高壓變頻裝置在大伙房水庫輸水應(yīng)急入連工程中的應(yīng)用

張玉坤

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院 沈陽 110006)

蔡 新 張 茹

(大連市供水有限公司 116021)

1 工程概況

大伙房水庫輸水應(yīng)急入連工程的主要任務(wù)是城市供水，以碧流河水庫為界分為碧流河水庫北段工程、碧流河水庫南段工程。其中，碧流河水庫北段工程含一級加壓的鞍山加壓泵站、二級加壓的蓋州加壓泵站，碧流河水庫南段工程包括雙塔加壓泵站、樂甲加壓泵站。

鞍山加壓泵站裝機(jī)6臺，其中，變頻泵3臺，單機(jī)容量3550kW，恒速泵3臺，單機(jī)容量3550kW，2用1備。蓋州加壓泵站裝機(jī)6臺，其中，變頻泵1臺，單機(jī)容量3550kW，恒速泵4臺，單機(jī)容量3550kW，3用1備。雙塔加壓泵站裝機(jī)5臺，其中，變頻泵3臺，單機(jī)容量2000kW，恒速泵2臺，單機(jī)容量2000kW。樂甲加壓泵站裝機(jī)2臺，其中，變頻泵2臺，單機(jī)容量710kW，恒速泵2臺，單機(jī)容量710kW。

2 調(diào)速方式確定

根據(jù)工藝要求，為適應(yīng)城市用水量需求的變化，節(jié)約能耗，部分運(yùn)行水泵電機(jī)要求具有調(diào)速能力。根據(jù)目前同規(guī)模泵站的調(diào)速經(jīng)驗，常見的調(diào)速方式有液力耦合器調(diào)速、串級調(diào)速、內(nèi)反饋調(diào)速、變頻調(diào)速等多種方式。

a.液力耦合器調(diào)速。液力耦合器調(diào)速應(yīng)用較早，成本較低，屬于滑差功率消耗型調(diào)速技術(shù)，轉(zhuǎn)速越低，效率越低，本身維護(hù)工作量也很大，需要經(jīng)常停機(jī)檢修、換件換油?；谝陨显?，盡管其成本低廉，除了歷史用戶以外，已經(jīng)很少有人采用，正被逐漸淘汰。

b.串級調(diào)速。串極調(diào)速是將轉(zhuǎn)子滑差能量整流后再逆變回電網(wǎng)的一種調(diào)速方法，屬于滑差能量回饋型調(diào)速技術(shù)，比液力耦合器調(diào)速在技術(shù)上占優(yōu)。由于控制對象是電機(jī)轉(zhuǎn)子，使用目前耐壓水平的開關(guān)器件就可以方便地實現(xiàn)對高壓電機(jī)的控制。當(dāng)調(diào)速范圍要求不高時，串極調(diào)速裝置容量較小，成本也較低。但串極調(diào)速只適用于繞線式異步電機(jī)，鼠籠型電動機(jī)無法使用。同液力耦合器調(diào)速技術(shù)一樣，串極調(diào)速也沒有解決電機(jī)的啟動問題，需要配置一套專門的啟動裝置。

c.內(nèi)反饋調(diào)速。內(nèi)反饋調(diào)速實際上也是串極調(diào)速的一種，是將轉(zhuǎn)子滑差能量整流后，再逆變送入電機(jī)的另一套定子繞組。內(nèi)反饋調(diào)速與一般串極調(diào)速技術(shù)相比，省掉了一臺逆變變壓器，但電機(jī)定子多了一套繞組，需要采用特殊制造的電機(jī)。同串級調(diào)速技術(shù)一樣，內(nèi)反饋調(diào)速裝置控制的是轉(zhuǎn)差功率，如果水泵對調(diào)速范圍要求不高，裝置容量可以設(shè)計得比較小，可以有效降低設(shè)備體積和成本。內(nèi)反饋調(diào)速的最低轉(zhuǎn)速一般只能到60%，在高速段會產(chǎn)生5%的速度損失。由于設(shè)備本身的低電壓大電流特性，限制了它可實現(xiàn)調(diào)速的電機(jī)容量的范圍(對于1000kW/6kV 電機(jī)，如果最低調(diào)到60%的速度，調(diào)速裝置電流就達(dá)到800A)，設(shè)備本身會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的諧波污染和功率因數(shù)滯后，需要采取諧波抑制和功率因數(shù)補(bǔ)償措施。內(nèi)反饋調(diào)速技術(shù)同樣沒有解決電機(jī)的啟動問題，需要專門的啟動設(shè)備。

d.變頻調(diào)速。變頻調(diào)速是現(xiàn)代交流調(diào)速的基礎(chǔ)和重要標(biāo)志，采用變頻調(diào)速對電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)數(shù)控制是最佳技術(shù)方案。變頻調(diào)速與串級調(diào)速不同，為定子端變頻調(diào)速技術(shù)。它通過改變電機(jī)定子的供電頻率，實現(xiàn)對電機(jī)的速度控制，因此它適用于鼠籠型電動機(jī)，克服了繞線式異步電動機(jī)需要經(jīng)常維護(hù)滑環(huán)的弊端。除了變頻器本身設(shè)備成本較高外，其優(yōu)越性是顯著的。

對適用該工程的2種調(diào)速方案進(jìn)行比較的結(jié)果，見下表。

高壓電機(jī)調(diào)速方式比較表

根據(jù)該工程對調(diào)速裝置可靠性和調(diào)速裝置節(jié)能要求，結(jié)合工藝專業(yè)經(jīng)濟(jì)比較，該工程推薦采用高壓變頻器作為調(diào)速裝置。

3 變頻裝置的選擇

目前高壓變頻裝置技術(shù)發(fā)展很快，可靠性大幅提升，效率教高，造價進(jìn)一步降低，為高壓變頻裝置的普及使用創(chuàng)造了條件。功率單元元件有采用低壓單元串級疊加、高壓IGBT、高壓IGCT 等方式，各有優(yōu)缺點(diǎn)。在輸出控制上多采用脈寬調(diào)制技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn):

a.系統(tǒng)只有一個功率控制級，簡化了主回路。由于輸入采用了二極管整流，因此功率因數(shù)較高(可達(dá)0.96)，同時也提高了系統(tǒng)的效率。

b.因為輸出電壓僅由逆變器本身決定，故電壓調(diào)節(jié)速度快、系統(tǒng)的動態(tài)性能好。

c.采用高頻調(diào)制后可獲得高質(zhì)量的輸出波形，抑制了較低次的高次諧波，增加了電機(jī)低速工作的穩(wěn)定性，降低了諧波電流及損耗，從而也擴(kuò)大了調(diào)速范圍(靜差率不大于3%～8%)。

d.多個逆變器可以接到一個公用的母線上，從而容易實現(xiàn)多電機(jī)拖動。

其缺點(diǎn)是:可控硅處在高頻開關(guān)狀態(tài)下?lián)p耗增加以及控制線路比較復(fù)雜，但隨著快斷可控硅的發(fā)展及邏輯技術(shù)的改進(jìn)，這種系統(tǒng)會越來越受到人們的重視。

高壓變頻裝置選擇時需重點(diǎn)注意裝置可靠性、諧波含量、抗干擾能力、效率及系統(tǒng)功能等。該工程選用一體化設(shè)計的西門子羅賓康PH—6—6 系列完美無諧波高壓變頻器。配用機(jī)端電壓為6kV的感應(yīng)式鼠籠型水泵電機(jī)。裝置本身具有功率因數(shù)高，效率高;諧波符合IEEE 519—1992 標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 14549—93 標(biāo)準(zhǔn);抗電源干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)變頻擁有5個獨(dú)立部件，即輸入濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償、隔離變壓器、逆變裝置和輸出濾波器。由于完美無諧波高壓變頻器極其完美的輸入/輸出特性，因此其主要部件僅需隔離變壓器和變頻器。一體化的系統(tǒng)設(shè)計使安裝和啟動變得快速簡單，同時也相應(yīng)降低了的成本。變頻裝置可以實現(xiàn)對電機(jī)的全部保護(hù)功能，可以實現(xiàn)恒定流量的閉環(huán)控制。

4 應(yīng)用效果

變頻裝置在大伙房水庫輸水應(yīng)急入連工程中投入使用后，運(yùn)行穩(wěn)定，使用方便，節(jié)能效果明顯。