高压大功率变频器在城市供水系统的应用

      近年来，从各行业所使用的调速装置的情况看，高压大功率变频器的应用在不断的深入到各种行业的生产系统及设备上。高压大功率变频器一方面具有调速精度高、功率因数高等特点，而且可以降低和减少机械设备的磨损和噪音，改善劳动条件，满足生产工艺的要求；另一方面，高压大功率变频器也是一种有效的节能降耗设备，能将因设计余量、节流损耗及用量变化等而浪费的电能节省下来，为各行业的企业的发展带来无限的生机。 

关键词：高压大功率变频器 “高—低—高”电流型变频器 “水捶” 爆管 恒压（变压）供水 驱动拖动方式 PLC 触摸屏 PID调节

 

一、 概述

      城市供水系统是现代生活和生产过程中不可缺少的重要的公共设施之一，因其供水范围大容量大，供水水泵的功率大，牵扯到的问题广，故可直接影响到人们的工作和生活，提高供水系统的安全可靠性及供水质量等也是个急需解决问题。

城市供水系统运行时间长，在使用过程中还存在着供水压力不稳、爆管故障及耗电量等等问题。据有关调查统计，供水系统能耗不仅给能源、城市建设及环境保护带来巨大压力，也给经营的单位带来较沉重的经济负担。既要保障供水系统的安全可靠性提高供水质量，又能降低供水系统的能源消耗，迫使设计供水系统的专家们不断的改造旧系统，开发使用现代化的可靠性高的能耗低的高科技新产品。

 

二、 传统的城市供水系统状况

城市供水系统通常由水厂（一般含取水泵、水处理系统、供水泵等）、增压系统及其供水管网系统等组成。

城市供水系统的设计及其供水水泵的配置通常是按城市在一个时期的发展的最大供水量来考虑的，并由此配备带有一定余量的水泵驱动电机，对于较大规模的水厂通常是采用高压电机驱动。

城市供水系统实际使用过程中出现最大（高峰）供水负荷的时间较少，根据一些资料统计，城市供水系统的水泵会经常在低负荷下运行，因而会出现人们常用来形容大电机带小负载所出现的“大马拉小车”的现象，这样日积月累的同样会造成大量的能源损耗，以及使长期处在工频额定状态下的水泵的机械磨损严重，设备故障增加，使用寿命缩短等。

传统的城市供水系统是对水泵的出口阀采用全开阀半开阀及开停泵控制方法，这种控制方式存在以下几个问题：

1、城市供水系统的水泵配套的大功率电机在启动和停止时对配电系统的冲击大，不利于电网的安全运行。低负荷时电机的功率因素低、空载损耗大，占用配电系统的相对补偿容量大。

2、节流损失大，使供水系统长期在低效率状态下运行，会增加供水系统相应的能源消耗。

3、供水压力呈阶段性的的变化，在工频状态下启停大功率的水泵，也会冲击供水管网，同时易产生“水锤”现象，增加管网的跑冒滴漏现象以至于爆管，很不利于管网的安全运行。

 

三、高压大功率变频器

随着近十几年电力电子技术和微电脑技术的不断发展、完善，高压大功率变频器性能也日趋完美，已被不同学科、不同行业的工程技术人员广泛应用于不同的领域，且出现了很多的精品应用设计。为企业带来了可观的经济效益，推动了工业生产的自动化进程。

高压大功率变频调速器通常采用IGBT为逆变功率器件，经过多年的使用和研发，其可靠性、可用性能不断的得到提高，作为核心器件为高性能的高压大功率的设计开发提供了可靠的基础保证。

高压大功率变频器按其变频的方式可分为“交—交”型和“交—直—交”型，“交—交”型一般用于低速重转矩的场合（如轧钢机等），在此不去讨论。

在水泵及风机上所使用的大功率变频器一般都是“交—直—交”型的，根据所驱动设备的具体情况决定是选用“交—直—交”电压型或“交—直—交”电流型。电压型变频器：中间耦合电路电容较大，使逆变输入端直流电压保持恒定，不受负载变化的影响，则逆变器的输入端可以看成是一个电压源（如深圳市梅林水厂安装的四套1000 kW SIEMENS电压型变频器）。电流型变频器：中间耦合电路电感较大，则逆变器输入端就可以看成是一个电流源（如东莞梨川二水厂装有一套800KW SIEMENS电流型变频器）。

从整个高压大功率变频器系统的电压变换的情况来看，高压大功率变频器系统还可分为“高—高”型、“高—低（中）—高”型（如东莞梨川二水厂装设的为 SIEMENS“高—低—高”型变频器）及“高—低”型（如深圳市梅林水厂安装的为SIEMENS“高—低”型变频器）。

因为高压功率模块的价格昂贵，也使得使用“高—高”型高压变频器比使用“高—低（中）—高”型高压变频器贵很多的情况，再者对于功率在200KW~500KW的高压电机来说，如首先需考虑的是被控系统的工艺质量，则高压大功率变频系统可通过低压大功率变频器与两台变压器（一降一升）组态来实现，其中变频器还可采用国产的，这种组态的“高—低—高”型变频器系统要比“高—高”型高压变频器经济很多。

 

 

图一所示SIEMENS公司的800KW“高—低—高”型变频器的组态系统，这种型式的变频系统在有些地方是使用国产化的产品组态完成。

这种组态的高压变频器系统因通过变压器三角接线方式接入电网，故对电网的谐波污染小。中间的变频器因可选用电流型的，又可达到大电流的输出目的。

组态的“高—低—高”型变频器系统虽然经济实惠，但在实际使用时还需考虑其中变压器的特殊性、变压器的保护设计以及高电压系统等因素。

 

组态的高—低—高电流型变频器优点：

1）启动转矩大，输出电流稳定，负载能力强，可靠性高，可适配的高压电动机种类多。 

2）因输入、输出变压器均有滤波作用，故电流谐波小，且对其也无须考虑功率因数补偿及加装谐波抑制装置。 

3）维护简单，适应现场多变需求。 

4）高压主回路与主控制板（器）之间进行强弱电隔离，安全性好。 

5）故障检测完善，各种智能化保护齐全，可故障显示和报警。 

6）控制电源与高压电相互独立，检测方便，便于现场调试。 

7）可接收和输出多种工业标准信号，调节控制简单，易组成多种应用系统。 

8）相对投资少，经济实用。

 

三、高压变频恒压（变压）供水

变频节电原理：

高低压变频调速的节电原理就变频系统（从整流到逆变输出）本身而言都相同，即水泵电机的转速（变频器输出频率）与其功率的三次方成正比，着方面的论述目前在各种刊物、网络等上已有很多，在此就不再重复。

 

关于变频驱动的拖动方式：

高低变频器及系统的单位投资高于低压变频器及系统，再因为功率大引起的总投资就更大了，这样就需要从节省投资上多下功夫，尽量做到即能得到变频调速节能系统带来的经济效益，又节省投资额度。与低压变频器及系统相同的是可以从高低变频器及系统拖动方式上做文章。

关于变频驱动的拖动方式牵扯到的问题较广，在此特做如下介绍：

1、根据电气逻辑可知：变频器驱动的拖动方式理论上可实现n拖n，n=1、2、3...n，实际应用时，一般最多做成“1拖4”到“2拖4”，再多无意义且反使投资因控制驱动系统过于复杂而急速上升。

2、拖动方式实现的办法：有些国内品牌的变频器生产商，将驱动多台水泵的功能设置在变频器内，这种做法会不会出现：如变频器出现故障就会使得整个自控系统瘫痪？如要使自控系统在变频器出现故障时能继续使用，则需另设电路并加控制设备，这反使系统变得更为复杂。

据经验：简单的PID调节功能可设置在变频器内部，复杂的调节方式则最好通过专用调节器或PLC来实现，对于投切驱动的自控功能二台以上最好由电气电路或PLC来实现。

3、切换拖动的安全：在设计时应在单机的工频与变频间及多机的变频与变频间设置软件和硬件（电气、机械）联锁；在变频与工频的输出端间还可增设双向刀闸箱（低压）或是三工位隔离刀闸柜（高压）可进一步加强其安全可靠性。

 

关于自动调节方式

一般是采用PID的闭环自动调节方式，其基本过程是：用压力传感器对供水系统母管出口的水压进行采样，转换成电量信号(一般为4—20mA、0—10V等)后送至PID调节器或PLC（变频器内置PID功能的可直接送至变频器）等，将该信号与设定值进行比较运算后，送至变频器，并用来调节变频器（系统）的输出频率，从而改变了水泵转速并调节供水压力（供水量）以达到恒压供水的目的。

近年来，随着模糊控制理论的不断发展，其控制算法也在应用到实际中。它不仅能实现控制，从理论上讲还能模拟人的思维方式，对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。模糊智能控制能消除超调现象，能更快速地响应外部扰动，因此模糊控制方式的抗干扰能力更强。另外还有高智能型的自适应控制方式等等，如条件允许应使其在变频供水系统中得到应用。

 

一般的设计方式：

改造旧系统的高压变频恒压供水系统是在保留原工频系统的基础上加装。对新系统是设计成纯变频回路，为节省投资也可采用“一拖多”等双回路(工频-变频)系统，但要设置相应的安全联锁以确保系统的工作安全。变频系统的联动控制功能与工频系统的联动控制功能相同。

 

关于供水压力的保障：

供水系统的变频节能系统在实际使用中要考虑水泵的转速与扬程的平方成正比的关系及水泵的转速与管损平方成正比的关系：在水泵的扬程随转速的降低而降低的同时管道损失也在降低，因此，系统对水泵扬程的实际需求一样要降低；而通过设定变频器下限频率的方法又可保证系统对水泵扬程的最低需求。

 

四、自动化控制的高压大功率变频恒压（变压）供水系统案例

在城市供水中，高压大功率变频器一般是应用在水泵上，并进行开环或闭环的调速控制，使水泵的转速随着外界用水情况的变化而变化，使水泵能始终运行在其特性曲线的高效区。

本人于1998年有机会设计并调试了东莞梨川二水厂二级泵房的〈自动控制的高压变频恒压（变压）供水系统〉的全套软硬件系统，现简介如下：

1、梨川二水厂二级泵房装机概况：

装机数量及容量：共5台泵，2×710KW+3×500KW+1×250KW，每台泵均由高压电机驱动，其出口均设重锤式电控液压驱动阀（该阀可停悬50%开度位置）。

其调节方式：根据供水情况开停泵及阀开50%。各泵均不调速，利用出口阀门来控制水流量和管网压力。

 

2、变频应用系统主要设备：

高压变频器：6KV/800KW SIEMENS“高—低—高”型电流型变频器。

PLC：SIEMENS S7-300一个整机架配置，10A电源1PC，314CPU 1PC，32点DI模块2PC，16点DO模块4PC，8AI模块1PC，2AO模块1PC。主要用来完成正个系统的逻辑控制，模拟量整合处理并与PID调节仪表组态。

调节及显示仪表：共6台，特别定做。其中一台用来显示高压输入端电流， 其它均为调节用表。

压力传感器：2PC，0~1MP量程，4~20mA标准信号

流量传感器：2PC，4~20mA标准信号（实际是借用水厂的流量表输出信号）。

电量变送器：5A/4~20mA标准信号 2PC 10VDC/4~20mA标准信号 2PC

压力开关：7PC（后用电接点压力表代替）。

集中控制柜：一台

10KV进线柜：一台带反时

10KV出线柜：二台

 

3、设计、驱动控制及保护方式等：

设计原则：按电力系统有关10KV配电系统的设计规范设计高压一次系统、二次控制及保护系统。保留所有的原工频驱动控制方式，再并入变频控制系统。因为该高压变频系统是东莞地区的供水系统首次使用，在设计时尽可能的要保障整个系统的安全，对各大设备及系统的延伸所影响到的系统和设备尽可能的进行全面监控。

变频动力拖动方式：一拖二

集中控制：一步化自动开停机，全自动控制，手动控制（可将自控逻辑甩开），输入端电源给定，输出端拖动选择，自/手动切换，变频启停，变频器监视等。

现场控制：水泵就地启停，进线柜及出线柜就地操作，变频器就地操作等等。

调节方式：考虑到水厂的规模较大，送水距离远，为确保有效的调节，将调节仪表及PLC的调节方式分配如下：两台为分时段PID调节器（恒压调节），两台组成串级PID调节器（变压调节）并与PLC组态，一台与PLC组态成串级PID调节器（流量调节），PLC调节方式。

变频器启停控制：上电后，先进入准备状态再启动，停机时断开启动与准备状态。

变频器监控：对所有的状态、错误、故障信号进行采样，输入PLC，并分类处理。

PLC程序设计：对所有的输入开关量进行采样，编辑逻辑程序，驱动相应的输出。对流量、压力信号处理后送到仪表及变频器。

PLC硬件设计方式：可继续扩展I/O和AI/AO模快，可加装人机介面或监控微机。

自动补压减压控制：可按投入待运行的补压方式自动进行补压。

联锁方式：1、2号变频出线柜联锁，1号变频出线柜和1号工频出线柜联锁，2号变频出线柜和2号工频出线柜联锁。

高压柜控方式：以电力系统标准控制为基础，再引如变频系统及PLC的有关控制信号。

降压变压器保护：采用电力系统标准反时限保护。

升压变压器保护：因当时无合适的采样元件及保护装置，故将其交变频器保护。

6KV电源侧防雷保护：按有关高压配电柜防雷电入侵波过压保护方式设计。

 

5、所解决的主要问题

大大提高了整个二级泵房的自动化控制程度。

纠正并完善了原工频系统自动一步化开停机的缺点和不足。

可以使水泵随着负荷的变化调节供水流量，达到节约能源的目的，同时对水泵进行的是软启动，减小对配电系统及供水管网的冲击。

改善了水泵运行工况

 

5、存在的主要问题

1）多次烧坏电源输入端的400A保险，以后虽根据其原因设想并推敲了多种解决方法，但因多种原因而不能实施。

2）原计划第二步实现人机介面控制，以完善现代PLC的控制方式，因多种原因而未能实施。

3）设计中的全自动化控制按无人控制方式设计编程，但因多种原因只进行了部分在线调试而不能得知完全的实用功能使用情况，故不能完全交与用户使用。

 

6、设计调试总结

1）该系统好象是东莞的首套高压变频器系统（在西门子听说），故在设计时为确保该系统的成功，考虑的方方面面很多，最后虽经压缩，但整个系统设计出来后仍感到挺复杂。

2）就当时的情况而言，用方和供方均对该系统的自动化系统的复杂程度及牵扯的范围之广缺乏了解，没能提供足够的在线调试次数及修改软件的机会，以致留下一些遗憾。

3）高压变频器运行情况介绍 

设备改造工程于1998年11月完成，高压变频器投运后，频率运行在40Hz~48Hz，保证了供水的正常进行。

 

结束语

      不管是科技还是应用技术，在其发展的过程中总会遇到重重的阻力和各种各样的困难，特别是在情况不明朗时，总会走些弯路，付出一定的代价交一定的学费，但这阻碍不了人们对新事物的追求和对未知领域的探索。