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摘要：近年来，随着电力电子技术和微电子技术的飞速发展，高压变频技术也被广泛用于各行各业。因其良好的平滑调速及节能降耗特性，被越来越多的公司厂企所应用。本文首先分析了高压变频工作原理，接下来详细阐述了用变频调速控制水泵的节能原理，最后对泵站设备中变频电路的控制过程及应用作具体阐述，希望给行业内人士以借鉴和启发。
关键词：高压变频技术；中大型泵站；应用
引言
项目背景
某工程是跨省区、高扬程、多梯级、大流量的大Ⅱ型提灌工程。二期工程于1984年7月开工建设，1987年10月上水。设计流量18m3／s，加大流量21m3/s，年提水量2.66亿m3；有泵站30座，装机容量19.27万kW，总扬程713m；国家投资4.88亿元；设计灌溉面积3.47万hm2。从上述可以看出该工程是用电大户，节能降耗、减少开停机次数、优化调度运行、降低工程运行成本是实现该管理局的可持续发展中的重中之重。在2014年6月采购2台2500kW同步电机，以及配套使用的励磁屏，采购1台国内某知名品牌高压变频一拖二设备，用于二期一泵站3#和5#机更新改造中。
1高压变频工作原理
在该工程中所用的高压变频器是通过降压变压器，将该二期工程中6kV电源降压变成690V交流电源，然后通过三相可控硅整流技术进行整流，再通过IGBT元件逆变，利用SPWM变换，得到频率和幅度都可变的690V交流电，最后通过升压变压器变换成泵站电机所需用6kV电源。通过变频调速的方法来改变泵组出水量大小理论支持是电机学的基本原理，即同步电机的转速满足n=60f/p(p是电机极对数；f是电机的运行频率；n是电动机的同步转速)，从上式中可以看出，转速n与频率f成正比，即频率越大电动机转速越快（需要指出的是该二期工程中用的变频能在0～50Hz的范围调整）。转速n与极对数p成反比关系，即电机的极对数越多，电机的额定转速越慢，但由于电机在设计、制造工艺的限制，通常只能实现两三种极对的调速，调速范围有限，且不能实现平滑调速。因此在工业中一般比较常用的是改变电源频率，来实现平滑调速即变频技术。
2用变频调速控制水泵的节能原理
每台水泵出厂后,其扬程、流量和出口压力都是固定不变的。在没有变频调速装置之前,要调整流量和压力,可在电动机的转子回路串接电阻改变转子附加电势,或应用电磁转差离合器来改变电机转速,调整水压和流量。这些方法调速范围窄,操作繁杂,故障率较高。传统方法是采用调节水泵出口阀门的开度或调节水泵运行台数,来调节水压和流量。这样调节不但能耗没有降低,还使水泵的工作效率下降,增加了水泵叶轮的磨损。电能损耗相当可观。生产水泵站2#泵改成了变频调速后,可以根据生产用水的实际需求量,通过调节电源频率来调整电机转速,改变水泵性能曲线,使水泵出口压力保持恒定不变,从而实现恒压调节。为防止变频系统出现重故障而停机,造成停水事故。我们要求变频系统生产厂家在系统中安装了工频自动转换装置。一旦变频系统出现重故障,PLC将发出转换指令,此时,电机电源在极短的时间内由变频运行转为工频运行,以确保生产水不间断供应。这里还存在另一种安全隐患,就是当水泵在变频状态下运行,因突发故障而自动转入工频运行时,由于转速突然增大,引起流量和压力突变,会对管网造成巨大冲击。这样极易产生爆管事故而引起停水。因此,在变频运行状态下,我们设定了42Hz的最低运行频率,以减少变频运行和工频运行之间的压力差,防止因水压突变而产生不良后果。由于变频器的效率较高,并且变频器自身的功耗也非常小,因此,通过对水泵电机的变频调速,实现了降低能耗的目的。
3泵站设备中变频电路的控制过程
泵站高压柜将电网6kV高压直接输送给高压变频器，高压变频器通过高压变频技术，改变电源频率输送给电动机。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆同时通过高压变频器和励磁屏的给定与反馈来调节励磁电流电压输出的大小。虽然该工程中应用的高压变频器是一拖二，但实际工况调试中，难以实现一拖二的控制。原因有二，一是泵机组在实现联动控制中工频和变频的控制回路接线方式不同；二是高压变频主回路采用的刀闸式互锁，1#用2#备或1#备2#用。也就是说，2台泵机组只能有1台变频运行，1台工频运行。后结合该工程的实际运行工况，降低运行人员误操作的风险，经参与的调试人员和变频厂家、设计单位沟通决定一台泵机组实现变频联动控制，另一台泵机组则实现工频联动控制。
4泵机组的变频联动控制应用
4.1高压柜控制
高压柜控制的可靠性，直接关系到整个泵机组的安全性，在实现变频联动控制中，一是合闸回路应该串联，励磁屏的就绪允许，阀门的全关接点（防止泵机组在后备管道有压力的情况打开阀门使机组倒转）还有高压变频的就绪允许，即所控制的励磁、阀门、变频器等均在无故障状态下方能合闸。二是跳闸回路应该并联，励磁屏的跳闸故障，阀门联动关跳开高压柜的接点，还有高压变频器的跳闸故障。三是事故跳闸，如供电质量、主设备故障时，高压柜综合保护装置动作直接作用于跳闸，使主设备与电网脱离，以保证其他机组的安全运行。
4.2阀门控制
在工频中阀门的联动控制比较简单，利用高压柜的辅助常开接点串联高压断路器手车工作接点控制蝶阀开启电机，使阀门缓慢打开。在变频中阀门的联动控制，应该分析到开机过程使变频启动，从0转速加速到额定转速，时间较长，如过早的打开阀门，会使管道的备压提前加到运行电机上，使电机启动困难。后经调试发现42Hz时电机功率能达到80%此时打开阀门比较合理。当电源频率升至42Hz，再由变频器控制阀门打开。
4.3励磁屏控制
励磁屏的控制，在工频联动时，电动机先全压异步启动，当电动机转速接近亚同步转速时，励磁屏通过励强磁使电动机牵入同步运行。这种控制方式主要依靠高压断路器的辅助常开接点来控制励磁屏的运行，在变频控制中励磁频的控制如果单纯的依靠高压断路器的辅助常开接点是很难实现联动控制的，因为在变频控制电动机的启动、运行过程中电机的转速随着电源频率的变化而变化，励磁的电流电压也是随之变化的。在变频联动控制中，变频器通过4～20mA电流与励磁屏实现励磁的给定和反馈，这样就能通过变频器来控制励磁电流电压的大小，也便于实现励磁的联动控制。
4.3阀门控制
在工频中阀门的联动控制比较简单，利用高压柜的辅助常开接点串联高压断路器手车工作接点控制蝶阀开启电机，使阀门缓慢打开。在变频中阀门的联动控制，应该分析到开机过程使变频启动，从0转速加速到额定转速，时间较长，如过早的打开阀门，会使管道的备压提前加到运行电机上，使电机启动困难。后经调试发现42Hz时电机功率能达到80%此时打开阀门比较合理。当电源频率升至42Hz，再由变频器控制阀门打开。
结语
高压变频技术在泵站的应用,主要为电动机提供可变频率的电源,实现电动机的无级调速。采用变频调速的控制方式比靠水位控制水泵开停在运行的经济性、稳定性、可靠性、自动化程度等方面,都具有无法比拟的优势,使水泵转速下降,功率降低,寿命延长,。
参考文献:
[1]刘世平,张洁.排污泵站变频智能监控系统的设计[J].给水排水,2002,28(8):71-74.
[2]胡松如,李遵基,陆介章,等.高压变频调速控制节能原理分析[J].中国电力,2003,36(1):67-70.
论文作者:孙业海
论文发表刊物:《电力设备》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/18
标签：高压论文; 转速论文; 阀门论文; 电机论文; 水泵论文; 变频器论文; 泵站论文; 《电力设备》2019年第9期论文;