應(yīng)用案例|中壓交流變頻器在水廠的應(yīng)用

投稿人：內(nèi)蒙古祺韻光迅科技有限公司-技術(shù)部-技術(shù)工程師-李先成

  本文通過烏蘭察布市中心城區(qū)應(yīng)急供水工程二級加壓泵站水泵的變頻控制系統(tǒng)來分析，在大型市政供水行業(yè)上的產(chǎn)品選型及高壓交流變頻器應(yīng)用特點(diǎn)和優(yōu)勢。

一、引言

烏蘭察布市中心城區(qū)應(yīng)急供水工程，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市境內(nèi)。水源為旗下營水源地及隆勝水庫，受水區(qū)位于烏蘭察布市集寧區(qū)、內(nèi)蒙古中西礦業(yè)有限公司、旗下營鎮(zhèn)工業(yè)園區(qū)內(nèi)蒙古伊東集團(tuán)東興化工有限責(zé)任公司，輸水管線穿越集寧區(qū)、卓資縣、察哈爾右翼前旗、察哈爾右翼中旗。日供水量達(dá)到2萬立方米，年供水量約700萬立方，全線120km，主要包括1#-11#水源井、一級加壓泵站、二級加壓泵站、高位水池、調(diào)節(jié)水池，凈水廠、油葫蘆灣調(diào)流調(diào)壓室等9項工程建設(shè)。項目建成投入使用，極大的滿足了中心城區(qū)居民生活用水需求，提高了城市供水安全保障能力。

二、現(xiàn)場環(huán)境和工藝介紹

a. 現(xiàn)場溫度：-25~26℃之間；

b. 現(xiàn)場濕度：現(xiàn)場濕度一般；

b. 有無粉塵：無；

d. 現(xiàn)場變頻器系列：XXXXXX；

e. 負(fù)載設(shè)備名稱：加壓泵；

f. 電機(jī)信息：高壓變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)；

g. 負(fù)載電流范圍：0~95.6A

h. 輸入電壓范圍：10KV±10%

i. 海拔高度：設(shè)備安裝與海拔1500m以下；

現(xiàn)場照片：

三、產(chǎn)品選型

  作為本項目非常關(guān)鍵的設(shè)備，變頻器驅(qū)動系統(tǒng)直接關(guān)系到整體項目投入運(yùn)營后是否能達(dá)到設(shè)計的供水能力，以及生產(chǎn)系統(tǒng)長期經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行。那么一般的高壓變頻器選型主要考慮的因素有：電機(jī)功率、電壓等級、控制方式、要求的調(diào)速范圍、負(fù)載類型等。

除上述必須考慮到因素外，還需充分考慮現(xiàn)場的環(huán)境和實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)備管理情況。

現(xiàn)場環(huán)境因素，如：一，對環(huán)境的適應(yīng)能力包括，變頻器應(yīng)具有對電網(wǎng)電壓波動的適應(yīng)能力。在母線上電動機(jī)成組自起動、母線上最大一臺電動機(jī)組起動時，變頻器應(yīng)能正常運(yùn)行不受影響。另外，在母線切換等情況下所造成的母線電壓瞬時失電發(fā)生后，變頻器應(yīng)具有持續(xù)或恢復(fù)運(yùn)行的功能。二，考慮現(xiàn)場環(huán)境，如灰塵、高溫、潮濕等?；覊m進(jìn)入變頻柜內(nèi)會導(dǎo)致絕緣下降或擊穿損壞電子元器件;灰塵堵塞濾網(wǎng)造成功率柜散熱效果差，易導(dǎo)致功率模塊過熱失效損壞。

生產(chǎn)管理因素，如：一般提升泵站都設(shè)置在交通比較偏僻的地方，除定期的巡查外，日常無值守。這就對設(shè)備的可靠性和自動化水平提出了較高的要求，所以在高壓變頻選型上要求結(jié)構(gòu)簡單、集成度高，同時為了達(dá)到無人化管理對整個泵站控制系統(tǒng)的智能化程度也提出了較高要求。

四、高壓變頻驅(qū)動設(shè)計方案

4.1 一次回路設(shè)計方案

根據(jù)該廠區(qū)電網(wǎng)容量足夠滿足兩用一備水泵的直接帶載啟動的實(shí)際情況，我司在變頻驅(qū)動方案上選擇手動切換旁路方案，可保證變頻器在故障停機(jī)或檢修時通過高壓真空接觸器直接手動切換至工頻運(yùn)行；該回路系統(tǒng)簡潔明了，便于操作和維護(hù)。一次回路圖如下所示：

 圖1 一拖一手動切換方案

一拖一手動旁路柜是由三個真空接觸器KM1、KM2、KM3組成。變頻器輸出真空接觸器KM3和工頻真空接觸器KM1互鎖，完全能夠保證變頻調(diào)速系統(tǒng)安全運(yùn)行。

(1)在變頻運(yùn)行狀況下，KM2、KM3閉合，KM1斷開。

如需手動切換至工頻運(yùn)行時，變頻器系統(tǒng)先發(fā)自由停車命令，再由電氣控制依次斷開KM3、KM2，然后電氣控制閉合KM1，使電機(jī)切換至工頻側(cè)，使電機(jī)工頻運(yùn)行；

(2)在工頻旁路運(yùn)行狀況下，KM1閉合，KM2、KM3斷開。

如需手動切換至變頻運(yùn)行時，先閉合KM2，待變頻器到就緒狀態(tài)后，斷開KM1，閉合KM3，使電機(jī)切換至變頻側(cè)，電機(jī)投入變頻運(yùn)行。

圖2 現(xiàn)場高壓變頻器（共3臺）

4.2 控制模式

選型產(chǎn)品高壓變頻器具備無傳感器矢量控制（SVC）功能，配備標(biāo)準(zhǔn)7英寸彩色觸摸屏方式，支持EtherNet/IP連接，調(diào)試簡單、使用方便、易于維護(hù)。

控制系統(tǒng)具備反應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)。操作面板安裝在控制單元柜前門上，同時控制柜門上還有指示燈及按鈕等。就地控制通過觸摸屏交互式人機(jī)界面可實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行參數(shù)的顯示，對變頻器的各種操作以及運(yùn)行和故障情況的實(shí)時記錄；遠(yuǎn)程控制通過PLC、上位機(jī)或機(jī)旁操作箱實(shí)現(xiàn)對變頻器的操作和監(jiān)控。

該項目為實(shí)現(xiàn)較高的自動化運(yùn)行和監(jiān)控能力，同時保證系統(tǒng)足夠簡潔邏輯分層上采用三層結(jié)構(gòu)，將加壓泵變頻器信號直接接至廠內(nèi)PLC系統(tǒng)進(jìn)行集中控制。系統(tǒng)原理圖如下圖所示：

圖3 加壓泵分布集中綜合監(jiān)控系統(tǒng)圖

該控制系統(tǒng)利用了PLC控制系統(tǒng)的高可靠性和高自動化的操作和管理能力，將現(xiàn)場水泵出口閥門的開關(guān)、管道的流量、壓力和前池液位信號等全部采集至PLC系統(tǒng)通過PLC編程和組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了泵站的智能化控制，水廠完全實(shí)現(xiàn)無人化24小時長期運(yùn)行。

圖4 控制柜觸摸屏控制畫面 

圖5 控制室上位控制畫面

五、 選型中壓變頻器產(chǎn)品原理和優(yōu)勢

5.1 變頻器產(chǎn)品原理

  本次項目選型高壓變頻器屬于直接高-高、交-直-交、電壓源型變頻器，它主要由輸入切分變壓器，功率單元柜和控制單元柜三部分組成。采用先進(jìn)的功率單元串聯(lián)疊波技術(shù)、空間矢量控制的正弦波PWM調(diào)制方法、新穎的操作界面和高性能IGBT功率器件。

  本項目應(yīng)用高壓變頻器的內(nèi)部接線圖如下：

圖6 內(nèi)部連線圖

三相高壓電經(jīng)用戶側(cè)的高壓開關(guān)柜進(jìn)入變頻器。

首先，經(jīng)過輸入變壓器的降壓，移相、然后供給功率單元柜中的功率單元。為功率單元供電的各副邊繞組是相互獨(dú)立，相互隔離的，這些單元分為三部分，每部分組成一相。在每一相中，相鄰功率單元的輸出端首尾相串，三相之間最終形成星形連接方式為高壓電機(jī)提供可變頻變壓的高壓交流電。

5.2 選型產(chǎn)品的優(yōu)勢

通過上述原理可以看出，本項目所選高壓變頻器能提供畸變可忽略的可變頻變壓的高壓交流電，供給交流電動機(jī)做變頻調(diào)速驅(qū)動用，非常適用本項目的標(biāo)準(zhǔn)異步電動機(jī)，而且對電網(wǎng)的不良影響可忽略。

項目產(chǎn)品具備如下優(yōu)勢：

  （1）對供電系統(tǒng)不產(chǎn)生明顯的諧波畸變，無需任何形式的濾波器，不會對其他敏感設(shè)備造成干擾；

（2）功率因數(shù)非常高，無需功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；

（3）電動機(jī)不必因諧波發(fā)熱而降容使用；

（4）電動機(jī)噪聲與采用工頻供電時相近；

（5） 電動機(jī)的電應(yīng)力強(qiáng)度與采用工頻電源時相近，無明顯附加影響；

（6）轉(zhuǎn)矩脈沖很低，不會導(dǎo)致機(jī)械共振，同時也減少傳動機(jī)構(gòu)的磨損；

（7）完整的參數(shù)化功能，容易設(shè)定，可滿足各種應(yīng)用的要求；

（8）完善的故障自診斷及保護(hù)，能對系統(tǒng)各種故障作出準(zhǔn)確報警和保護(hù)；

（9）全模塊化結(jié)構(gòu)，微機(jī)主控制器能準(zhǔn)確、快速定位故障部件和原因，數(shù)分鐘內(nèi)便可以排除或更換

六、結(jié)束語

作為內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市的重點(diǎn)民生工程，該工程采用了國內(nèi)外先進(jìn)的、適用的新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝。而作為本次項目的實(shí)施人員，我有幸參與了項目全過程的管理，我們始終堅持“做工程，就是做服務(wù)！”的理念，堅持從用戶的視角思考工程的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，在對國內(nèi)外產(chǎn)品進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，選定了運(yùn)用全新無傳感器矢量控制（SVC）技術(shù)和配備標(biāo)準(zhǔn)能效的高壓變壓器。其關(guān)鍵因素包括，產(chǎn)品雖為進(jìn)口品牌，但完全在國內(nèi)生產(chǎn)和研發(fā)，即保證了產(chǎn)品品控，也保證了產(chǎn)品更好的售后服務(wù)，同時其產(chǎn)品在國內(nèi)水行業(yè)有豐富的應(yīng)用案例，利用其強(qiáng)大的無沖擊軟啟和通信兼容功能，實(shí)現(xiàn)了水廠關(guān)鍵設(shè)備的免維護(hù)運(yùn)行和人工智能調(diào)節(jié)管理。減少電機(jī)啟動時的沖擊和電壓波動，延長電機(jī)壽命，為電網(wǎng)提供了更加穩(wěn)定、高效和節(jié)能的運(yùn)行方式。從項目上線運(yùn)行的實(shí)際效果說明，正確選擇是項目成功關(guān)鍵因素。