李大勇[1]  温奇志[1]   李克菲[2] 李昕[3] 李德普[3] 王永成[4]
       [1]中国市政工程东北设计院
[2]吉林市水务集团
[3]大连市水务集团
[4]阜新市水务集团

　　摘要：本文结合吉林市第三净水厂变频调速设计的实例，介绍了多电平拓扑电路原理及特点。应用变频器的节能分析，以及提出送水泵房优化控制的想法，并且介绍了调速系统的标准配置。

　　关键词：变频设备 脉冲宽度调制 拓扑电路 中压变频器

　　一、前言

　　高压变频器的产业化在80年代中期才开始形成，但随着大功率电力电子器件的迅速发展和巨大的市场推动力，高压变频器十多年来的发展非常迅速，使用器件已经从SCR、GTR、GTO发展到IGBT、IECT、IGCT（SGCT）等，功率范围从几百千瓦到几十兆瓦，技术已经成熟，可靠性得到保证，应用越来越广。国内外生产高压变频器的厂家很多，如西门子公司、ABB公司、依林公司、日本的日立公司、国内的利德华福公司等均生产高压变频器。

　　从1984年开始，在沈阳市、哈尔滨市、大连市、鞍山市等城市的供水工程中不同时期先后选用了不同型号，一次侧为10kV的变频调速装置。其中哈尔滨第三净水厂用的是奥地利ELEN公司的设备（奥地利政府贷款）鞍山市三家净水厂用的是德国西门子公司80年代末的设备（日元贷款）。大连沙河第二净水厂用的是德国西门子公司1998年以后推出的最新的SIMOVERT（日元贷款）。吉林市第二净水厂及第三净水厂分别于2002年、2004年选用了和美国罗宾康技术等同的利德华福公司的10kV变频调速设备。吉林市第三净水厂产品新颖、运行可靠、技术先进、节能优点显著。另外，以前我们对西门子公司不同时期的产品介绍很多，2005年美国罗宾康公司被西门子公司收购，所以本文重点介绍吉林市第三净水厂水泵机组的变频调速，其很具有代表性，而且实际意义也很大。

　　吉林市自来水集团有限公司在考察对比了国内外多家高压变频器生产厂家后,决定选用北京利德华福电气技术有限公司生产的HARSVERT-A系列高压变频器。2002年先在二水厂选用一台，两年来运行效果很好，2004年决定在三水厂再选用两台。HARSVERT-A系列高压变频器技术先进,可靠性高,输出电压波形好，并且已在电力、冶金、石化、市政供水、水泥等多个领域成功应用，得到了用户的普遍认可和市场的长久考验。

　　二、工程概况

　　吉林市于1998年建成二水厂（净水厂）,于2004年建成三水厂（净水厂及原水给水厂），二水厂与法国得利满公司合作，V型滤池计算机系统由设计院和法国得利满联合设计。V型滤池用的设备（阀门、仪表、控制台）材料，送水泵房的水泵，高压10kV电机，中控室计算机系统及模拟屏、投影设备均由法国得利满公司供货。几年来，通过与外方合作，去国内外水厂考察调研，学习到了国内外水厂的长处，积累了丰富的经验，尤其是时间已进入了二十一世纪，在设计三水厂时，必须以“高起点、上水平、创特色”为宗旨，厚积薄发，开拓创新，要设计、建设最好的水厂，让市民满意的水厂。

　　三、节能原理

　　同中国其他城市一样，吉林市城市用水量是不均匀的，这是由于气候和人们生活以及生产规律所决定的。由于流量的变化从而影响到管网水头损失的变化，尤其是地势平坦的市区，在几何扬程很小的情况下，送水泵站出口所需压力随流量的变化更为显著。

　　水泵站的装机是按最不利条件下、最大时流量和所需相应扬程决定的。而实际上每天内只有很短时间能达到最大时流量，大多数时间里，水泵站都处在小流量下工作。为了适应流量的变化，许多泵站在运行中采取关小出口闸门的办法来控制流量，从而造成出口闸门前后的压力差值（少则多米，多则几十米）就白白地浪费于闸门阻力上（如图1）。

　　当水泵台数足够多时，是可以很好地适应水量变化的，但是水泵型号是有限的，装机台数过多，不仅管理不便，而且会无谓地增大建筑面积，提高工程造价，即使这样，也无法做到完全适应水量变化，还需要用闸门来调节水量（如图2）。

　　很多水厂切削水泵叶轮适应工作点需要，因水泵工作点不连续照样有能量损失。

　　为此，采用水泵机组无级调速技术，可连续地改变水泵转数，来变更水泵工况，使其流量与扬程适应于管网用水量的变化，才能提高机组效率，维持管网压力恒定，达到节能的效果。节能原理如图3所示。AB为全速泵特性曲线，AnBn为调速泵特性曲线，CBnB为管路特性曲线，CO为几何扬程（含地形差和自由水头），当用水量从Qmax减少到Qmin的过程中，全速泵的扬程将沿BA曲线上升，而管网所需扬程将沿BBn曲线下降，这两条曲线纵坐标的差值就意味着全速泵扬程的浪费。应用水泵调速技术时，当用水量从Qmax变动到Qmin的过程中，水泵转数随流量从额定位n降到n1n2n3……nn，水泵的Q—H特性曲线AB也相应变化为A1B1，A2B2，A3B3……AnBn。而这组平行的特性曲线AB—AnBn与管路特性曲线CB的交点轨迹BBn正在管路特性曲线上。这样就可使水泵工作点沿管路特性曲线滑动，使扬程处能与系统阻力相适应，做到没有多余压力的损失，且能保持管网压力恒定，根据水泵轴功率的计算公式，明显收到节能效果。

 
    为实现水泵机组随用水量变化而自动调速，最直接的办法是在管网最不利点处设远传压力计，并设定压力值。微机系统输入的压力信号按存放的程序改变水泵转数，达到最不利点压力恒定和供需水量平衡。但是最不利点距泵站往往很远，远传信号不方便。采用泵站出口压力和流量来控制水泵转数是常用的办法。当管网确定之后，出口压力应是流量的函数曲线即为管路特性曲线，所以可以利用图4的控制系统自动地调节水泵转数。

　　四、系统方案设计

　　1. 系统电气设计

　　1.1三水厂的净水厂

　　设计院和吉林市自来水集团有限公司通过工艺上认真计算，根据实际工况要求设计主回路电气结构图，选用HARSVERT-A型高压变频器一拖一的成功方案。如图5所示。一拖一的两台电机互为备用。

　　以3#水泵为例说明，工作原理是由3个真空接触器KM31、KM32、KM33以及2个高压隔离开关QS31、QS32组成（如图5），其中KM31、KM32、KM33为高压真空接触器，用于变频和工频的电动切换。QS31和QS32为高压隔离开关，一般情况下处于合闸状态，仅在变频器检修时拉开，用于电机工频运行情况下对变频器进行安全检修。

　　特点：

　　1）可以实现工频/变频自动切换功能。在变频器出现严重故障时，系统能够自动切入工频电网中，断开变频器时，负载不用停机，满足现场不能停机要求。

　　2）易实现四运两备运行方式。即一台变频运行，三台工频运行，二台工频备用；四台工频运行，一台工频备用，一台变频备用。

　　1. 2三水厂的取水厂

　　    选用HARSVERT-A型高压变频器一拖一的成功方案。如图6所示。

　　    以1#水泵为例说明，工作原理是由3个真空接触器KM11、KM12、KM13以及2个高压隔离开关QS11、QS12组成（如图6），其中KM11、KM12、KM13为高压真空接触器，用于变频和工频的电动切换。QS11和QS12为高压隔离开关，一般情况下处于合闸状态，仅在变频器检修时拉开，用于电机工频运行情况下对变频器进行安全检修。

　　高压变频器工作特点：

　　1）可以实现工/变频自动切换功能。在变频器出现严重故障时，系统能够自动切入工频电网中，断开变频器时，负载不用停机，满足现场不能停机要求。

　　2）易实现三运一备运行方式。即一台变频运行，二台工频运行，一台工频备用；三台工频运行，一台变频备用。
            图5：一拖一方案

           图6：高压变频器工作原理

　　五、变频调速设备

　　HARSVERT-A高压变频器采用单元串联多电平电压源型拓朴方式。

　　其优点是采用输入多重化设计，高次谐波含量非常小，输出采用单元模块串联，使得谐波含量极低，在无输出滤波器的情况下，可使THD<3％，堪称“完美无谐波”高压变频器；极低的转矩纹波和电机噪声；功率因数可达0.95；对电机绝缘无损害，电缆长度无限制；便于冗余设计；中文操作界面便于维修。

　　1.系统结构

　　HARSVERT-A系列高压变频调速系统的结构如图7，由移相变压器、功率单元和控制器组成。10kV系列有24个功率单元，每8个功率单元串联构成一相。

           图7：高压变频调速系统结构图

　　2.功率单元结构

　　每个功率单元结构上完全一致，可以互换，其电路结构如图8，为基本的交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制。

           图8：功率单元结构图

　　4.输入侧结构

　　    输入侧由移相变压器给每个单元供电，移相变压器的副边绕组分为三组，对10kV系列，构成48脉冲整流方式；这种多级移相叠加的整流方式可以大大改善网侧的电流波形，使其网侧功率因数接近1。

　　    另外，由于变压器副边绕组的独立性，使每个功率单元的主回路相对独立，类似常规低压变频器。便于采用现有的成熟技术。

　　5.输出侧结构

　　    输出侧由每个单元的U、V输出端子互相串接而成星型接法给电机供电，通过对每个单元的PWM波形进行重组，这种波形正弦度好，dv/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用，可直接用于旧设备的改造；同时，电机的谐波损耗大大减少，消除了由此引起的机械震动，减小了轴承和叶片的机械应力。

　　    当某一个单元出现故障时，通过使继电器K闭合，可将此单元旁路出系统而不影响其他单元的运行，高压变频器可持续降额运行；如此可减少很多场合下停机造成的损失。

　　6.控制器

　　    控制器核心由高速单片机和工控PC协同运算来实现，精心设计的算法可以保证电机达到最优的运行性能。工控PC提供友好的全中文WINDOWS监控和操作界面，同时可以实现远程监控和网络化控制。控制器还包括一台内置的PLC，用于柜体内开关信号的逻辑处理，以及与现场各种操作信号和状态信号的协调，增强了系统的灵活性。

　　    控制器结构上采用VME标准箱体结构，各控制单元采用FPGA、CPLD等大规模集成电路和表面焊接技术，系统具有极高的可靠性。

　　    另外，控制器与功率单元之间采用光纤通讯技术，低压部分和高压部分完全可靠隔离，系统具有极高的安全性，同时具有很好的抗电磁干扰性能。

　　六、软件设计及自动化网络设计

　　1.软件设计

　　上位机系统选用亚控公司生产的组态王软件。该软件具有友好的人机界面，支持以太网络。可以很方便的实现远程监视等功能。报表、报警功能强大，支持OPC，支持多种型号的PLC通讯。

　　软件设计过程中，由于上位机的程序组态王不直接支持西门子的以太网通讯协议，因此需要利用OPC Server来作为过渡。这样也使得局域网上的机器可以方便调用该机的参数，便于远程监视。

　　两台上位机同时监控整个系统，当主上位机A故障退出时，从上位机B仍然能实时监控系统，这样保证系统的安全性、可靠性。

　　2.自动化网路设计

　　 控制系统由主控PLC、旁路柜控制PLC、高压变频器、上位机组成。其中主控系统采用西门子S7-300PLC、旁路柜内置西门子S7-200-PLC、上位机监控选用组态王软件。通讯网路在底层采用Profibus DP总线，主控PLC和上位机监控系统采用以太网通讯。西门子S7-300PLC作为整个系统的控制核心，处理人机界面对系统的各种请求，对整个系统的参数进行监控，实现对集气管压力的PID调节，维持管网的压力恒定。自动旁路柜集成有S7-200PLC,完成变频工频切换功能。上位机系统采用用户熟悉的组态王监控软件，与PLC的连接采用以太网方式。考虑现场工况，对安全性、可靠性、稳定性要求都很高，我们现场控制级采用Profibus DP总线连接，监控操作级采用Ethernet方案，接入焦化厂局域网主服务器系统，实现远程监视。配置上：西门子S7-200配置EM277 Profibus 总线模块，S7-300选用315-2 DP,并配置CP341-1T 以太网模块，PLC集成的DP接口用于连接S7-200，以太网模块CP343-1T用于和上位机的以太网连接。

　　控制网络具有如下特点：良好的稳定性、扩展性、软硬件的开放性以及友好的人机界面，上位机按冗余控制配置等优点。

　　七、结束语

　　用高压变频器控制水泵机组，大大改善了供水、净水生产及现场环境，完全达到了生产工艺要求。PLC控制技术、Profibus总线技术和高压变频技术的完美结合，使得集成自动化程度高，运行稳定，操作简单，节能高效明显等优点。

　　吉林市三水厂高压变频器控制系统的成功应用，对于节约电能、减员增效、技术创新，都具有很高的经济价值，值得推广。

　　要想送水泵站每台泵实现优化运行，就要研究其定性与定量的运行规律。我们根据吉林市区用水曲线、出厂压力与管网压力控制点，清水池水位等参数，正在建立优化控制数学模型，在此基础上，下一步定量控制净水厂泵站定速与变频调速机组优化运行时的流量、扬程、效率变化规律。这样可以根据用户对于用水量与扬程要求，实现最优化控制。这种方式实现之时，便可以满足用户对水量、水压的需要，又达到明显降低电耗的目的。这是我们面临的一个艰巨的、必须攻克的难题。

　　吉林市净水厂送水泵房水泵机组调速的经济效果很明显，比不调速节能30％左右，而且设备运行可靠，操作维护方便，由计算机控制，实现了吉林市第三净水厂优化控制，现代化管理。我们要继续努力,力争将吉林三水厂建成国内外先进水平的水厂。