多臺大型水泵機組在并聯(lián)變頻調(diào)速運轉(zhuǎn)時要解決的幾個關(guān)鍵技術(shù)難題
The Key technical problems need to be solved while several large-sized water pump machines are adjusting the speed by combining inverters
BEIJING MUNICIPAL ENGINEERING DESING ＆ REbbbbbb GENERAL INSTITUTE CHEN YUN ZHEN
摘 要：從四十多年在大型給水排水工程的設(shè)計、運行、管理實際出發(fā)，總結(jié)了大型水廠采用變頻調(diào)速節(jié)能降耗的高新技術(shù)中，必須解決的關(guān)鍵技術(shù)難題：如何尋找等效的綜合的理想的水泵特性曲線？如何選用最佳的調(diào)速方案？如何追求最小的單位電耗目標？諧波治理及功率因素補償如何綜合考慮？如何選擇綠色環(huán)保型的變頻器？什么是最理想的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控環(huán)境？如何采用最科學的智能控制先進技術(shù)？針對這些應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)難題提出了作者的見解，供同仁磋商。
關(guān)鍵詞：多臺水泵并聯(lián)運轉(zhuǎn)的理想特性曲線；最小單位電耗目標；信息控制一體化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控；諧波冶理以及功率因素補償；綠色環(huán)保型變頻器。
Abstract: According to 40 years experiences in the design, operation and management of large-scale water supplies and drainages, some key technical issues of using VVVF to save energy consumption in large-scale water supplies are summed up: how to find the equivalent, ideal and comprehensive curve of the pump characteristic? How to choose the best speed regulating solution ? How to achieve the lowest power consumption per unit target? How to consider harmonic suppression and power factor compensation comprehensively? How to choose green and environment-friendly inverters? How to establish good network monitoring environment? How to use the most scientifically advanced inbbbligent control technology? The author expresses his opinion about these issues in this paper for consulting with colleagues.
Keywords: the ideal characteristic curve of multiple parallel operating pumps；lowest power consumption target；Inbbbbation Control Integration Network；Monitoring;harmonic suppression and power factor compensation.；green and environment-friendly inverters。
1. 引言
隨著十一五規(guī)劃的實施，城鄉(xiāng)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四分之一。 一方面國家撥巨資進行建設(shè)，到2010年，將投入1250億美元進行水廠擴建改建和污水冶理及環(huán)境改造，另一方面由于老一套的經(jīng)濟運轉(zhuǎn)模式，存在嚴重的污染和浪費。綜觀當前國內(nèi)水工業(yè)市場，絕大多數(shù)是老企業(yè)，設(shè)備陳舊，工藝及供電設(shè)備老化，自動化水平低下，水耗藥耗材耗嚴重，先進控制技術(shù)極少采用。就是近幾年來新建擴建改建的水處理工程，花了不少投資組建的FCS、DCS、PLC監(jiān)控系統(tǒng)也不是名符其實的，不能進行網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)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(shè)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(tǒng)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(yè)的降耗節(jié)能到了克不容緩的地步。水工業(yè)各大系統(tǒng)節(jié)能降耗要做的文章大多了。要針對大量老水廠的技術(shù)改造和新水廠的節(jié)能降耗中的幾個關(guān)鍵技術(shù)難題，進行科學的分析研究并提出對策。
2. 認真分析綜合等效的水泵特性曲線來確定調(diào)速問題至關(guān)重要
對每個水廠都要從實際情況出發(fā)，對水源供水做深入細致的調(diào)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(tǒng)，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(lián)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(diào)速技術(shù)，才能連續(xù)地改變各水泵機組的轉(zhuǎn)速，來變更水泵的工況，使其綜合的等效特性曲線適應(yīng)特定管網(wǎng)用水量的變化，維護管網(wǎng)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(jié)能效果。下面舉兩個工程的設(shè)計實例，來分析要不要調(diào)速節(jié)能。
2.1 引英入連大型水源取水泵站（2800kw×5臺并聯(lián)變頻調(diào)速）的實例分析：
水工藝專家們，對取水泵站選泵設(shè)計時，都是考慮供水保證率達到95～99%的最低原水水位時泵站最大出水量的供水規(guī)模。水泵站的裝機是按最不利條件下、最大時流量和所需相應(yīng)揚程決定的。而實際上每天只有很短時間能達到最大時流量，大多數(shù)時間里，水泵站都處在小流量下工作。為了適應(yīng)流量的變化，許多泵站在運行中采取關(guān)小出口閘門的辦法來控制流量，從而造成出口閘門前后的壓力差值（少則多米多則幾十米）就白白地浪費于閘門阻力上（見圖1）。
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圖1 用水泵出口閘門調(diào)節(jié)水泵運行工況 圖2 調(diào)節(jié)水泵合數(shù)和出口閘門適應(yīng)流量變化
當水泵臺數(shù)足夠多時，是可以很好地適應(yīng)水量變化的，但是水泵型號是有限的，裝機臺數(shù)過多，不僅管理不便，而且會無謂地增大建筑面積，提高工程造價，即使這樣，也無法做到完全適應(yīng)水量變化，還需要用調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)水量（見圖2）很多水廠切削水泵葉輪適應(yīng)工作點需要，因水泵工作點不連續(xù)照樣有能量損失。為此，采用水泵機組無級調(diào)速技術(shù)，可連續(xù)地改變水泵轉(zhuǎn)數(shù)，來變更水泵工況，使其流量與揚程適應(yīng)于管網(wǎng)用水量的變化，提高水泵機組效率，維持管網(wǎng)壓力恒定，達到節(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為幾何揚程（含地形差和自由水頭），當用水量從Qmax減少到Qmin的過程中，全速泵的揚程將沿BA曲線上升，而管網(wǎng)所需揚程將沿BBn曲線下降，這兩條曲線縱坐標的差值就意味著全速泵揚程的浪費。應(yīng)用水泵調(diào)速技術(shù)時，當用水量從Qmax變動到Qmin的過程中，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的交點軌跡BBn正在管路特性曲線上。這樣就可使水泵工作點沿管路特性曲線滑動，使他揚程處處能與系統(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)供水壓力恒定，根據(jù)水泵軸功率的計算公式，明顯收到節(jié)能效果。
東北市政設(shè)計院設(shè)計的供水工程水源泵站，2001年正式投產(chǎn)，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式矢量控制技術(shù)，逆變側(cè)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(guān)斷過程都是連續(xù)可控的，無需附加其它電路，就能實現(xiàn)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(zhuǎn)矩控制，Simovert MV是一種可靠性較高的變頻器，4年來一直運轉(zhuǎn)良好，其節(jié)電效果非常明顯：每年節(jié)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(diào)速裝置投資為800萬元，不到2年，就收回了基建投資。
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圖3水泵機組無極調(diào)速適應(yīng)流量變化
2.2北京第九水廠凈配水處理廠送水泵房（2500kw×6臺并聯(lián)運行）的實例分析：
給水處理工藝流程，一般為進水、配水井、絮凝沉淀、過濾、清水池、配水泵房，送入配水管網(wǎng)；還有加藥、加氯、加氨等輔助系統(tǒng)，中間還有回流泵房等。我們再深入分析一下水泵并聯(lián)運轉(zhuǎn)時工作機理。水泵相似定律：
Q／Q′／Q″＝n／n′／n″ ………………………………… （1）
H／H′／H″＝n2／n′2／n″2…………………… ……………（2）
N／N′／N″＝n3／n′3／n″3…………………… ……………（3）
N＝（1－s）f／P…………………………………… ……… … （4）
水泵工作揚程：H＝Hh＋Hf＝Hh＋CQ2…………… ……………（5）
（n為轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速；S為電機轉(zhuǎn)差率；f為定子頻率；P為電機極對數(shù)；
Q為綜合流量；H為水泵揚程；N為電機軸功率。）
如果選用變頻調(diào)速，就是通過改變定子頻率，來改變異步電動機轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速，同時，又要滿足電動機轉(zhuǎn)矩的要求，達到水泵運轉(zhuǎn)在高效率區(qū)域內(nèi)。速度改變了，水泵的流量、揚程、功率都隨著改變。
取水泵站的流量變化系數(shù)：
K取=Kd1/Kd2=1.4/0.6=2.33…………………………………………………（6）
（Kd1—高日系數(shù)，取1.4，Kd2—低日系數(shù)，取0.6）
Hh為水泵的幾何高差，一般為常數(shù)；Hf =CQ2為管道摩阻水頭，隨流量平方而變化，Hf = Hfmax/Hfmin=Kd12/Kd22=5.4 ………………………………………… ……（7）。
凈配水廠的流量變化系數(shù)：
K配=（Kd1•Kh1）/（Kd2•Kh2）=（1.4×1.4）/0.6×0.5=6.53…………（8）
（高時變化系數(shù)Kh1取1.4，低時系數(shù)Kh2取0.5。）
由此可見，凈配水廠比取水廠站的流量變化更大，給水處理廠更要考慮科學的調(diào)流降耗的措施。流量的千變?nèi)f化，影響著整個處理系統(tǒng)的不斷變化，如絮凝沉淀、各種過濾的處理程序，加氯、加氨、加藥的隨機變化，以及回流泵房等，都要采取各種先進監(jiān)控技術(shù)來調(diào)節(jié)變化。這些先不提了，重點研究一下送水泵房大容量水泵機組的調(diào)節(jié)問題。見圖4.
上世紀八十年代中期，我院承擔的北京市第九水廠設(shè)計中已充分認識了這個問題。從整個工藝流程到變配電設(shè)備選型，不是按最高日最高時的流量和其對應(yīng)的壓力為工作點來選水泵和水泵組合；而是在滿足最大設(shè)計水量的基礎(chǔ)上，盡量使調(diào)速高效特性曲線接近系統(tǒng)的特性曲線，也就是說，盡量將各種調(diào)速泵組合的高效區(qū)能套入出現(xiàn)機率最高的工作段或點上。調(diào)速水泵臺數(shù)，應(yīng)在全年內(nèi)運行工況中開泵出現(xiàn)次數(shù)最多的臺數(shù)為需要的臺數(shù)，而備用選泵用定速泵。北京第九水廠配水泵工作特性曲線圖如圖4。
圖4 北京第九水廠配水泵房（2500kw，6臺并聯(lián)變頻調(diào)速運行）特性曲線
由電算可知，首期2臺2500kW轉(zhuǎn)出現(xiàn)機率最大，其次為3臺同時運轉(zhuǎn)，要考慮的是各種臺數(shù)組合的系統(tǒng)曲線的高效區(qū)均能包入高日高時流量的基礎(chǔ)上向右下方移動。由圖可知，加大了額定流量，但降低了額定揚程，使多合配水泵綜合的高效中心線介于兩、三臺水泵運轉(zhuǎn)時的系統(tǒng)特性曲線之間，二期后同時運轉(zhuǎn)需要4臺的2500kW的水泵機組，再考慮日變系數(shù)和時變系數(shù)的變化率，設(shè)計中規(guī)定4臺運轉(zhuǎn)泵均采用變頻調(diào)速裝置，這樣運轉(zhuǎn)，最為經(jīng)濟合理。如果按老套路設(shè)計，就會選更多的水泵機組，為了調(diào)節(jié)水量，就要選各種不同容量不同型號的水泵機組，或者只上1臺調(diào)速裝置去試一試。這樣一來，水泵機組很多，泵房面積很大，土建投資更大；同時，管理維修難度加大，水錘現(xiàn)象無法避免，更談不上什么供水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度了，其電耗、水耗、藥耗還是會居高不下。
北京水源九廠的送水泵房有4套西門子的變頻調(diào)速裝置，第三期又上了2套羅賓康的電壓源型變頻調(diào)速裝置。現(xiàn)在6臺2500kW的調(diào)速水泵機組同時并聯(lián)運轉(zhuǎn)。日供水量為150萬m3/d，占了北京總供水量的2/3之多，其節(jié)能降耗的成果非常顯著 。順便提一下，與水泵機組一一對應(yīng)的變頻器只是提供不同速度下的電能量而乙。
從上世紀80年代開始，水工業(yè)市場真正步入了變頻調(diào)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(diào)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(diào)速裝置約2000臺以上。200kW以下容量選用變頻調(diào)速裝置的就更多了。
2.3 創(chuàng)建科學的綜合等效的理想的虛擬的特性曲線至關(guān)重要
每建一個多臺大功率并聯(lián)運行的泵站或改造一個大規(guī)模的綜合的給水排水系統(tǒng)，都要把實際情況搞透，進行科學的水力計算，創(chuàng)建“泵站節(jié)電節(jié)水的最高目標”的軟件，使整個泵站的綜合的運轉(zhuǎn)特性曲線，由一條曲線擴大為一個工作面、工作點，由一個點變成沿管阻特性曲線的一個線段，將多臺并聯(lián)運行的調(diào)速泵組合為一臺等效的理想特性曲線。從上面二個實例有力的證明，創(chuàng)建理想的綜合等效的多臺水泵并聯(lián)運轉(zhuǎn)的虛擬的特性曲線是多么的重要，見圖4。就是說，變頻調(diào)速，特別是在小流量的最低速時，也能使泵站始終運行在高效區(qū)域內(nèi)，真正平滑無級的運轉(zhuǎn)在最優(yōu)化的組合上，保證水處理系統(tǒng)一直運轉(zhuǎn)在最低的電耗、藥耗、水耗的目標上。
3. 最佳調(diào)速方式的選擇
3.1不同調(diào)速方式再比較
工程建完了，其水泵機組和管道就定了，如圖1、圖2、圖3、圖4所示。
要改變總的出水流量，采用古老的人工調(diào)閥門的方法，是不可行的；會產(chǎn)生巨大的水錘，會有巨大的破壞力，故障實例屢見不鮮。采用變頻調(diào)速，電耗就會大幅度下降，達到調(diào)節(jié)水量的控制目的。
3.2各種方式調(diào)節(jié)流量的節(jié)電效果如圖1、圖2所示。
調(diào)節(jié)閥門，流量是變化了，但電機功率不變，電能并沒有節(jié)省；過去常采用的液力耦合器，電能是節(jié)省一些，但電耗還是不小，最好的辦法就是采用變頻無級調(diào)速技術(shù)，就很接近理想的控制曲線。當然在一些調(diào)速范圍不很大的水廠，也可以采用軟啟動器設(shè)備，有一定范圍的調(diào)節(jié)，簡單、實用、價格更便宜，但其節(jié)電效果肯定不如變頻調(diào)速裝置。
4. 最小單位電耗是我們孜孜不倦追求的奮斗目標
一個泵站隨著水質(zhì)和用水量的不斷變化，如何在線的動態(tài)指揮各臺調(diào)速水泵機組的運轉(zhuǎn)，始終做到藥耗、電耗、材耗最低，這是我們追求了幾十年的奮斗目標，可始終沒有達到。由于沒有一個好的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)一的通信協(xié)議，更重要的是沒有一個專用的軟件來完成這些工作。關(guān)于泵站量化節(jié)能的研究，我國金易奧科技公司創(chuàng)建了“泵站目標電耗節(jié)能”的有國家專利的研究項目，為達到最小單位電耗目標做了有益的工作。
“泵站目標電耗設(shè)計測算軟件”，借助于強大的計算機運算能力及其模塊化結(jié)構(gòu)，使得軟件的應(yīng)用極為簡便，只需輸入泵站中所用設(shè)備和工藝流程的動態(tài)要求，該軟件就會自動給出泵站的目標最低電耗的變化曲線。要達到廣泛運用，此軟件還要做大量的完善工作。
通過網(wǎng)絡(luò)給出動態(tài)的流量就可在圖中查出最小的目標電耗值Wmin及控制運行策略,就能節(jié)約△W的電耗浪費,就能使多臺調(diào)速水泵機組按最優(yōu)化的組合以及調(diào)速策略去運轉(zhuǎn),保證系統(tǒng)一直運轉(zhuǎn)在最低的單位電耗下。設(shè)計之初是很難用一個模式去適應(yīng)千變?nèi)f化的實際需求。泵站的噸水電耗計算公式：
W=Wmin+△W=H0(Q，t)/367/ηmax (Q,H)+{[ H0(Q，t)/367/ηmax (Q,H) ] ×[△η(Q,H)/ (Q,H)]+[ △H(Q，t)/367/η(Q,H)]}…………………………………………… ……………… （9）
式中Wmin= H0(Q，t)/367×ηmax (Q,H)為泵站所能實現(xiàn)的最小噸水電耗………… （10）
△W=[ H0(Q，t)/367/ηmax (Q,H) ] ×[△η(Q,H)/ η(Q,H)]+[ △H(Q，t)/367/η(Q,H)]= △W1+△W2 ……………………………………………………………………………………………………（11）
式中Wmin就是我們一直追求的最小噸水電耗目標值；
△W1為多臺水泵綜合運行效率η(Q,H)偏離最高綜合效率ηmax (Q,H)時所產(chǎn)生的△η(Q,H)偏離的電能浪費； △W2為多臺水泵運轉(zhuǎn)時富裕揚程△H而造成的電能浪費。
該軟件在國內(nèi)許多地方都有實際應(yīng)用。如哈爾濱第三水廠采用了該軟件后，有明顯的節(jié)電效果，保證了第三水廠始終處于最省電的運行狀態(tài)之中。
5. 諧波治理與無功功率動態(tài)補償要有機的相結(jié)合
實踐告訴我們，變頻器就是一個諧波源，什么‘無諧波’，是一種美化了的神話。高次諧波危害極大，所以水廠設(shè)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?shù)饺珡S的綜合的功率因素達到0.90以上，已被我們所認識，但諧波治理的重要性，我們的認識還遠遠不夠。如我們設(shè)計的北京第九水廠，現(xiàn)在日供水量為150萬噸，6臺調(diào)速水泵機組都在運轉(zhuǎn)。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。發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生特征諧波電流，而非特征諧波電流也很大。
諧波抑制的方法有幾種：一種是增加變頻器整流的相數(shù)，相數(shù)越多，主要的高次諧波就越小，但是線路復(fù)雜了，功率元器件很多；一種是采用濾波器，在變頻器的輸入和輸出側(cè)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。它串聯(lián)或并聯(lián)于主電路中，能實時產(chǎn)生一個與諧波電流大小相等，而方向相反的補償電流。從而使電網(wǎng)電流只含基波電流分量，它不受電網(wǎng)阻抗的影響。
北京水源九廠前二期采用四套西門子的SIMOVERT “A”電流源型變頻器，單臺電機功率2500千瓦 ，采用12脈沖整流，又分主動變頻器和從動變頻器，啟動脈沖會產(chǎn)生30度的相位移，這樣3、5、7、9次的高次諧波數(shù)值是在允許值之內(nèi)，但11、13等諧波電流均超標，加上變頻器負載不一致，三相電源電壓不很平衡，再加上控制回路觸發(fā)角的誤差，就會產(chǎn)生很多非特征性的諧波。第三期選用羅濱康的電壓源型變頻器，沒有諧波消除問題 。
我們根據(jù)電力科學院的諧波治理方案，一期和二期花了350萬人民幣來治理諧波和補償無功功率，這樣，6KV側(cè)功率因素達到了0.96以上，各次諧波數(shù)值都在允許值之內(nèi)。
6. 必須創(chuàng)建信息控制一體化的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。
傳統(tǒng)的ＦＣＳ現(xiàn)場總線和傳統(tǒng)的ＰＬＣ控制器或ＰＩＤ控制器，沒有一個好的符合水工藝流程的監(jiān)控軟件的智能控制，要在網(wǎng)絡(luò)上做到快速的時間響應(yīng)是不可能的。在水處理過程中，加藥系統(tǒng)的在線的動態(tài)響應(yīng)時間要求在幾毫秒之內(nèi)，有的要在１毫秒之內(nèi)，其抖動時間要在１μＳ之內(nèi)。現(xiàn)在的FCS現(xiàn)場總線和一般的工業(yè)以太網(wǎng)達不到這個要求。只有實時工業(yè)以太網(wǎng)才能滿足大型水廠變頻調(diào)速的要求。ＥtherCAT、Ethernet powerbbbb 、PROFinet、MODBUS-IDA、Ethernet/IP和ＥＰＡ等六種實時工業(yè)以太網(wǎng)才能滿足要求。在設(shè)備層和現(xiàn)場控制層只有PAC可編輯自動控制器，才能滿足現(xiàn)代大型水廠的現(xiàn)代智能控制的要求，PAC具有PLC和IPC的諸多優(yōu)點，還可以集成PLC、FCS、DCS等功能，是一個完全數(shù)字化的功能強大的開放的可編程自動控制器，PAC可以激活PLC、IPC、FCS系統(tǒng)的孤島現(xiàn)象，現(xiàn)場像變頻器一樣的所有執(zhí)行器、儀器儀表、傳感器及所有電氣設(shè)備都按有網(wǎng)絡(luò)接口，都要遵守TCP/IP通訊協(xié)議，才能在網(wǎng)絡(luò)中縱橫的無距離的傳遞和處理各種信息，做到?jīng)]有誤差、快速適應(yīng)，工程師們才能在網(wǎng)絡(luò)上輕松自由的高精度的進行頻率設(shè)定，準確的進行故障診斷，可在線的監(jiān)控和維修變頻器軟硬件及電氣、儀器儀表等設(shè)備。
要想做到水總調(diào)度中心的遠程監(jiān)控、診斷和維修，就必須創(chuàng)造一個科學的信息控制一體化的監(jiān)控系統(tǒng)，即“Internet+RTE+TCP/IP協(xié)議+PAC”的完全開放的監(jiān)控系統(tǒng)，才能“e” 網(wǎng)到底，才能在網(wǎng)上即時調(diào)度所有變頻器的運轉(zhuǎn)，才能真正實現(xiàn)各種先進控制技術(shù)的智能控制。
7 選擇和應(yīng)用大功率變頻器的幾個關(guān)健要素
當今大型水廠的節(jié)能降耗，大都選用大功率變頻調(diào)速技術(shù)，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(yīng)用好變頻器？是一個非常重要的課題，要從六個關(guān)鍵要素中去評選。
7.1選擇綠色環(huán)保型的新型變頻主電路 。
自上世紀70年代到現(xiàn)在，隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，主電路的功率元件經(jīng)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(yīng)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(fā)射式門極晶閘管、GaAS砷化鎵管、SiC碳化硅復(fù)合器件管、光控IGBT管及超導功率器件管等不斷的閃亮登場。
變頻主電路的功率元件是變頻器技術(shù)發(fā)展的最主要的核心物質(zhì)基礎(chǔ)。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(wěn)定性、精確性決定了變頻器的可靠性、穩(wěn)定性和精確性。中國榮信公司采用EUPEC公司的高性能IGBT模塊功率元件，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(shù)，徹底解決了IGBT等功率器件散熱的熱島問題使用籌命可超過30年，并免維修。客戶希望其他公司像榮信公那樣，一切為了用戶，創(chuàng)造出更多集功率變換、驅(qū)動保護、數(shù)字監(jiān)測、智能控制、籌命長、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(huán)保型變頻器供客戶任意挑選。
雙PWM綠色變頻主電路拓撲結(jié)抅，將是新型大功率變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。不僅逆變部分采用最新的自關(guān)斷器件，就是整流部分也采用最新的PIC功率模塊元件，一方面交流輸入電流波形為正弦波，且功率因數(shù)接近于1；另一方面，實現(xiàn)能量向電網(wǎng)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接環(huán)節(jié)的濾波電容的容量。采用雙PWM技術(shù)，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(guān)損耗也會增加；在大功率和高頻化方面還有大量技術(shù)要研究和突破。我們可以采用虛擬技術(shù)和嵌入式技術(shù)，隨著微處理技術(shù)迅速發(fā)展，利用諧波技術(shù)，硬開關(guān)變軟開關(guān)，采用標準化的PWM模式，來解決開關(guān)損耗問題。優(yōu)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(tài)響應(yīng)速度快、控制精度高、準確度高的全數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的特點。
ＰＷＭ控制技術(shù)現(xiàn)在正處在不斷完善，不斷創(chuàng)新的大好階段，將進一步推動更多更好的綠色環(huán)保型變頻器的創(chuàng)新。
7.2大功率變頻器要有過硬的消諧措施
現(xiàn)在的大功率變頻器，上面配有隔離變壓器，二次線圈供電，功率單元和線圈相互絕緣，線圈之間有一個小的相位差，可清除各單元產(chǎn)生的大多數(shù)諧波電流，使基波電流盡量接近正弦波，而功率因數(shù)可在0.95以上。這樣，就可直接和普通電機配套，不增加噪音和發(fā)熱，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，變頻器的效率高于0.97以上。
7.3變頻器的dv/dt.值要小于500v/μs以下，當然越小越好。
IGBT、IGCT的開關(guān)頻率高，開斷速度快，對大功率的水泵電機絕緣不利，還要增加電動機的損耗。我們知道，有許多廠家變頻器的dv/dt值大大超過500v/μs,有的高達1500v/μs之上。希望廠商要為用戶著想，在功率單元電路上設(shè)置LRC電路，其電感的鐵芯要選用超微晶新材料，進出電纜要屏蔽，電纜敷設(shè)必須嚴格按設(shè)計規(guī)范去做，保證dv/dt盡量小于500v/μs之下。dv/dt越小，就越有利于電動機繞組的絕緣，減小電動機的附加損耗，也可降低高次諧波分量。
7.4選擇高質(zhì)量長壽命的濾波電容。
當今變頻器大都要配置電容，為了打價格戰(zhàn)，大多選用電解電容。無數(shù)實踐告訴我們，這種電解電容耐壓低，要多個串聯(lián)，其均壓問題不好解決，致使電容發(fā)熱嚴重，不能自愈，極易引起外殼炸裂，壽命極短，就是進口的電解電容每五年也要全部更換，變頻器的維護重
點就是電解電容，運行維護價格很高，使客戶望而卻步。建議廠商為客戶著想，也為自己的信譽著想，配置壽命長，具有高可靠性的無極性濾波電容或低感性的電力電容。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。
7.5變頻器要真正做到全數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。
變頻調(diào)控系統(tǒng)包含多學科的技術(shù)領(lǐng)域，是一個快速監(jiān)控的系統(tǒng)，需要存儲和處理大量的多種數(shù)據(jù)，并在網(wǎng)絡(luò)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(zhí)行器，在大型的水系統(tǒng)中，變頻器就工作在工藝流程非常復(fù)雜，工作環(huán)境不好，要不斷接受指令變速運行，長時間運轉(zhuǎn)的工況中。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(zhuǎn)，出現(xiàn)故障的機率就很高。變頻器必須數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，才能在網(wǎng)絡(luò)上進行快速的工作、診斷和維修。
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各專家、同仁學者，我們必須加強變頻器在實踐應(yīng)用中的技術(shù)研究，對實踐中出現(xiàn)的技術(shù)難題，更要共同攻關(guān)和協(xié)力研究，巧妙運用虛似技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高端的微處理器技術(shù)和現(xiàn)代化智能控制理論去研發(fā)新型的綠色環(huán)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。水工業(yè)系統(tǒng)的大量傳統(tǒng)企業(yè)面臨改造和擴建，大量的新建水企業(yè)都要大量選用好的變頻器。其他工業(yè)系統(tǒng)也一樣面臨這個課題。這是一個挑戰(zhàn)，也是一個絕好的發(fā)展機遇。巨大的實踐客戶群和國內(nèi)外的變頻器制造商，都必須樹立“創(chuàng)新是硬道理”的“科學發(fā)展觀”，將變頻調(diào)速節(jié)能降耗的基本國策落實到實處。
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：鞏經(jīng)理
：13915946763
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