水源泵站变频调速设计经验总结
日期：2008-11-18 0:04:49 来源：中国自动化网
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1 引言
水泵的装机容量是按最不利条件下最大时流量和所需相应扬程确定的。水源泵站的流量相对恒定, 但是河流、湖泊、水库的水位是随季节变化，且幅度很大，所以泵站的几何扬程也是变化的。
水库水位的升高，表现在水泵几何扬程的减少，管路特性曲线平行下移。为了适应水泵的特性曲线，大多数情况下采取调节控制出口闸门、水泵运行台数等方法来调整管路的特性曲线，造成水泵能量的浪费。
如果能同时改变水泵转数，使水泵的特性曲线使其适应管路特性曲线的变化。不但可以充分地利用水库的位能，同时也大量的节省了电耗。
由中国市政工程东北设计研究院设计完成的大连市引英入连供水工程--水源工程于2001年6月建成投产，其供水能力为66万m3/d，水源取水泵站安装5台卧式离心水泵，其中4台水泵机组采用变频调速功率2750kW，另外一台恒速泵功率采用2800kW。该工程分两期实施，其中一期为供水能力33万m3/d、二期为供水能力33万m3/d。该工程应用水泵的变频调速技术及矢量控制技术，充分的利用水库位能，水泵常年运转在高效区，一期每年净省电费265万元，二期每年净省电费271万元。水源泵站采用2750kW变频调速电机，变频器为矢量控制技术的电源型变频器，已成功运行5年，在国内尚数首例。
2 调速泵的节能原理
为使水泵适应流量和扬程变化的要求。可采用变速调节，即在管道特性曲线基本不变时，采用改变转速来改变泵的Q—H特性曲线。使它的工作点保持在高效段，达到输入功率减少的目的。详见图1。
由此可见，当水泵在变负荷工作情况下，采用变频器调节水泵电机转速时，轴功率随转速比的三次方关系进行变化，节电效果明显。水泵转数的自动调节，可根据水泵出口流量计或压力计控制。
3 矢量控制原理
矢量控制又称为磁场定向控制，即模仿直流电机换向器的作用，保持磁场与电枢之间的角度固定为正交空间关系，因此在感应电动机中定子电流相对转子磁通来取向，以达到独立控制磁通和转矩的目的。
在三相到二相的静止坐标系变换中，通常采用三相平衡正弦电流的三相对称静止绕组，将产生合成磁动势F，并以同步转速w1旋转，A，B，C绕组的轴线形成三相静止坐标系。a，b为两相静止绕组，在空间上正交，且通人时间上相差90°的两相交流，同样可以产生与三相绕组一样的磁动势，只需由简单的三角函数变换即可得到转换矩阵。一般选择a轴与A相绕组轴线相重合。
在两相静止到两相旋转坐标系变换中，a－b为两相静止坐标系，M－T为两相旋转坐标系(2r)。M、T绕组在空间上也是正交的，且分别加上直流电压um、ut，其产生的磁动势F相对绕组是静止的。如果让M－T坐标以同步速度w1旋转，则它产生的磁动势将与a－b坐标系等效。M、T和a、b轴的夹角g(亦即M轴和A轴夹角)是一个变量，随负载、转速而变，不同时刻有不同的值。
从上述坐标变换可以看出，三相异步电机的数学模型经过两次坐标变换转换为两相旋转的直流绕组，从而对异步电机可以实现类似于直流电机的控制，即对空间正交而无耦合的无功分量－励磁绕组的磁化电流im以及有功分量－转子电流iw进行分别控制，图2清楚地表示了异步电机与直流电机之间的内在关系，当然所有控制是建立在高速微处理器实时运算和控制的基础上。
Simovert MV采用磁场定向矢量控制技术，图3是无速度传感器的磁场定向闭环控制原理图，加上虚线部分则是带有转速传感器的磁场定向闭环控制系统。它包括两个闭环控制，一是磁场闭环控制，二是附带从属转矩闭环的转速控制闭环。即将感应电机通过坐标变换模拟直流电机的控制，电流分解成有功分量和无功分量，有功分量控制电机的转矩，无功分量控制电机的磁通，两者通过电机的数学模型及电机的电压、电流的实时检测值计算得到，实现转矩、磁通的分别控制，从而模拟直流电机控制，这即是矢量控制的原理。无传感器矢量控制中的速度确定是通过检测实际电机的电压、电流，并经过电机的数学模型进行计算所得，一般在调速范围为1：10内可以采用此种控制方式；若在1：10以上须采用带有速度传感器的矢量控制才能满足要求。
在图3中，第一部分包括电机模型、坐标变换和门极触发部分，通过采用西门子sigma-delta 专利技术，精确地测量电机输入电压和电流值，并将这些值输入到电机数学模型中，由高速计算机实时计算出电机的滑差频率、电机转速、无功磁场控制电流分量和有功转矩控制分量，从而保证控制精度。第二部分为磁通控制环，磁通由特性曲线f*(n)获得给定值，在基速范围内 f* =常值 ， 在弱磁区域f* ~ 1/n。 第三部分为带有从属转矩控制环的速度 控制环， 转矩 控制 器 由 上 一级的速度控制器获得转矩值，并与由电机模型计算得到的转矩控制有功电流一起经过 调节 器 ，送至坐标变换器，再经过Vd校正器对触发单元进行控制。速度实际测量值或通过电机数学模型计算得到或通过速度传感器直接测量得到，其值与速度给定值一起送到速度调节器上，速度调节器的输出与dn/dt前馈控制一起形成转矩给定值，经过公式变换得到有功电流分量给定值，其值与经过电机矢量变换模型计算得到的实际值送到电机转矩控制有功分量控制器中，从而形成对电机转矩的控制。第四部分为内控制环的预控制，它需要稳态数据，由EMF计算机计算可得，控制器只进行校正。第五部分是在速度控制器处加上了dn/dt的前馈控制，是为了提高系统的动态性能。
图3 无（有）速度传感器的磁场定向闭环控制原理方框图
除了采用磁场定向闭环控制技术以外，Simovert MV还采用了最优脉宽PWM调制技术，减少转矩脉动，并且避免能引起机械系统共振的临界频率。
大连市引英入连供水工程水源泵站采用上述最新的电压源型变频器，较1986年以来其它项目采用的电流源型变频器的优点突出表现在，只需要一面变频调速柜，柜体体积小（2.418m×1.259m×2.2m）、占地面积小；变频器效率高（大于98.5%）；精度高；在20～100%负荷下整个系统的功率因数不小于0.96，同时降低了变压器和动力电缆容量，节约投资；在距离变频器1m的任何地方，噪音标准低于85db；高次谐波失真系数小于3%。
4 变频调速后的节能效果及分析
本工程采用变频调速恒压供水系统后，解决了目前存在的由于水库水位变化造成管网系统水压不稳定，设备故障频出等问题， 取得了良好的节能效果和经济效益。
英纳河水库的死水位为53m，正常水位为79.1m，高水位81.51m。多年水文记录，英纳河水库一年中高于常水位时期长达半年之久，而达最低水位的日数多则月余，少则几天，许多年份不出现最低水位。应用水泵机组调速，常年都可利用水库水位位能，节省电力消耗。水泵站电能的节省数量可按水位计算水泵轴功率来求得。但是逐日计算全年的电力消耗实为繁杂之事，为简便计，可按年常水位计算全年电力消耗代替逐日电耗之和，是可以满足经济效果评价要求的。
大连引英入连供水工程水源泵站一期每年节省电费量为442万度，二期每年节省电费量为452万度。按每度电0.6元计，则每年均能省电费536万元。而泵站的全部调速装置的基建投资为800万元，可见，水泵调速后经济效益显著。
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水泵的装机容量是按最不利条件下最大时流量和所需相应扬程确定的。水源泵站的流量相对恒定, 但是河流、湖泊、水库的水位是随季节变化，且幅度很大，所以泵站的几何扬程也是变化的。
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水库水位的升高，表现在水泵几何扬程的减少，管路特性曲线平行下移。为了适应水泵的特性曲线，大多数情况下采取调节控制出口闸门、水泵运行台数等方法来调整管路的特性曲线，造成水泵能量的浪费。
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如果能同时改变水泵转数，使水泵的特性曲线使其适应管路特性曲线的变化。不但可以充分地利用水库的位能，同时也大量的节省了电耗。
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2 调速泵的节能原理
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为使水泵适应流量和扬程变化的要求。可采用变速调节，即在管道特性曲线基本不变时，采用改变转速来改变泵的Q—H特性曲线。使它的工作点保持在高效段，达到输入功率减少的目的。详见图1。
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由此可见，当水泵在变负荷工作情况下，采用变频器调节水泵电机转速时，轴功率随转速比的三次方关系进行变化，节电效果明显。水泵转数的自动调节，可根据水泵出口流量计或压力计控制。
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3 矢量控制原理
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在三相到二相的静止坐标系变换中，通常采用三相平衡正弦电流的三相对称静止绕组，将产生合成磁动势F，并以同步转速w1旋转，A，B，C绕组的轴线形成三相静止坐标系。a，b为两相静止绕组，在空间上正交，且通人时间上相差90°的两相交流，同样可以产生与三相绕组一样的磁动势，只需由简单的三角函数变换即可得到转换矩阵。一般选择a轴与A相绕组轴线相重合。
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在两相静止到两相旋转坐标系变换中，a－b为两相静止坐标系，M－T为两相旋转坐标系(2r)。M、T绕组在空间上也是正交的，且分别加上直流电压um、ut，其产生的磁动势F相对绕组是静止的。如果让M－T坐标以同步速度w1旋转，则它产生的磁动势将与a－b坐标系等效。M、T和a、b轴的夹角g(亦即M轴和A轴夹角)是一个变量，随负载、转速而变，不同时刻有不同的值。
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从上述坐标变换可以看出，三相异步电机的数学模型经过两次坐标变换转换为两相旋转的直流绕组，从而对异步电机可以实现类似于直流电机的控制，即对空间正交而无耦合的无功分量－励磁绕组的磁化电流im以及有功分量－转子电流iw进行分别控制，图2清楚地表示了异步电机与直流电机之间的内在关系，当然所有控制是建立在高速微处理器实时运算和控制的基础上。
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Simovert MV采用磁场定向矢量控制技术，图3是无速度传感器的磁场定向闭环控制原理图，加上虚线部分则是带有转速传感器的磁场定向闭环控制系统。它包括两个闭环控制，一是磁场闭环控制，二是附带从属转矩闭环的转速控制闭环。即将感应电机通过坐标变换模拟直流电机的控制，电流分解成有功分量和无功分量，有功分量控制电机的转矩，无功分量控制电机的磁通，两者通过电机的数学模型及电机的电压、电流的实时检测值计算得到，实现转矩、磁通的分别控制，从而模拟直流电机控制，这即是矢量控制的原理。无传感器矢量控制中的速度确定是通过检测实际电机的电压、电流，并经过电机的数学模型进行计算所得，一般在调速范围为1：10内可以采用此种控制方式；若在1：10以上须采用带有速度传感器的矢量控制才能满足要求。
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在图3中，第一部分包括电机模型、坐标变换和门极触发部分，通过采用西门子sigma-delta 专利技术，精确地测量电机输入电压和电流值，并将这些值输入到电机数学模型中，由高速计算机实时计算出电机的滑差频率、电机转速、无功磁场控制电流分量和有功转矩控制分量，从而保证控制精度。第二部分为磁通控制环，磁通由特性曲线f*(n)获得给定值，在基速范围内 f* =常值 ， 在弱磁区域f* ~ 1/n。 第三部分为带有从属转矩控制环的速度 控制环， 转矩 控制 器 由 上 一级的速度控制器获得转矩值，并与由电机模型计算得到的转矩控制有功电流一起经过 调节 器 ，送至坐标变换器，再经过Vd校正器对触发单元进行控制。速度实际测量值或通过电机数学模型计算得到或通过速度传感器直接测量得到，其值与速度给定值一起送到速度调节器上，速度调节器的输出与dn/dt前馈控制一起形成转矩给定值，经过公式变换得到有功电流分量给定值，其值与经过电机矢量变换模型计算得到的实际值送到电机转矩控制有功分量控制器中，从而形成对电机转矩的控制。第四部分为内控制环的预控制，它需要稳态数据，由EMF计算机计算可得，控制器只进行校正。第五部分是在速度控制器处加上了dn/dt的前馈控制，是为了提高系统的动态性能。
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英纳河水库的死水位为53m，正常水位为79.1m，高水位81.51m。多年水文记录，英纳河水库一年中高于常水位时期长达半年之久，而达最低水位的日数多则月余，少则几天，许多年份不出现最低水位。应用水泵机组调速，常年都可利用水库水位位能，节省电力消耗。水泵站电能的节省数量可按水位计算水泵轴功率来求得。但是逐日计算全年的电力消耗实为繁杂之事，为简便计，可按年常水位计算全年电力消耗代替逐日电耗之和，是可以满足经济效果评价要求的。
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大连引英入连供水工程水源泵站一期每年节省电费量为442万度，二期每年节省电费量为452万度。按每度电0.6元计，则每年均能省电费536万元。而泵站的全部调速装置的基建投资为800万元，可见，水泵调速后经济效益显著。
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