淺談高壓變頻技術(shù)在大型多梯級(jí)提水泵站中的應(yīng)用

曾樹人

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 白銀 730700）

1 高壓變頻技術(shù)理論概述

變頻器主要分為3 種：①通用變頻器，國(guó)際上將1 kV 以下的低壓變頻器叫做通用變頻器；②高壓變頻器，即超過(guò)3 kV 以上的全部變頻器；③中壓變頻器，即處在1～3 kV 范圍內(nèi)的變頻器[1]。

對(duì)于變頻器的分類，倘若依據(jù)電壓等級(jí)與用途進(jìn)行劃分，那么分為高壓變頻器與通用變頻器；倘若將中間環(huán)節(jié)有無(wú)直流作為劃分參考，那么分為交交變頻器與交直交變頻器；如果按照直流電源的不同性質(zhì)進(jìn)行劃分，那么分為電壓型變頻器與電流型變頻器[2]。

高壓變頻器不僅具有較高的電壓，而且具有較大的功率，在可靠性方面占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)，是一種多樣化的技術(shù)。其電壓通常是3 kV、6 kV、10 kV；功率的范圍也是固定的，即400 kVA 以下、1 000 kVA 以下；復(fù)雜的技術(shù)較多，如電流型、三電平、電壓型等；具有良好的可靠性，對(duì)大功率電力電子器件具有積極作用，有效維護(hù)了其容量的穩(wěn)定性，且在變頻器實(shí)際運(yùn)行環(huán)節(jié)不會(huì)出現(xiàn)異常情況。此外，高壓變頻器通常應(yīng)用在工礦企業(yè)，是此類企業(yè)不可缺少的重要設(shè)備，必然會(huì)要求其具有極強(qiáng)的可靠性，所以，可靠性的保證是高壓變頻器獲得認(rèn)可的主要原因?？煽啃缘暮x體現(xiàn)在兩個(gè)層面：第一個(gè)是部件與整機(jī)的可靠性，應(yīng)用的過(guò)程中較為順利，平均無(wú)故障時(shí)間較長(zhǎng)，即2 萬(wàn)h；第二個(gè)與設(shè)備故障相關(guān)，其維修難度較小。對(duì)于高壓變頻器而言，之所以自身的可靠性強(qiáng)，主要是因?yàn)槊總€(gè)部件都十分穩(wěn)定，以此形成最大程度的優(yōu)化。

高壓變頻器的作用如下：①節(jié)能增效。促進(jìn)風(fēng)機(jī)和水泵的工作效率，有效調(diào)整風(fēng)量，避免風(fēng)量過(guò)小或者過(guò)大，并將水流量調(diào)整到合理范圍，不再需要采用傳統(tǒng)的調(diào)整方式，節(jié)能效果更加顯著。通常而言，在應(yīng)用交流變頻調(diào)速的過(guò)程中，由于閥門的能量損失已經(jīng)消失，并充分借助風(fēng)機(jī)、水泵的作用，拉近與峰值效率的距離，因此能夠大幅度提高總效率。②軟啟動(dòng)功能。無(wú)論是大型交流同步電動(dòng)機(jī)，還是異步電動(dòng)機(jī)，其起動(dòng)方式無(wú)區(qū)別，有些情況下為直接起動(dòng)，還有些情況下為降壓起動(dòng)。在過(guò)程中電流較大，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓與之前不同，即保持降低狀態(tài)，致使其他電氣設(shè)備無(wú)法暢通無(wú)阻運(yùn)行，且電機(jī)主軸也將產(chǎn)生明顯變化，出現(xiàn)了嚴(yán)重的機(jī)械沖擊，很大概率發(fā)生疲勞斷裂的狀況，導(dǎo)致機(jī)械壽命縮短。如果電網(wǎng)容量較小，那么起動(dòng)成功的概率明顯降低。而融入高壓變頻器之后，“軟”起動(dòng)的目的實(shí)現(xiàn)，電機(jī)速度的起動(dòng)時(shí)間為零。起動(dòng)電流具有一定要求，不可超過(guò)額定電流的1.5 倍，主軸的平衡升速較為穩(wěn)定，以選定的加速度為主[3]。變頻裝置的特性具有積極意義，促使起動(dòng)和加速環(huán)節(jié)更加順利，避免電機(jī)受到起動(dòng)帶來(lái)的嚴(yán)重干擾，進(jìn)一步增強(qiáng)了電網(wǎng)的穩(wěn)定程度，促使電機(jī)的使用壽命延長(zhǎng)，機(jī)械的使用年限也明顯提升。

2 項(xiàng)目背景

景泰川電力提灌工程（以下簡(jiǎn)稱“景電工程”）屬于甘肅省大型水利提灌工程項(xiàng)目，具有高揚(yáng)程、多梯級(jí)、大流量等特征，作為典型的大Ⅱ型提灌工程項(xiàng)目，其同時(shí)跨越了不同省份[1]。20 世紀(jì)中后期，二期工程正式開工，隨著時(shí)間的推移順利投入使用。最開始設(shè)計(jì)的水流量是18 m3/s，隨后在此基礎(chǔ)上增加，即21 m3/s。而近年來(lái)，此工程受到客觀因素的干擾，水流量產(chǎn)生明顯改變，高峰值為25 m3/s，提水量也明顯大于之前?，F(xiàn)階段，其總共修建了30 座泵站，裝機(jī)容量也明顯增加，為192 700 kW。

3 利用高壓變頻設(shè)備的必要性

通過(guò)上文可知，在供水環(huán)節(jié)，各個(gè)梯級(jí)泵站機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)不同，水流量也存在不用程度的差異性。雖然技術(shù)部門落實(shí)了控制水流工作，并將葉輪車削等技術(shù)應(yīng)用于該環(huán)節(jié)，但最終效果依舊不夠理想，只能多次通過(guò)開機(jī)、關(guān)機(jī)處理在一定程度上改善相關(guān)問(wèn)題。同時(shí)，景電工程的耗電規(guī)模明顯大于諸多工程，倘若想獲得健康的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，必須處理明顯的停機(jī)問(wèn)題。分析如何降低運(yùn)行成本，并真正實(shí)現(xiàn)此目的。

依據(jù)調(diào)查信息可知，景電工程每年的開機(jī)停機(jī)次數(shù)較多，為800～900 臺(tái)次，某些天的開停機(jī)操作能達(dá)到十幾臺(tái)次。此種行為存在明顯弊端，除了降低電極絕緣強(qiáng)度外，也加大了故障出現(xiàn)的可能性，能耗越來(lái)越高，同時(shí)縮短了機(jī)組使用壽命。任何一次檢修，都需花費(fèi)相應(yīng)成本，且費(fèi)用呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。依據(jù)目前現(xiàn)狀分析，應(yīng)用高壓變頻設(shè)備的領(lǐng)域較多，泵出水量調(diào)控理論逐漸趨于成熟。但在黃河流域中具有差異性，可以實(shí)現(xiàn)高揚(yáng)程、多梯級(jí)，同時(shí)引入高壓變頻設(shè)備的輸水泵站少之又少，因此在實(shí)際工作中并未彰顯出相關(guān)效用。建設(shè)泵站的過(guò)程中，大部分參數(shù)提供的數(shù)據(jù)都不準(zhǔn)確，而且泥沙水質(zhì)不可避免會(huì)破壞部件，在客觀環(huán)境的干擾下，景電工程只能安裝變頻設(shè)備，由此才可以打破低效率、高成本的局面，進(jìn)一步提升安全性。

4 高壓變頻工作原理

高壓變頻機(jī)組，是指高壓變頻器的安裝工作完畢后，通過(guò)變頻技術(shù)調(diào)整流速，由于電源頻率具有差異性，所以對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速也各不相同，由此能夠使水泵運(yùn)行狀態(tài)保持在合理范圍內(nèi)。動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速和電機(jī)運(yùn)作速率、電機(jī)極對(duì)數(shù)的關(guān)系為n=60f/p。其中，n為動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，f為電機(jī)運(yùn)作速率，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。從中可以判斷出，n與f之間呈現(xiàn)正向作用關(guān)系，在頻率不斷提升的情形下，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速率持續(xù)上升[4]。而n與p之間為反向作用關(guān)系，電極極對(duì)數(shù)持續(xù)增長(zhǎng)，電極轉(zhuǎn)動(dòng)速率越小。但受到客觀因素的干擾，可以調(diào)整的極對(duì)速度是有限的，通常不超過(guò)3 種，而且與平滑調(diào)速要求具有一定偏差。應(yīng)用高壓變頻模式屬于一項(xiàng)積極措施，可以使能耗降低。在控制電機(jī)速度的整個(gè)階段里，高壓異步電動(dòng)機(jī)是主體，應(yīng)用原理為調(diào)整供電頻率；在速度調(diào)整時(shí)期，功率低、效率高，所以受到工業(yè)領(lǐng)域的青睞，在實(shí)際工作中經(jīng)常應(yīng)用，也是最科學(xué)、有效的速度調(diào)整方法。

5 高壓變頻技術(shù)在景電工程中的應(yīng)用分析

目前，景電工程進(jìn)一步改進(jìn)了相關(guān)項(xiàng)目，在國(guó)外采購(gòu)了先進(jìn)的變頻器，主要應(yīng)用對(duì)象為二期工程項(xiàng)目。此類高壓變頻器體現(xiàn)出明顯的特殊性，其轉(zhuǎn)變電流的過(guò)程中以控制變壓器為途徑，隨后將三相可控硅整流技術(shù)作為應(yīng)用手段，有效管理了電流，最后當(dāng)晶體管以及逆變器全面發(fā)揮出自身功能后，形成了690 V 交流電。

5.1 有效調(diào)節(jié)泵站之間的不平衡流量

對(duì)于高壓變頻器，其調(diào)頻精度通常是0.01 Hz，在符合要求的基礎(chǔ)上能夠進(jìn)行調(diào)整，主要以平滑方式為主[5]。只是在具體調(diào)頻階段內(nèi)，倘若出現(xiàn)頻率過(guò)低的情況，水泵將不會(huì)繼續(xù)出水，所以應(yīng)將實(shí)際情況作為參考重點(diǎn)，秉持科學(xué)合理的原則選出最有效的方式，調(diào)整范圍的影響因素是多樣的，其中之一為機(jī)組頻率。

5.2 減少資源浪費(fèi)、提高效率

在調(diào)整水流的過(guò)程中，變頻技術(shù)的和高壓變頻器的應(yīng)用頻率較高，有利于節(jié)能最大化的實(shí)現(xiàn)[6]。對(duì)安裝前后數(shù)據(jù)展開比較后，開停機(jī)頻率與之前不同，呈現(xiàn)出迅速下降趨勢(shì)，系統(tǒng)總耗電量同樣降低。

變頻技術(shù)的不斷應(yīng)用，有效提升了資源利用率，促使整體運(yùn)行效益更加理想；對(duì)物質(zhì)損耗進(jìn)行了合理控制，防止噪聲過(guò)大；打破了以往調(diào)水質(zhì)量不足的局面，也提升了調(diào)水效率；省去了輸入諧波濾波器等裝置，避免花費(fèi)成本較高。

5.3 提高運(yùn)行的安全性、可靠性

變頻設(shè)備與軟啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)要求無(wú)差異性，可以逐漸轉(zhuǎn)變到變頻模式。在低頻條件下啟動(dòng)電機(jī)，不會(huì)出現(xiàn)巨大熱量，也降低了絕緣老化速率。同時(shí)，變頻機(jī)組在出水管道的作用也十分顯著，防止壓力、沖擊過(guò)大，從根本上解決了管道破裂等問(wèn)題[7]。對(duì)比應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的前后數(shù)據(jù)信息，可以知曉如果大規(guī)模泵站可以成功應(yīng)用高壓變頻器，將會(huì)進(jìn)一步提升調(diào)水規(guī)模的精準(zhǔn)性，且不會(huì)帶來(lái)較為嚴(yán)重的諧波污染，能在改善輸入功率因數(shù)條件下，促使運(yùn)作過(guò)程較為安全。

5.4 為實(shí)現(xiàn)“少人值守、無(wú)人值班”提供有力依據(jù)

在調(diào)水變頻調(diào)速系統(tǒng)的幫助下，可以全天性運(yùn)作，當(dāng)系統(tǒng)處在工頻狀態(tài)，且泵口壓力值與要求相一致后，那么使工頻機(jī)組處在工作狀態(tài)即可有效控制水量[8]。在此情況下，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)管理水流量的目的，變頻系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)不會(huì)超出規(guī)定范圍；接收到調(diào)度指令后，調(diào)整定值較為簡(jiǎn)單，只需在機(jī)位上完成即可，防止調(diào)水精確性受到負(fù)面影響。從景電工程項(xiàng)目的角度分析，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用時(shí)間較長(zhǎng)，其真正降低了能耗，每年節(jié)約的電能規(guī)模較大，即178 萬(wàn)kW·h 以上。同時(shí)也有效解決了工頻電機(jī)頻繁啟停的問(wèn)題，防止出現(xiàn)安全隱患，轉(zhuǎn)變了以往調(diào)水效率較低的局面。

5.5 是泵站現(xiàn)代化、自動(dòng)化控制的重要環(huán)節(jié)

在大規(guī)模泵站中，變頻技術(shù)具有極為關(guān)鍵的作用，高壓變頻器也表現(xiàn)出較強(qiáng)的適用性，兩者的應(yīng)用日益廣泛，再加上計(jì)算機(jī)技術(shù)水平的不斷提升，促進(jìn)了PLC與變速調(diào)速技術(shù)的良好結(jié)合，避免泵站的作用受限。變頻調(diào)速系統(tǒng)具有性能良好、操作難度小、不易被影響等優(yōu)點(diǎn)。隨著該系統(tǒng)的不斷應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了多臺(tái)水泵同步運(yùn)作的目的，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)操作模式存在的不足之處。當(dāng)融入網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)之后，可以知曉水泵機(jī)房的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，對(duì)此進(jìn)行控制與維護(hù)，避免變頻器在實(shí)際操作中較為困難，使其工作的穩(wěn)定性更強(qiáng)[9]。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)踐可以了解到，高壓變頻器除了具有良好的性能之外，在運(yùn)作的過(guò)程中可靠性較強(qiáng)，其處在高效節(jié)能裝置管理的范圍內(nèi)。高壓變頻器的穩(wěn)定性較強(qiáng)，保障了風(fēng)機(jī)和水泵的穩(wěn)定工作狀態(tài)，不斷調(diào)整風(fēng)量，促使風(fēng)量處在正常范圍內(nèi)，也可以調(diào)整水流量，避免水流量過(guò)大或過(guò)小，有效轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的調(diào)整方式，節(jié)能效果更加顯著。通常而言，在應(yīng)用交流變頻調(diào)速的過(guò)程中，由于閥門的能量損失已經(jīng)消失，并充分借助風(fēng)機(jī)、水泵的作用，因此拉近了與峰值效率的距離。在本文的研究中，景電工程的特征明顯，首先為梯級(jí)泵站多，其次為揚(yáng)程高，在此環(huán)節(jié)采用變頻設(shè)備之后，有效解決了不同泵站水量差異化問(wèn)題，避免機(jī)組頻繁啟停的現(xiàn)象屢屢出現(xiàn)，整個(gè)運(yùn)行方式均呈現(xiàn)更加理想的狀態(tài)。綜上所述，河流域高揚(yáng)程多梯級(jí)泵站需緊跟新時(shí)代步伐，認(rèn)識(shí)到變頻調(diào)速技術(shù)的多種優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于實(shí)際工作中，促使中國(guó)大規(guī)模泵站調(diào)水技術(shù)獲得較大進(jìn)步。