課程設(shè)計(jì)課程名稱：電力電子技術(shù)設(shè)計(jì)題目：調(diào)壓技術(shù)在污水處理中得應(yīng)用專業(yè)班級：09電本1班姓名：郭太州學(xué)號：0915140066指導(dǎo)教師：褚曉銳2011年12月25日調(diào)壓技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用上海市污水治理二期工程是世界銀行貸款的大型環(huán)境保護(hù)項(xiàng)目，工程建成后將有效地改善黃浦江中上游段水質(zhì)，對于保護(hù)環(huán)境提高人民生活質(zhì)量和改善上海市投資環(huán)境有著極其重要意義，被列入市重點(diǎn)工程項(xiàng)目，總服務(wù)面積為27117平方千米，總服務(wù)人口為355.6萬人，設(shè)計(jì)旱流污水量為172立方米每天工程范圍包括浦西徐匯、盧灣二個區(qū)內(nèi)的6排水系統(tǒng)的截流設(shè)施截流管及過江管，浦東地區(qū)13個地區(qū)和城鎮(zhèn)的污水總管，浦西責(zé)浦江上游的吳涇閔行地區(qū)通過南支線接入污水總管。浦東浦江邊一直到長江口(白龍港地區(qū))設(shè)置有三座中途提升泵站(SA泵站、SB泵站及M2泵站)，然后進(jìn)入白龍港出口泵站并進(jìn)行預(yù)處理后通過江底隧道進(jìn)入深水排放。為了對長距離污水輸送的有效調(diào)節(jié)達(dá)到滿足變化的輸送工藝要求、優(yōu)化調(diào)度方案，故在三座中途泵站中分別都設(shè)有2變頻調(diào)速器對水泵電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，也就是按不同的工藝(流量、揚(yáng)程)調(diào)節(jié)電機(jī)供電電源的頻率對水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸送污水的流量和揚(yáng)程達(dá)到最佳的協(xié)調(diào)。這種調(diào)速最簡便有效可靠而且節(jié)能(對調(diào)節(jié)閘門開啟程度而言),還能滿足一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速。隨著工業(yè)電子技術(shù)的飛速發(fā)展和高壓變頻技術(shù)的不斷提高和成熟，使二期污水輸送中的水泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)己成為現(xiàn)實(shí)。1變頻調(diào)速的基本原理眾所周知水泵的原動機(jī)是異步電動機(jī)，所以要改變水泵的轉(zhuǎn)速關(guān)鍵在于改變帶動水泵運(yùn)轉(zhuǎn)的電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，而在交流異步電動機(jī)的諸多調(diào)速中變頻調(diào)速性能最好，調(diào)速范圍大、靜態(tài)穩(wěn)定性好、運(yùn)行效率高，所以，一般均采用變頻器對異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。由于用方便可靠性高而且經(jīng)濟(jì)效益顯著以致于該方法逐步得到推廣應(yīng)用。從電機(jī)學(xué)的基本原理可知異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速為N=60F/P式中：N-電機(jī)轉(zhuǎn)速F-電源頻率P-磁極對數(shù)從式中可知極對數(shù)P是電機(jī)制造中已固定不變的，如二期污水工程運(yùn)行使用的SA泵站、SB泵站、M2泵站電機(jī)都是16極的，其同步轉(zhuǎn)速為375r/min,可見N與F成相對比例關(guān)系，只要改變電動機(jī)電源頻率就可以改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，而且變頻調(diào)速屬于非能耗調(diào)速，是異步電動機(jī)最有效的調(diào)速方法。對異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)希望電動機(jī)的磁通保持額定值不變，由電機(jī)理論知道三相異步電動機(jī)定子每相電動勢的有效值為:E=4.44FNmE-定子每相由氣隙磁通感應(yīng)的電動勢的均方根值（V）F-定子頻率(HZ)N-定子相繞組有效匝數(shù)m-每極磁通量由上式可見m值是由E和F共同決定的，對E和F進(jìn)行控制就可以使氣隙磁通m保持額定值不變，所以對基頻(50HZ)以下的恒滋通調(diào)速(向下調(diào)速)，為保持電動機(jī)的負(fù)載能力，應(yīng)保持氣隙磁通m不變，這就要降低供電頻率的同時(shí)降低感應(yīng)電勢，保持E/F=常數(shù)(U/F=常數(shù))，這種控制稱為恒磁通變頻調(diào)速，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。另一種情況如工頻以上的調(diào)速(向上調(diào)速),F向上增加但由于電壓受額定電壓限制不能升高，必然會使主磁通隨著F的上升而減小，相當(dāng)于弱磁調(diào)速，屬于恒功率調(diào)速。如圖1所示。以上可知異步電動機(jī)的變頻調(diào)速必須按照一定的規(guī)律同時(shí)改變其定子電壓和頻率即必須通過變頻裝置獲得電壓與頻率均可調(diào)節(jié)的供電電源，實(shí)現(xiàn)所謂的VVVF(VariableVoltageVariableFreqeney)變壓變頻調(diào)速控制。圖1異步電動機(jī)調(diào)速控制特性對于具有風(fēng)機(jī)和泵類特性的機(jī)械負(fù)載其轉(zhuǎn)矩ML與轉(zhuǎn)速N是成二次曲線關(guān)系(MLN2),軸功率P與轉(zhuǎn)速是三次曲線關(guān)系(PN3)隨著速度的下降阻轉(zhuǎn)矩ML下降很快、軸功率下降更快,(如圖2所示)。根據(jù)此特性我們可采用不同于恒功率或恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)速方法,即采用變轉(zhuǎn)矩的調(diào)速使變頻器輸入電壓V和頻率F具有不同的比值,在確保電機(jī)有足夠的過載能力的前提下就可以達(dá)到最佳的變頻調(diào)速高效節(jié)能的效果。圖2風(fēng)機(jī)和泵類負(fù)載轉(zhuǎn)矩ML軸功率P與轉(zhuǎn)速關(guān)系2變頻調(diào)速裝置的幾種形式隨著電氣傳動技術(shù)尤其是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,大容量高壓變頻裝置也得到廣泛應(yīng)用,各種高壓變頻器不斷出現(xiàn)。根據(jù)高壓的組成方式可分為直接高壓和高-低-高型。根據(jù)有無中間直流環(huán)節(jié)又可分為交-交變頻器和交-直-交變頻器。在交-直-交變頻器中按中間直流濾波環(huán)節(jié)不同可分為電壓源型(也稱電壓型)和電流源型(也稱電源型)。電流源型變頻器一般采用大電感作為中間直流濾波環(huán)節(jié)電路,一般采用晶閘管作為功率元件也有采用GTO的,主要目的是采用電流PWM脈沖寬度調(diào)制(pulseWidthModulation)控制用于改善輸入電流波型。在系統(tǒng)控制上電流源型變頻器與一般采取電壓-頻率協(xié)調(diào)控制的電壓型變頻器可以直接控制輸出電壓不同,電流源型變頻器的輸出電壓由輸出電流及負(fù)載決定。電流源型變頻器對電網(wǎng)電壓的波動較為敏感,一般當(dāng)電網(wǎng)電壓下降可能引起變頻器跳閘。電壓型變頻器一般中間有直流環(huán)節(jié),儲能元件采用大電容,負(fù)載的無功功率將由它來補(bǔ)償,直流電源內(nèi)阻比較小,相當(dāng)于電壓源,故稱電壓源型變頻器或電壓型變頻器。3應(yīng)用于污水二期工程中的變頻調(diào)速裝置污水二期SA泵站、SB泵站、M2泵站的6KV高壓變速電機(jī)配用的是美國羅賓康(ROBICON)公司生產(chǎn)的6KV完美無諧波高壓變頻裝置,該裝置屬于單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器。采用若干個低壓IGBT變頻功率單元，以串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出。該方案是由美國羅賓康公司發(fā)明的專利產(chǎn)品，該變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染小(滿足IEEE-51-1992和SD-126-84對電壓和電流最嚴(yán)格的諧波失真要求)，輸入的功率因數(shù)高，不必采用諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。輸出波型好不存在由諧波引起的電動機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動噪聲，輸出的du/dt共模電壓等問題。所以取名為完美無諧波高壓變頻裝置。圖3所示其主電路結(jié)構(gòu)圖，圖4為功率單元結(jié)構(gòu)圖。單元串聯(lián)多電平變頻器采用若干個獨(dú)立的低壓功率單元串聯(lián)的形式來實(shí)現(xiàn)高壓輸出，其原理如圖5所示。6KV輸出電壓等級的變頻器主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，電網(wǎng)電壓經(jīng)過二次側(cè)多重化的隔離變壓器后經(jīng)功率單元供電，功率單元為三相輸入單相輸出的交-直-交PWM電壓源型逆變結(jié)構(gòu)見圖4所示。將相鄰功率單元的輸出端接起來形成Y聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出供給高壓電動機(jī)。每個功率單元分別由輸入變壓器的二次繞組供電，功率單元之間及變壓器的二次繞組之間相互絕緣。對于額定電壓為6KV變頻器每相有5個額定電壓為690V的IGBT功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高達(dá)3450V，線電壓可達(dá)6KV，每個功率單元承受全部的輸出電壓，保證提供1/5的相電壓和1/5的輸出功率。單元的電壓等級和串聯(lián)數(shù)量決定變頻器的輸出電壓，單元的額定電流決定變頻器的輸出電流。由于不是采用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)方式來實(shí)現(xiàn)高壓輸出，而采用整個功率單元串聯(lián)所以不存在器件聲聯(lián)引起的均壓問題。圖3主電路結(jié)構(gòu)圖圖4功率單元結(jié)構(gòu)圖圖5電壓疊加結(jié)構(gòu)圖輸入變壓器實(shí)行多重化設(shè)計(jì)達(dá)到降低輸入諧波電流的目的，6KV變頻器變壓器的15個二次繞組采用延邊三角型聯(lián)結(jié)分為5個不同的相位差，互差12度電角度形成30脈沖的二極管整流電路結(jié)構(gòu)，所以理論上29次以下的諧波都可以消除，輸入電源的波形接近正弦波，總諧波電路失真可低于1%，如圖6所示。圖6完美無諧波變頻波形圖本結(jié)構(gòu)由于采用二極管整流的電壓型結(jié)構(gòu)，電動機(jī)所需要的無功功率可由濾波電容提供，所以輸入功率因數(shù)高可保持在0.95以上，如圖7所示。不另外采用功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)多單元的載波之間互相錯開一定電角度實(shí)現(xiàn)多電平PWM輸出電壓非常接近正弦波如圖6所示。圖7電機(jī)速度與輸入功率因數(shù)關(guān)系圖每個電平臺階上每個單元直流母線電壓du/dt很小，使得電動機(jī)絕緣不會受到影響，功率單元采用較低的開關(guān)頻率以降低開關(guān)損耗且可以不用浪涌吸收電路來提高變頻器效率。由于采用多電平移相式PWM等效輸出，開關(guān)頻率很高，且輸出電平數(shù)增加可大大改善輸出波形，降低輸出諧波。這樣對電動機(jī)沒有特殊要求，可采用普通的高壓電動機(jī)。所以在當(dāng)時(shí)決策時(shí)，SB泵站采用日本荏原生產(chǎn)的水泵，美國的變頻器、國產(chǎn)電機(jī)，當(dāng)水泵在日本工廠進(jìn)行聯(lián)動調(diào)試時(shí)，承包商擔(dān)心國產(chǎn)電機(jī)經(jīng)受不住變頻器可能引起的諧波影響，承包商極力推薦西門子進(jìn)口電機(jī)，本人當(dāng)時(shí)出于對羅賓康變頻器的性能分析，拒絕采用西門子進(jìn)口電機(jī)而大膽使用上海電機(jī)廠的電機(jī)，這個決策完全基于上述的技術(shù)分析，經(jīng)過在日本水泵廠的聯(lián)動調(diào)試開車一次成功，說明當(dāng)時(shí)決策的正確和合理，為國家節(jié)約了外匯。從1999年底通水運(yùn)行至今，因?yàn)槟壳肮r和水量尚未達(dá)到設(shè)計(jì)流量，定速泵開啟比較困難，而SA泵站，SB泵站，M2泵站變頻裝置所帶動的水泵適應(yīng)了至今的小水流低揚(yáng)程的需要，基本都在變頻條件下運(yùn)行，從另一個角度來看也使變頻裝置經(jīng)受了長期運(yùn)行的考驗(yàn)，目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)過變