精品文檔-下載后可編輯PowerFlex7000高壓變頻器在水廠的設計與應用1引言

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。隨著現(xiàn)代電力電子技術和微電子技術的迅猛發(fā)展，高壓大功率變頻調(diào)速裝置不斷地成熟起來，原來一直難于解決的高壓問題，近年來通過器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。

2目前現(xiàn)狀

前些年，高壓變頻調(diào)速技術在大功率交流傳動中推廣應用較慢，其原因主要有兩個：一是大功率電動機的供電電壓高（筆者所在公司的29臺三相交流異步電機均為6kV、單臺功率185kW），而組成變頻器的功率器件的耐壓水平較低，造成電壓匹配上的難題；二是高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)技術含量高，難度大，成本也高，而一般的水泵等節(jié)能改造都要求低投入、高回報，從而造成微觀經(jīng)濟效益上的難題。在冶金、化工、電力、市政供水和采礦等行業(yè)廣泛應用的泵類負載，占整個用電設備能耗的40%左右，電費在自來水廠甚至占制水成本的50%.這是因為：一方面，設備在設計時，通常都留有一定的余量；另一方面，由于工況的變化，需要泵機輸出不同的流量。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展和自動化，智能化程度的提高，采用高壓變頻器對泵類負載進行速度控制，不但對改進工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量有好處，又是節(jié)能和設備經(jīng)濟運行的要求，是可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。對泵類負載進行調(diào)速控制的好處甚多。從應用實例看，大多已取得了較好的效果（有的節(jié)能高達30%-40%），大幅度降低了自來水廠的制水成本，提高了自動化程度，且有利于泵機和管網(wǎng)的降壓運行，減少了滲漏、爆管，可延長設備使用壽命。

3主電路及控制電路的比較

3.1主電路比較

目前市場上的高壓變頻器還沒有低壓變頻器那樣具有成熟的、一致性的主電路的拓樸結(jié)構，僅限于采用目前電壓耐量的功率器件。如何面對高電壓使用條件的要求，國內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠家各有不盡一致的主電路結(jié)構，但都較為成功地解決了高電壓大容量這一難題。異步電機高壓變頻器先后出現(xiàn)了電流型高壓變頻器、功率單元串聯(lián)型高壓變頻器、二極管箝位三電平高壓變頻器、電壓型高-低-高式高壓變頻器等多種拓樸結(jié)構。大功率高電壓的變頻器尤其以電壓型和電流型二種較為普遍。目前，市場上一些品牌的變頻器屬電壓型或電流型變頻器。

（1）電壓型變頻器

變頻器的主電路大體上可分為兩類：電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容；電流型是將電流源的直流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。這類變頻器的優(yōu)點是性投資略低，但從理論上來講，器件在串聯(lián)使用時，因為各器件的動態(tài)電阻和極電容不同，而存在靜態(tài)和動態(tài)均壓的問題。如果采用與器件并聯(lián)R（電阻）和RC（阻容）的均壓措施，會使電路復雜，損耗增加；同時，器件的串聯(lián)對驅(qū)動電路的要求也大大提高，要盡量做到串聯(lián)器件同時導通和關斷，否則由于各器件開斷時間不一，承受電壓不均，會導致器件損壞甚至整個裝置崩潰。

（2）電流型變頻器

電流型變頻器目前主要是羅克韋爾公司的產(chǎn)品，尤其以其近年推出新一代的6kV變頻器PowerFlex7000系列，用新型功率器件即對稱門極換流晶閘管（SGCT）代替原先的GTO,6kV系統(tǒng)每個橋臂采用三只耐壓為6500V的SGCT.PWM整流器，標準的諧波濾波器及功率因數(shù)補償器，以使其諧波符合IEEE519-1992標準的規(guī)定。

PowerFlex7000系列6kV變頻器的優(yōu)點是易于控制電流，便于實現(xiàn)能量回饋和四象限運行；輸入端采用可控器件實現(xiàn)PWM整流，該變頻器采用功率器件串聯(lián)的二電平逆變方案，結(jié)構簡單，使用的功率器件少。

ABPowerFlex7000中壓變頻器對于您面臨的絕大多數(shù)應用場合，無論性能要求如何，羅克韋爾自動化Allen-BradleyPowerFlex系列交流變頻器都能為您提供幫助。從低壓到中壓，從簡單到復雜，PowerFlex系列變頻器功率范圍從0.2KW（0.25Hp）到25400KW（34000Hp），提供水平的智能電機控制解決方案。

PowerFlex7000的性能與電機的參數(shù)有關，具有自適應調(diào)整系統(tǒng)，消除了有些品牌變頻器的電流的諧波成分大，污染和損耗較大，且共模電壓高，對電機的絕緣有影響等不足。但PowerFlex7000的不足之處是性投資略高。PowerFlex系列不同型號的變頻器，具有操作的相通性。相同的人機界面，易于熟悉和方便使用，大大節(jié)省了操作工人的培訓時間。相同的參數(shù)結(jié)構參數(shù)結(jié)構，相同基于PC的軟件（編程，監(jiān)控和故障診斷），相同的參數(shù)名稱和描述，大大的縮短了用戶從一種型號轉(zhuǎn)換到另一種型號的熟悉過程和費用。

不同型式的6kV變頻器，除主電路拓樸結(jié)構不相一致外，還有效率、諧波、和可靠性、冗余設計等問題也有所不同。

供水行業(yè)的機組變頻調(diào)速裝量的容量較大，隨著人們節(jié)能意識的不斷提高，對系統(tǒng)的效率問題認識也就愈加注重。采用不同的主電路拓樸結(jié)構，使用的功率器件的種類、數(shù)量的多少，以及變壓器，濾波器等的使用，都會影響系統(tǒng)的效率。為了提高系統(tǒng)效率，必須設法盡量減少功率開關器件和變頻調(diào)速裝置的損耗。在多種6kV變頻器中，PowerFlex7000屬高-高電壓等級（6kV進線-6kV出線）的電流型變頻器，系統(tǒng)采用了冗余設計，脈寬調(diào)制技術（PWM），電流源逆變器（CSI）作為驅(qū)動端逆變器等的運用，使系統(tǒng)的性能得到進一步的提高。它的功率單元結(jié)構簡單、性價比高及穩(wěn)定可靠，能適應較寬的電壓和功率范圍。電力半導體器件的額定反向峰值電壓PIV高達6500V,同電壓等級、同容量變頻器中，其功率器件少。電壓波形的dv/dt小于10V/ms.困擾電壓型逆變器（VSI）的反射波形和dv/dt的問題在PowerFlex7000根本不存在，同時還在逆變器中應用了諧波選擇消除結(jié)構（SHE），消除主要階次的諧波，集成在變頻器中的輸出小電容器消除了其余的高次諧波，使整個輸出波型接近完美正弦波。該裝置還使用了SGCT.門極驅(qū)動器的位置靠近SGCT,控制回路阻抗低，它在降低門極開關時電流和電壓的起伏程度方面大大優(yōu)于傳統(tǒng)的功率器件。

3.2控制電路比較

早期通用變頻器如東芝TOSVERT-130系列、FUJIFVRG5/P5系列，SANKENSVF系列等大多數(shù)為開環(huán)恒壓比（V/F=常數(shù)）的控制方式。其優(yōu)點是控制結(jié)構簡單、成本較低，缺點是系統(tǒng)性能不高。具體來說，其控制曲線會隨著負載的變化而變化；轉(zhuǎn)矩響應慢，電機轉(zhuǎn)矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區(qū)效應的存在而性能下降，穩(wěn)定性變差等。對變頻器U/F控制系統(tǒng)的改造主要經(jīng)歷了以下3個階段；

（1）第1階段：磁通軌跡控制

80年代初日本學者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量（或稱磁通軌跡法）。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉(zhuǎn)磁場軌跡為目的，生成二相調(diào)制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制。典型機種如1989年前后進入中國市場的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三墾）MF系列等。1991年由富士電機推出的FVR與FRNG7/P7的設計中，三菱、日立，東芝等系列中也都有類似的產(chǎn)品。然而，在上述四種方法中，由于未引入轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)性能沒有得到根本性的改善。

（2）第2階段：磁場定向控制，也稱矢量控制

采用矢量控制方式的通用變頻器不僅可在調(diào)速范圍上與直流電動機相匹配，而且可以控制異步電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。由于矢量控制方式所依據(jù)的是準確的被控異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器在使用時需要準確地輸入異步電動機的參數(shù)，有的通用變頻器需要使用速度傳感器和編碼器。鑒于電機參數(shù)有可能發(fā)生變化，會影響變頻器對電機的控制性能，目前新型矢量控制通用變頻器中已經(jīng)具備異步電動機參數(shù)自動檢測、自動辨識、自適應功能，帶有這種功能的通用變頻器在驅(qū)動異步電動機進行正常運轉(zhuǎn)之前可以自動地對異步電動機的參數(shù)進行辨識，并根據(jù)辨識結(jié)果調(diào)整控制算法中的有關參數(shù)，從而對普通的異步電動機進行有效的矢量控制。

它是70年代初由西德F.Blasschke等人首先提出，以直流電動機和交流電動機比較的方法，分析闡述了這一原理，由此開創(chuàng)了交流電動機等效直流電動機控制的先河。但是，由于轉(zhuǎn)子磁鏈難以準確觀測，以及矢量變換的復雜性，使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果，這是矢量控制技術在實踐上的不足。此外，它必須直接或間接地得到轉(zhuǎn)子磁鏈在空間上的位置才能實現(xiàn)定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統(tǒng)中需要配置轉(zhuǎn)子位置傳感器或速度傳感器，這顯然給許多應用場合帶來不便。因此，矢量控制技術仍然在努力融入通用型變頻器中，1992年開始，德國西門子開發(fā)了6SE70通用型系列，通過FC、VC、SC板可以分別實現(xiàn)頻率控制、矢量控制、伺服控制。1994年將該系列擴展至315kW以上。

（3）第3階段：直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制的特征是控制定子磁鏈，是直接在定子靜止坐標系下，以空間矢量概念，通過檢測到的定子電壓、電流，直接在定子坐標系下計算與控制電動機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能。它不需要將交流電動機化成等效直流電動機，因而省去了矢量變換中的許多復雜計算，它也不需要模仿直流電動機的控制，從而也不需要為解耦而簡化交流電動機的數(shù)學模型，而只需關心電磁轉(zhuǎn)矩的大小，因此控制上對除定子電阻外的所有電機參數(shù)變化魯棒性良好，所引入的定子磁鏈觀測器能很容易得到磁鏈模型，并方便地估算出同步速度信息，同時也很容易得到轉(zhuǎn)矩模型，磁鏈模型和轉(zhuǎn)矩模型就構成了完整的電動機模型，因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器控制，如果在系統(tǒng)中再設置轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，即可進一步得到高性能動態(tài)轉(zhuǎn)矩控制了。

PowerFlex7000變頻器正是采用了無速度傳感器的直接轉(zhuǎn)矩控制方法。轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)越性在于：轉(zhuǎn)矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉(zhuǎn)速信息；控制上對除定子電阻外的所有電機參數(shù)變化適應性良好；所引入的定子磁鏈觀測器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化。這種控制方法被應用于通用變頻器的設計之中，是很自然的事，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉(zhuǎn)矩控制。然而，這種控制依賴于的電機數(shù)學模型和對電機參數(shù)的自動識別，通過ID運行自動確立電機實際的定子阻抗、互感、電動機負載的轉(zhuǎn)動慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)的電動機模型，估算出電動機的實際轉(zhuǎn)矩、定子磁鏈和轉(zhuǎn)子速度，并由磁鏈和轉(zhuǎn)矩的Band-Band控制產(chǎn)生PWM信號，對逆變器的開關狀態(tài)進行控制。直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的技術性能指標：轉(zhuǎn)矩響應速度已達到2ms,在帶PG時的靜態(tài)速度精度達土0.01%,在不帶PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負載突變的影響，可以達到土0.1%的速度控制精度。

4工程實例

揚州第四水廠變頻調(diào)速節(jié)電項目改造工程是與泵房改造相結(jié)合進行實施的。為確保該工程的順利完成。從2022年初就進行了市場調(diào)研和考察。根據(jù)四水廠改造前的實際情況，對部份機組進行變頻調(diào)速節(jié)能改造，使四水廠的供水能力能滿足2022年的供水的峰谷期的變化需求。改造前后四水廠的二泵房機泵設備對照表如表1所示。

在揚州四水廠變頻器改造項目的調(diào)研、考察、招投標的期間，從變頻器的主電路的拓樸結(jié)構、裝置的可靠性、控制方式、控制精度、效率、諧波、性價比及供水行業(yè)的使用效果等因素方面綜合考慮，終選擇了羅克韋爾公司的PowerFlex7000變頻器。其變頻器室的土建工程按照安裝3臺套6kV電壓等級，功率為630kW的變頻器進行建設，全部工程于2022年5月底進行調(diào)試并投入試生產(chǎn)。

在變頻器的控制方面采用就地和遠程控制兩種方式，應用羅克韋爾公司的MicroLogix500型PLC控制系統(tǒng)，設置了工作日與節(jié)假日不相同的，每天分24個時間段的壓力數(shù)據(jù)表，并可實時在線修改其數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了變頻器開停、出水閥門的開關、壓力調(diào)整等操作，同時還具有頻率實時顯示、曲線跟蹤以及報警功能。

5改造效果

該工程自2022年5月底進行調(diào)試并投入生產(chǎn)以來，運行情況良好，并具有一定的節(jié)能效果。

5.1微觀經(jīng)濟效益

（1）根據(jù)泵的出口壓力量測

目前機組的實際運行情況是將泵的出口壓力從原先的基本維持在0.45Mpa,由變頻器根據(jù)設定的數(shù)據(jù)表自動調(diào)整為0.38Mpa~0.45Mpa,忽略變頻調(diào)整后的短時間0.45Mpa壓力值，設泵的出口壓力由0.45Mpa調(diào)整為0.38Mpa,近似計算如下：

水泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比關系：Q1/Q2=n1/n2

水泵的壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比：N1/N2=（n1/n2）2

軸功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比：P1/P2=（n1/n2）3

0.38Mpa/0.45Mpa=（n1/n2）2

n1/n2=0.919

P1/P2=（n1/n2）3=0.776=77.6%

由計算可知，電機消耗的功率為原來的77.6%,節(jié)能22.4%.

（2）由實際功耗測量節(jié)電效果