0 引言

高壓變頻器的產(chǎn)業(yè)化在上世紀(jì)80 年代中期才開始形成，隨著大功率電力電子器件的迅速發(fā)展和巨大的市場(chǎng)推動(dòng)力，高壓變頻器20 多年來的發(fā)展非常迅速，使用的器件已經(jīng)從Thyristor、GTR、GTO發(fā)展到IGBT、IECT、IGCT(SGCT)等，功率范圍從幾百kW到幾十MW，技術(shù)已經(jīng)成熟，可靠性也得到保證，應(yīng)用越來越廣。國(guó)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、日立公司、國(guó)內(nèi)的利德華福公司等。

從1984 年開始，沈陽(yáng)、哈爾濱、大連、鞍山等城市的供水工程，在不同時(shí)期先后選用了不同型號(hào)、一次側(cè)為10 kV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(guó)西門子公司上世紀(jì)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(guó)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(guó)羅賓康技術(shù)等同的利德華福公司的10 kV變頻調(diào)速設(shè)備。吉林市第三凈水廠所用的產(chǎn)品具有新穎、運(yùn)行可靠、技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能顯著等優(yōu)點(diǎn)。本文重點(diǎn)介紹吉林市第三凈水廠水泵機(jī)組的變頻調(diào)速系統(tǒng)，它具有代表性，而且對(duì)凈水廠進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造的實(shí)際指導(dǎo)意義也較大。

吉林市自來水集團(tuán)有限公司在考察對(duì)比了國(guó)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(tái)，兩年來運(yùn)行效果很好，2004 年決定在三水廠再選用兩臺(tái)。

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，并且已成功應(yīng)用于電力、冶金、石化、市政供水、水泥等多個(gè)領(lǐng)域，得到了用戶的普遍認(rèn)可。

1 工程概況

吉林市于1998年建成二水廠(凈水廠)，2004年建成三水廠(凈水廠及原水給水廠)。二水廠與法國(guó)得利滿公司合作，V 型濾池計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由設(shè)計(jì)院和法國(guó)得利滿聯(lián)合設(shè)計(jì)。V 型濾池用的設(shè)備(閥門、儀表、控制臺(tái))材料，送水泵房的水泵，高壓10 kV 電機(jī)，中控室計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及模擬屏、投影設(shè)備均由法國(guó)得利滿公司供貨。幾年來，通過與外方合作，去國(guó)內(nèi)外水廠考察調(diào)研，學(xué)習(xí)到了國(guó)內(nèi)外水廠的長(zhǎng)處，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。尤其是時(shí)間已進(jìn)入了21世紀(jì)，在設(shè)計(jì)三水廠時(shí)，必須以“高起點(diǎn)、上水平、創(chuàng)特色”為宗旨，設(shè)計(jì)、建設(shè)最好的水廠，讓市民滿意的水廠。

2 節(jié)能原理

同中國(guó)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。由于流量的變化影響到管網(wǎng)水頭損失的變化，尤其是地勢(shì)平坦的市區(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。但是，實(shí)際上每天只有很短時(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，許多泵站在運(yùn)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少則幾m 多則幾十m 的壓力差值白白地浪費(fèi)于閘門阻力上，如圖1所示。

當(dāng)水泵臺(tái)數(shù)足夠多時(shí)，可以很好地適應(yīng)水量變化，但是水泵型號(hào)是有限的，裝機(jī)臺(tái)數(shù)過多，不僅管理不便，而且會(huì)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，仍然需要用閘門來調(diào)節(jié)水量，如圖2所示。

很多水廠通過切削水泵葉輪以適應(yīng)工作點(diǎn)的需要，但因水泵工作點(diǎn)不連續(xù)照樣有能量損失。

若采用無級(jí)調(diào)速技術(shù)，則可連續(xù)地改變水泵轉(zhuǎn)速，來變更水泵工況，使流量與揚(yáng)程適應(yīng)于管網(wǎng)用水量的變化，提高機(jī)組效率，維持管網(wǎng)壓力恒定，從而達(dá)到節(jié)能的效果。這一方法節(jié)能原理如圖3所示。圖中，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(yáng)程(含地形差和自由水頭)，在用水量從qmax減少到qmin的過程中，全速泵的揚(yáng)程將沿BA 曲線上升，而管網(wǎng)所需揚(yáng)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(yáng)程的浪費(fèi)。應(yīng)用水泵調(diào)速技術(shù)時(shí)，當(dāng)用水量從qmax變動(dòng)到qmin的過程中，水泵轉(zhuǎn)速隨流量從額定位n0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(diǎn)軌跡BBn正在管路特性曲線上。這樣就可使水泵工作點(diǎn)沿管路特性曲線滑動(dòng)，使其揚(yáng)程處處能與系統(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(jì)算公式，明顯收到節(jié)能效果。

為實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組隨用水量變化而自動(dòng)調(diào)速，最直接的辦法是在管網(wǎng)最不利點(diǎn)處設(shè)置壓力計(jì)，并設(shè)定壓力值。微機(jī)系統(tǒng)據(jù)輸入的壓力信號(hào)按存放的程序改變水泵轉(zhuǎn)速，使最不利點(diǎn)壓力恒定和供需水量平衡。但是最不利點(diǎn)距泵站往往很遠(yuǎn)，遠(yuǎn)傳信號(hào)很不方便。采用泵站出口壓力和流量來控制水泵轉(zhuǎn)速是常用的辦法。當(dāng)管網(wǎng)確定之后，出口壓力應(yīng)是流量的函數(shù)，其函數(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(dòng)地調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速。

3 系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)方案

3.1 三水廠的凈水廠

設(shè)計(jì)院和吉林市自來水集團(tuán)有限公司按照工藝進(jìn)行了認(rèn)真計(jì)算，根據(jù)實(shí)際工況要求，選用HARSVERT-A 型高壓變頻器實(shí)現(xiàn)一拖一的技術(shù)方案進(jìn)行主回路電氣結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)，如圖5所示。一拖一的兩臺(tái)電機(jī)互為備用。

以3#水泵為例，一拖一包括高壓變頻器U、3 個(gè)真空接觸器KM31、KM32、KM33以及2個(gè)高壓隔離開關(guān)QS31、QS32，其中KM31、KM32、KM33為高壓真空接觸器，用于變頻和工頻的電動(dòng)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(shí)拉開，用于電機(jī)工頻運(yùn)行情況下對(duì)變頻器進(jìn)行安全檢修。

這種控制方式具有以下特點(diǎn)。

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

2)易實(shí)現(xiàn)四運(yùn)兩備運(yùn)行方式即一臺(tái)變頻運(yùn)行，三臺(tái)工頻運(yùn)行，兩臺(tái)工頻備用;或者是四臺(tái)工頻運(yùn)行，一臺(tái)工頻備用，一臺(tái)變頻備用。

3.2 三水廠的取水廠

選用HARSVERT-A 型高壓變頻器一拖一的方案，如圖6所示，與凈水廠的方案基本相同只是根據(jù)水泵的臺(tái)數(shù)不同，采用了三運(yùn)一備運(yùn)行方式，即一臺(tái)變頻運(yùn)行，二臺(tái)工頻運(yùn)行，一臺(tái)工頻備用;或者是三臺(tái)工頻運(yùn)行，一臺(tái)變頻備用。

4 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?fù)洌哂腥缦绿攸c(diǎn)：采用輸入多重化設(shè)計(jì)，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豫，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(duì)電機(jī)絕緣無損害，電纜長(zhǎng)度無限制;便于冗余設(shè)計(jì);中文操作界面便于維修。

4.1 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所示。由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10 000 V系列有24 個(gè)功率單元，每8個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。

4.2 功率單元結(jié)構(gòu)

每個(gè)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所示。為基本的交-直-交單相逆變電路，即三相輸入經(jīng)三相二極管整流橋輸出直流后，再經(jīng)SPWM控制的單相IGBT逆變橋輸出單相交流電。

當(dāng)某一個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)，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(yùn)行，變頻器可持續(xù)降額運(yùn)行;如此可減少很多場(chǎng)合下停機(jī)造成的損失。

4.3 控制器

控制器核心由高速DSP和工控PC 協(xié)同運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)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(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制?？刂破鬟€包括一臺(tái)內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)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可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能。

5 軟件設(shè)計(jì)及自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

5.1 軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)選用亞控公司的組態(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)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視等功能，報(bào)表、報(bào)警功能強(qiáng)大，支持OPC，支持多種型號(hào)的PLC通訊。

軟件設(shè)計(jì)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(tái)上位機(jī)同時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)主上位機(jī)A故障退出時(shí)，從上位機(jī)B仍然能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，這樣保證系統(tǒng)的安全性、可靠性。

5.2 自動(dòng)化網(wǎng)路設(shè)計(jì)

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S7-300 PLC、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ProfibusDP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S7-300 PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，處理人機(jī)界面對(duì)系統(tǒng)的各種請(qǐng)求，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)集氣管壓力的PID調(diào)節(jié)，維持管網(wǎng)的壓力恒定。自動(dòng)旁路柜集成有S7-200 PLC，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(chǎng)工況，對(duì)安全性、可靠性、穩(wěn)定性要求都很高，我們現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)采用Profibus DP總線連接，監(jiān)控操作級(jí)采用Ethernet方案，接入焦化廠局域網(wǎng)主服務(wù)器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視。系統(tǒng)中西門子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(diǎn)。

6 結(jié)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(chǎng)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，使得水泵機(jī)組集成自動(dòng)化程度高，具有運(yùn)行穩(wěn)，操作簡(jiǎn)單，節(jié)能高效明顯等優(yōu)點(diǎn)。

吉林市三水廠高壓變頻器控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，對(duì)于節(jié)約電能、減員增效、技術(shù)創(chuàng)新，具有很強(qiáng)的通用性，值得推廣。

要想送水泵站每臺(tái)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。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(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，下一步我們將定量控制凈水廠泵站定速與變頻調(diào)速機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行時(shí)的流量、揚(yáng)程、效率。這樣可以根據(jù)用戶對(duì)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)，既可以滿足用戶對(duì)水量、水壓的需要，又可以明顯降低電耗。這是我們面臨的一個(gè)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豫左右，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)了吉林市第三凈水廠優(yōu)化控制，現(xiàn)代化管理。我們將繼續(xù)努力，力爭(zhēng)將吉林三水廠建成國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平的水廠。