都是ON，S4是OFF的状态，对应正组的桥臂直通，会导致器件损坏。当逆变桥的控制正确时，输出波形如图2所示：
图2逆变桥的输出
由上图不难看出，S1有半周时间处于关断状态，而S2则有半周的导通时间，S4与S1类似，S3与S2类似；输出波形中，正半周电压在0和正母线电压之间变化，负半周则是在0和负母线之间变化，这样直流母线虽然有10KV，但输出端子上的电压每次的变化仅是母线电压的一半，为5KV。同两电平回路相比，相当于牺牲了开关的数量，换回了更高的工作电压和/或比较小的电压变化率。
逆变桥的输出经过一个LC滤波器，送给电动机，滤波前后的线电压波形如图3所示：
图3 变频输出的线电压与电机端电压
从上图可以看出，变频器输出线电压有5个台阶，同比两电平回路的输出线电压，同样的器件开关频率下，它有更低的谐波含量。即使如此，为了老旧电机的改造需要和新电动机的长期安全运行，变频器内部都设置了一个正弦波LC滤波器，使输出到电机的波形更加接近正弦波，而不需要电动机降容使用。变频输出的调制波因为存在比较大的dv/dt，会对电动机的端部绝缘形成一定危害。
由于10KV的直流母线运行时是由两个处于关断状态的开关功率组件承受的，每组件要承担5000V，在主开关IGCT工作耐压只有4500V的条件下，需要采用两只串联的方式构造一只功率组件。与之配套的电压和电流箝位二极管也因为工作电压的原因采用两只串联。
3、变频调速改造方式
重钢动力厂15#江岸水站为自备水处理厂，取水口靠近长江边，原水泵房系统如图4所示：
图4 原水泵房工作示意图
原水泵房四台电泵两备两用，从长江中取得原水，打到30多米高处的净化滤池，经过投药、净化、沉淀得到工业用清水。由于工艺过程的变化，清水用量跟着不断变化，对原水的需求也要相应变化；同时，由于季节的不同，原水水质的变化也影响原水的需求。季节变化造成的江面水位变化会影响水泵的功率需求。
正常情况下，原水15#泵房的电泵开一台不够，开两台多余，需要根据净化后的清水池水位进行电泵的起停控制，如一台常开，另外一台开一个段时间，水位到了某个位置，就停一段时间，到低水位后，再开启。如果值班人员停机不及时，清水池的水可以通过溢流口流出，不致有很大危害。但溢流无形中等于浪费了净化水的药物，也浪费了多余的电能。
节能改造的目标是通过变频驱动原水泵房的一台电动机，实现原水流量的控制，控制的对象目标选定为清水池的水位。通过稳定清水池的水位，保证供水安全。
3.1 控制原理
在清水池的水泵出口附近，设置压力式水位传感器，测量得到水位的相对高度，变换成4~20mA电流环接口送给变频器；变频器计算出当前水位与设定值的偏差，通过内置的数字PID调节器改变变频器的输出频率，调节电动机的转速进而改变原水的流量。
3.2 控制难点
由于清水的需求量因为清水泵的起停变化呈现出阶梯状特征，水位的变化受到出口水泵的影响也受到。在清水池的水泵出口附近，设置压力式水位传感器，测量得到水位的相对高度，变换成4～20mA电流环接口送给变频器；变频器计算出当前水位与设定值的偏差，通过内置的数字PID调节器改变变频器的输出频率，进而改变原水的流量。
水位的测量采用压力式传感器时需要认真选择测量点的位置，否则会因为水池内的水流因素和水面波动引起测量的不稳定性。一般地说，选择一个水流变化不大的靠池壁的位置，会有不错的效果。
原水进入滤池系统到转化为清水，需要一定的时间，是一个时间常数比较大的滞后系统，对于PID控制来说，需要仔细选择控制参数。
最低运行频率的选择要保证节能还能兼顾水压力，因为并联运行的水泵速度太低会不出水。
4、系统调试
我们针对清水池的容量和出口清水泵的流量，以及水流经过滤池的时间，建立了一个合适的模型，经过一段时间的调试，找到了相对合理的运行方案。图5是某日的变频泵流量曲线图。
图5 变频驱动泵某日的流量曲线
通过闭环跟踪水位，稳定了清水池的水位，不再有溢流现象发生，节约了净化水所需要的药物。
实际用户运行时也可以通过系统设置，运行在开环状态，以适应非自动投药的需要。因为原水流量自动改变以后，投药的量也要改变，在人工投药方式下，水质会受到一定影响，开环运行也可以达到节能的目的同时，投药操作简化。
5、变频改造后的效果
经过变频技术改造以后，提高了运行的自动化程度，减少了溢流造成的清水浪费，节约了一定量的净化药物，也取得了一定程度的节电效果。
三电平IGCT开关逆变器器件数量少，工作可靠性高，是一个不错的选择。
系统具有工频旁路运行功能，方便检修。
6、结束语
江岸原水泵站经过变频改造以后，提高了对江面水位变化的适应性，特别是三峡蓄水以后江面抬升带来的泵运行容量富裕造成的能源浪费问题。通过清水池水位的闭环调节，控制了溢流现象的发生，减少了净化处理材料的消耗。
作者简介
马学亮（1970-） 男，西安交通大学博士研究生，从事电力电子，电机控制研究。
参考文献
[1]陈运珍. 水工业领域与调速节能技术. 北京：电工技术杂志，2002，1
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的发展，电气传动技术正经历着比较大的革新。工业生产领域大量使用的高压感应异步电动机，已经可以进行直接的电子控制，即由原来的改变其它机械环节的控制方法到直接改变供给的交流电源的频率和幅值的变压变频控制方法，进行速度调节和位移控制，从而可以提高生产工艺，降低能源消耗。由于高压感应电动机的耗能比例较大，因而针对它的交流变频调速技术，虽然不如低压系统那么完善，但节能效益显著。特别是在当今面临能源危机的条件下，节能降耗不仅有近期的直接经济效益，更有长远的社会效益。
采用新型高压大功率电力电子器件构造的直接“高-高”式变频器，具有结构简单，工作可靠的特点，有很好的调速和起动与制动性能。由于采用不控整流和全控器件进行开关调制，具有输入侧高功率因数、整装置优良的控制性能和高的运行效率。特别是通过改变送给电动机的电流的频率，在很宽的转速范围内进行高效率的转速调节，可以取得很好的节电效果，在风机和水泵的节能改造上已经得到广泛证实。
2、高压变频器的系统组成和原理
一般直接“高-高”式高压变频器可以采用公用直流母线的三电平或两电平电路结构，也可以采用悬浮供电的级连多单元串联多电平方式。重钢动力厂15#江岸水泵站变频改造采用的是基于IGCT器件的三电平中点箝位电压源式逆变器，其电路结构如图1所示。
图1 三电平中点箝位电压源逆变器系统原理图
系统主要包含AC到DC的整流、DC到AC的逆变、控制保护和输出LC滤波四个主要部分。6KV交流经过进线变压器，变换得到四组低压交流电，再经过不控的二极管整流桥级连得到24脉波的整流输出；一组串联的IGCT组件做为直流缓启动和故障时的保护元件，而后经过消除共模影响的电抗器到直流支撑电容器得到额定母线电压10KVDC；进入逆变桥母线前，经过两组L-C-D构成的di/dt保护电路，到达逆变桥的正负极（P和N）；串联的直流支撑电容分压得到一个虚拟的电压中点，送到逆变桥的中点（称为T点）。
逆变桥由串联的四个IGCT功率组件和两个交联的二极管组件构成，自上而下分别称之为S1，S2，S3，S3，D1，D2，其中D1和D2为二极管元件。按照四个开关的位置不同，逆变桥的输出如表1所示
表1 三电平状态表
除上述6个有效的开关位置外，四个开关还有另外10种无效的组合，在对开关进行控制时，需要规避这些无效的状态。因为这些无效状态很多是故障状态，如S1、S2和S3都是ON，S4是OFF的状态，对应正组的桥臂直通，会导致器件损坏。当逆变桥的控制正确时，输出波形如图2所示：
图2逆变桥的输出
由上图不难看出，S1有半周时间处于关断状态，而S2则有半周的导通时间，S4与S1类似，S3与S2类似；输出波形中，正半周电压在0和正母线电压之间变化，负半周则是在0和负母线之间变化，这样直流母线虽然有10KV，但输出端子上的电压每次的变化仅是母线电压的一半，为5KV。同两电平回路相比，相当于牺牲了开关的数量，换回了更高的工作电压和/或比较小的电压变化率。
逆变桥的输出经过一个LC滤波器，送给电动机，滤波前后的线电压波形如图3所示：
图3 变频输出的线电压与电机端电压
从上图可以看出，变频器输出线电压有5个台阶，同比两电平回路的输出线电压，同样的器件开关频率下，它有更低的谐波含量。即使如此，为了老旧电机的改造需要和新电动机的长期安全运行，变频器内部都设置了一个正弦波LC滤波器，使输出到电机的波形更加接近正弦波，而不需要电动机降容使用。变频输出的调制波因为存在比较大的dv/dt，会对电动机的端部绝缘形成一定危害。
由于10KV的直流母线运行时是由两个处于关断状态的开关功率组件承受的，每组件要承担5000V，在主开关IGCT工作耐压只有4500V的条件下，需要采用两只串联的方式构造一只功率组件。与之配套的电压和电流箝位二极管也因为工作电压的原因采用两只串联。
3、变频调速改造方式
重钢动力厂15#江岸水站为自备水处理厂，取水口靠近长江边，原水泵房系统如图4所示：
图4 原水泵房工作示意图
原水泵房四台电泵两备两用，从长江中取得原水，打到30多米高处的净化滤池，经过投药、净化、沉淀得到工业用清水。由于工艺过程的变化，清水用量跟着不断变化，对原水的需求也要相应变化；同时，由于季节的不同，原水水质的变化也影响原水的需求。季节变化造成的江面水位变化会影响水泵的功率需求。
正常情况下，原水15#泵房的电泵开一台不够，开两台多余，需要根据净化后的清水池水位进行电泵的起停控制，如一台常开，另外一台开一个段时间，水位到了某个位置，就停一段时间，到低水位后，再开启。如果值班人员停机不及时，清水池的水可以通过溢流口流出，不致有很大危害。但溢流无形中等于浪费了净化水的药物，也浪费了多余的电能。
节能改造的目标是通过变频驱动原水泵房的一台电动机，实现原水流量的控制，控制的对象目标选定为清水池的水位。通过稳定清水池的水位，保证供水安全。
3.1 控制原理
在清水池的水泵出口附近，设置压力式水位传感器，测量得到水位的相对高度，变换成4~20mA电流环接口送给变频器；变频器计算出当前水位与设定值的偏差，通过内置的数字PID调节器改变变频器的输出频率，调节电动机的转速进而改变原水的流量。
3.2 控制难点
由于清水的需求量因为清水泵的起停变化呈现出阶梯状特征，水位的变化受到出口水泵的影响也受到。在清水池的水泵出口附近，设置压力式水位传感器，测量得到水位的相对高度，变换成4～20mA电流环接口送给变频器；变频器计算出当前水位与设定值的偏差，通过内置的数字PID调节器改变变频器的输出频率，进而改变原水的流量。
水位的测量采用压力式传感器时需要认真选择测量点的位置，否则会因为水池内的水流因素和水面波动引起测量的不稳定性。一般地说，选择一个水流变化不大的靠池壁的位置，会有不错的效果。
原水进入滤池系统到转化为清水，需要一定的时间，是一个时间常数比较大的滞后系统，对于PID控制来说，需要仔细选择控制参数。
最低运行频率的选择要保证节能还能兼顾水压力，因为并联运行的水泵速度太低会不出水。
4、系统调试
我们针对清水池的容量和出口清水泵的流量，以及水流经过滤池的时间，建立了一个合适的模型，经过一段时间的调试，找到了相对合理的运行方案。图5是某日的变频泵流量曲线图。
图5 变频驱动泵某日的流量曲线
通过闭环跟踪水位，稳定了清水池的水位，不再有溢流现象发生，节约了净化水所需要的药物。
实际用户运行时也可以通过系统设置，运行在开环状态，以适应非自动投药的需要。因为原水流量自动改变以后，投药的量也要改变，在人工投药方式下，水质会受到一定影响，开环运行也可以达到节能的目的同时，投药操作简化。
5、变频改造后的效果
经过变频技术改造以后，提高了运行的自动化程度，减少了溢流造成的清水浪费，节约了一定量的净化药物，也取得了一定程度的节电效果。
三电平IGCT开关逆变器器件数量少，工作可靠性高，是一个不错的选择。
系统具有工频旁路运行功能，方便检修。
6、结束语
江岸原水泵站经过变频改造以后，提高了对江面水位变化的适应性，特别是三峡蓄水以后江面抬升带来的泵运行容量富裕造成的能源浪费问题。通过清水池水位的闭环调节，控制了溢流现象的发生，减少了净化处理材料的消耗。
作者简介
马学亮（1970-） 男，西安交通大学博士研究生，从事电力电子，电机控制研究。
参考文献
[1]陈运珍. 水工业领域与调速节能技术. 北京：电工技术杂志，2002，1
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