应用案例 | 中压交流变频器在水厂的应用

应用案例|中压交流变频器在水厂的应用

投稿人：内蒙古祺韵光迅科技有限公司-技术部-技术工程师-李先成

  本文通过乌兰察布市中心城区应急供水工程二级加压泵站水泵的变频控制系统来分析，在大型市政供水行业上的产品选型及高压交流变频器应用特点和优势。

一、引言

乌兰察布市中心城区应急供水工程，位于内蒙古自治区乌兰察布市境内。水源为旗下营水源地及隆胜水库，受水区位于乌兰察布市集宁区、内蒙古中西矿业有限公司、旗下营镇工业园区内蒙古伊东集团东兴化工有限责任公司，输水管线穿越集宁区、卓资县、察哈尔右翼前旗、察哈尔右翼中旗。日供水量达到2万立方米，年供水量约700万立方，全线120km，主要包括1#-11#水源井、一级加压泵站、二级加压泵站、高位水池、调节水池，净水厂、油葫芦湾调流调压室等9项工程建设。项目建成投入使用，极大的满足了中心城区居民生活用水需求，提高了城市供水安全保障能力。

二、现场环境和工艺介绍

a. 现场温度：-25~26℃之间；

b. 现场湿度：现场湿度一般；

b. 有无粉尘：无；

d. 现场变频器系列：XXXXXX；

e. 负载设备名称：加压泵；

f. 电机信息：高压变频调速三相异步电动机；

g. 负载电流范围：0~95.6A

h. 输入电压范围：10KV±10%

i. 海拔高度：设备安装与海拔1500m以下；

现场照片：

三、产品选型

  作为本项目非常关键的设备，变频器驱动系统直接关系到整体项目投入运营后是否能达到设计的供水能力，以及生产系统长期经济合理的运行。那么一般的高压变频器选型主要考虑的因素有：电机功率、电压等级、控制方式、要求的调速范围、负载类型等。

除上述必须考虑到因素外，还需充分考虑现场的环境和实际生产中设备管理情况。

现场环境因素，如：一，对环境的适应能力包括，变频器应具有对电网电压波动的适应能力。在母线上电动机成组自起动、母线上最大一台电动机组起动时，变频器应能正常运行不受影响。另外，在母线切换等情况下所造成的母线电压瞬时失电发生后，变频器应具有持续或恢复运行的功能。二，考虑现场环境，如灰尘、高温、潮湿等。灰尘进入变频柜内会导致绝缘下降或击穿损坏电子元器件;灰尘堵塞滤网造成功率柜散热效果差，易导致功率模块过热失效损坏。

生产管理因素，如：一般提升泵站都设置在交通比较偏僻的地方，除定期的巡查外，日常无值守。这就对设备的可靠性和自动化水平提出了较高的要求，所以在高压变频选型上要求结构简单、集成度高，同时为了达到无人化管理对整个泵站控制系统的智能化程度也提出了较高要求。

四、高压变频驱动设计方案

4.1 一次回路设计方案

根据该厂区电网容量足够满足两用一备水泵的直接带载启动的实际情况，我司在变频驱动方案上选择手动切换旁路方案，可保证变频器在故障停机或检修时通过高压真空接触器直接手动切换至工频运行；该回路系统简洁明了，便于操作和维护。一次回路图如下所示：

 图1 一拖一手动切换方案

一拖一手动旁路柜是由三个真空接触器KM1、KM2、KM3组成。变频器输出真空接触器KM3和工频真空接触器KM1互锁，完全能够保证变频调速系统安全运行。

(1)在变频运行状况下，KM2、KM3闭合，KM1断开。

如需手动切换至工频运行时，变频器系统先发自由停车命令，再由电气控制依次断开KM3、KM2，然后电气控制闭合KM1，使电机切换至工频侧，使电机工频运行；

(2)在工频旁路运行状况下，KM1闭合，KM2、KM3断开。

如需手动切换至变频运行时，先闭合KM2，待变频器到就绪状态后，断开KM1，闭合KM3，使电机切换至变频侧，电机投入变频运行。

图2 现场高压变频器（共3台）

4.2 控制模式

选型产品高压变频器具备无传感器矢量控制（SVC）功能，配备标准7英寸彩色触摸屏方式，支持EtherNet/IP连接，调试简单、使用方便、易于维护。

控制系统具备反应速度快，抗干扰能力强。操作面板安装在控制单元柜前门上，同时控制柜门上还有指示灯及按钮等。就地控制通过触摸屏交互式人机界面可实现各种运行参数的显示，对变频器的各种操作以及运行和故障情况的实时记录；远程控制通过PLC、上位机或机旁操作箱实现对变频器的操作和监控。

该项目为实现较高的自动化运行和监控能力，同时保证系统足够简洁逻辑分层上采用三层结构，将加压泵变频器信号直接接至厂内PLC系统进行集中控制。系统原理图如下图所示：

图3 加压泵分布集中综合监控系统图

该控制系统利用了PLC控制系统的高可靠性和高自动化的操作和管理能力，将现场水泵出口阀门的开关、管道的流量、压力和前池液位信号等全部采集至PLC系统通过PLC编程和组态软件实现了泵站的智能化控制，水厂完全实现无人化24小时长期运行。

图4 控制柜触摸屏控制画面 

图5 控制室上位控制画面

五、 选型中压变频器产品原理和优势

5.1 变频器产品原理

  本次项目选型高压变频器属于直接高-高、交-直-交、电压源型变频器，它主要由输入切分变压器，功率单元柜和控制单元柜三部分组成。采用先进的功率单元串联叠波技术、空间矢量控制的正弦波PWM调制方法、新颖的操作界面和高性能IGBT功率器件。

  本项目应用高压变频器的内部接线图如下：

图6 内部连线图

三相高压电经用户侧的高压开关柜进入变频器。

首先，经过输入变压器的降压，移相、然后供给功率单元柜中的功率单元。为功率单元供电的各副边绕组是相互独立，相互隔离的，这些单元分为三部分，每部分组成一相。在每一相中，相邻功率单元的输出端首尾相串，三相之间最终形成星形连接方式为高压电机提供可变频变压的高压交流电。

5.2 选型产品的优势

通过上述原理可以看出，本项目所选高压变频器能提供畸变可忽略的可变频变压的高压交流电，供给交流电动机做变频调速驱动用，非常适用本项目的标准异步电动机，而且对电网的不良影响可忽略。

项目产品具备如下优势：

  （1）对供电系统不产生明显的谐波畸变，无需任何形式的滤波器，不会对其他敏感设备造成干扰；

（2）功率因数非常高，无需功率因数补偿装置；

（3）电动机不必因谐波发热而降容使用；

（4）电动机噪声与采用工频供电时相近；

（5） 电动机的电应力强度与采用工频电源时相近，无明显附加影响；

（6）转矩脉冲很低，不会导致机械共振，同时也减少传动机构的磨损；

（7）完整的参数化功能，容易设定，可满足各种应用的要求；

（8）完善的故障自诊断及保护，能对系统各种故障作出准确报警和保护；

（9）全模块化结构，微机主控制器能准确、快速定位故障部件和原因，数分钟内便可以排除或更换

六、结束语

作为内蒙古自治区乌兰察布市的重点民生工程，该工程采用了国内外先进的、适用的新技术、新设备、新工艺。而作为本次项目的实施人员，我有幸参与了项目全过程的管理，我们始终坚持“做工程，就是做服务！”的理念，坚持从用户的视角思考工程的建设标准，在对国内外产品进行充分调研的基础上，选定了运用全新无传感器矢量控制（SVC）技术和配备标准能效的高压变压器。其关键因素包括，产品虽为进口品牌，但完全在国内生产和研发，即保证了产品品控，也保证了产品更好的售后服务，同时其产品在国内水行业有丰富的应用案例，利用其强大的无冲击软启和通信兼容功能，实现了水厂关键设备的免维护运行和人工智能调节管理。减少电机启动时的冲击和电压波动，延长电机寿命，为电网提供了更加稳定、高效和节能的运行方式。从项目上线运行的实际效果说明，正确选择是项目成功关键因素。