制水企業(yè)高壓變頻器的選用

吳志偉

（上海城投水務(wù)（集團(tuán)）有限公司制水分公司，上海 200086）

0 引言

在制水企業(yè)生產(chǎn)成本中，日常管理中使水泵機(jī)組電耗保持在一個(gè)較經(jīng)濟(jì)合理的范圍內(nèi)，是企業(yè)節(jié)能工作的主要內(nèi)容。目前，公司下屬單位逐漸在6–0kV 電機(jī)上采用變頻調(diào)速，可以解決以下問(wèn)題：一是改善水廠泵站系統(tǒng)運(yùn)行中效率不高，避免在機(jī)泵選型中由于單機(jī)選型過(guò)大，寧大勿小，造成：大馬拉小車(chē)“的不合理匹配情況。二是傳統(tǒng)的定速水泵電機(jī)運(yùn)行，如長(zhǎng)期運(yùn)行在高壓楊程區(qū)域，管道沖擊不可避免，易使管網(wǎng)受到影響。采用變頻調(diào)速技術(shù)則可以改善。三是當(dāng)供水外管網(wǎng)壓力需求變動(dòng)時(shí)，水廠水泵揚(yáng)程也需變動(dòng)，以配合出廠流量和水位的變化，為此水泵運(yùn)行不可能一直固定在一個(gè)高效點(diǎn)上，需要變動(dòng)控制，而采用定速電機(jī)水泵的話，只能通過(guò)水泵出水閥門(mén)開(kāi)關(guān)角度大小來(lái)調(diào)節(jié)流量，使得電能白白浪費(fèi)在了水頭損失上。四是定速高壓電機(jī)啟動(dòng)在啟停過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生的機(jī)械沖擊和大啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的有一定的影響，高壓變頻器的軟啟動(dòng)和軟停特點(diǎn)，可以避免這種情況。現(xiàn)就公司下屬單位機(jī)泵選用6–10kV 電機(jī)的變頻器談?wù)勛约旱目捶ā?/p>

1 目前高壓變頻器技術(shù)的發(fā)展

按照目前我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和參照國(guó)際慣例，當(dāng)供電系統(tǒng)電壓等級(jí)大于或者等于10kV 時(shí)稱為高壓電，小于10kV 電壓大于或者等于1kV 以上電壓的則稱為中壓電。因此，針對(duì)制水企業(yè)所用的10kV 和6kV 兩種電機(jī)，適用的高壓變頻器正確的叫法應(yīng)該分別是高壓變頻器和中壓變頻器。但是考慮到變頻器廠家在產(chǎn)品供貨時(shí)，這一電壓范圍應(yīng)該是一個(gè)配用電壓等級(jí)的且具備共同的產(chǎn)品特征，另外，通常也習(xí)慣將1kV 以上配用電壓的變頻器稱為高壓電，所以文中都統(tǒng)稱為“高壓變頻器”。

當(dāng)集成門(mén)極換流晶閘管（igct）、絕緣柵雙極型晶體管（igbt）、柵控晶體管SGCT 等一些新型半導(dǎo)體器件相繼誕生并廣泛應(yīng)用于PWM 逆變和PWM 整流以后，高壓變頻器產(chǎn)品在體積減小的同時(shí)產(chǎn)生諧波小，功率因素提高明顯。對(duì)制水企業(yè)的高壓異步交流電機(jī)拖動(dòng)的水泵，目前最理想的調(diào)速方式就是高壓變頻器調(diào)速。

根據(jù)主電路結(jié)構(gòu)的不同高壓變頻器分為電流源型和電壓源型兩種：

（1）電流源型高壓變頻器。在逆變電路中為解決耐壓較低的問(wèn)題而采用了串聯(lián)SGCT 柵控晶體管的電流源型高壓變頻器，其特點(diǎn)具有較低的功率因素，直流部分采用的電抗器因儲(chǔ)存能量易發(fā)熱，被控制電機(jī)要求專用電機(jī)，效率低于電壓源變頻器，但在需要快速制動(dòng)的場(chǎng)合，其獨(dú)有可回饋能量的特點(diǎn)，成本較高。目前只有羅克韋爾（AB）公司的部分變頻器采用這種方案。

（2）電壓源型高壓變頻器。它是高壓變頻器廠家普遍采用的，主要是兩種結(jié)構(gòu)：一種是串聯(lián)單元多重電壓源功率單元串聯(lián)多電平型。美國(guó)羅賓康公司于1994年率先推出功率單元串聯(lián)的高-高方案，模塊化結(jié)構(gòu)，輸入側(cè)采用多電平PWM 技術(shù)，采用移相技術(shù)減少諧波污染，串聯(lián)多個(gè)低壓功率單元實(shí)現(xiàn)高電壓控制，對(duì)被調(diào)速電機(jī)沒(méi)有特殊要求，輸出電流波形好，減少了諧波含量。這一方案因?yàn)椴捎霉β蕟卧K化，不僅使得設(shè)備整體體積減小也使得當(dāng)功率單元發(fā)生故障時(shí)可以迅速更換，提高維護(hù)便利度。這種變頻器可以根據(jù)用戶的電壓決定串聯(lián)單元數(shù)目的多少，可以實(shí)現(xiàn)任意的電壓輸出。由于這一方案在成本和性能設(shè)計(jì)上有一定的優(yōu)勢(shì)，可靠性高，所以被大多數(shù)國(guó)內(nèi)的高壓變頻器的生產(chǎn)廠家采用。

另外一種是以ABB 公司為代表的采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、集成門(mén)極換流晶閘管（IGCT）的三電平電壓源型變頻器。

總的來(lái)說(shuō)，目前市場(chǎng)主流產(chǎn)品都是采用電壓源型的高壓變頻器。不管?chē)?guó)內(nèi)外品牌高壓變頻器采用哪種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總體上在可靠性、諧波含量、功率因素等方面都能滿足國(guó)家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在制水企業(yè)水泵機(jī)組中應(yīng)用都已不成問(wèn)題。

2 制水企業(yè)選用高壓變頻器需要考慮事項(xiàng)

2.1 水泵調(diào)速高壓變頻器首選電壓源型變頻器

雖然電流源型變頻器具有可回饋能量的特點(diǎn)，但功率因素較低，電抗器發(fā)熱量大，對(duì)電機(jī)要求高，成本較高，加之水廠泵站水泵機(jī)組也不需要運(yùn)行在第四象限，要求變頻器具備快速制動(dòng)的性能，因此，采用電壓源型變頻器是制水企業(yè)的最佳選擇。

2.2 選型和招標(biāo)前需要仔細(xì)辨析廠家和產(chǎn)品特點(diǎn)

電源源型高壓變頻器有兩種：一種是以其為羅賓康公司主要代表的，無(wú)輸入、輸出濾波器，主電路采用模塊化的逆變功率單元，多脈波整流用于輸入側(cè)，H 橋逆變疊加多電平用于輸出側(cè)的以單元串聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)來(lái)控制高壓電機(jī)轉(zhuǎn)速。這一方案諧波波形較完美、可靠性高、技術(shù)較成熟。另外一種是以日本富士公司和歐洲ABB公司為代表的少數(shù)企業(yè)在主電路輸入側(cè)采用多脈波整流，在輸出側(cè)用E 橋逆變疊加多電平輸出，逆變單元使用高壓模塊，控制高壓電機(jī)轉(zhuǎn)速。這個(gè)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是有輸入、輸出濾波器。

近年來(lái)，國(guó)外品牌通過(guò)兼并收購(gòu)來(lái)降低產(chǎn)品價(jià)格擴(kuò)大市場(chǎng)規(guī)模。如西門(mén)子收購(gòu)了羅賓康、AB 收購(gòu)了哈爾濱九洲、施耐德收購(gòu)了北京利德華福，使得廠家具備了高中低不同檔次產(chǎn)品。這也要求技術(shù)人員在選型時(shí)必須深入了解各家公司產(chǎn)品特點(diǎn)，仔細(xì)甄別廠家產(chǎn)品關(guān)鍵部件的品牌和產(chǎn)地；不同的廠家采用不同結(jié)構(gòu)主電路和原器件的不同，會(huì)使得其產(chǎn)品在諧波、功率單元個(gè)數(shù)、功率因素等技術(shù)指標(biāo)上都各有千秋，要求技術(shù)人員對(duì)不同產(chǎn)品研究透徹。如西門(mén)子的產(chǎn)品功率單元模塊可以具有軟旁路功能，這一專利采用中性點(diǎn)漂移技術(shù)開(kāi)發(fā)成特有的功率單元新型快速旁路技術(shù)，當(dāng)有功率單元故障退出運(yùn)行時(shí)，其三相線電壓保持平衡，正常運(yùn)行功率下降不多，不會(huì)突然停機(jī)，確保機(jī)組可以正常運(yùn)行。這個(gè)產(chǎn)品特點(diǎn)非常適合制水企業(yè)內(nèi)運(yùn)行機(jī)組緊湊，沒(méi)有多余機(jī)組，但又不能突然停機(jī)的場(chǎng)合，但由于這個(gè)專利功能是選配，如需要使變頻器具備這個(gè)功能就需要選型時(shí)候提出，并且預(yù)算要增加，但如果是備車(chē)多的場(chǎng)合也就沒(méi)有必要選用這個(gè)功能了。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)比較高壓變頻器類型和主要結(jié)構(gòu)，采用功率單元串聯(lián)多電平型高壓變頻調(diào)速裝置更加適合制水企業(yè)。通過(guò)仔細(xì)甄別產(chǎn)品特點(diǎn)和參數(shù)，選用一個(gè)成熟穩(wěn)定可靠并且售后有保障的高壓變頻器應(yīng)用于制水企業(yè)水廠泵站的電機(jī)調(diào)速中，除了能保證安全可靠供水外，對(duì)節(jié)能也可以作出不小的貢獻(xiàn)。