10kV級聯式高壓交-交變頻技術及在城市供水的應用

1 引言

高壓變頻器已經在我國城市供水行業中得到了廣泛應用，這些產品多以級聯式交-直-交pwm電路結構為主，主功率半導體器件采用igbt，該技術路線網側輸出入電流諧波小，電機側輸出電壓正弦度高，電氣性能滿足高壓大容量電機調速的要求，并取得了很好的節能效益。但是，該技術方案仍然存在諸多問題，例如電路復雜，成本高，壽命短等等。由北京時代金能電氣科技有限公司研發生產的級聯式高壓交-交變頻器，是高壓變頻技術的全新解決方案，該方案使用可控硅作為主功率器件，無需整流濾波環節，電路簡單，可靠性高，不存在大容量電容器所引起的運行壽命短問題。
北京自來水集團某水廠一泵房有4臺取水泵并聯運行，工作方式為2開2備，泵站設置有集中控制室，用于監視并遠程控制水泵的運行狀況。水泵拖動電機均為10kv，220kw鼠籠式異步電動機，在變頻改造前采用調節閥門來控制取水量，造成很大的電能浪費，為此集團進行了變頻節能改造，通過對國內外多個廠家的產品及不同的技術路線進行對比，確定采用了以級聯式高壓交-交變頻技術為技術路線的高壓變頻器產品。

2 級聯式高壓交-交變頻技術介紹
2.1主電路介紹
級聯式高壓交-交變頻技術的原理是，通過輸入變壓器產生的多路浮動低壓電源給各功率單元供電，各功率單元的輸出經過串聯后，得到了疊加后的高壓輸出。輸入隔離變壓器采用移相技術，使輸入電流的高次諧波得以抵消，符合ieee std519-1992和gb/t14549-1993的有關標準對諧波的規定。多級低壓電的疊加輸出，可以實現輸出電壓電流的高正弦度，無需增加輸出濾波裝置就可以直接驅動普通高壓同、異步電動機，而不會增加電機溫升，電機不需因諧波而降額使用，可使主回路電機、電纜絕緣免受dv/dt應力的損傷，也沒有諧波引起的脈動轉矩，可延長電機和機械設備使用壽命，電機電纜在壓降允許范圍內無任何長度限制。
該方案主電路結構如圖1所示。各功率單元通過光纖與主控制單元連接，同時功率單元內部的控制電路供電取自變壓器浮動電源，因此強電與弱電實現了電氣隔離，提高了系統的抗干擾能力和可靠性。

圖1 級聯式交-交變頻器主電路結構圖

2.2功率單元電路介紹
級聯式高壓交-交變頻技術采用的功率單元原理如圖2所示，其以可控硅作為主半導體開關器件，主電路工作在零電流軟關斷狀態，避免了igbt等器件強迫關斷產生的應力，這對于工作在高電壓大電流狀態的高壓大容量變頻器尤為重要。而可控硅器件則具有通態損耗小，抗過電流能力強的優點，同時該方案工作在工頻開關狀態，因此不論是導通損耗還是開關損耗，都大大小于pwm交-直-交傳統方案。該方案同樣有別于以往的相控交-交變頻控制技術，由于采用級聯方式，在輸出低頻時，依然可以保持高功率因數輸出，且其輸出頻率可達到甚至超過50hz。
pwm交-直-交方案功率單元的直流環節需要對輸入交流電壓進行整流、濾波，因此，其中最薄弱的環節，也是最大的安全隱患所在。特別是電解電容器，由于其內部電解液的逐漸揮發，在額定工作狀況下，一般長壽命產品標稱額定連續工作壽命僅為3000-5000h，即半年左右，通過降額使用，且在工況較好時，其連續使用壽命也只有5年左右，因此，在電解電容超過使用年限，或檢測到性能指標下降時，必須立即加以更換。另外，大容量電容器價格不菲，占相當大比例的設備成本，體積也無法減小，致使設備價格高，體積大。
級聯式高壓交-交變頻方案的開關器件工作于低頻狀態，且為零電流關斷，因此dv/dt非常小，其對電機及導線絕緣的影響可以忽略。同時其工作于四象限狀態，避免了在電機減速或者故障時產生反充電，而這一問題對于pwm交-直-交方案，容易引發電容器擊穿事故。
3 設備狀況
北京自來水集團某水廠一泵房的4臺取水泵，變頻改造采用直連1對1方式，水廠設有集控室，通過數據總線modbus協議與變頻器連接，實現了遠程操作及監控的功能。restime系列級聯式交-交高壓變頻產品工作效率高，自身發熱少，因此將變頻器置于泵房內，不需要額外增加通風降溫設施，由于變頻器功率單元實現了全密封，因此也不需要采取防塵過濾等措施，不需要定期更換過濾網，日常運行實現了免維護，極大地方便了使用。取水泵電機與變頻器主要技術參數如下：
3.1電機主要參數
型號：y450-6；
額定功率：220kw；
額定電流：17a ；
額定功率因數：0.82 ；
額定轉速：992r/min 。
3.2 變頻器主要參數
變頻器功率：500kva；
適配電機功率：400kw；
額定輸出電流：29a ；
輸入頻率：45hz ～ 55hz ；
額定輸入電壓：10kv ；
允許電壓波動：± 15% ；
輸出電壓范圍：0 - 10kv；
變頻器效率：≥ 98%；
輸出頻率范圍：0 - 50hz。

4 變頻器改造后運行情況
該項目調試完成并投入運行后，達到了變頻改造的目的，并具有以下優點：
(1)監控簡便
設備運行時的所有數據及運行狀態在變頻器液晶界面及上位機顯示屏上都有中文顯示，如運行頻率，輸出電壓，輸出電流，電機運行功率等等。
(2)實現了軟啟動
變頻改造后，電機及水泵機組實現了軟啟動，對機組的機械沖擊大幅度減小。
(3)機組運行噪聲及震動減小
由于采用了變頻調節轉速，當水量減小而工作于較低頻狀態時，機組轉速及輸出功率較小，從而震動及噪聲同時減小，延長了機械設備的使用壽命。
(4)電機溫升降低
當水泵工作于較低頻狀態時，電機電流小于額定值，因此電機溫升也有所降低。
(5)日常運行實現了免維護
restime系列級聯式交-交高壓變頻器自身發熱少，變頻器功率單元實現了全密封，無需加裝防塵過濾等措施，因此也不需要定期更換過濾網，日常運行實現了免維護，極大的方便了使用，同時也降低了維護費用。
(6)運行費用低
級聯式交-交高壓變頻器由于沒有中間直流環節，省去了大容量電解電容器，設備壽命由此得到大幅度提升，同時也極大的降低了用戶定期更換元器件的費用。
(7)節電效果明顯
本項目水泵機組工作于不同季節時，供水量變化較大，一般情況下，供水量設定為7.5萬t～5萬t之間變化，當5萬t時，需要采用閥門調節流量，存在較大的電能浪費現象。進行變頻改造后，供水量在5萬t時，單機平均耗電功率由216kw下降到142kw，節電率為34%，節電效果非常顯著。

圖2 級聯式高壓交-交變頻技術功率單元原理圖

5 結束語
從現場運行情況來看，由北京時代金能電氣科技有限公司生產的thv10-050高壓變頻器性能優越，運行可靠穩定，能滿足城市供水中高壓電機的使用需要。高壓變頻器技術產品不僅可以在供水系統中應用，也適合于舊設備改造，不僅提高了供水質量、保障供水壓力，而且降低了供水成本。

作者簡介
馬建軍 男 電力工程師，副廠長，現就職于北京市自來水集團有限責任公司，專業為電氣技術。