1 引言 英那河水源泵站位于莊河市的英那河水庫下游400m處，在大連市的東北部，距市中心180km。英那河泵站是大連市引英入連供水應(yīng)急工程的頭部工程，通過水泵加壓經(jīng)109.18km的DN1800鋼管輸水至洼子店受水池，以解決大連市城市居民生活及工業(yè)用水緊張的局面。泵站揚(yáng)程H=109.45m，水庫最低水位為60m，水庫多年平均水位為73.80m，正常高水位為79.10m。水庫水位高差為13.80m,為了充分利用水庫位能，以降低運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用，達(dá)到節(jié)約能源的目的，確定英那河水源泵站水泵采用變頻調(diào)速設(shè)備。 泵站分兩期建設(shè)，一期供水規(guī)模33 萬噸/日，水泵3臺(tái)，2 用1備，2臺(tái)工作泵配套電機(jī)功率為2750kW，采用變頻調(diào)速裝置;備用泵配套電機(jī)功率為2800kW，不調(diào)速;系統(tǒng)額定電壓為10kV。 二期供水規(guī)模25萬噸/日，再上2臺(tái)泵，配套電機(jī)功率為2750kW，2臺(tái)都采用變頻調(diào)速裝置。 2 幾個(gè)知名公司變頻器的性能比較 變頻調(diào)速裝置根據(jù)輸出電壓的調(diào)節(jié)方法分為2種: （1） 改變脈沖寬度比例的調(diào)節(jié)方法，稱為PWM脈寬調(diào)制方法 （2） 改變輸出電壓幅值的調(diào)節(jié)方法，稱為PAM脈沖幅值調(diào)制方法 最近10幾年來，隨著高電壓、大容量全控型器件的發(fā)展，在水泵類的調(diào)速應(yīng)用上脈寬調(diào)制方法的變頻調(diào)速裝置已基本上占據(jù)了主導(dǎo)地位。所以，只對(duì)采用PWM脈寬調(diào)制方法的變頻調(diào)速裝置進(jìn)行了調(diào)研，也向一些專家進(jìn)行了咨詢。調(diào)研的對(duì)象主要是針對(duì)幾個(gè)在中國市場(chǎng)上銷售的知名公司和有特色的公司。筆者根據(jù)調(diào)查、研究和應(yīng)用實(shí)踐，對(duì)其產(chǎn)品的性能及應(yīng)用作出了比較。 2.1 Siemens公司的高壓IGBT三電平大容量變頻器（SIMOVERT MV） Simovert MV電壓源型系列變頻器采用了基于電壓空間矢量調(diào)制原理的三電平技術(shù)，高性能矢量控制（VC）技術(shù)以及全數(shù)字無速度傳感器控制技術(shù)。變頻器的整流部分是由2個(gè)功率相同的三相整流橋系統(tǒng)組成，形成12脈沖，從而保證網(wǎng)側(cè)電源反饋諧波較小，并使電機(jī)受到較小的沖擊。變頻器的逆變部分是由IGBT和鉗位二極管形成的三電平的電壓源逆變器。原理接線見圖1。 主要技術(shù)特點(diǎn)為:輸入側(cè)設(shè)置變頻傳動(dòng)變壓器，三卷變壓器二次側(cè)分別采用Δ/Δ/Y接線，等效12脈沖整流使得電源輸入側(cè)諧波大為降低，在逆變器側(cè)采用了大功率半導(dǎo)體全控器件－高壓IGBT，逆變器采用三電平PWM控制。變頻傳動(dòng)變壓器與變頻器柜是分體的，功率元件是HV-IGBT，輸出頻率范圍是0～150Hz。冷卻方式:風(fēng)冷水冷可任選。 不足之處:輸出電壓特性具有低諧波分量，當(dāng)與Siemens生產(chǎn)的電機(jī)配套使用時(shí)，可直接應(yīng)用，在選用其他廠商生產(chǎn)的電機(jī)時(shí)，需要一個(gè)輸出濾波電抗器。IGBT具有快速的開關(guān)性能，但在高壓變頻中其導(dǎo)通損耗大，變頻裝置的發(fā)熱是個(gè)不能輕視的問題，大容量的變頻裝置應(yīng)采取強(qiáng)排風(fēng)措施。 2.2 ROBICON公司采用低壓IGBT的多重式、多級(jí)串聯(lián)高壓變頻器 主要原理是利用輸入隔離變壓器得到多組低壓工頻電壓，采用多級(jí)低壓小功率IGBT的PWM變頻單元，分別進(jìn)行整流、濾波和逆變，串聯(lián)疊加得到高壓三相變頻輸出。羅賓康采用功率單元串接的新型結(jié)構(gòu)方式,將幾個(gè)低壓的PWM功率單元串接組成中、高壓變頻器，較好的解決了一般6脈沖或12脈沖變頻器不可避免的諧波干擾問題，這樣無需額外加裝消諧濾波裝置，同時(shí)也可選用國產(chǎn)普通電機(jī)，這樣將提高性能價(jià)格比。原理接線見圖2。 主要技術(shù)特點(diǎn)為:電源側(cè)諧波非常小，對(duì)電網(wǎng)污染很小，由于采用了多重化的脈寬調(diào)制技術(shù)，輸出諧波更小，幾乎可認(rèn)為是正弦波，稱作完美無諧波，不用考慮因諧波引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)及電機(jī)發(fā)熱、噪音問題。采用多重化的技術(shù)，使用功率元件的數(shù)量大為增加。功率單元可選擇旁路，可讓用戶在一個(gè)功率單元故障的情況下繼續(xù)運(yùn)行變頻，無需馬上停機(jī)。輸入隔離變壓器（干式變壓器）與變頻器的功率單元柜可并柜，功率元件是LV-IGBT，功率元件的電壓等級(jí)是690V。輸出頻率范圍是0～150Hz。 不足之處:使用的功率單元及功率器件數(shù)量相比比較多，可能故障的環(huán)節(jié)就相對(duì)的多一些，可靠性比使用功率元件的數(shù)量少的差，如果處理不及時(shí)，易造成功率元件“雪崩”似的故障。采用風(fēng)冷時(shí)，噪聲比較大。 對(duì)電機(jī)絕緣沒有特殊要求，可適用于任何電機(jī)，而不用配置輸出濾波電抗器。 2.3 北京利德華福公司采用低壓IGBT的單元串聯(lián)多電平高壓變頻調(diào)速器（HARSVERT） 原理與ROBICON基本相同。該公司是依托清華大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的一流技術(shù)基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)、研究、生產(chǎn)變頻器的。 主要技術(shù)特點(diǎn):與ROBICON基本相同，二者電路結(jié)構(gòu)大同小異。只是他們采用的IGBT功率元件的耐壓不同，所用的逆變器數(shù)量也不同。適配電機(jī)額定電壓可達(dá)10kV。目前，生產(chǎn)輸出電壓為10kV的變頻裝置的公司比較少，因國外3kV電壓等級(jí)用的較多，他們可能不太注重開發(fā)10kV2.3 北京利德華福公司采用低壓IGBT的單元串聯(lián)多電平高壓變頻調(diào)速器（HARSVERT） 原理與ROBICON基本相同。該公司是依托清華大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的一流技術(shù)基礎(chǔ)進(jìn)行開發(fā)、研究、生產(chǎn)變頻器的。 主要技術(shù)特點(diǎn):與ROBICON基本相同，二者電路結(jié)構(gòu)大同小異。只是他們采用的IGBT功率元件的耐壓不同，所用的逆變器數(shù)量也不同。適配電機(jī)額定電壓可達(dá)10kV。目前，生產(chǎn)輸出電壓為10kV的變頻裝置的公司比較少，因國外3kV電壓等級(jí)用的較多，他們可能不太注重開發(fā)10kV矩控制專利技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）是交流傳動(dòng)中最佳的電動(dòng)機(jī)控制方法，可以對(duì)電動(dòng)機(jī)所有的關(guān)鍵變量進(jìn)行直接控制。 [align=center] [/align] 不足之處:IGCT元件需要的觸發(fā)電路要比IGBT元件所需要的觸發(fā)電路復(fù)雜、觸發(fā)功率大。當(dāng)適配電機(jī)功率超過1800kW時(shí)，變頻裝置需要采用水冷，整套設(shè)備占地面積比較大。因?qū)鋮s循環(huán)水的水質(zhì)有要求，要加一套凈化水設(shè)備。實(shí)際上，運(yùn)行人員更習(xí)慣于用風(fēng)冷，也更喜歡用風(fēng)冷。由于IGCT器件耐壓的限制，某些型號(hào)的三電平變頻器至今尚無輸出電壓6000伏規(guī)格的產(chǎn)品。 表1為4家中壓大容量變頻裝置特性比較。 3 結(jié)論 綜合各方面因素，經(jīng)過招標(biāo)，最后采用的是SIEMENS變頻裝置（6SE8033-1CA01）和配套電機(jī)（1RQ4562-6JV40）。 此規(guī)格變頻器在歐洲已有應(yīng)用，在國內(nèi)水行業(yè)中還是頭次應(yīng)用，取得了一些經(jīng)驗(yàn)。 （1）該工程于2000年10月開始設(shè)計(jì)，2001年7月一次通水成功，現(xiàn)已運(yùn)行將近2年時(shí)間。通過這段時(shí)間的運(yùn)行看，該泵站運(yùn)行安全穩(wěn)定，節(jié)能效果顯著。根據(jù)最典型的應(yīng)用工況，一期各方案經(jīng)濟(jì)比較見表2。 從表2分析結(jié)果知，b方案為最優(yōu)方案，即2臺(tái)調(diào)速泵方案最優(yōu)。其次方案為a方案，即一臺(tái)調(diào)速與一臺(tái)恒速泵并聯(lián)方案。雖然a方案的設(shè)備投資比b方案少425萬元，但a方案比b方案一年的運(yùn)行費(fèi)用多108.84萬元，這樣b方案3.9年所省的運(yùn)行費(fèi)，即可抵消掉其設(shè)備所增加的投資，即靜態(tài)回收期為3.9年。 從表2還可看出全調(diào)方案與閥調(diào)節(jié)方案的比較其節(jié)能效果:水位控制變頻調(diào)速技術(shù)為泵站一年省電費(fèi)378.25萬元（一期工程）, 靜態(tài)回收期為2.25年。（注:上述的計(jì)算只是針對(duì)水庫多年平均水位，電費(fèi)按0.50元/度計(jì)算） 通過幾年來的運(yùn)行表明，在大型地表水廠的送水泵房中采用大功率變頻器（水行業(yè)中最大單機(jī)容量2800 kW），雖然一次性投資較大，但是長期運(yùn)行節(jié)能效果非常明顯，特別是在較大產(chǎn)水量的情況下，節(jié)能效果更加明顯，值得推廣。 （2） 通過這段時(shí)間的運(yùn)行看，其不足之處有以下幾點(diǎn): a） 變頻裝置的進(jìn)線斷路器要具有失壓脫扣功能。 當(dāng)控制電源沒有時(shí)，不論高壓工作電源是否故障，都要跳開進(jìn)線斷路器，使變頻裝置斷開工作電源。此時(shí)，當(dāng)變頻裝置恰巧發(fā)生故障時(shí)的跳閘，對(duì)變頻裝置起到了保護(hù)的作用。而當(dāng)變頻裝置無故障時(shí)的跳閘，易額外產(chǎn)生水錘效應(yīng)，水錘效應(yīng)具有極大的破壞性:壓強(qiáng)過高處，將引起管子的破裂;反之，壓強(qiáng)過低處又會(huì)導(dǎo)致管子的癟塌，對(duì)供水管線產(chǎn)生危害。此外，水錘效應(yīng)也可能損壞閥門和固定件，對(duì)泵站廠房產(chǎn)生危害，易淹泵房。如何解決這個(gè)問題并獲得認(rèn)可，值得研究。 b） 大容量的變頻裝置的發(fā)熱是個(gè)不能輕視的問題。 從目前使用來看，發(fā)熱比較厲害，尤其夏季環(huán)境溫度比較高的時(shí)候。對(duì)變頻裝置采取了強(qiáng)排風(fēng)措施,但排風(fēng)扇產(chǎn)生的噪聲比較大，相應(yīng)的要采取隔音措施。如何解決大功率高壓變頻器發(fā)熱和噪聲，將是變頻器生產(chǎn)廠家迫切解決的問題。