1 引言

　　高壓變頻器的產(chǎn)業(yè)化在80年代中期才開(kāi)始形成，但隨著大功率電力電子器件的迅速發(fā)展和巨大的市場(chǎng)推動(dòng)力，高壓變頻器十多年來(lái)的發(fā)展非常迅速，使用器件已經(jīng)從scr、gtr、gto發(fā)展到igbt、iect、igct（sgct）等，功率范圍從幾百kw到幾十mw，技術(shù)已經(jīng)成熟，可靠性得到保證，應(yīng)用越來(lái)越廣。國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)高壓變頻器的廠家很多，如西門(mén)子公司、abb公司、依林公司、日本的日立公司、國(guó)內(nèi)的利德華福公司等均生產(chǎn)高壓變頻器。

　　從1984年開(kāi)始，在沈陽(yáng)市、哈爾濱市、大連市、鞍山市等城市的供水工程中不同時(shí)期先后選用了不同型號(hào)，一次側(cè)為10kv的變頻調(diào)速裝置。其中哈爾濱第三凈水廠用的是奧地利elen公司的設(shè)備（奧地利政府貸款）鞍山市三家凈水廠用的是德國(guó)西門(mén)子公司80年代末的設(shè)備（日元貸款）。大連沙河第二凈水廠用的是德國(guó)西門(mén)子公司1998年以后推出的最新的simovert（日元貸款）。吉林市第二凈水廠及第三凈水廠分別于2002年、2004年選用了和美國(guó)羅賓康技術(shù)等同的利德華福公司的10kv變頻調(diào)速設(shè)備。吉林市第三凈水廠產(chǎn)品新穎、運(yùn)行可靠、技術(shù)先進(jìn)、節(jié)能效果好等優(yōu)點(diǎn)顯著。另外，以前我們對(duì)西門(mén)子公司不同時(shí)期的產(chǎn)品介紹很多，2005年美國(guó)羅賓康公司被西門(mén)子公司收購(gòu)，所以本文重點(diǎn)介紹吉林市第三凈水廠水泵機(jī)組的變頻調(diào)速，其很具有代表性，而且實(shí)際意義也很大。

　　吉林市自來(lái)水集團(tuán)有限公司在考察對(duì)比了國(guó)內(nèi)外多家高壓變頻器生產(chǎn)廠家后，決定選用北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的harsvert-a系列高壓變頻器。2002年先在二水廠選用一臺(tái)，兩年來(lái)運(yùn)行效果很好，2004年決定在三水廠再選用兩臺(tái)。harsvert-a系列高壓變頻器技術(shù)先進(jìn)，可靠性高，輸出電壓波形好，并且已在電力、冶金、石化、市政供水、水泥等多個(gè)領(lǐng)域成功應(yīng)用，得到了用戶的普遍認(rèn)可和市場(chǎng)的長(zhǎng)久考驗(yàn)。

2 工程概況

　　吉林市于1998年建成二水廠（凈水廠），于2004年建成三水廠（凈水廠及原水給水廠），二水廠與法國(guó)得利滿公司合作，v型濾池計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由設(shè)計(jì)院和法國(guó)得利滿聯(lián)合設(shè)計(jì)。v型濾池用的設(shè)備（閥門(mén)、儀表、控制臺(tái)）材料，送水泵房的水泵，高壓10kv電機(jī)，中控室計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及模擬屏、投影設(shè)備均由法國(guó)得利滿公司供貨。幾年來(lái)，通過(guò)與外方合作，到國(guó)內(nèi)外水廠考查調(diào)研，學(xué)習(xí)到了國(guó)內(nèi)外水廠的長(zhǎng)處，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，尤其是時(shí)間已進(jìn)入了21世紀(jì)，在設(shè)計(jì)三水廠時(shí)，必須以“高起點(diǎn)、上水平、創(chuàng)特色”為宗旨，厚積薄發(fā)，開(kāi)拓創(chuàng)新，要設(shè)計(jì)、建設(shè)最好的水廠，讓市民滿意的水廠。

3 節(jié)能原理

　　同中國(guó)其他城市一樣，吉林市城市用水量是不均勻的，這是由于氣候和人們生活以及生產(chǎn)規(guī)律所決定的。由于流量的變化從而影響到管網(wǎng)水頭損失的變化，尤其是地勢(shì)平坦的市區(qū)，在幾何揚(yáng)程很小的情況下，送水泵站出口所需壓力隨流量的變化更為顯著。

　　水泵站的裝機(jī)是按最不利條件下、最大時(shí)流量和所需相應(yīng)揚(yáng)程決定的。而實(shí)際上每一天內(nèi)只有很短時(shí)間能達(dá)到最大時(shí)流量，大多數(shù)時(shí)間里，水泵站都處在小流量下工作。為了適應(yīng)流量的變化，許多泵站在運(yùn)行中采取關(guān)小出口閘門(mén)的辦法來(lái)控制流量，從而造成出口閘門(mén)前后的壓力差值（少則多米多則幾十米）就白白地浪費(fèi)于閘門(mén)阻力上，如圖1所示。

　　當(dāng)水泵臺(tái)數(shù)足夠多時(shí)，是可以很好地適應(yīng)水量變化的，但是水泵型號(hào)是有限的，裝機(jī)臺(tái)數(shù)過(guò)多，不僅管理不便，而且會(huì)無(wú)謂地增大建筑面積，提高工程造價(jià)，即使這樣，也無(wú)法做到完全適應(yīng)水量變化，還需要用閘門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)水量，如圖2所示。

　　很多水廠切削水泵葉輪適應(yīng)工作點(diǎn)需要，因水泵工作點(diǎn)不連續(xù)照樣有能量損失。
　為此，采用水泵機(jī)組無(wú)級(jí)調(diào)速技術(shù)，可連續(xù)地改變水泵轉(zhuǎn)數(shù)，來(lái)變更水泵工況，使其流量與揚(yáng)程適應(yīng)于管網(wǎng)用水量的變化，才能提高機(jī)組效率，維持管網(wǎng)壓力恒定，達(dá)到節(jié)能的效果。節(jié)能原理如圖3所示。ab為全速泵特性曲線，anbn為調(diào)速泵特性曲線，cbnb為管路特性曲線，co為幾何揚(yáng)程（含地形差和自由水頭），當(dāng)用水量從qmax減少到qmin的過(guò)程中，全速泵的揚(yáng)程將沿ba曲線上升，而管網(wǎng)所需揚(yáng)程將沿bbn曲線下降，這兩條曲線縱坐標(biāo)的差值就意味著全速泵揚(yáng)程的浪費(fèi)。應(yīng)用水泵調(diào)速技術(shù)時(shí)，當(dāng)用水量從qmax變動(dòng)到qmin的過(guò)程中，水泵轉(zhuǎn)數(shù)隨流量從額定位n降到n1n2n3……nn，水泵的q—h特性曲線ab也相應(yīng)變化為a1b1，a2b2，a3b3……anbn。而這組平行的特性曲線ab—anbn與管路特性曲線cb的交點(diǎn)軌跡bbn正在管路特性曲線上。這樣就可使水泵工作點(diǎn)沿管路特性曲線滑動(dòng)，使其揚(yáng)程處處能與系統(tǒng)阻力相適應(yīng)，做到?jīng)]有多余壓力的損失，且能保持管網(wǎng)壓力恒定，根據(jù)水泵軸功率的計(jì)算公式，收到明顯的節(jié)能效果。

　　為實(shí)現(xiàn)水泵機(jī)組隨用水量變化而自動(dòng)調(diào)速，最直接的辦法是在管網(wǎng)最不利點(diǎn)處設(shè)遠(yuǎn)傳壓力計(jì)，并設(shè)定壓力值。微機(jī)系統(tǒng)據(jù)輸入的壓力信號(hào)按存放的程序改變水泵轉(zhuǎn)數(shù)，達(dá)到最不利點(diǎn)壓力恒定和供需水量平衡。但是最不利點(diǎn)距泵站往往很遠(yuǎn)，遠(yuǎn)傳信號(hào)不很方便。采用泵站出口壓力和流量來(lái)控制水泵轉(zhuǎn)數(shù)是常用的辦法。當(dāng)管網(wǎng)確定之后，出口壓力應(yīng)是流量的函數(shù)，其函數(shù)曲線即為管路特性曲線，所以可以利用圖4的控制系統(tǒng)自動(dòng)地調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)數(shù)。

4 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)：

　　4.1 三水廠的凈水廠

　　設(shè)計(jì)院和吉林市自來(lái)水集團(tuán)有限公司通過(guò)工藝上認(rèn)真計(jì)算，根據(jù)實(shí)際工況要求設(shè)計(jì)主回路電氣結(jié)構(gòu)圖，選用harsvert-a型高壓變頻器一拖一的成功方案。如圖5所示。一拖一的2臺(tái)電機(jī)互為備用。

　　以3#水泵為例說(shuō)明，工作原理是由3個(gè)真空接觸器km31、km32、km33以及2個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)qs31、qs32組成（見(jiàn)圖5），其中km31、km32、km33為高壓真空接觸器，用于變頻和工頻的電動(dòng)切換。qs31和qs32為高壓隔離開(kāi)關(guān)，一般情況下處于合閘狀態(tài)，僅在變頻器檢修時(shí)拉開(kāi)，用于電機(jī)工頻運(yùn)行情況下對(duì)變頻器進(jìn)行安全檢修。其特點(diǎn)如下：

　?。?）可以實(shí)現(xiàn)工頻/變頻自動(dòng)切換功能。在變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)切入工頻電網(wǎng)中，斷開(kāi)變頻器時(shí)，負(fù)載不用停機(jī)，滿足現(xiàn)場(chǎng)不能停機(jī)要求。

　　（2） 易實(shí)現(xiàn)4運(yùn)2備運(yùn)行方式。即1臺(tái)變頻運(yùn)行，3臺(tái)工頻運(yùn)行，2臺(tái)工頻備用；4臺(tái)工頻運(yùn)行，1臺(tái)工頻備用，1臺(tái)變頻備用。

　　4.2三水廠的取水廠

　　選用harsvert-a型高壓變頻器一拖一的成功方案。如圖6所示。

　　以1#水泵為例說(shuō)明，工作原理是由3個(gè)真空接觸器km11、km12、km13以及2個(gè)高壓隔離開(kāi)關(guān)qs11、qs12組成（見(jiàn)圖6），其中km11、km12、km13為高壓真空接觸器，用于變頻和工頻的電動(dòng)切換。qs11和qs12為高壓隔離開(kāi)關(guān)，一般情況下處于合閘狀態(tài)，僅在變頻器檢修時(shí)拉開(kāi)，用于電機(jī)工頻運(yùn)行情況下對(duì)變頻器進(jìn)行安全檢修。其特點(diǎn)如下：

　　（1）可以實(shí)現(xiàn)工/變頻自動(dòng)切換功能。在變頻器出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)切入工頻電網(wǎng)中，斷開(kāi)變頻器時(shí)，負(fù)載不用停機(jī)，滿足現(xiàn)場(chǎng)不能停機(jī)要求。

　　（2） 易實(shí)現(xiàn)3運(yùn)1備運(yùn)行方式。即1臺(tái)變頻運(yùn)行，2臺(tái)工頻運(yùn)行，1臺(tái)工頻備用；3臺(tái)工頻運(yùn)行，1臺(tái)變頻備用。

5 變頻調(diào)速設(shè)備

　　harsvert-a高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平電壓源型拓樸方式。

　　其優(yōu)點(diǎn)是采用輸入多重化設(shè)計(jì)，高次諧波含量非常小，輸出采用單元模塊串聯(lián)，使得諧波含量極低，在無(wú)輸出濾波器的情況下，可使thd《3%，堪稱“完美無(wú)諧波”高壓變頻器；極低的轉(zhuǎn)矩紋波和電機(jī)噪聲；功率因數(shù)可達(dá)0.95；對(duì)電機(jī)絕緣無(wú)損害，電纜長(zhǎng)度無(wú)限制；便于冗余設(shè)計(jì)；中文操作界面便于維修。

　　5.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　harsvert-a系列高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7，由移相變壓器、功率單元和控制器組成。10000v系列有24個(gè)功率單元，每8個(gè)功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。圖7為10000v系列變頻器的結(jié)構(gòu)圖。

5.2 功率單元

　　每個(gè)功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，其電路結(jié)構(gòu)如圖8所示，為基本的交-直-交單相逆變電路，整流側(cè)為二極管三相全橋，通過(guò)對(duì)igbt逆變橋進(jìn)行正弦pwm控制。

　　5.3 輸入側(cè)結(jié)構(gòu)

　　輸入側(cè)由移相變壓器給每個(gè)單元供電，移相變壓器的副邊繞組分為三組，對(duì)10000v系列，構(gòu)成48脈沖整流方式；這種多級(jí)移相疊加的整流方式可以大大改善網(wǎng)側(cè)的電流波形，使其網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。

　　另外，由于變壓器副邊繞組的獨(dú)立性，使每個(gè)功率單元的主回路相對(duì)獨(dú)立，類似常規(guī)低壓變頻器，便于采用現(xiàn)有的成熟技術(shù)。

　　5.4 輸出側(cè)結(jié)構(gòu)

　　輸出側(cè)由每個(gè)單元的u、v輸出端子互相串接而成星型接法給電機(jī)供電，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的pwm波形進(jìn)行重組，這種波形正弦度好，dv/dt小，可減少對(duì)電纜和電機(jī)的絕緣損壞，無(wú)須輸出濾波器就可以使輸出電纜長(zhǎng)度很長(zhǎng)，電機(jī)不需要降額使用，可直接用于舊設(shè)備的改造；同時(shí)，電機(jī)的諧波損耗大大減少，消除了由此引起的機(jī)械震動(dòng)，減小了軸承和葉片的機(jī)械應(yīng)力。

　　當(dāng)某一個(gè)單元出現(xiàn)故障時(shí)，通過(guò)使繼電器k閉合，可將此單元旁路出系統(tǒng)而不影響其他單元的運(yùn)行，變頻器可持續(xù)降額運(yùn)行；如此可減少很多場(chǎng)合下停機(jī)造成的損失。

　　5.5控制器

　　控制器核心由高速單片機(jī)和工控pc協(xié)同運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)，精心設(shè)計(jì)的算法可以保證電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的運(yùn)行性能。工控pc提供友好的全中文windows監(jiān)控和操作界面，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制?？刂破鬟€包括一臺(tái)內(nèi)置的plc，用于柜體內(nèi)開(kāi)關(guān)信號(hào)的邏輯處理，以及與現(xiàn)場(chǎng)各種操作信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)的協(xié)調(diào)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。

　　控制器結(jié)構(gòu)上采用vme標(biāo)準(zhǔn)箱體結(jié)構(gòu)，各控制單元采用fpga、cpld等大規(guī)模集成電路和表面焊接技術(shù)，系統(tǒng)具有極高的可靠性。

　　另外，控制器與功率單元之間采用光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)具有極高的安全性，同時(shí)具有很好的抗電磁干擾性能。

6 軟件設(shè)計(jì)及自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　6.1 軟件設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)系統(tǒng)選用亞控公司生產(chǎn)的組態(tài)王軟件。該軟件具有友好的人機(jī)界面，支持以太網(wǎng)絡(luò)?？梢院芊奖愕膶?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視等功能。報(bào)表、報(bào)警功能強(qiáng)大，支持opc，支持多種型號(hào)的plc通訊。

　　軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于上位機(jī)的程序組態(tài)王不直接支持西門(mén)子的以太網(wǎng)通訊協(xié)議，因此需要利用opcserver來(lái)作為過(guò)渡。這樣也使得局域網(wǎng)上的機(jī)器可以方便調(diào)用該機(jī)的參數(shù)，便于遠(yuǎn)程監(jiān)視。2臺(tái)上位機(jī)同時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)，當(dāng)主上位機(jī)a故障退出時(shí)，從上位機(jī)b仍然能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，這樣保證系統(tǒng)的安全性、可靠性。

　　6.2 自動(dòng)化網(wǎng)路設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)由主控plc、旁路柜控制plc、高壓變頻器、上位機(jī)組成。其中主控系統(tǒng)采用西門(mén)子s7-300plc、旁路柜內(nèi)置西門(mén)子s7-200-plc、上位機(jī)監(jiān)控選用組態(tài)王軟件。通訊網(wǎng)路在底層采用profibusdp總線，主控plc和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊。西門(mén)子s7-300plc作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，處理人機(jī)界面對(duì)系統(tǒng)的各種請(qǐng)求，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)集氣管壓力的pid調(diào)節(jié)，維持管網(wǎng)的壓力恒定。自動(dòng)旁路柜集成有s7-200plc，完成變頻工頻切換功能。上位機(jī)系統(tǒng)采用用戶熟悉的組態(tài)王監(jiān)控軟件，與plc的連接采用以太網(wǎng)方式?？紤]現(xiàn)場(chǎng)工況，對(duì)安全性、可靠性、穩(wěn)定性要求都很高，現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)采用profibusdp總線連接，監(jiān)控操作級(jí)采用ethernet方案，接入焦化廠局域網(wǎng)主服務(wù)器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視。配置上：西門(mén)子s7-200配置em277profibus總線模塊，s7-300選用315-2dp，并配置cp341-1t以太網(wǎng)模塊，plc集成的dp接口用于連接s7-200，以太網(wǎng)模塊cp343-1t用于和上位機(jī)的以太網(wǎng)連接。

　　控制網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：良好的穩(wěn)定性、擴(kuò)展性、軟硬件的開(kāi)放性以及友好的人機(jī)界面，上位機(jī)按冗余控制配置等優(yōu)點(diǎn)。

7 結(jié)束語(yǔ)

　　用高壓變頻器控制水泵機(jī)組，大大改善了供水、凈水生產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，完全達(dá)到了生產(chǎn)工藝要求。plc控制技術(shù)、profibus總線技術(shù)和高壓變頻技術(shù)的完美結(jié)合，使得集成自動(dòng)化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，節(jié)能效果明顯等優(yōu)點(diǎn)。

　　吉林市三水廠高壓變頻器控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用，對(duì)于節(jié)約電能、減員增效、技術(shù)創(chuàng)新，都具有很高的實(shí)用價(jià)值，值得推廣。

　　要想送水泵站每臺(tái)泵實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行，就要研究其定性與定量的運(yùn)行規(guī)律。我們根據(jù)吉林市區(qū)用水曲線、出廠壓力與管網(wǎng)壓力控制點(diǎn)，清水池水位等參數(shù)，正在建立優(yōu)化控制數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，摸清定量控制凈水廠泵站定速與變頻調(diào)速機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行時(shí)的流量、揚(yáng)程、效率變化的規(guī)律。這樣可以根據(jù)用戶對(duì)于用水量與揚(yáng)程要求，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化控制。這種方式實(shí)現(xiàn)之時(shí)，便可以滿足用戶對(duì)水量、水壓的需要，又達(dá)到明顯降低電耗的目的。這是我們面臨的一個(gè)艱巨的、必須攻克的難題。

　　吉林市凈水廠送水泵房水泵機(jī)組調(diào)速的經(jīng)濟(jì)效果很明顯，比不調(diào)速節(jié)能30％左右，而且設(shè)備運(yùn)行可靠，操作維護(hù)方便，由計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了吉林市第三凈水廠優(yōu)化控制，現(xiàn)代化管理。我們要繼續(xù)努力，力爭(zhēng)將吉林三水廠建成國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平的水廠。