高壓大功率變頻器在城市供水系統(tǒng)的應(yīng)用
高壓大功率變頻器在城市供水系統(tǒng)的應(yīng)用
近年來，從各行業(yè)所使用的調(diào)速裝置的情況看，高壓大功率變頻器的應(yīng)用在不斷的深入到各種行業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)及設(shè)備上。高壓大功率變頻器一方面具有調(diào)速精度高、功率因數(shù)高等特點，而且可以降低和減少機械設(shè)備的磨損和噪音，改善勞動條件，滿足生產(chǎn)工藝的要求；另一方面，高壓大功率變頻器也是一種有效的節(jié)能降耗設(shè)備，能將因設(shè)計余量、節(jié)流損耗及用量變化等而浪費的電能節(jié)省下來，為各行業(yè)的企業(yè)的發(fā)展帶來無限的生機。
關(guān)鍵詞：高壓大功率變頻器 “高—低—高”電流型變頻器 “水捶” 爆管 恒壓（變壓）供水 驅(qū)動拖動方式 PLC 觸摸屏 PID調(diào)節(jié)
一、 概述
城市供水系統(tǒng)是現(xiàn)代生活和生產(chǎn)過程中不可缺少的重要的公共設(shè)施之一，因其供水范圍大容量大，供水水泵的功率大，牽扯到的問題廣，故可直接影響到人們的工作和生活，提高供水系統(tǒng)的安全可靠性及供水質(zhì)量等也是個急需解決問題。
城市供水系統(tǒng)運行時間長，在使用過程中還存在著供水壓力不穩(wěn)、爆管故障及耗電量等等問題。據(jù)有關(guān)調(diào)查統(tǒng)計，供水系統(tǒng)能耗不僅給能源、城市建設(shè)及環(huán)境保護帶來巨大壓力，也給經(jīng)營的單位帶來較沉重的經(jīng)濟負擔。既要保障供水系統(tǒng)的安全可靠性提高供水質(zhì)量，又能降低供水系統(tǒng)的能源消耗，迫使設(shè)計供水系統(tǒng)的專家們不斷的改造舊系統(tǒng)，開發(fā)使用現(xiàn)代化的可靠性高的能耗低的高科技新產(chǎn)品。
二、 傳統(tǒng)的城市供水系統(tǒng)狀況
城市供水系統(tǒng)通常由水廠（一般含取水泵、水處理系統(tǒng)、供水泵等）、增壓系統(tǒng)及其供水管網(wǎng)系統(tǒng)等組成。
城市供水系統(tǒng)的設(shè)計及其供水水泵的配置通常是按城市在一個時期的發(fā)展的最大供水量來考慮的，并由此配備帶有一定余量的水泵驅(qū)動電機，對于較大規(guī)模的水廠通常是采用高壓電機驅(qū)動。
城市供水系統(tǒng)實際使用過程中出現(xiàn)最大（高峰）供水負荷的時間較少，根據(jù)一些資料統(tǒng)計，城市供水系統(tǒng)的水泵會經(jīng)常在低負荷下運行，因而會出現(xiàn)人們常用來形容大電機帶小負載所出現(xiàn)的“大馬拉小車”的現(xiàn)象，這樣日積月累的同樣會造成大量的能源損耗，以及使長期處在工頻額定狀態(tài)下的水泵的機械磨損嚴重，設(shè)備故障增加，使用壽命縮短等。
傳統(tǒng)的城市供水系統(tǒng)是對水泵的出口閥采用全開閥半開閥及開停泵控制方法，這種控制方式存在以下幾個問題：
1、城市供水系統(tǒng)的水泵配套的大功率電機在啟動和停止時對配電系統(tǒng)的沖擊大，不利于電網(wǎng)的安全運行。低負荷時電機的功率因素低、空載損耗大，占用配電系統(tǒng)的相對補償容量大。
2、節(jié)流損失大，使供水系統(tǒng)長期在低效率狀態(tài)下運行，會增加供水系統(tǒng)相應(yīng)的能源消耗。
3、供水壓力呈階段性的的變化，在工頻狀態(tài)下啟停大功率的水泵，也會沖擊供水管網(wǎng)，同時易產(chǎn)生“水錘”現(xiàn)象，增加管網(wǎng)的跑冒滴漏現(xiàn)象以至于爆管，很不利于管網(wǎng)的安全運行。
三、高壓大功率變頻器
隨著近十幾年電力電子技術(shù)和微電腦技術(shù)的不斷發(fā)展、完善，高壓大功率變頻器性能也日趨完美，已被不同學科、不同行業(yè)的工程技術(shù)人員廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，且出現(xiàn)了很多的精品應(yīng)用設(shè)計。為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益，推動了工業(yè)生產(chǎn)的自動化進程。
高壓大功率變頻調(diào)速器通常采用IGBT為逆變功率器件，經(jīng)過多年的使用和研發(fā)，其可靠性、可用性能不斷的得到提高，作為核心器件為高性能的高壓大功率的設(shè)計開發(fā)提供了可靠的基礎(chǔ)保證。
高壓大功率變頻器按其變頻的方式可分為“交—交”型和“交—直—交”型，“交—交”型一般用于低速重轉(zhuǎn)矩的場合（如軋鋼機等），在此不去討論。
在水泵及風機上所使用的大功率變頻器一般都是“交—直—交”型的，根據(jù)所驅(qū)動設(shè)備的具體情況決定是選用“交—直—交”電壓型或“交—直—交”電流型。電壓型變頻器：中間耦合電路電容較大，使逆變輸入端直流電壓保持恒定，不受負載變化的影響，則逆變器的輸入端可以看成是一個電壓源（如深圳市梅林水廠安裝的四套1000 kW SIEMENS電壓型變頻器）。電流型變頻器：中間耦合電路電感較大，則逆變器輸入端就可以看成是一個電流源（如東莞梨川二水廠裝有一套800KW SIEMENS電流型變頻器）。
從整個高壓大功率變頻器系統(tǒng)的電壓變換的情況來看，高壓大功率變頻器系統(tǒng)還可分為“高—高”型、“高—低（中）—高”型（如東莞梨川二水廠裝設(shè)的為 SIEMENS“高—低—高”型變頻器）及“高—低”型（如深圳市梅林水廠安裝的為SIEMENS“高—低”型變頻器）。
因為高壓功率模塊的價格昂貴，也使得使用“高—高”型高壓變頻器比使用“高—低（中）—高”型高壓變頻器貴很多的情況，再者對于功率在200KW~500KW的高壓電機來說，如首先需考慮的是被控系統(tǒng)的工藝質(zhì)量，則高壓大功率變頻系統(tǒng)可通過低壓大功率變頻器與兩臺變壓器（一降一升）組態(tài)來實現(xiàn)，其中變頻器還可采用國產(chǎn)的，這種組態(tài)的“高—低—高”型變頻器系統(tǒng)要比“高—高”型高壓變頻器經(jīng)濟很多。
圖一所示SIEMENS公司的800KW“高—低—高”型變頻器的組態(tài)系統(tǒng)，這種型式的變頻系統(tǒng)在有些地方是使用國產(chǎn)化的產(chǎn)品組態(tài)完成。
這種組態(tài)的高壓變頻器系統(tǒng)因通過變壓器三角接線方式接入電網(wǎng)，故對電網(wǎng)的諧波污染小。中間的變頻器因可選用電流型的，又可達到大電流的輸出目的。
組態(tài)的“高—低—高”型變頻器系統(tǒng)雖然經(jīng)濟實惠，但在實際使用時還需考慮其中變壓器的特殊性、變壓器的保護設(shè)計以及高電壓系統(tǒng)等因素。
組態(tài)的高—低—高電流型變頻器優(yōu)點：
1）啟動轉(zhuǎn)矩大，輸出電流穩(wěn)定，負載能力強，可靠性高，可適配的高壓電動機種類多。
2）因輸入、輸出變壓器均有濾波作用，故電流諧波小，且對其也無須考慮功率因數(shù)補償及加裝諧波抑制裝置。
3）維護簡單，適應(yīng)現(xiàn)場多變需求。
4）高壓主回路與主控制板（器）之間進行強弱電隔離，安全性好。
5）故障檢測完善，各種智能化保護齊全，可故障顯示和報警。
6）控制電源與高壓電相互獨立，檢測方便，便于現(xiàn)場調(diào)試。
7）可接收和輸出多種工業(yè)標準信號，調(diào)節(jié)控制簡單，易組成多種應(yīng)用系統(tǒng)。
8）相對投資少，經(jīng)濟實用。
三、高壓變頻恒壓（變壓）供水
變頻節(jié)電原理：
高低壓變頻調(diào)速的節(jié)電原理就變頻系統(tǒng)（從整流到逆變輸出）本身而言都相同，即水泵電機的轉(zhuǎn)速（變頻器輸出頻率）與其功率的三次方成正比，著方面的論述目前在各種刊物、網(wǎng)絡(luò)等上已有很多，在此就不再重復(fù)。
關(guān)于變頻驅(qū)動的拖動方式：
高低變頻器及系統(tǒng)的單位投資高于低壓變頻器及系統(tǒng)，再因為功率大引起的總投資就更大了，這樣就需要從節(jié)省投資上多下功夫，盡量做到即能得到變頻調(diào)速節(jié)能系統(tǒng)帶來的經(jīng)濟效益，又節(jié)省投資額度。與低壓變頻器及系統(tǒng)相同的是可以從高低變頻器及系統(tǒng)拖動方式上做文章。
關(guān)于變頻驅(qū)動的拖動方式牽扯到的問題較廣，在此特做如下介紹：
1、根據(jù)電氣邏輯可知：變頻器驅(qū)動的拖動方式理論上可實現(xiàn)n拖n，n=1、2、3...n，實際應(yīng)用時，一般最多做成“1拖4”到“2拖4”，再多無意義且反使投資因控制驅(qū)動系統(tǒng)過于復(fù)雜而急速上升。
2、拖動方式實現(xiàn)的辦法：有些國內(nèi)品牌的變頻器生產(chǎn)商，將驅(qū)動多臺水泵的功能設(shè)置在變頻器內(nèi)，這種做法會不會出現(xiàn)：如變頻器出現(xiàn)故障就會使得整個自控系統(tǒng)癱瘓？如要使自控系統(tǒng)在變頻器出現(xiàn)故障時能繼續(xù)使用，則需另設(shè)電路并加控制設(shè)備，這反使系統(tǒng)變得更為復(fù)雜。
據(jù)經(jīng)驗：簡單的PID調(diào)節(jié)功能可設(shè)置在變頻器內(nèi)部，復(fù)雜的調(diào)節(jié)方式則最好通過專用調(diào)節(jié)器或PLC來實現(xiàn)，對于投切驅(qū)動的自控功能二臺以上最好由電氣電路或PLC來實現(xiàn)。
3、切換拖動的安全：在設(shè)計時應(yīng)在單機的工頻與變頻間及多機的變頻與變頻間設(shè)置軟件和硬件（電氣、機械）聯(lián)鎖；在變頻與工頻的輸出端間還可增設(shè)雙向刀閘箱（低壓）或是三工位隔離刀閘柜（高壓）可進一步加強其安全可靠性。
關(guān)于自動調(diào)節(jié)方式
一般是采用PID的閉環(huán)自動調(diào)節(jié)方式，其基本過程是：用壓力傳感器對供水系統(tǒng)母管出口的水壓進行采樣，轉(zhuǎn)換成電量信號(一般為4—20mA、0—10V等)后送至PID調(diào)節(jié)器或PLC（變頻器內(nèi)置PID功能的可直接送至變頻器）等，將該信號與設(shè)定值進行比較運算后，送至變頻器，并用來調(diào)節(jié)變頻器（系統(tǒng)）的輸出頻率，從而改變了水泵轉(zhuǎn)速并調(diào)節(jié)供水壓力（供水量）以達到恒壓供水的目的。
近年來，隨著模糊控制理論的不斷發(fā)展，其控制算法也在應(yīng)用到實際中。它不僅能實現(xiàn)控制，從理論上講還能模擬人的思維方式，對一些無法構(gòu)造數(shù)學模型的被控對象進行有效的控制。模糊智能控制能消除超調(diào)現(xiàn)象，能更快速地響應(yīng)外部擾動，因此模糊控制方式的抗干擾能力更強。另外還有高智能型的自適應(yīng)控制方式等等，如條件允許應(yīng)使其在變頻供水系統(tǒng)中得到應(yīng)用。
一般的設(shè)計方式：
改造舊系統(tǒng)的高壓變頻恒壓供水系統(tǒng)是在保留原工頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝。對新系統(tǒng)是設(shè)計成純變頻回路，為節(jié)省投資也可采用“一拖多”等雙回路(工頻-變頻)系統(tǒng)，但要設(shè)置相應(yīng)的安全聯(lián)鎖以確保系統(tǒng)的工作安全。變頻系統(tǒng)的聯(lián)動控制功能與工頻系統(tǒng)的聯(lián)動控制功能相同。
關(guān)于供水壓力的保障：
供水系統(tǒng)的變頻節(jié)能系統(tǒng)在實際使用中要考慮水泵的轉(zhuǎn)速與揚程的平方成正比的關(guān)系及水泵的轉(zhuǎn)速與管損平方成正比的關(guān)系：在水泵的揚程隨轉(zhuǎn)速的降低而降低的同時管道損失也在降低，因此，系統(tǒng)對水泵揚程的實際需求一樣要降低；而通過設(shè)定變頻器下限頻率的方法又可保證系統(tǒng)對水泵揚程的最低需求。
四、自動化控制的高壓大功率變頻恒壓（變壓）供水系統(tǒng)案例
在城市供水中，高壓大功率變頻器一般是應(yīng)用在水泵上，并進行開環(huán)或閉環(huán)的調(diào)速控制，使水泵的轉(zhuǎn)速隨著外界用水情況的變化而變化，使水泵能始終運行在其特性曲線的高效區(qū)。
本人于1998年有機會設(shè)計并調(diào)試了東莞梨川二水廠二級泵房的〈自動控制的高壓變頻恒壓（變壓）供水系統(tǒng)〉的全套軟硬件系統(tǒng)，現(xiàn)簡介如下：
1、梨川二水廠二級泵房裝機概況：
裝機數(shù)量及容量：共5臺泵，2×710KW+3×500KW+1×250KW，每臺泵均由高壓電機驅(qū)動，其出口均設(shè)重錘式電控液壓驅(qū)動閥（該閥可停懸50%開度位置）。
其調(diào)節(jié)方式：根據(jù)供水情況開停泵及閥開50%。各泵均不調(diào)速，利用出口閥門來控制水流量和管網(wǎng)壓力。
2、變頻應(yīng)用系統(tǒng)主要設(shè)備：
高壓變頻器：6KV/800KW SIEMENS“高—低—高”型電流型變頻器。
PLC：SIEMENS S7-300一個整機架配置，10A電源1PC，314CPU 1PC，32點DI模塊2PC，16點DO模塊4PC，8AI模塊1PC，2AO模塊1PC。主要用來完成正個系統(tǒng)的邏輯控制，模擬量整合處理并與PID調(diào)節(jié)儀表組態(tài)。
調(diào)節(jié)及顯示儀表：共6臺，特別定做。其中一臺用來顯示高壓輸入端電流， 其它均為調(diào)節(jié)用表。
壓力傳感器：2PC，0~1MP量程，4~20mA標準信號
流量傳感器：2PC，4~20mA標準信號（實際是借用水廠的流量表輸出信號）。
電量變送器：5A/4~20mA標準信號 2PC 10VDC/4~20mA標準信號 2PC
壓力開關(guān)：7PC（后用電接點壓力表代替）。
集中控制柜：一臺
10KV進線柜：一臺帶反時
10KV出線柜：二臺
3、設(shè)計、驅(qū)動控制及保護方式等：
設(shè)計原則：按電力系統(tǒng)有關(guān)10KV配電系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范設(shè)計高壓一次系統(tǒng)、二次控制及保護系統(tǒng)。保留所有的原工頻驅(qū)動控制方式，再并入變頻控制系統(tǒng)。因為該高壓變頻系統(tǒng)是東莞地區(qū)的供水系統(tǒng)首次使用，在設(shè)計時盡可能的要保障整個系統(tǒng)的安全，對各大設(shè)備及系統(tǒng)的延伸所影響到的系統(tǒng)和設(shè)備盡可能的進行全面監(jiān)控。
變頻動力拖動方式：一拖二
集中控制：一步化自動開停機，全自動控制，手動控制（可將自控邏輯甩開），輸入端電源給定，輸出端拖動選擇，自/手動切換，變頻啟停，變頻器監(jiān)視等。
現(xiàn)場控制：水泵就地啟停，進線柜及出線柜就地操作，變頻器就地操作等等。
調(diào)節(jié)方式：考慮到水廠的規(guī)模較大，送水距離遠，為確保有效的調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)儀表及PLC的調(diào)節(jié)方式分配如下：兩臺為分時段PID調(diào)節(jié)器（恒壓調(diào)節(jié)），兩臺組成串級PID調(diào)節(jié)器（變壓調(diào)節(jié)）并與PLC組態(tài)，一臺與PLC組態(tài)成串級PID調(diào)節(jié)器（流量調(diào)節(jié)），PLC調(diào)節(jié)方式。
變頻器啟停控制：上電后，先進入準備狀態(tài)再啟動，停機時斷開啟動與準備狀態(tài)。
變頻器監(jiān)控：對所有的狀態(tài)、錯誤、故障信號進行采樣，輸入PLC，并分類處理。
PLC程序設(shè)計：對所有的輸入開關(guān)量進行采樣，編輯邏輯程序，驅(qū)動相應(yīng)的輸出。對流量、壓力信號處理后送到儀表及變頻器。
PLC硬件設(shè)計方式：可繼續(xù)擴展I/O和AI/AO模快，可加裝人機介面或監(jiān)控微機。
自動補壓減壓控制：可按投入待運行的補壓方式自動進行補壓。
聯(lián)鎖方式：1、2號變頻出線柜聯(lián)鎖，1號變頻出線柜和1號工頻出線柜聯(lián)鎖，2號變頻出線柜和2號工頻出線柜聯(lián)鎖。
高壓柜控方式：以電力系統(tǒng)標準控制為基礎(chǔ)，再引如變頻系統(tǒng)及PLC的有關(guān)控制信號。
降壓變壓器保護：采用電力系統(tǒng)標準反時限保護。
升壓變壓器保護：因當時無合適的采樣元件及保護裝置，故將其交變頻器保護。
6KV電源側(cè)防雷保護：按有關(guān)高壓配電柜防雷電入侵波過壓保護方式設(shè)計。
5、所解決的主要問題
大大提高了整個二級泵房的自動化控制程度。
糾正并完善了原工頻系統(tǒng)自動一步化開停機的缺點和不足。
可以使水泵隨著負荷的變化調(diào)節(jié)供水流量，達到節(jié)約能源的目的，同時對水泵進行的是軟啟動，減小對配電系統(tǒng)及供水管網(wǎng)的沖擊。
改善了水泵運行工況
5、存在的主要問題
1）多次燒壞電源輸入端的400A保險，以后雖根據(jù)其原因設(shè)想并推敲了多種解決方法，但因多種原因而不能實施。
2）原計劃第二步實現(xiàn)人機介面控制，以完善現(xiàn)代PLC的控制方式，因多種原因而未能實施。
3）設(shè)計中的全自動化控制按無人控制方式設(shè)計編程，但因多種原因只進行了部分在線調(diào)試而不能得知完全的實用功能使用情況，故不能完全交與用戶使用。
6、設(shè)計調(diào)試總結(jié)
1）該系統(tǒng)好象是東莞的首套高壓變頻器系統(tǒng)（在西門子聽說），故在設(shè)計時為確保該系統(tǒng)的成功，考慮的方方面面很多，最后雖經(jīng)壓縮，但整個系統(tǒng)設(shè)計出來后仍感到挺復(fù)雜。
2）就當時的情況而言，用方和供方均對該系統(tǒng)的自動化系統(tǒng)的復(fù)雜程度及牽扯的范圍之廣缺乏了解，沒能提供足夠的在線調(diào)試次數(shù)及修改軟件的機會，以致留下一些遺憾。
3）高壓變頻器運行情況介紹
設(shè)備改造工程于1998年11月完成，高壓變頻器投運后，頻率運行在40Hz~48Hz，保證了供水的正常進行。
結(jié)束語
不管是科技還是應(yīng)用技術(shù)，在其發(fā)展的過程中總會遇到重重的阻力和各種各樣的困難，特別是在情況不明朗時，總會走些彎路，付出一定的代價交一定的學費，但這阻礙不了人們對新事物的追求和對未知領(lǐng)域的探索。
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