1 引言
隨著“十一五”規劃的實施，城鄉缺水將更加嚴重。我國人均水資源占有量只有世界人均水平的1/4。一方面國家撥巨資進行建設，到2010年，將投入1250億美元進行水廠擴建改建和污水治理及環境改造，另一方面由于老一套的經濟運轉模式，存在嚴重的污染和浪費。綜觀當前國內水工業市場，絕大多數是老企業，設備陳舊，工藝及供電設備老化，自動化水平低下，水耗藥耗材耗嚴重，極少采用先進控制技術。就是近幾年來新建擴建改建的水處理工程，包括花了不少投資組建的fcs、dcs、plc監控系統也不是名符其實的，不能進行網絡化監控，造成許多資源白白浪費。更有許多處理廠站，存在先天性的不足，工藝設計不合理，工藝流程布局混亂，變電站遠離負荷中心，使得電力電纜和控制電纜大多太長。特別是水泵機組的配置不夠科學，使得給排水系統的電耗居高不下，噸水的單位電耗遠遠超過歐美、日本等國家。水工業的節能降耗到了刻不容緩的地步。要針對大量老水廠的技術改造和新水廠的節能降耗中的幾個關鍵技術難題進行科學的分析研究，就要對每個水廠都要從實際情況出發，對水源供水做深入細致的調查分析，對水管的平差壓力必須做大量的科學的計算。一個大型的給水工程往往有1個或2個以上的取水泵站，幾個中間加壓泵站和綜合的凈配水廠組成。大、中型城市的供水系統，往往是多水源、多泵站、多管道、多用戶組成。一個大型的水泵站，又是多臺機組并聯運行。裝機容量是按最不利的條件下，最大時流量和所需揚程來決定的。只有采用水泵機組變頻的無級調速技術，才能連續地改變各水泵機組的轉速，變更水泵的工況，使其綜合的等效特性曲線適應特定管網用水量的變化，維護管網的壓力恒定，最大限度地提高各水泵機組效率，達到理想的節能效果。
一個流程企業采用變頻調速技術，既是電氣傳動問題，也是一個綜合的自動化網絡監控的問題。過去設計時，對電氣的機械的安全問題比較重視，但對網絡監控系統的功能安全問題考慮的不夠。一個流程企業的調速裝置是最為重要的現場啟動設備，它本身的功能安全與否與系統的安全運轉有直接的關系，網絡監控系統的功能安全好壞也直接影響到調速裝置的正常運行。變頻調速技術是一個多專業跨行業的高科技綜合體，與數據采集、數據信息傳輸、監控組態軟件、現代的先進控制技術、儀器儀表測控系統、電力電子技術、電氣傳動技術、流體技術、嵌入式技術、虛似技術、微細的精加工技術、網絡技術、功能安全技術等眾多領域的高精尖科學技術緊密相聯。下面，就采用變頻調速技術和網絡監控系統的功能安全中必須解決的幾個主要問題，進行探討，希望與同仁智士、共同研討這兩大主題的破解之道。
2 節能降耗是水工業建設的永恒主題
節能降耗是水工業建設的永恒主題，是我們必須堅決執行的基本國策。用實例來論證我的觀點。
2.1 北京水源九廠大型靜水配水處理廠站變頻調速的實例介紹
北京水源九廠的送水泵房有4套西門子的變頻調速裝置，第三期又上了2套羅賓康的電壓源型變頻調速裝置。現在有6臺2500kw的調速水泵機組同時并聯運轉。日供水量為150萬m3/d，占了北京總供水量的2/3之多，其節能降耗的成果非常顯著 。順便提一下，與水泵機組一一對應的變頻器只是提供不同速度下的電能量而已。
從上世紀80年代開始，水工業市場真正步入了變頻調速時代。如北京水源九廠、 深圳梅林水廠、深圳東湖泵站、北京第八水廠、長春第二水廠，上海原水公司，上海、廣州、重慶、成都、長春、武漢、昆明、石家莊、大慶油田、廈門、福州、東莞、天津、蘇州、沈陽、哈爾濱、西安自來水公司等幾百個大中小型水廠的配水泵房都選用了變頻調速裝置。水泵電機單機容量從200kw到3000kw，采用了大容量的變頻調速裝置約2000臺以上。200kw以下容量選用變頻調速裝置的就更多了。
2.2 引英入連大型水源取水泵站變頻調速的實例介紹
東北市政設計院設計的供水工程水源泵站，2001年正式投產，其供水能力為66萬m3/d，共5臺2800kw的臥式離心水泵，變速電機電壓為3kv，其中4臺水泵機組選用simovert mv電壓源型變頻器，采用三電平的磁場定向矢量控制技術，逆變側采用了大功率全控器件高壓igbt元件，因為igbt元件的開通和關斷過程都是連續可控的，無需附加其它電路就能實現dv/dt控制，減小了電機和變壓器上的dv/dt。由于采用了kty84器件，可在線地得到高精度的轉矩控制，simovert mv是一種可靠性較高的變頻器，4年來一直運轉良好，其節電效果非常明顯：每年節電452萬kw·h，按0.6元/kw·h計算，則每年均能省電費536萬元。而取水泵站的全部調速裝置投資為800萬元，不到2年，就收回了基建投資。
2.3 南水北調各輸水泵站工程變頻調速的大量選用
(1) 北京市田村山水廠和石化供水取水泵站改擴建工程均為南水北調工程的的重要配套項目之一，6kv中壓水泵機組均選用西門子電壓源型的高壓變頻器，根據用戶的實際需要，進行在線的變速監控。其他各輸水泵站都選用西門子等公司的變頻器作為節能降耗的主要措施。
(2) 南水北調中線工程北京段惠南莊泵站，工藝流程特點是：揚程變幅大、工藝復雜、共安裝8臺大流量高揚程的離心泵，單機功率7300kw。工作方式：6工2備。如果采用變臺數調節流量，水泵就會長期偏離設計工況運行、長期低效率運行，能耗不斷提高，還將引起嚴重汽蝕、極易產生諧振，破壞力極大的水錘現象就會不斷出現。為了保證泵站的長期安全平穩、高效率運行、最大限度節約能耗，并能在網絡上能安全的遠程監控和在線的即時診斷，經過科學的計算和分析，8臺離心泵全部采用高性能的綠色環保型的高壓變頻調速裝置。
(3) 二級壩泵站是南水北調東線一期工程的第十級抽水梯級泵站，位于山東省微山縣南四湖中部。泵站共安裝5套燈泡貫流泵機組(其中備用1套)，采用同步電動機驅動，單臺電動機功率為1650kw。泵站的設計流量為125m3/s，年運行時間為4364h，泵站平均凈揚程1.99m。采用高壓變頻器調速運行，實現水泵在各種運行工況下高效率工作。電動機采用變頻啟動，額定功率為1650kw，額定同步轉速為115.4r/min。為保證在泵站揚程范圍內，水泵能安全可靠地起動，并能連續安全、平穩、高效運行，不出現共振等異常工況(包括各種過渡工況)，泵站調速運行是十分必要的，也是唯一的選擇，同時，采用變頻器調速是本泵站調速的首選方案[4]。
2.4 變頻器在水利行業大型泵站節能降耗改造項目中的廣泛運用
全國的水利行業大型泵站有383處，2663座，共16360臺水泵機組，合計448.88萬kw。納入“十一五”改造的大型泵站共計318處，1514座，10649臺機組，共計375.69萬kw。全國水利行業為了提高效益，除了選用高效的優質泵和閥門之外，采用高效的調速裝置是當務之急。采用雙速電機，運行可靠，設備造價高;采用液力耦合器，低速時效率很低,調速范圍小，節能有限；采用變頻調速，可以平滑的無級調速，運行可靠，節能降耗效果最好。21世紀是it技術、數字技術、網絡技術的時代，大型的水利泵站改造，起點要高，要抓住這個大好時機，盡快提升泵站技術的裝配水平，提高泵站的競爭力。西門子公司和abb等公司的變頻調速裝置，已經成功的運用在國內外許多大型的排灌泵站或流域調水工程之中，節省了大量能源，優化了工藝運轉條件。各網站雜志媒體有大量報導，有很好的節能降耗作用，這里不再重復。
2.5 變頻器在各種大中小型電廠給水排水設備節能降耗的改造項目中的廣泛應用
重慶合川雙槐電廠(2×300mw)工程，水源取至渠江，該江水位變化較大，枯水期與洪水期的水位變幅達30m左右。取水口水壓因水位落差的變化也隨之發生較大改變，取水量也相應發生變化。為了保證取水管道的流量處在一個比較穩定的范圍值內，取水泵則需隨著取水口水位的變化頻繁起停，造成取水管道壓力變化較大，而且電機運行效率極低。取水口水位越高，管道壓力就越高，調節閥門開度越小，電能損失就越嚴重。為了降低取水泵的單耗，節約運行成本，某院對2臺江邊取水泵(功率400kw，電壓等級6kv)采用高壓變頻調速控制。
負荷率按比值0.752計算，扣除變頻器的耗電量4％p(變頻器功率)，每臺電機年運行小時數按5500h考慮，單臺電機運行一年可節約的電量為：519411.2kw·h，電費按0.50元/kw·h計算，每臺泵一年節約電費為259705.6元，一年可節約運行成本26萬元。采用變頻調速，起動實現了軟起動，運行十分平穩；消除了對電網和機械設備的沖擊效應；降低了設備維護保養費用；降低了噪音；延長了設備的使用壽命；提高了系統運行質量；具有良好的社會和經濟效益。
2.6 變頻器在城市雨污水排放泵站中的節能降耗改造項目中的廣泛應用
前幾年，上海市某污水排放泵站，采用了6臺1000kw～1600kw變頻器，電壓6kv。由于無法預測污水排量的實際數值，設計專家們，選用了同一容量和型號的多臺水泵，選中美國羅賓康公司的中壓電壓源型變頻器。這種電壓源型變頻器，功率因數在0.95以上，效率高達97%，諧波電流總失真小于2%，采用低壓的igbt器件，可靠性高，技術成熟。模塊化設計，維護簡單，圓滿地解決了變化無常的污水排量問題，收到了很好的節電效果。
2.7 變頻器在污水處理廠節能降耗改造項目中的廣泛應用
sbr反應池是一種間歇進水、間歇出水、變容積、完全混合、靜置沉淀、厭氧－缺氧－好氧順序發生的循環活性污泥反應器。sbr系統的運行是周期性的循環操作，操作模式由控制軟件選擇指定，運行方式的調整通過調整軟件的基本參數即可實現，具有高度的可控性和靈活性。針對sbr工藝設計的這種曝氣系統，采用變頻調速器調節羅茨鼓風機風量，取消了節流裝置，使進入曝氣池的空氣壓力及流速穩定，在使用上也可以達到十分理想的效果，避免了使用空氣調節閥帶來的調節范圍線性度較窄的弊端，以及在空氣調節閥上的能量損失。風機采用變頻調速可方便地從低速啟動，啟動平穩，啟動電流小。對風機來說降低轉速的同時，噪音大幅度降低。
3 流程工業采用變頻調速技術時必須做到：諧波治理與無功功率動態補償的有機結合，電網和設備都要長期安全運行
當今大型水廠的節能降耗，大都選用高壓大功率變頻調速技術，選擇好的符合水工藝流程要求的大功率變頻器，如何科學的應用好變頻器是一個非常重要的課題，節能降耗、諧波治理與無功功率動態補償要有機的相結合、同步設計，既要節能降耗，又要長期安全運行。
3.1企業網絡監控系統的功能安全性
一個現代化的企業網絡監控系統，對信息網絡的實時性、可靠性、靈活性、同步性和安全性有很高的要求。我們可以按照過去的經驗進行功能設計。但要選用得到安全認證的網絡，來保證數據信息被安全地傳輸的標準，即：其安全性要符合iec61508安全標準的sil3的要求；如圖1、圖2所示。
圖1 國際安全標準結構示意圖
圖2 功能安全標準關系圖
它涵蓋了與系統故障相關或不相關的風險。例如：某一傳感器被檢測到所控制的對象有風險時，就可自動關掉，還不要另加電纜。這個網絡允許所有與安全相關的信息都通過現有的數據線纜傳輸，就能保證按下急停按鈕時，切斷電源，不須要增加任何硬件。安全的網絡監控系統，應能防范潛在的錯誤：重復、丟失、插入、不正當操作、不正確的順序、某子系統變壞、延遲、安全與標準數據之間的混淆等等。安全的網絡監控系統，允許用戶在不同平臺上使用同樣的安全機制。網絡監控系統的安全協議必須得到iec61508認證。在設計監控組態軟件和先進控制軟件的時候，就要將標準化的安全功能塊集成到網絡監控系統中來，使系統具有安全控制功能。安全功能塊應在mes層的高層中設置，使現場層的硬件和軟件系統中就可以不設防了(如變頻調速控制系統)。選擇了安全功能塊，下一步便要決定將安全相關的程序列入控制編程之中。不管是什么軟件和操作系統，都必須遵守iec61508規范 。如果做到了精簡編程語言、指令和認證功能塊，就可極大地簡化軟件的開發和認證工作。
關于安全控制和標準控制之間的理念，這里不再祥述。
3.2 變頻器本身要徹底抑制諧波
科學理論和實踐告訴我們，變頻器就是一個諧波源；‘無諧波’，只是一種美化了的神話。高次諧波危害極大，所以水廠設計之初就要將無功補償和高次諧波治理綜合考慮；無功功率補償到全廠的綜合的功率因數達到0.90以上已被我們所認識，但對于諧波治理的重要性，我們的認識還遠遠不夠。如我們設計的北京第九水廠，6臺調速水泵機組都在運轉。試運行后，我們邀請北京電力科學院做了多次諧波電流的測試工作，對各種可能運轉的工況狀態的諧波分量均進行科學分析和計算；發現其高次諧波非常豐富，不僅偶次諧波超標；奇次諧波更是超標。不但產生特征諧波電流，而非特征諧波電流也很大。西門子沒有消諧裝置和無功功率補償裝置。這樣的變頻裝置，只考慮控制原理，但存在巨大的安全隱范。我們花了250萬元人民幣，利用北京電力科學院的軟件技術，對無功補償和諧波抑制做出新的設計修改方案，才使多臺大功率變頻器安全運轉到現在。這種拿巨資換來的教訓，希望各行業的工程設計，不要再犯重蹈覆轍的錯誤。
諧波抑制的方法有幾種：一種是增加變頻器整流的相數，相數越多，主要的高次諧波就越小；一種是采用濾波器，在變頻器的輸入和輸出側安裝，lc無源濾波器目前還有采用，但采用有源電力濾波器是主要趨勢。中國榮信公司在電網側采用隔離移相變壓器，構成多級移相疊加的整流方式，實現幾十到一百的脈沖整流效果，這種多重化結構設計，可大大改善電網側的電流波形，無需任何無功功率補償及諧波抑制裝置就可滿足供電部門對負載網側電能質量的要求，功率因素高達0.95以上。由于變壓器副邊繞組的獨立性，使變頻功率單元的主回路也相對獨立，非常安全可靠，不增加噪音和發熱，不產生轉矩脈動，變頻器的效率高于0.97以上。
3.3諧波治理和無功功率動態補償相結合的裝置簡介
以中國榮信公司的bbb為例，其控制部分由控制柜、脈沖柜和功率單元三部分組成。控制柜的作用是通過采集系統信號經內部計算處理后發出觸發脈沖，同時檢測晶閘管擊穿、觸發脈沖丟失和tcr過流等。脈沖柜是將觸發脈沖轉變為符合要求的脈沖信號，觸發晶閘管。功率單元是由晶閘管、阻容吸收、熱管散熱器、脈沖變壓器、bod板和擊穿檢測板六部分組成。它是串入電抗器回路，通過接收脈沖柜發出的脈沖信號，控制晶閘管的通斷，使電抗器產生補償所需的電流。如圖3所示。
圖3 svc控制系統的基本組成簡圖
bbb監控系統可以方便、直觀的查看bbb設備的運行參數、曲線、歷史記錄、故障記錄等，支持網絡傳輸和遠程監控。如圖4所示，bbb如圖接入系統中,電容器提供固定的容性無功qc，補償電抗器通過的電流決定了補償電抗器輸出感性無功qtcr的大小，感性無功和容性無功相抵消，只要能做到：系統無功qn=qv(系統所需)-qc+qtcr=常數(或0)，則能實現電網功率因數=常數，電壓幾乎不波動；其關鍵是準確控制晶閘管的觸發角，得到所需的流過補償電抗器的電流，晶閘管變流裝置和控制系統能夠實現這個功能，采用母線的無功電流值和電壓值，合成無功值，和所設定的恒無功值(可能是0)進行比較，計算得觸發角大小，通過晶閘管觸發裝置,使晶閘管流過所需電流。
對于不對稱負荷，利用steinmets理論實現分相調節，消除負序電流，平衡三相電網。
榮信公司是國內svc(bbb)最大的生產基地。國內市場占有率超過50%，超過了abb和西門子的占有量，有600多套裝置在正常運轉，還出口越南、泰國、緬甸、土耳其、尼日利亞、蘇丹等國家，為意大利等國際型工程總包公司提供svc分包業務，2005至2007連續三年占全球第一；保障了用戶的控制系統和像變頻器一樣的所有現場設備能長期安全可靠的運轉。
就是不采用變頻調速的給排水工程，也要綜合考慮諧波抑制和無功功率補償的問題。榮信公司的svc(bbb)裝置，具有多項國際專利技術，是綜合考慮諧波抑制和無功功率動態補償的最佳選擇方案之一。
圖4 bbb(svc)原理圖
4 選擇和應用大功率變頻器的幾個關健要素
從六個關鍵要素中去評選綠色環保型的功能安全的能在網絡上實現遠程的監控和實時的遠程診斷的變頻器裝置。
4.1 選擇高性能igbt模塊功率元件構建雙pwm綠色環保型的新型變頻主電路是重中之重
變頻主電路的功率元件是變頻器技術發展的最主要的核心物質基礎。主電路功率元件的工作過程就是能量的過渡過程，其可靠性、穩定性、精確性決定了變頻器的可靠性、穩定性和精確性。中國榮信公司選用eupec公司的高性能igbt模塊功率元件，采用多重化脈寬調制技術，對每個功率單元進行多重化疊加，可得到階梯正弦的pwm波形；采用美國著名的德馬考爾(thermacore)公司的超導熱管冷卻專利技術，徹底解決了igbt等功率器件散熱的熱島效應問題，使用壽命可超過30年，并免維修。這種階梯正弦的pwm波形正弦度很好，dv/dt遠小于500v/μs之下，對電機和電纜的絕緣無損害，無需另加濾波器，對輸出的電纜長度無特殊要求，可直接用于普通電機，能有效消除負載電機的轉矩脈動和機械軸承的振動。客戶希望其他公司像榮信公司那樣，一切為了用戶，創造出更多集功率變換、驅動保護、數字監測、智能控制、壽命長、抗干擾性強、抗尖峰電壓及電流沖擊能力強、能自診斷、有自愈力等功能于一身，效率更高、功能更強、附加值更多的新一代綠色環保型變頻器供客戶任意挑選。
雙pwm綠色變頻器主電路拓撲結抅，將是新型大功率變頻調速技術發展的主要趨勢。不僅逆變部分采用最新的自關斷器件，整流部分也采用最新的pic功率模塊元件，電網側輸入電流波形接近正弦波，且功率因數接近于1；另一方面，實現能量向電網回饋，保證變頻器能四象限運行。pwm整流回路還可以大大減小直流環節的濾波電容的容量。采用雙pwm技術，對消除機械和電磁噪音是最佳的方法。隨著功率和頻率的增加，pwm的開關損耗也會增加；在大功率和高頻化方面還有大量技術要研究和突破。我們可以采用虛擬技術和嵌入式技術，隨著微處理技術迅速發展，利用諧波技術，硬開關變軟開關，采用標準化的pwm模式，來解決開關損耗問題。優化的pwm模式，即三次諧波疊加法和電壓空間矢量pwm法，這兩種方法具有計算簡單實時控制容易、動態響應速度快、控制精度高、準確度高的全數字化和網絡化的特點。
pwm控制技術現在正處在不斷完善，不斷創新的大好階段，將進一步推動更多更好的綠色環保型變頻器的創新。自上世紀70年代到現在，隨著微電子技術的迅猛發展，主電路的功率元件經歷了四代巨大的變革。由第一代的scr(晶閘管)，第二代的gtr(電力晶體管)、mosfet場效應晶體管，第三代的igbt(絕緣柵極雙極晶體管)，到第四代的智能功率集成模塊pic為代表的最新型功率元件，將成為變頻主電路的決定性因素。還有最新的功率元件如igct、iegt(集成發射式門極晶閘管)、gaas(砷化鎵管)、sic(碳化硅復合器件管)、光控igbt管及超導功率器件管等不斷的閃亮登場。
4.2 選擇高質量長壽命的濾波電容 是變頻器長期穩定運行的根本保證
當今變頻器大都要配置電容器，為了打價格戰，大多選用電解電容。無數實踐告訴我們，這種電解電容耐壓低，要多個串聯，其均壓問題不好解決，致使電容發熱嚴重，不能自愈，極易引起外殼炸裂，壽命極短，每5年就要全部更換一次，變頻器的維護重點就是電解電容器，運行維護價格很高，使客戶望而卻步。像科達公司和榮信公司那樣，采用高可靠性的低感性的電力電容；這種電容，耐壓高(比電解電容高4倍左右)、容量大、寄生電感小、有自愈功能、壽命可達20~30年，是變頻器長期穩定運行的根本保證。
4.3 變頻器要真正做到全數字化、智能化和網絡化，并能在互聯網上實現遠程監控功能
變頻調控系統設計多學科的技術領域，是一個快速監控的系統，需要存儲和處理大量的多種數據，在網絡上要快速實時的處理，傳遞大量的信息。水泵機組配套的變頻器是一個執行器，在大型的水系統中，變頻器就工作在工藝流程非常復雜，工作環境不好，要不斷接受指令變速運行的環境中。泵站和凈化處理廠相距遙遠，加上無人值守，長期高負荷運轉，出現故障的機率就很高。變頻器必須數字化、智能化和網絡化，才能在網絡上進行快速的工作、診斷和維修。榮信等公司采用高速單片機控制器或dsp控制器與mmi一體化工作站和plc共同構成。可以實現柔性的閉環控制，生成多電平的pwm控制波形，擁有完善的在線的保護、故障診斷、打印、存儲、查閱、進行邏輯處理、運行控制、故障聯鎖等功能。
4.4生產廠家要具備全載試驗檢測條件
國內，絕大多數廠家，產品出廠前做不了全載的考核，在現場要進行較長時間的空載調試，然后再帶負載進行調試。榮信等少數公司能在出廠前進行耐中壓帶全負載的調試工作，許多問題出廠之前就解決了，大大縮短了現場調試的時間，這是廣大客戶群的希望所在。
4.5變頻器整機全部經過嚴格的高低溫老化考核
希望所有制造廠家，對每一個元器件都要進行嚴格的篩選；全部組裝完成后，能像榮信公司那樣，再進行整機的高低溫老化考核，確保產品的優良品質，遵循iso9001質量體系的標準檢驗。這是高壓變頻器質量保證的基石。
4.6 采用先進可靠的高新焊接技術確保控制系統長期安全可靠運行
高壓變頻裝置技術含量很高，它融合了電力電子控制三大電氣工程技術，控制技術又是關鍵技術，各種模塊的電子線路，不能有虛焊或焊接不牢的現象存在，要像榮信公司那樣，采用雙峰焊生產線和自動貼片生產線，使控制線路具有優良的抗干擾和抗腐蝕能力，確保控制系統長期安全可靠運行。
5 結束語
各專家、同仁學者，我們必須加強變頻器在實踐應用中的技術研究，對實踐中出現的各種技術難題，更要共同攻關和協力研究，巧妙運用虛似技術、嵌入式技術、網絡技術、微處理器技術和現代化智能控制理論去研發新型的綠色環保型的高端的成本低廉的變頻器，使客戶有更多挑選的余地。巨大的客戶群和國內外的變頻器制造商，都必須樹立“創新是硬道理”的“科學發展觀”，用信息化帶動自動化，將變頻調速節能降耗的基本國策落實到實處。
作者簡介
陳運珍 北京市市政工程設計研究總院任職，承擔過幾十項大中型給水排水的供配電系統及復雜的綜合自動化監控系統工程的設計任務；發表過40多篇關于電機調速和網絡自動化監控技術的工程實際的研究論文，被“中國水網”、“中國水利建設信息網”特聘為“電氣與自控”專業的咨詢和評審專家。創建了特具工程設計流程的中國水工業自動化網并兼任總工程師職務。是中國電工技術學會的高級會員，是中國水工業電工專委會原秘書長，是中國水泵電機調速研究會常務付理事長兼常務秘書長。
參考文獻
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：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
