高壓大功率變頻器在城市供水系統的應用
高壓大功率變頻器在城市供水系統的應用
近年來，從各行業所使用的調速裝置的情況看，高壓大功率變頻器的應用在不斷的深入到各種行業的生產系統及設備上。高壓大功率變頻器一方面具有調速精度高、功率因數高等特點，而且可以降低和減少機械設備的磨損和噪音，改善勞動條件，滿足生產工藝的要求；另一方面，高壓大功率變頻器也是一種有效的節能降耗設備，能將因設計余量、節流損耗及用量變化等而浪費的電能節省下來，為各行業的企業的發展帶來無限的生機。
關鍵詞：高壓大功率變頻器 “高—低—高”電流型變頻器 “水捶” 爆管 恒壓（變壓）供水 驅動拖動方式 PLC 觸摸屏 PID調節
一、 概述
城市供水系統是現代生活和生產過程中不可缺少的重要的公共設施之一，因其供水范圍大容量大，供水水泵的功率大，牽扯到的問題廣，故可直接影響到人們的工作和生活，提高供水系統的安全可靠性及供水質量等也是個急需解決問題。
城市供水系統運行時間長，在使用過程中還存在著供水壓力不穩、爆管故障及耗電量等等問題。據有關調查統計，供水系統能耗不僅給能源、城市建設及環境保護帶來巨大壓力，也給經營的單位帶來較沉重的經濟負擔。既要保障供水系統的安全可靠性提高供水質量，又能降低供水系統的能源消耗，迫使設計供水系統的專家們不斷的改造舊系統，開發使用現代化的可靠性高的能耗低的高科技新產品。
二、 傳統的城市供水系統狀況
城市供水系統通常由水廠（一般含取水泵、水處理系統、供水泵等）、增壓系統及其供水管網系統等組成。
城市供水系統的設計及其供水水泵的配置通常是按城市在一個時期的發展的最大供水量來考慮的，并由此配備帶有一定余量的水泵驅動電機，對于較大規模的水廠通常是采用高壓電機驅動。
城市供水系統實際使用過程中出現最大（高峰）供水負荷的時間較少，根據一些資料統計，城市供水系統的水泵會經常在低負荷下運行，因而會出現人們常用來形容大電機帶小負載所出現的“大馬拉小車”的現象，這樣日積月累的同樣會造成大量的能源損耗，以及使長期處在工頻額定狀態下的水泵的機械磨損嚴重，設備故障增加，使用壽命縮短等。
傳統的城市供水系統是對水泵的出口閥采用全開閥半開閥及開停泵控制方法，這種控制方式存在以下幾個問題：
1、城市供水系統的水泵配套的大功率電機在啟動和停止時對配電系統的沖擊大，不利于電網的安全運行。低負荷時電機的功率因素低、空載損耗大，占用配電系統的相對補償容量大。
2、節流損失大，使供水系統長期在低效率狀態下運行，會增加供水系統相應的能源消耗。
3、供水壓力呈階段性的的變化，在工頻狀態下啟停大功率的水泵，也會沖擊供水管網，同時易產生“水錘”現象，增加管網的跑冒滴漏現象以至于爆管，很不利于管網的安全運行。
三、高壓大功率變頻器
隨著近十幾年電力電子技術和微電腦技術的不斷發展、完善，高壓大功率變頻器性能也日趨完美，已被不同學科、不同行業的工程技術人員廣泛應用于不同的領域，且出現了很多的精品應用設計。為企業帶來了可觀的經濟效益，推動了工業生產的自動化進程。
高壓大功率變頻調速器通常采用IGBT為逆變功率器件，經過多年的使用和研發，其可靠性、可用性能不斷的得到提高，作為核心器件為高性能的高壓大功率的設計開發提供了可靠的基礎保證。
高壓大功率變頻器按其變頻的方式可分為“交—交”型和“交—直—交”型，“交—交”型一般用于低速重轉矩的場合（如軋鋼機等），在此不去討論。
在水泵及風機上所使用的大功率變頻器一般都是“交—直—交”型的，根據所驅動設備的具體情況決定是選用“交—直—交”電壓型或“交—直—交”電流型。電壓型變頻器：中間耦合電路電容較大，使逆變輸入端直流電壓保持恒定，不受負載變化的影響，則逆變器的輸入端可以看成是一個電壓源（如深圳市梅林水廠安裝的四套1000 kW SIEMENS電壓型變頻器）。電流型變頻器：中間耦合電路電感較大，則逆變器輸入端就可以看成是一個電流源（如東莞梨川二水廠裝有一套800KW SIEMENS電流型變頻器）。
從整個高壓大功率變頻器系統的電壓變換的情況來看，高壓大功率變頻器系統還可分為“高—高”型、“高—低（中）—高”型（如東莞梨川二水廠裝設的為 SIEMENS“高—低—高”型變頻器）及“高—低”型（如深圳市梅林水廠安裝的為SIEMENS“高—低”型變頻器）。
因為高壓功率模塊的價格昂貴，也使得使用“高—高”型高壓變頻器比使用“高—低（中）—高”型高壓變頻器貴很多的情況，再者對于功率在200KW~500KW的高壓電機來說，如首先需考慮的是被控系統的工藝質量，則高壓大功率變頻系統可通過低壓大功率變頻器與兩臺變壓器（一降一升）組態來實現，其中變頻器還可采用國產的，這種組態的“高—低—高”型變頻器系統要比“高—高”型高壓變頻器經濟很多。
圖一所示SIEMENS公司的800KW“高—低—高”型變頻器的組態系統，這種型式的變頻系統在有些地方是使用國產化的產品組態完成。
這種組態的高壓變頻器系統因通過變壓器三角接線方式接入電網，故對電網的諧波污染小。中間的變頻器因可選用電流型的，又可達到大電流的輸出目的。
組態的“高—低—高”型變頻器系統雖然經濟實惠，但在實際使用時還需考慮其中變壓器的特殊性、變壓器的保護設計以及高電壓系統等因素。
組態的高—低—高電流型變頻器優點：
1）啟動轉矩大，輸出電流穩定，負載能力強，可靠性高，可適配的高壓電動機種類多。
2）因輸入、輸出變壓器均有濾波作用，故電流諧波小，且對其也無須考慮功率因數補償及加裝諧波抑制裝置。
3）維護簡單，適應現場多變需求。
4）高壓主回路與主控制板（器）之間進行強弱電隔離，安全性好。
5）故障檢測完善，各種智能化保護齊全，可故障顯示和報警。
6）控制電源與高壓電相互獨立，檢測方便，便于現場調試。
7）可接收和輸出多種工業標準信號，調節控制簡單，易組成多種應用系統。
8）相對投資少，經濟實用。
三、高壓變頻恒壓（變壓）供水
變頻節電原理：
高低壓變頻調速的節電原理就變頻系統（從整流到逆變輸出）本身而言都相同，即水泵電機的轉速（變頻器輸出頻率）與其功率的三次方成正比，著方面的論述目前在各種刊物、網絡等上已有很多，在此就不再重復。
關于變頻驅動的拖動方式：
高低變頻器及系統的單位投資高于低壓變頻器及系統，再因為功率大引起的總投資就更大了，這樣就需要從節省投資上多下功夫，盡量做到即能得到變頻調速節能系統帶來的經濟效益，又節省投資額度。與低壓變頻器及系統相同的是可以從高低變頻器及系統拖動方式上做文章。
關于變頻驅動的拖動方式牽扯到的問題較廣，在此特做如下介紹：
1、根據電氣邏輯可知：變頻器驅動的拖動方式理論上可實現n拖n，n=1、2、3...n，實際應用時，一般最多做成“1拖4”到“2拖4”，再多無意義且反使投資因控制驅動系統過于復雜而急速上升。
2、拖動方式實現的辦法：有些國內品牌的變頻器生產商，將驅動多臺水泵的功能設置在變頻器內，這種做法會不會出現：如變頻器出現故障就會使得整個自控系統癱瘓？如要使自控系統在變頻器出現故障時能繼續使用，則需另設電路并加控制設備，這反使系統變得更為復雜。
據經驗：簡單的PID調節功能可設置在變頻器內部，復雜的調節方式則最好通過專用調節器或PLC來實現，對于投切驅動的自控功能二臺以上最好由電氣電路或PLC來實現。
3、切換拖動的安全：在設計時應在單機的工頻與變頻間及多機的變頻與變頻間設置軟件和硬件（電氣、機械）聯鎖；在變頻與工頻的輸出端間還可增設雙向刀閘箱（低壓）或是三工位隔離刀閘柜（高壓）可進一步加強其安全可靠性。
關于自動調節方式
一般是采用PID的閉環自動調節方式，其基本過程是：用壓力傳感器對供水系統母管出口的水壓進行采樣，轉換成電量信號(一般為4—20mA、0—10V等)后送至PID調節器或PLC（變頻器內置PID功能的可直接送至變頻器）等，將該信號與設定值進行比較運算后，送至變頻器，并用來調節變頻器（系統）的輸出頻率，從而改變了水泵轉速并調節供水壓力（供水量）以達到恒壓供水的目的。
近年來，隨著模糊控制理論的不斷發展，其控制算法也在應用到實際中。它不僅能實現控制，從理論上講還能模擬人的思維方式，對一些無法構造數學模型的被控對象進行有效的控制。模糊智能控制能消除超調現象，能更快速地響應外部擾動，因此模糊控制方式的抗干擾能力更強。另外還有高智能型的自適應控制方式等等，如條件允許應使其在變頻供水系統中得到應用。
一般的設計方式：
改造舊系統的高壓變頻恒壓供水系統是在保留原工頻系統的基礎上加裝。對新系統是設計成純變頻回路，為節省投資也可采用“一拖多”等雙回路(工頻-變頻)系統，但要設置相應的安全聯鎖以確保系統的工作安全。變頻系統的聯動控制功能與工頻系統的聯動控制功能相同。
關于供水壓力的保障：
供水系統的變頻節能系統在實際使用中要考慮水泵的轉速與揚程的平方成正比的關系及水泵的轉速與管損平方成正比的關系：在水泵的揚程隨轉速的降低而降低的同時管道損失也在降低，因此，系統對水泵揚程的實際需求一樣要降低；而通過設定變頻器下限頻率的方法又可保證系統對水泵揚程的最低需求。
四、自動化控制的高壓大功率變頻恒壓（變壓）供水系統案例
在城市供水中，高壓大功率變頻器一般是應用在水泵上，并進行開環或閉環的調速控制，使水泵的轉速隨著外界用水情況的變化而變化，使水泵能始終運行在其特性曲線的高效區。
本人于1998年有機會設計并調試了東莞梨川二水廠二級泵房的〈自動控制的高壓變頻恒壓（變壓）供水系統〉的全套軟硬件系統，現簡介如下：
1、梨川二水廠二級泵房裝機概況：
裝機數量及容量：共5臺泵，2×710KW+3×500KW+1×250KW，每臺泵均由高壓電機驅動，其出口均設重錘式電控液壓驅動閥（該閥可停懸50%開度位置）。
其調節方式：根據供水情況開停泵及閥開50%。各泵均不調速，利用出口閥門來控制水流量和管網壓力。
2、變頻應用系統主要設備：
高壓變頻器：6KV/800KW SIEMENS“高—低—高”型電流型變頻器。
PLC：SIEMENS S7-300一個整機架配置，10A電源1PC，314CPU 1PC，32點DI模塊2PC，16點DO模塊4PC，8AI模塊1PC，2AO模塊1PC。主要用來完成正個系統的邏輯控制，模擬量整合處理并與PID調節儀表組態。
調節及顯示儀表：共6臺，特別定做。其中一臺用來顯示高壓輸入端電流， 其它均為調節用表。
壓力傳感器：2PC，0~1MP量程，4~20mA標準信號
流量傳感器：2PC，4~20mA標準信號（實際是借用水廠的流量表輸出信號）。
電量變送器：5A/4~20mA標準信號 2PC 10VDC/4~20mA標準信號 2PC
壓力開關：7PC（后用電接點壓力表代替）。
集中控制柜：一臺
10KV進線柜：一臺帶反時
10KV出線柜：二臺
3、設計、驅動控制及保護方式等：
設計原則：按電力系統有關10KV配電系統的設計規范設計高壓一次系統、二次控制及保護系統。保留所有的原工頻驅動控制方式，再并入變頻控制系統。因為該高壓變頻系統是東莞地區的供水系統首次使用，在設計時盡可能的要保障整個系統的安全，對各大設備及系統的延伸所影響到的系統和設備盡可能的進行全面監控。
變頻動力拖動方式：一拖二
集中控制：一步化自動開停機，全自動控制，手動控制（可將自控邏輯甩開），輸入端電源給定，輸出端拖動選擇，自/手動切換，變頻啟停，變頻器監視等。
現場控制：水泵就地啟停，進線柜及出線柜就地操作，變頻器就地操作等等。
調節方式：考慮到水廠的規模較大，送水距離遠，為確保有效的調節，將調節儀表及PLC的調節方式分配如下：兩臺為分時段PID調節器（恒壓調節），兩臺組成串級PID調節器（變壓調節）并與PLC組態，一臺與PLC組態成串級PID調節器（流量調節），PLC調節方式。
變頻器啟停控制：上電后，先進入準備狀態再啟動，停機時斷開啟動與準備狀態。
變頻器監控：對所有的狀態、錯誤、故障信號進行采樣，輸入PLC，并分類處理。
PLC程序設計：對所有的輸入開關量進行采樣，編輯邏輯程序，驅動相應的輸出。對流量、壓力信號處理后送到儀表及變頻器。
PLC硬件設計方式：可繼續擴展I/O和AI/AO模快，可加裝人機介面或監控微機。
自動補壓減壓控制：可按投入待運行的補壓方式自動進行補壓。
聯鎖方式：1、2號變頻出線柜聯鎖，1號變頻出線柜和1號工頻出線柜聯鎖，2號變頻出線柜和2號工頻出線柜聯鎖。
高壓柜控方式：以電力系統標準控制為基礎，再引如變頻系統及PLC的有關控制信號。
降壓變壓器保護：采用電力系統標準反時限保護。
升壓變壓器保護：因當時無合適的采樣元件及保護裝置，故將其交變頻器保護。
6KV電源側防雷保護：按有關高壓配電柜防雷電入侵波過壓保護方式設計。
5、所解決的主要問題
大大提高了整個二級泵房的自動化控制程度。
糾正并完善了原工頻系統自動一步化開停機的缺點和不足。
可以使水泵隨著負荷的變化調節供水流量，達到節約能源的目的，同時對水泵進行的是軟啟動，減小對配電系統及供水管網的沖擊。
改善了水泵運行工況
5、存在的主要問題
1）多次燒壞電源輸入端的400A保險，以后雖根據其原因設想并推敲了多種解決方法，但因多種原因而不能實施。
2）原計劃第二步實現人機介面控制，以完善現代PLC的控制方式，因多種原因而未能實施。
3）設計中的全自動化控制按無人控制方式設計編程，但因多種原因只進行了部分在線調試而不能得知完全的實用功能使用情況，故不能完全交與用戶使用。
6、設計調試總結
1）該系統好象是東莞的首套高壓變頻器系統（在西門子聽說），故在設計時為確保該系統的成功，考慮的方方面面很多，最后雖經壓縮，但整個系統設計出來后仍感到挺復雜。
2）就當時的情況而言，用方和供方均對該系統的自動化系統的復雜程度及牽扯的范圍之廣缺乏了解，沒能提供足夠的在線調試次數及修改軟件的機會，以致留下一些遺憾。
3）高壓變頻器運行情況介紹
設備改造工程于1998年11月完成，高壓變頻器投運后，頻率運行在40Hz~48Hz，保證了供水的正常進行。
結束語
不管是科技還是應用技術，在其發展的過程中總會遇到重重的阻力和各種各樣的困難，特別是在情況不明朗時，總會走些彎路，付出一定的代價交一定的學費，但這阻礙不了人們對新事物的追求和對未知領域的探索。
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