高压变频装置在大伙房水库输水应急入连工程中的应用

张玉坤

(辽宁省水利水电勘测设计研究院 沈阳 110006)

蔡 新 张 茹

(大连市供水有限公司 116021)

1 工程概况

大伙房水库输水应急入连工程的主要任务是城市供水，以碧流河水库为界分为碧流河水库北段工程、碧流河水库南段工程。其中，碧流河水库北段工程含一级加压的鞍山加压泵站、二级加压的盖州加压泵站，碧流河水库南段工程包括双塔加压泵站、乐甲加压泵站。

鞍山加压泵站装机6台，其中，变频泵3台，单机容量3550kW，恒速泵3台，单机容量3550kW，2用1备。盖州加压泵站装机6台，其中，变频泵1台，单机容量3550kW，恒速泵4台，单机容量3550kW，3用1备。双塔加压泵站装机5台，其中，变频泵3台，单机容量2000kW，恒速泵2台，单机容量2000kW。乐甲加压泵站装机2台，其中，变频泵2台，单机容量710kW，恒速泵2台，单机容量710kW。

2 调速方式确定

根据工艺要求，为适应城市用水量需求的变化，节约能耗，部分运行水泵电机要求具有调速能力。根据目前同规模泵站的调速经验，常见的调速方式有液力耦合器调速、串级调速、内反馈调速、变频调速等多种方式。

a.液力耦合器调速。液力耦合器调速应用较早，成本较低，属于滑差功率消耗型调速技术，转速越低，效率越低，本身维护工作量也很大，需要经常停机检修、换件换油。基于以上原因，尽管其成本低廉，除了历史用户以外，已经很少有人采用，正被逐渐淘汰。

b.串级调速。串极调速是将转子滑差能量整流后再逆变回电网的一种调速方法，属于滑差能量回馈型调速技术，比液力耦合器调速在技术上占优。由于控制对象是电机转子，使用目前耐压水平的开关器件就可以方便地实现对高压电机的控制。当调速范围要求不高时，串极调速装置容量较小，成本也较低。但串极调速只适用于绕线式异步电机，鼠笼型电动机无法使用。同液力耦合器调速技术一样，串极调速也没有解决电机的启动问题，需要配置一套专门的启动装置。

c.内反馈调速。内反馈调速实际上也是串极调速的一种，是将转子滑差能量整流后，再逆变送入电机的另一套定子绕组。内反馈调速与一般串极调速技术相比，省掉了一台逆变变压器，但电机定子多了一套绕组，需要采用特殊制造的电机。同串级调速技术一样，内反馈调速装置控制的是转差功率，如果水泵对调速范围要求不高，装置容量可以设计得比较小，可以有效降低设备体积和成本。内反馈调速的最低转速一般只能到60%，在高速段会产生5%的速度损失。由于设备本身的低电压大电流特性，限制了它可实现调速的电机容量的范围(对于1000kW/6kV 电机，如果最低调到60%的速度，调速装置电流就达到800A)，设备本身会对电网产生较大的谐波污染和功率因数滞后，需要采取谐波抑制和功率因数补偿措施。内反馈调速技术同样没有解决电机的启动问题，需要专门的启动设备。

d.变频调速。变频调速是现代交流调速的基础和重要标志，采用变频调速对电机进行转数控制是最佳技术方案。变频调速与串级调速不同，为定子端变频调速技术。它通过改变电机定子的供电频率，实现对电机的速度控制，因此它适用于鼠笼型电动机，克服了绕线式异步电动机需要经常维护滑环的弊端。除了变频器本身设备成本较高外，其优越性是显著的。

对适用该工程的2种调速方案进行比较的结果，见下表。

高压电机调速方式比较表

根据该工程对调速装置可靠性和调速装置节能要求，结合工艺专业经济比较，该工程推荐采用高压变频器作为调速装置。

3 变频装置的选择

目前高压变频装置技术发展很快，可靠性大幅提升，效率教高，造价进一步降低，为高压变频装置的普及使用创造了条件。功率单元元件有采用低压单元串级叠加、高压IGBT、高压IGCT 等方式，各有优缺点。在输出控制上多采用脉宽调制技术，具有以下优点:

a.系统只有一个功率控制级，简化了主回路。由于输入采用了二极管整流，因此功率因数较高(可达0.96)，同时也提高了系统的效率。

b.因为输出电压仅由逆变器本身决定，故电压调节速度快、系统的动态性能好。

c.采用高频调制后可获得高质量的输出波形，抑制了较低次的高次谐波，增加了电机低速工作的稳定性，降低了谐波电流及损耗，从而也扩大了调速范围(静差率不大于3%～8%)。

d.多个逆变器可以接到一个公用的母线上，从而容易实现多电机拖动。

其缺点是:可控硅处在高频开关状态下损耗增加以及控制线路比较复杂，但随着快断可控硅的发展及逻辑技术的改进，这种系统会越来越受到人们的重视。

高压变频装置选择时需重点注意装置可靠性、谐波含量、抗干扰能力、效率及系统功能等。该工程选用一体化设计的西门子罗宾康PH—6—6 系列完美无谐波高压变频器。配用机端电压为6kV的感应式鼠笼型水泵电机。装置本身具有功率因数高，效率高;谐波符合IEEE 519—1992 标准和GB/T 14549—93 标准;抗电源干扰能力强等优点。传统变频拥有5个独立部件，即输入滤波器、功率因数补偿、隔离变压器、逆变装置和输出滤波器。由于完美无谐波高压变频器极其完美的输入/输出特性，因此其主要部件仅需隔离变压器和变频器。一体化的系统设计使安装和启动变得快速简单，同时也相应降低了的成本。变频装置可以实现对电机的全部保护功能，可以实现恒定流量的闭环控制。

4 应用效果

变频装置在大伙房水库输水应急入连工程中投入使用后，运行稳定，使用方便，节能效果明显。