净水厂送水泵站的变频调速系统设计总结
日期：2008-11-18 0:04:49 来源：中国自动化网
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1 引言
哈尔滨市、大连市、吉林市、鞍山市等城市多个供水工程中，先后选用了不同型号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），鞍山王家峪净水厂用的是德国西门子公司八十年代末的设备（日元贷款），大连沙河口水厂用的是德国西门子公司1998年后推出的最新设备Simovert（日元贷款）。由于大连市沙河口净水厂产品新颖，运行可靠，技术先进，节能效益显著，所以本文重点介绍大连市沙河口净水厂的变频调速，很有代表性，很有实际意义。
以大连市沙河口净水厂为例：该净水厂是引碧入连工程的日元贷款项目，其供水能力为40万m3/d，2003年已建成投产。为了把沙河口水厂建成一个现代化的水厂，要求生产过程实现自动控制，节省电能，在送水泵房安装卧式离心水泵七台，包括三台调速水泵机组均由国外中标商提供，其中三台水泵机组用的三套变频调速设备为德国产品。水泵机组的电机容量为1000kW，定速电机电压为10kV，调速电机电压为3kV。
尽管当时有液力偶合器调速设备，串级调速设备。随着电力电子技术的发展，特别是大功率器件的迅速研究开发，作为最具发展潜力的功率转换器件IGBT具有四个吸引人的特点：开关频率高；简单的门极控制；无需吸收电路；电流自限制。正因如此应用IGBT的中压大功率变频器已经得到市场的认可和应用。
在调速设备的选型上，经过反复调研，耐心比较，决定用Simovert MV变频调速设备,它由三个柜体组成，还包括一台降压变压器。
2 调速泵的节能原理
大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，大连市也如此。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（见图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，还需要用调节阀来调节水量（见图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，使他扬程处处能与系统阻力相适应，做到没有多余压力的损失，且能保持管网供水压力恒定，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压力变送器，并设定压力值。自控系统据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，远传信号不很方便。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其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。
3 Simovert MV 系列变频器技术特点
Simovert MV电压源型系列变频器采用了基于电压空间矢量菱形调制原理的三电平技术，高性能矢量控制（VC）技术以及全数字无传感器控制技术。标准配置中在逆变器侧采用了大功率半导体全控器件－高压IGBT，网侧采用12脉动二极管整流器，从而保证网侧电源反馈谐波较小，并使电机受到较小的冲击。IGBT的开通和关断过程是连续可控的，其电流自限制功能使得过电流限制容易实现而无需其它附加电路，能够实现dv/dt控制，减少作用于电机和变压器绕组上的dv/dt。它的模块化设计准则使其得到灵活应用，在其标准输出范围内，冷却方式可在空冷，水冷方式中任选其一。无熔断器设计技术减少了故障点，与可靠的HV－IGBT一起构成了可靠性极高的变频器。
三电平中点箝位变频器采用的基本控制方法为电压空间矢量法，输出的空间矢量有33＝27种，其中8种重复的去掉，实际19种，包括一个零矢量，通过对输出电压的频率、电压（幅值）和 PWM调制（又称菱形调制），使之逼近理想的正弦连续系统具有的圆形电压矢量轨迹。
在三电平变频器中，每个桥臂虽有4个功率器件串联，但不存在任何两个串联器件同时导通或关断情况，因此无均压问题。
在同样的电流谐波条件下，三电平技术与二电平技术相比，使功率元件的开关频率减小四倍，因此开关损耗大大下降，从而可以使用较低的开关频率调制功率元件，提高了整个系统的效率，这也是采用三电平结构的中压变频器效率高的原因之一。
三电平逆变器每次切换时的电压只有直流环节电压的一半，因此其输出电压的dv/dt对电机及电缆绝缘等的影响与二电平技术相比被大大削弱。
Simovert MV标准配置如图5所示，其输入采用三绕组输入隔离变压器，输入变压器的隔离作 用使电机的中性点接近于地电位，防止了电机绝缘受到共模电压的作用而影响使用寿命，这对现 有电机改造项目尤为重要，另外输入变压器还在电网与变频器之间提供一个感抗，起到减小波形畸变的作用。两个二次绕组相应的输出相电压移相30°，接在两个串联的二极管全波整流电路构成12脉冲整流结构，通过电容稳压平波形成三电平中点箝位结构，然后经过三电平逆变器并采用矢量控制技术以及最佳脉宽优化技术使逆变器输出三电平的相电压和五电平的线电压，从而大大降低了输出谐波分量，而且使电机的谐波损耗减少。谐波满足IEEE－519－92以及GB14549－93等国际，国家标准的要求。
属于晶体管范畴的高压IGBT是全范围内可开关控制的全控器件，即它们的开关时间可随意调节，并可自行限制其电流的大小。其发射极电流是门极触发电压和温度的函数。在短路状态下，发射极与集电极间的电压降增加，而门极与发射极间的电压由门极驱动电路控制，因此短路电流可自动地被限制。图6是IGBT和IGCT的门极触发电流波形。IGCT与GTO一样都需要缓冲电路和复杂的门极触发电路，关断GTO时，需要大约1/3实际负载电流大小的门极电流，而IGCT则需要与实际负载电流大小相当的门极电流来实现它的开断，并需非常大的di/dt以保证整个晶片面积范围内导通，避免局部导通现象。而且为了获得这么大的门极电流和di/dt，其门极电路需要多个大功率MOSFETs并联和极低的阻抗值，GTO和IGCT的这种门极驱动方式称之为硬驱动，它要求其开关的速度必须尽可能地快，以便在整个晶片范围上同时工作，否则在晶片上初始导通的部分将会产生过流或在关断相上被重新施加阻断电压而过载，这即是门极电路加缓冲电路的原因。与此比较，IGBT中的载流子通过主负载电路泄放，不需缓冲电路，只需要大约5安培的门极电流来控制其开通和关断，而且反并联的二极管避免了反向过电压，从而保证其可靠地开通与关断。采用HV－IGBT的变频器与相应结构的采用IGCT或GTO的变频器相比具有较低的dv/dt。
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哈尔滨市、大连市、吉林市、鞍山市等城市多个供水工程中，先后选用了不同型号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），鞍山王家峪净水厂用的是德国西门子公司八十年代末的设备（日元贷款），大连沙河口水厂用的是德国西门子公司1998年后推出的最新设备Simovert（日元贷款）。由于大连市沙河口净水厂产品新颖，运行可靠，技术先进，节能效益显著，所以本文重点介绍大连市沙河口净水厂的变频调速，很有代表性，很有实际意义。
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以大连市沙河口净水厂为例：该净水厂是引碧入连工程的日元贷款项目，其供水能力为40万m3/d，2003年已建成投产。为了把沙河口水厂建成一个现代化的水厂，要求生产过程实现自动控制，节省电能，在送水泵房安装卧式离心水泵七台，包括三台调速水泵机组均由国外中标商提供，其中三台水泵机组用的三套变频调速设备为德国产品。水泵机组的电机容量为1000kW，定速电机电压为10kV，调速电机电压为3kV。
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尽管当时有液力偶合器调速设备，串级调速设备。随着电力电子技术的发展，特别是大功率器件的迅速研究开发，作为最具发展潜力的功率转换器件IGBT具有四个吸引人的特点：开关频率高；简单的门极控制；无需吸收电路；电流自限制。正因如此应用IGBT的中压大功率变频器已经得到市场的认可和应用。
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2 调速泵的节能原理
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大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，大连市也如此。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。
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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，还需要用调节阀来调节水量（见图2）。
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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。
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Simovert MV电压源型系列变频器采用了基于电压空间矢量菱形调制原理的三电平技术，高性能矢量控制（VC）技术以及全数字无传感器控制技术。标准配置中在逆变器侧采用了大功率半导体全控器件－高压IGBT，网侧采用12脉动二极管整流器，从而保证网侧电源反馈谐波较小，并使电机受到较小的冲击。IGBT的开通和关断过程是连续可控的，其电流自限制功能使得过电流限制容易实现而无需其它附加电路，能够实现dv/dt控制，减少作用于电机和变压器绕组上的dv/dt。它的模块化设计准则使其得到灵活应用，在其标准输出范围内，冷却方式可在空冷，水冷方式中任选其一。无熔断器设计技术减少了故障点，与可靠的HV－IGBT一起构成了可靠性极高的变频器。
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三电平中点箝位变频器采用的基本控制方法为电压空间矢量法，输出的空间矢量有33＝27种，其中8种重复的去掉，实际19种，包括一个零矢量，通过对输出电压的频率、电压（幅值）和 PWM调制（又称菱形调制），使之逼近理想的正弦连续系统具有的圆形电压矢量轨迹。
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在同样的电流谐波条件下，三电平技术与二电平技术相比，使功率元件的开关频率减小四倍，因此开关损耗大大下降，从而可以使用较低的开关频率调制功率元件，提高了整个系统的效率，这也是采用三电平结构的中压变频器效率高的原因之一。
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Simovert MV标准配置如图5所示，其输入采用三绕组输入隔离变压器，输入变压器的隔离作 用使电机的中性点接近于地电位，防止了电机绝缘受到共模电压的作用而影响使用寿命，这对现 有电机改造项目尤为重要，另外输入变压器还在电网与变频器之间提供一个感抗，起到减小波形畸变的作用。两个二次绕组相应的输出相电压移相30°，接在两个串联的二极管全波整流电路构成12脉冲整流结构，通过电容稳压平波形成三电平中点箝位结构，然后经过三电平逆变器并采用矢量控制技术以及最佳脉宽优化技术使逆变器输出三电平的相电压和五电平的线电压，从而大大降低了输出谐波分量，而且使电机的谐波损耗减少。谐波满足IEEE－519－92以及GB14549－93等国际，国家标准的要求。
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属于晶体管范畴的高压IGBT是全范围内可开关控制的全控器件，即它们的开关时间可随意调节，并可自行限制其电流的大小。其发射极电流是门极触发电压和温度的函数。在短路状态下，发射极与集电极间的电压降增加，而门极与发射极间的电压由门极驱动电路控制，因此短路电流可自动地被限制。图6是IGBT和IGCT的门极触发电流波形。IGCT与GTO一样都需要缓冲电路和复杂的门极触发电路，关断GTO时，需要大约1/3实际负载电流大小的门极电流，而IGCT则需要与实际负载电流大小相当的门极电流来实现它的开断，并需非常大的di/dt以保证整个晶片面积范围内导通，避免局部导通现象。而且为了获得这么大的门极电流和di/dt，其门极电路需要多个大功率MOSFETs并联和极低的阻抗值，GTO和IGCT的这种门极驱动方式称之为硬驱动，它要求其开关的速度必须尽可能地快，以便在整个晶片范围上同时工作，否则在晶片上初始导通的部分将会产生过流或在关断相上被重新施加阻断电压而过载，这即是门极电路加缓冲电路的原因。与此比较，IGBT中的载流子通过主负载电路泄放，不需缓冲电路，只需要大约5安培的门极电流来控制其开通和关断，而且反并联的二极管避免了反向过电压，从而保证其可靠地开通与关断。采用HV－IGBT的变频器与相应结构的采用IGCT或GTO的变频器相比具有较低的dv/dt。
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