10kV級聯(lián)式高壓交-交變頻技術及在城市供水的應用

1 引言

高壓變頻器已經(jīng)在我國城市供水行業(yè)中得到了廣泛應用，這些產(chǎn)品多以級聯(lián)式交-直-交pwm電路結構為主，主功率半導體器件采用igbt，該技術路線網(wǎng)側輸出入電流諧波小，電機側輸出電壓正弦度高，電氣性能滿足高壓大容量電機調(diào)速的要求，并取得了很好的節(jié)能效益。但是，該技術方案仍然存在諸多問題，例如電路復雜，成本高，壽命短等等。由北京時代金能電氣科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的級聯(lián)式高壓交-交變頻器，是高壓變頻技術的全新解決方案，該方案使用可控硅作為主功率器件，無需整流濾波環(huán)節(jié)，電路簡單，可靠性高，不存在大容量電容器所引起的運行壽命短問題。
北京自來水集團某水廠一泵房有4臺取水泵并聯(lián)運行，工作方式為2開2備，泵站設置有集中控制室，用于監(jiān)視并遠程控制水泵的運行狀況。水泵拖動電機均為10kv，220kw鼠籠式異步電動機，在變頻改造前采用調(diào)節(jié)閥門來控制取水量，造成很大的電能浪費，為此集團進行了變頻節(jié)能改造，通過對國內(nèi)外多個廠家的產(chǎn)品及不同的技術路線進行對比，確定采用了以級聯(lián)式高壓交-交變頻技術為技術路線的高壓變頻器產(chǎn)品。

2 級聯(lián)式高壓交-交變頻技術介紹
2.1主電路介紹
級聯(lián)式高壓交-交變頻技術的原理是，通過輸入變壓器產(chǎn)生的多路浮動低壓電源給各功率單元供電，各功率單元的輸出經(jīng)過串聯(lián)后，得到了疊加后的高壓輸出。輸入隔離變壓器采用移相技術，使輸入電流的高次諧波得以抵消，符合ieee std519-1992和gb/t14549-1993的有關標準對諧波的規(guī)定。多級低壓電的疊加輸出，可以實現(xiàn)輸出電壓電流的高正弦度，無需增加輸出濾波裝置就可以直接驅(qū)動普通高壓同、異步電動機，而不會增加電機溫升，電機不需因諧波而降額使用，可使主回路電機、電纜絕緣免受dv/dt應力的損傷，也沒有諧波引起的脈動轉(zhuǎn)矩，可延長電機和機械設備使用壽命，電機電纜在壓降允許范圍內(nèi)無任何長度限制。
該方案主電路結構如圖1所示。各功率單元通過光纖與主控制單元連接，同時功率單元內(nèi)部的控制電路供電取自變壓器浮動電源，因此強電與弱電實現(xiàn)了電氣隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。

圖1 級聯(lián)式交-交變頻器主電路結構圖

2.2功率單元電路介紹
級聯(lián)式高壓交-交變頻技術采用的功率單元原理如圖2所示，其以可控硅作為主半導體開關器件，主電路工作在零電流軟關斷狀態(tài)，避免了igbt等器件強迫關斷產(chǎn)生的應力，這對于工作在高電壓大電流狀態(tài)的高壓大容量變頻器尤為重要。而可控硅器件則具有通態(tài)損耗小，抗過電流能力強的優(yōu)點，同時該方案工作在工頻開關狀態(tài)，因此不論是導通損耗還是開關損耗，都大大小于pwm交-直-交傳統(tǒng)方案。該方案同樣有別于以往的相控交-交變頻控制技術，由于采用級聯(lián)方式，在輸出低頻時，依然可以保持高功率因數(shù)輸出，且其輸出頻率可達到甚至超過50hz。
pwm交-直-交方案功率單元的直流環(huán)節(jié)需要對輸入交流電壓進行整流、濾波，因此，其中最薄弱的環(huán)節(jié)，也是最大的安全隱患所在。特別是電解電容器，由于其內(nèi)部電解液的逐漸揮發(fā)，在額定工作狀況下，一般長壽命產(chǎn)品標稱額定連續(xù)工作壽命僅為3000-5000h，即半年左右，通過降額使用，且在工況較好時，其連續(xù)使用壽命也只有5年左右，因此，在電解電容超過使用年限，或檢測到性能指標下降時，必須立即加以更換。另外，大容量電容器價格不菲，占相當大比例的設備成本，體積也無法減小，致使設備價格高，體積大。
級聯(lián)式高壓交-交變頻方案的開關器件工作于低頻狀態(tài)，且為零電流關斷，因此dv/dt非常小，其對電機及導線絕緣的影響可以忽略。同時其工作于四象限狀態(tài)，避免了在電機減速或者故障時產(chǎn)生反充電，而這一問題對于pwm交-直-交方案，容易引發(fā)電容器擊穿事故。
3 設備狀況
北京自來水集團某水廠一泵房的4臺取水泵，變頻改造采用直連1對1方式，水廠設有集控室，通過數(shù)據(jù)總線modbus協(xié)議與變頻器連接，實現(xiàn)了遠程操作及監(jiān)控的功能。restime系列級聯(lián)式交-交高壓變頻產(chǎn)品工作效率高，自身發(fā)熱少，因此將變頻器置于泵房內(nèi)，不需要額外增加通風降溫設施，由于變頻器功率單元實現(xiàn)了全密封，因此也不需要采取防塵過濾等措施，不需要定期更換過濾網(wǎng)，日常運行實現(xiàn)了免維護，極大地方便了使用。取水泵電機與變頻器主要技術參數(shù)如下：
3.1電機主要參數(shù)
型號：y450-6；
額定功率：220kw；
額定電流：17a ；
額定功率因數(shù)：0.82 ；
額定轉(zhuǎn)速：992r/min 。
3.2 變頻器主要參數(shù)
變頻器功率：500kva；
適配電機功率：400kw；
額定輸出電流：29a ；
輸入頻率：45hz ～ 55hz ；
額定輸入電壓：10kv ；
允許電壓波動：± 15% ；
輸出電壓范圍：0 - 10kv；
變頻器效率：≥ 98%；
輸出頻率范圍：0 - 50hz。

4 變頻器改造后運行情況
該項目調(diào)試完成并投入運行后，達到了變頻改造的目的，并具有以下優(yōu)點：
(1)監(jiān)控簡便
設備運行時的所有數(shù)據(jù)及運行狀態(tài)在變頻器液晶界面及上位機顯示屏上都有中文顯示，如運行頻率，輸出電壓，輸出電流，電機運行功率等等。
(2)實現(xiàn)了軟啟動
變頻改造后，電機及水泵機組實現(xiàn)了軟啟動，對機組的機械沖擊大幅度減小。
(3)機組運行噪聲及震動減小
由于采用了變頻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，當水量減小而工作于較低頻狀態(tài)時，機組轉(zhuǎn)速及輸出功率較小，從而震動及噪聲同時減小，延長了機械設備的使用壽命。
(4)電機溫升降低
當水泵工作于較低頻狀態(tài)時，電機電流小于額定值，因此電機溫升也有所降低。
(5)日常運行實現(xiàn)了免維護
restime系列級聯(lián)式交-交高壓變頻器自身發(fā)熱少，變頻器功率單元實現(xiàn)了全密封，無需加裝防塵過濾等措施，因此也不需要定期更換過濾網(wǎng)，日常運行實現(xiàn)了免維護，極大的方便了使用，同時也降低了維護費用。
(6)運行費用低
級聯(lián)式交-交高壓變頻器由于沒有中間直流環(huán)節(jié)，省去了大容量電解電容器，設備壽命由此得到大幅度提升，同時也極大的降低了用戶定期更換元器件的費用。
(7)節(jié)電效果明顯
本項目水泵機組工作于不同季節(jié)時，供水量變化較大，一般情況下，供水量設定為7.5萬t～5萬t之間變化，當5萬t時，需要采用閥門調(diào)節(jié)流量，存在較大的電能浪費現(xiàn)象。進行變頻改造后，供水量在5萬t時，單機平均耗電功率由216kw下降到142kw，節(jié)電率為34%，節(jié)電效果非常顯著。

圖2 級聯(lián)式高壓交-交變頻技術功率單元原理圖

5 結束語
從現(xiàn)場運行情況來看，由北京時代金能電氣科技有限公司生產(chǎn)的thv10-050高壓變頻器性能優(yōu)越，運行可靠穩(wěn)定，能滿足城市供水中高壓電機的使用需要。高壓變頻器技術產(chǎn)品不僅可以在供水系統(tǒng)中應用，也適合于舊設備改造，不僅提高了供水質(zhì)量、保障供水壓力，而且降低了供水成本。

作者簡介
馬建軍 男 電力工程師，副廠長，現(xiàn)就職于北京市自來水集團有限責任公司，專業(yè)為電氣技術。