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HIVERT高压变频器在水厂中的改造应用

浏览次数: 日期:2008-7-2 9:24:28

摘要:本文介绍了在恒压供水系统中,选择高压变频器调速的目的,高压变频器的工作原理和带主回路旁路功能的接线方式,以及在运行中碰到的问题和处理方法。改造后,该系统运行可靠、节能。

关键词:高压变频器、闭环控制、工作原理

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             图1   海宁市第二水厂高压变频器

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             图2   海宁市第二水厂高压变频器

 

一、引言

水在日常生活及工业生产中不可缺少,很多地方都要求水压稳定。2005年海宁市第二水厂原有220KW/400V变频机组一台供水恒压控制。随着供水范围的增大、供水量的增大以及供水量日夜差值的增大,供水调速范围也要求增大,原有的设已不能满足现有的生产要求,所以决定对原有的水泵进行变频控制改造。

机组配置:

1)水泵

型号:OMEGA350-430A

扬程:43 m

流量:2400 m3/h

2)电机

电机功率:400kW

电机型号:YJS450-4

极数:4 

额定电压:10kV

额定电流:27.11A

频率:50Hz

额定转速:1482rpm



 

二、选型

水厂作为公共服务行业,在设备采购上主要考虑到设备的安全可靠,也要考虑到设备的性价比。随着电气传动技术,尤其是变频调速技术的发展,作为大容量传动的高压变频调速技术也得到了广泛的应用。在设备改造方案上,我们通过市场的调查,从我们水厂的实际情况以及经济角度考虑,采用直接高压型高压变频器比较合理。目前单元串联多电平PWM电压源变频器性能比较好,该高压变频器的工作原理相似于美国ROBICON公司生产的完美无谐波变频系统。变频器采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出,对电网谐波污染小,符合供电局的谐波要求,输入功率因素高,不必采用输入滤波器和功率因数补偿装置;输出波形好,不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt,共模电压等问题,可以使用普通于异步电动机。这种技术比较先进,符合我们的使用环境,所以我们的设备招标在这基础上进行,最终北京合康亿盛科技有限公司的HIVERT系列高压变频器以较高的性价比而中标。

 

三、恒压控制工作原理及系统方案

图3是设备改造的系统图。恒压控制在控制理论上是一种跟随控制,供水管网的出水压力由压力变送器(西门子)检测之后,将其转换为4~20mA电流信号送入变频器,变频器将根据被控量的实际值和期望值,按照PID调节参数中设定的PID参数,自动调节变频器的输出频率,使被控量的实际值自动跟随期望值。使管网的实际水压跟随设定水压变化,并动态维持在设定水压上。

为了保证整个系统运行的可靠性,图3中的旁路柜,k1~k3采用联锁手动隔离开关,当变频器出现严重故障不能继续运行、两级单元旁路后再有单元发生故障时,变频器将立即封锁输出,并分断上级开关柜真空断路器DL,操作人员对旁路柜进行手动切换在工频状态,再合上真空断路器DL,将电机投入工频电网运行。开关设备各部分的投入和退出,仍应严格按操作说明的规定进行,不应随意操作,更不应在操作受阻时,不加分析强行操作,否则,容易造成设备损坏,甚至引起事故。

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图3系统图

 

四、 HIVERT-Y10/029高压变频器性能

4.1HIVERT-Y10/029高压变频器结构

HIVERT-Y10/029高压变频器采用交-直-交直接高压(高-高)方式,主电路开关元件为德国西门子IGBT。由于IGBT耐压所限,无法直接逆变输出10kV,且因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。HIVERT变频器采用功率单元串联,叠波升压,充分利用常压变频器的成熟技术,因而具有很高的可靠性。图1为10kV高压变频器主电路图。隔离变压器为三相干式整流变压器,风冷,有使用寿命长、免维护等优点。变压器原边输入可为任意电压,Y接;副边绕组数量依变频器电压等级及结构而定,10kV系列为27个,延边三角形接法,为每个功率单元提供隔离三相电源输入。

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图1 HIVERT变频器控制系统图

 

为了最大限度抑制输入侧谐波含量,同一相的副边绕组通过延边三角形接法移相,绕组间的相位差由下式计算:

                         60°

移相角度= ———————

                    每相单元数量

由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差,从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流,输出电压谐波含量实测为2.21%,所以HIVERT变频器输入电流的总谐波含量(THD)远小于国家标准5%的要求,并且能保持接近1的输入功率因数。

4.2功率单元

功率单元原理见图2,输入电源端R、S、T接变压器二次线圈的三相低压输出,三相二极管全波整流为直流环节电容充电,电容上的电压提供给由IGBT组成的单相H形桥式逆变电路。

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图2 功率单元主电路图 

功率单元具有旁路功能。当某个单元发生熔断器故障、过热和IGBT故障而不能继续工作时,该单元及其另外两相相应位置上的单元将自动旁路,此时Q1~Q4封锁输出,可控硅k导通,以保证变频器连续工作,并发出旁路告警。单元旁路时,变频器因运行单元数量减少,额定输出电压能力将降低,但当变频器本身运行频率较低,10kV系列运行频率低于43.7Hz时,变频器将自动提高工作单元的输出电压,而保证变频器输出性能不变,实现无扰动自动旁路。

4.3控制系统

控制系统由控制器(包括三块光纤板,一块信号板,一块主控板),PLC和平板电脑组成,各部分之间的联系如图1 HIVERT变频器控制系统结构图所示。光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号,每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向单元发出脉宽调制(PWM)信号或工作模式。单元通过光纤接收其触发指令和状态信号,并在故障时向光纤板发出故障代码信号。

信号板采集变频器的输入电压、电流和输出电压、电流信号,并将模拟信号隔离、滤波和量程转换。转换后的信号用于变频器控制、保护,以及提供给平板电脑数据采集板。

主控板采用高速单片机,完成对电机控制的所有功能,运用正弦波空间矢量方式产生脉宽调制的三相电压指令。通过RS232通讯口与平板电脑交换数据,提供变频器的状态参数,并接受来自平板电脑的参数设置。

平板电脑采用WIN2000操作系统,为用户提供中文友好操作界面,负责数据采集、信息处理和与外部的通讯联系,可选上位监控而实现变频器的网络化控制。通过32通道高速数据采集卡采集来自信号板的模拟信号,计算出电流、电压、功率、功率因数等运行参数,提供表计功能和波形显示功能,并实现对电机的过载、过流告警和保护。通过RS232通讯口与主控板连接,通过RS485通讯口与水厂环网连接,实时在中控室监控变频器系统的状态。

 

五、保护功能

HIVERT-Y10/029高压变频器在运行中具有过压保护、欠压保护、缺相保护、半导体器件过热保护和变压器过热保护的功能。

 

六、变频器的使用  

当时HIVERT-Y10/029高压变频器在工艺设计中没有考虑散热通风道,在夏天高温时,电柜内部温度达到80℃以上,有时导致平板电脑死机,引起PLC不工作,变频器定频率运行。后来我们发现变压器柜和单元柜柜顶安装的离心式风机排除的热风又吸入了电柜内,如此循环电柜内温度越来越高。我们进行改造,把通风管道接上离心式风机直接通到室外。改造后室外温度39℃时,电柜内部温度保持在57℃左右,平板电脑死机问题也解决了。恒压供水控制系统工作很稳定,供水压力曲线平稳,波动±0.005Mpa,操作不再繁琐。

在节能降耗方面,由于我厂原有调速设备也是变频设备,在节能方面没有明显得效果,在高压变频设备投产前,配水单位电耗平均约4.73 kwh/km3.m,设备投产后实际配水单位电耗约4.50 kwh/km3.m,下降0.23 kwh/km3.m,节能效率4.86%。另外使用了高压变频控制,也省了一台400KVA变压器的铜铁损耗。

在使用中要注意清洗过滤网的工作,高压变频器柜门外装有过滤层,用于阻挡粉尘进入单元内部。要经常用一张A4纸检查变压器柜、功率单元柜进风口风量,看纸张是否能被过滤网牢牢吸住,如吸不住应及时排除(检查冷却风机是否运转正常,更换或清洗过滤网)。应定期维护间隔推荐为每半年一次,如灰尘较多,过滤网更换周期可缩短到一个月一次。


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