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(jí)加壓泵站水泵的變頻控制系統(tǒng)來(lái)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(shì)。

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(yíng)水源地及隆勝水庫(kù)，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(yíng)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(wàn)立方米，年供水量約700萬(wàn)立方，全線120km，主要包括1#-11#水源井、一級(jí)加壓泵站、二級(jí)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(xiàng)工程建設(shè)。項(xiàng)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(chǎng)環(huán)境和工藝介紹

a. 現(xiàn)場(chǎng)溫度：-25~26℃之間；

b. 現(xiàn)場(chǎng)濕度：現(xiàn)場(chǎng)濕度一般；

b. 有無(wú)粉塵：無(wú)；

d. 現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(chǎng)照片：

三、產(chǎn)品選型

  作為本項(xiàng)目非常關(guān)鍵的設(shè)備，變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直接關(guān)系到整體項(xiàng)目投入運(yùn)營(yíng)后是否能達(dá)到設(shè)計(jì)的供水能力，以及生產(chǎn)系統(tǒng)長(zhǎng)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(jí)、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(chǎng)的環(huán)境和實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)備管理情況。

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素，如：一，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力包括，變頻器應(yīng)具有對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)的適應(yīng)能力。在母線上電動(dòng)機(jī)成組自起動(dòng)、母線上最大一臺(tái)電動(dòng)機(jī)組起動(dòng)時(shí)，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(shí)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(chǎng)環(huán)境，如灰塵、高溫、潮濕等?；覊m進(jìn)入變頻柜內(nèi)會(huì)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(wú)值守。這就對(duì)設(shè)備的可靠性和自動(dòng)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(jiǎn)單、集成度高，同時(shí)為了達(dá)到無(wú)人化管理對(duì)整個(gè)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(dòng)設(shè)計(jì)方案

4.1 一次回路設(shè)計(jì)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(dòng)的實(shí)際情況，我司在變頻驅(qū)動(dòng)方案上選擇手動(dòng)切換旁路方案，可保證變頻器在故障停機(jī)或檢修時(shí)通過高壓真空接觸器直接手動(dòng)切換至工頻運(yùn)行；該回路系統(tǒng)簡(jiǎn)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(dòng)切換方案

一拖一手動(dòng)旁路柜是由三個(gè)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(dòng)切換至工頻運(yùn)行時(shí)，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(dòng)切換至變頻運(yùn)行時(shí)，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(chǎng)高壓變頻器（共3臺(tái)）

4.2 控制模式

選型產(chǎn)品高壓變頻器具備無(wú)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(jiǎn)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(shí)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(duì)變頻器的各種操作以及運(yùn)行和故障情況的實(shí)時(shí)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(duì)變頻器的操作和監(jiān)控。

該項(xiàng)目為實(shí)現(xiàn)較高的自動(dòng)化運(yùn)行和監(jiān)控能力，同時(shí)保證系統(tǒng)足夠簡(jiǎn)潔邏輯分層上采用三層結(jié)構(gòu)，將加壓泵變頻器信號(hào)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(dòng)化的操作和管理能力，將現(xiàn)場(chǎng)水泵出口閥門的開關(guān)、管道的流量、壓力和前池液位信號(hào)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(wú)人化24小時(shí)長(zhǎng)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(shì)

5.1 變頻器產(chǎn)品原理

  本次項(xiàng)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(xiàng)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(shì)

通過上述原理可以看出，本項(xiàng)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(dòng)機(jī)做變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)用，非常適用本項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)異步電動(dòng)機(jī)，而且對(duì)電網(wǎng)的不良影響可忽略。

項(xiàng)目產(chǎn)品具備如下優(yōu)勢(shì)：

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

（2）功率因數(shù)非常高，無(wú)需功率因數(shù)補(bǔ)償裝置；

（3）電動(dòng)機(jī)不必因諧波發(fā)熱而降容使用；

（4）電動(dòng)機(jī)噪聲與采用工頻供電時(shí)相近；

（5） 電動(dòng)機(jī)的電應(yīng)力強(qiáng)度與采用工頻電源時(shí)相近，無(wú)明顯附加影響；

（6）轉(zhuǎn)矩脈沖很低，不會(huì)導(dǎo)致機(jī)械共振，同時(shí)也減少傳動(dòng)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(duì)系統(tǒng)各種故障作出準(zhǔn)確報(bào)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(yǔ)

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(guó)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(xiàng)目的實(shí)施人員，我有幸參與了項(xiàng)目全過程的管理，我們始終堅(jiān)持“做工程，就是做服務(wù)！”的理念，堅(jiān)持從用戶的視角思考工程的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，在對(duì)國(guó)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(wú)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(guó)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(shí)其產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)水行業(yè)有豐富的應(yīng)用案例，利用其強(qiáng)大的無(wú)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(dòng)時(shí)的沖擊和電壓波動(dòng)，延長(zhǎng)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(xiàng)目上線運(yùn)行的實(shí)際效果說(shuō)明，正確選擇是項(xiàng)目成功關(guān)鍵因素。