浅谈高压变频技术在大型多梯级提水泵站中的应用

曾树人

（甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心，甘肃 白银 730700）

1 高压变频技术理论概述

变频器主要分为3 种：①通用变频器，国际上将1 kV 以下的低压变频器叫做通用变频器；②高压变频器，即超过3 kV 以上的全部变频器；③中压变频器，即处在1～3 kV 范围内的变频器[1]。

对于变频器的分类，倘若依据电压等级与用途进行划分，那么分为高压变频器与通用变频器；倘若将中间环节有无直流作为划分参考，那么分为交交变频器与交直交变频器；如果按照直流电源的不同性质进行划分，那么分为电压型变频器与电流型变频器[2]。

高压变频器不仅具有较高的电压，而且具有较大的功率，在可靠性方面占据明显优势，是一种多样化的技术。其电压通常是3 kV、6 kV、10 kV；功率的范围也是固定的，即400 kVA 以下、1 000 kVA 以下；复杂的技术较多，如电流型、三电平、电压型等；具有良好的可靠性，对大功率电力电子器件具有积极作用，有效维护了其容量的稳定性，且在变频器实际运行环节不会出现异常情况。此外，高压变频器通常应用在工矿企业，是此类企业不可缺少的重要设备，必然会要求其具有极强的可靠性，所以，可靠性的保证是高压变频器获得认可的主要原因。可靠性的含义体现在两个层面：第一个是部件与整机的可靠性，应用的过程中较为顺利，平均无故障时间较长，即2 万h；第二个与设备故障相关，其维修难度较小。对于高压变频器而言，之所以自身的可靠性强，主要是因为每个部件都十分稳定，以此形成最大程度的优化。

高压变频器的作用如下：①节能增效。促进风机和水泵的工作效率，有效调整风量，避免风量过小或者过大，并将水流量调整到合理范围，不再需要采用传统的调整方式，节能效果更加显著。通常而言，在应用交流变频调速的过程中，由于阀门的能量损失已经消失，并充分借助风机、水泵的作用，拉近与峰值效率的距离，因此能够大幅度提高总效率。②软启动功能。无论是大型交流同步电动机，还是异步电动机，其起动方式无区别，有些情况下为直接起动，还有些情况下为降压起动。在过程中电流较大，导致电网电压与之前不同，即保持降低状态，致使其他电气设备无法畅通无阻运行，且电机主轴也将产生明显变化，出现了严重的机械冲击，很大概率发生疲劳断裂的状况，导致机械寿命缩短。如果电网容量较小，那么起动成功的概率明显降低。而融入高压变频器之后，“软”起动的目的实现，电机速度的起动时间为零。起动电流具有一定要求，不可超过额定电流的1.5 倍，主轴的平衡升速较为稳定，以选定的加速度为主[3]。变频装置的特性具有积极意义，促使起动和加速环节更加顺利，避免电机受到起动带来的严重干扰，进一步增强了电网的稳定程度，促使电机的使用寿命延长，机械的使用年限也明显提升。

2 项目背景

景泰川电力提灌工程（以下简称“景电工程”）属于甘肃省大型水利提灌工程项目，具有高扬程、多梯级、大流量等特征，作为典型的大Ⅱ型提灌工程项目，其同时跨越了不同省份[1]。20 世纪中后期，二期工程正式开工，随着时间的推移顺利投入使用。最开始设计的水流量是18 m3/s，随后在此基础上增加，即21 m3/s。而近年来，此工程受到客观因素的干扰，水流量产生明显改变，高峰值为25 m3/s，提水量也明显大于之前。现阶段，其总共修建了30 座泵站，装机容量也明显增加，为192 700 kW。

3 利用高压变频设备的必要性

通过上文可知，在供水环节，各个梯级泵站机组运行状态不同，水流量也存在不用程度的差异性。虽然技术部门落实了控制水流工作，并将叶轮车削等技术应用于该环节，但最终效果依旧不够理想，只能多次通过开机、关机处理在一定程度上改善相关问题。同时，景电工程的耗电规模明显大于诸多工程，倘若想获得健康的长远发展，必须处理明显的停机问题。分析如何降低运行成本，并真正实现此目的。

依据调查信息可知，景电工程每年的开机停机次数较多，为800～900 台次，某些天的开停机操作能达到十几台次。此种行为存在明显弊端，除了降低电极绝缘强度外，也加大了故障出现的可能性，能耗越来越高，同时缩短了机组使用寿命。任何一次检修，都需花费相应成本，且费用呈现不断增长的趋势。依据目前现状分析，应用高压变频设备的领域较多，泵出水量调控理论逐渐趋于成熟。但在黄河流域中具有差异性，可以实现高扬程、多梯级，同时引入高压变频设备的输水泵站少之又少，因此在实际工作中并未彰显出相关效用。建设泵站的过程中，大部分参数提供的数据都不准确，而且泥沙水质不可避免会破坏部件，在客观环境的干扰下，景电工程只能安装变频设备，由此才可以打破低效率、高成本的局面，进一步提升安全性。

4 高压变频工作原理

高压变频机组，是指高压变频器的安装工作完毕后，通过变频技术调整流速，由于电源频率具有差异性，所以对应电机转速也各不相同，由此能够使水泵运行状态保持在合理范围内。动机的同步转速和电机运作速率、电机极对数的关系为n=60f/p。其中，n为动机的同步转速，f为电机运作速率，p为电机极对数。从中可以判断出，n与f之间呈现正向作用关系，在频率不断提升的情形下，电机的转动速率持续上升[4]。而n与p之间为反向作用关系，电极极对数持续增长，电极转动速率越小。但受到客观因素的干扰，可以调整的极对速度是有限的，通常不超过3 种，而且与平滑调速要求具有一定偏差。应用高压变频模式属于一项积极措施，可以使能耗降低。在控制电机速度的整个阶段里，高压异步电动机是主体，应用原理为调整供电频率；在速度调整时期，功率低、效率高，所以受到工业领域的青睐，在实际工作中经常应用，也是最科学、有效的速度调整方法。

5 高压变频技术在景电工程中的应用分析

目前，景电工程进一步改进了相关项目，在国外采购了先进的变频器，主要应用对象为二期工程项目。此类高压变频器体现出明显的特殊性，其转变电流的过程中以控制变压器为途径，随后将三相可控硅整流技术作为应用手段，有效管理了电流，最后当晶体管以及逆变器全面发挥出自身功能后，形成了690 V 交流电。

5.1 有效调节泵站之间的不平衡流量

对于高压变频器，其调频精度通常是0.01 Hz，在符合要求的基础上能够进行调整，主要以平滑方式为主[5]。只是在具体调频阶段内，倘若出现频率过低的情况，水泵将不会继续出水，所以应将实际情况作为参考重点，秉持科学合理的原则选出最有效的方式，调整范围的影响因素是多样的，其中之一为机组频率。

5.2 减少资源浪费、提高效率

在调整水流的过程中，变频技术的和高压变频器的应用频率较高，有利于节能最大化的实现[6]。对安装前后数据展开比较后，开停机频率与之前不同，呈现出迅速下降趋势，系统总耗电量同样降低。

变频技术的不断应用，有效提升了资源利用率，促使整体运行效益更加理想；对物质损耗进行了合理控制，防止噪声过大；打破了以往调水质量不足的局面，也提升了调水效率；省去了输入谐波滤波器等装置，避免花费成本较高。

5.3 提高运行的安全性、可靠性

变频设备与软启动电动机要求无差异性，可以逐渐转变到变频模式。在低频条件下启动电机，不会出现巨大热量，也降低了绝缘老化速率。同时，变频机组在出水管道的作用也十分显著，防止压力、冲击过大，从根本上解决了管道破裂等问题[7]。对比应用变频调速技术的前后数据信息，可以知晓如果大规模泵站可以成功应用高压变频器，将会进一步提升调水规模的精准性，且不会带来较为严重的谐波污染，能在改善输入功率因数条件下，促使运作过程较为安全。

5.4 为实现“少人值守、无人值班”提供有力依据

在调水变频调速系统的帮助下，可以全天性运作，当系统处在工频状态，且泵口压力值与要求相一致后，那么使工频机组处在工作状态即可有效控制水量[8]。在此情况下，实现了自动管理水流量的目的，变频系统的运转不会超出规定范围；接收到调度指令后，调整定值较为简单，只需在机位上完成即可，防止调水精确性受到负面影响。从景电工程项目的角度分析，变频调速系统的应用时间较长，其真正降低了能耗，每年节约的电能规模较大，即178 万kW·h 以上。同时也有效解决了工频电机频繁启停的问题，防止出现安全隐患，转变了以往调水效率较低的局面。

5.5 是泵站现代化、自动化控制的重要环节

在大规模泵站中，变频技术具有极为关键的作用，高压变频器也表现出较强的适用性，两者的应用日益广泛，再加上计算机技术水平的不断提升，促进了PLC与变速调速技术的良好结合，避免泵站的作用受限。变频调速系统具有性能良好、操作难度小、不易被影响等优点。随着该系统的不断应用，实现了多台水泵同步运作的目的，弥补了传统操作模式存在的不足之处。当融入网络通信技术之后，可以知晓水泵机房的远程数据，对此进行控制与维护，避免变频器在实际操作中较为困难，使其工作的稳定性更强[9]。

6 结束语

通过实践可以了解到，高压变频器除了具有良好的性能之外，在运作的过程中可靠性较强，其处在高效节能装置管理的范围内。高压变频器的稳定性较强，保障了风机和水泵的稳定工作状态，不断调整风量，促使风量处在正常范围内，也可以调整水流量，避免水流量过大或过小，有效转变了传统的调整方式，节能效果更加显著。通常而言，在应用交流变频调速的过程中，由于阀门的能量损失已经消失，并充分借助风机、水泵的作用，因此拉近了与峰值效率的距离。在本文的研究中，景电工程的特征明显，首先为梯级泵站多，其次为扬程高，在此环节采用变频设备之后，有效解决了不同泵站水量差异化问题，避免机组频繁启停的现象屡屡出现，整个运行方式均呈现更加理想的状态。综上所述，河流域高扬程多梯级泵站需紧跟新时代步伐，认识到变频调速技术的多种优势，将其应用于实际工作中，促使中国大规模泵站调水技术获得较大进步。