[摘要]本文介绍了九洲电气高压变频器在北京燕化供水车间的应用，利用变频器可以进行大量程速度无级调节的优点，解决了用大水泵在小流量地表水源取水中出现抽干的难题。使小流量地表水源得到利用，并同时节约大量电能，取得了资源和经济的双重效益。
[关键词] 高压变频器 调速运行 节能
High Voltage Convertor Device Use To Baijing YanHua Supply Water Workshop
LiKai LiuShuang
[abstract] the article is presentation high voltage convertor device use in Baijing YanHua supply water workshop, it is untie so make of big water pump from little flux the earth is surface water source pump water appear empty of difficult problem by convertor device can being deep measurement speed stepless modulation of excellence。Uitilize little flux the earth surface water the same time economize more electric energy, take out resource and economic of dual benefit.
[key word] high voltage convertor device adjustive speed run economize energy
1、 引言：
在泵站供水系统中,常常是多泵供应多个用户，同时内部管路进行联网，能做到互为备用。在设计初期多个用户的用量是基本一致的。但经常有个别终端的用户常会由于工况改变，工艺调整，供应面积变化等原因，其供水量会小于原设计的容量，这时就出现了用大泵往出输送小水量的情况。
北京燕化公司动力事业部一供水车间的其中一路供水用户的用水量较小,其总需求量不到水泵额定容量的三分之一。运行时档板开度很低，在运行时泵压较高，不但是电能浪费较大。同时用档板调节时，由于其开度与流量的非线性特性，往往一个很小角度的调节，其流量就发生很大的变化。
在北京燕化公司动力事业部一供水车间附近，有一个小流量水渠，其地表流量与用量较小的用户终端的使用量相近。在2004年，北京水务局从北京水资源的充分利用出发，要求北京燕化公司将这个小流量地表水利用上，以优化水网的资源调配。但是实际的供水调配时，由于其小流量地表水流量与用量较小的用户终端的使用量相近，而泵的容量较大，用档板调节时，不是供水量不足，就是将小流量地表水抽干，无法对其进行利用。
为充分利用珍贵的水资源和电力资源，北京燕化公司动力事业部一供水车间对3号泵进行调速改造，通过高压变频器能对转速无级精密调节的功能，使大流的量3号泵能顺利抽取小流量的地表水渠中的水满足用户终端要求而不出现抽空现象。
2、 燕化公司一供水车间3号泵参数与改造方案简介：
（1）、燕化公司一供水车间3号取水泵参数：
名称：离心式清水泵 型号：24SA—10A
扬程：39m 流量：2700 m3/h
允许吸上真空高度：4.8 m 转速：730 r/min
功率：319KW 配用功率：360KW
生产日期：1975年5月 重量：4100Kg
生产厂家：长沙水泵厂
（2）、3号取水泵配套电动机参数：
名称：异步电动机 型号：JS158-8
额定功率：380KW 额定电压：6000V
额定电流：47A 环境温度：35℃
转速：740 r/min 绝缘等级：A
接法：星 重量：4100 Kg
技术条件：OAG.510.004 序号：750259
生产日期：1975年6月
生产厂家：湘潭电机厂
（3）、北京燕化公司动力事业部一供水车间3号泵取水网简介：
在北京的颐和园水系中，有一路从燕山下来的小流量天然水道，其流量较小，平均仅在1000 m3/h左右，但是其水质较好，在汇入总水系前，其能作为优质水源而直接利用。
北京燕化公司动力事业部一供水车间3号泵的进口管道经过多管路的组合，即可以从主干渠中取水，宜可从小流量地表水渠取水，其形式如图所示：
图1 3号泵取水系统
在图中，用水终端的用水为880m3/h，小流量地表水的流量约为1000 m3/h。在用3号泵进行小流量地表水取水的测试中，用出口阀调节出水的流量，由于阀调节流量的精度较低，同时从取水到时供水的管路都较长，在达到时终端用水要求时，其输出流量多出用水终端较多。随着小流量地表水的早晚流量的变化,出现了将小流量地表水抽干的现象。经过多次调节，由于精度不够，不时出现用水终端供水不足，再就是小流量地表水抽干，并出现了几次水泵打空，险些出现水锤事故。
在这种情况下，只好放弃对小流量地表水的应用。这样不但是小流量的水资源白白的浪费，而且由于从主干渠取水的管道比从小流量地表水要长出近一倍多，又浪费了大量的电能，并占用了大量的管道资源。
（4）、北京燕化公司动力事业部一供水车间3号泵调速改造方案：
为充分利用水源资和节能增效，通过大量的分析与调查，确定利用高压变频器对电机速度调节精度高，输出力矩稳定的特点，采用档板全开运行，在低转速下能实现小流量，低泵压的精细流量输出。故北京燕化公司动力事业部确定用变频调速的方案可以使额定流量为2700 m3/h的离心水泵稳定输出880m3/h的水量，达到利用小流量地表水为小水量用户供水的目标。
北京市水务局于2004年12月份投资采用哈尔滨九洲电气股份有限公司生产的高压变频调速装置对3号泵进行改造。
3、 变频调速节能的原理分析：
（1）、离心泵负载的相似理论
离心泵的流量，运行压力，吸收轴功率这三个基本参数与转速间的运算公司极其复杂，同时离心泵类负荷随环境变化参数也随之变化，在工程一般根据离心泵的运行曲线，进行大致的参数运算，称之为离心泵类负载的相似理论：
Q / Q0 = n / n0
H / H0 = ( n / n0 )2( ρ / ρ0 )
N / N0 = ( n / n0 )3( ρ / ρ0 )
式中： Q -- 离心泵流量 H -- 离心泵全压 n -- 离心泵转速 ρ-- 介质密度 N -- 轴功率
离心泵流量Q与电机转速n成正比。（Q∝n）
离心泵压力H与电机转速n的平方成正比。（H∝n2）
离心泵轴功率N与电机转速n的立方成正比。（N∝n3）
（2）、离心泵在额定工况下运行的特性曲线
图2 离心泵特性曲线（β=90º）
⑴H—Q曲线：当转速为恒定时，表示离心泵压力与流量间的关系特性。
⑵N—Q曲线：当转速为恒定时，表示离心泵轴功率与流量间的关系特性。
⑶η—Q曲线：当转速为恒定时，表示离心泵的效率特性。
从中可以看出，离心泵的轴功率和离心泵压力相交处即为效率最高点。
（3）、电动机容量的计算：
其中：
P ——离心泵电动机所需的输出轴功率（kW）；
Q ——离心泵流量（m3/s）；
H ——离心泵压力（kg/m2）；
——传动装置的效率；直接传动为1.0，皮带传动为0.9~0.98,齿轮传动为0.96~0.98。
——离心泵的效率；
102 ——由kg•m/s变换为kW的单位变换系数；
（4）、通过改变离心泵的管网特性曲线来实现对离心泵的介质流量的调节
通常的办法是通过调节挡板的开关程度来实现的，
图3、不同管网的特性曲线离心泵流量的特性曲线
如图所示。
离心泵档板开度一定时，离心泵在管网特性曲线R1工作时，工况点为M1。
离心泵挡板关小，管网特性曲线变为R2，工况点移至M2。
离心泵挡板再关小，管网特性曲线变为R3，工况点移至M3。
从上面的曲线分析，通过调节离心泵档板的开度，管网的特性参数将发生改变，输出流量发生变化，这样就达到了在定速运行时调节离心泵输出流量的目标。
在调节离心泵流量的过程中，离心泵的性能曲线（H—Q曲线）不变，工况点沿着离心泵的性能曲线（H—Q曲线）由M1移到M2，特性曲线由R1变为R2，风机输出流量由Q1变为Q2。这时离心泵随着输出流量的减少，离心泵的压力相应上升。
这种调节流量方法简单，操作容易。但是在流量减少的同时，离心泵压力同时上升，而经过档板后的运行压力却又很低，这样使大量的轴功率消耗在离心泵体的内部压力的无效损耗上，不但浪费了大量的能源，同时由于泵体内压力较大，其机械结构的损害也较大。
（5）、通过改变离心泵的转速来实现对离心泵的流量调节
在离心泵的管网特性不变情况下，改变离心泵的转速，使离心泵的特性曲线（H—Q曲线）平行移动，工况点将沿着管网特性曲线移动，达到调节离心泵流量的目的。
图4、离心泵在不同转速时的特性曲线
当离心泵转速为n1时，离心泵的压力-流量曲线与管网特性曲线R相交于M1点。
当离心泵转速为n2时，离心泵的压力-流量曲线与管网特性曲线R相交于M2点。
当离心泵转速降低，流量降低的同时，离心泵的压力也同时随之降低，这样，在调低流量的同时，离心泵内部压力也随之下降，具有极好的节电效果。
这种方法不必对离心泵本身进行改造，转速由外部调节，离心泵档板可处于最大点保持不变，并能实现无极线性调节流量。
（6）、采用改变离心泵转速调节流量与采用改变离心泵档板调节流量消耗功率的差值
采用改变离心泵转速和改变管网特性进行离心泵输出流量的调节，在调节相同流量的时候，其离心泵的特性曲线（H—Q曲线）变化不同，二种调节方法的运行工况点也不同其运行的对比图如下
图5、离心泵转速调节与档板调节的特性曲线对比
●在额定流量Q1时：
离心泵档板为额定开度，其管网特性曲线为R1，离心泵转速为额定转速，其特性曲线为n1，此时离心泵处于额定出力的状态，转速调节和档板调节的工况点重合，处于M1点，此时两种调节方式的消耗轴功率是相同的。
●在运行中需输出流量Q2时调速运行离心泵消耗轴功率：
调节离心泵转速将流量调为Q2，这时离心泵的特性曲线（H—Q曲线）平行下移，工况点处于M2点，离心泵压力变为H2。其消耗的轴功率为 ：
●在运行中需输出流量Q2用档板调节流量时离心泵消耗轴功率：
调节离心泵档板改变管网特性，将流量调为Q2，这时离心泵的特性曲线（H—Q曲线）不变，管网特性曲线由R1变化到R2，与n1时的离心泵特性曲线相交于M3，此时离心泵为Q2，压力为Hf，在曲线上看出，Hf＞H1，虽然流量下降了，但是压力却上升了，其消耗的轴功率为
●用速度调节流量时压力的变化
H2 = H1( n / n0 )2( ρ / ρ0 )
●用档板调节流量时压力的变化
Hf ＞ H1
●档板调节与转速调节消耗轴功率的差值：
由于在运行时，用转速调节流量时， H2 << H1,在工程计算中定义：
Hf ≈ H1
档板调节与转速调节消耗轴功率的差值：
将 H2 = H1( n / n0 )2( ρ / ρ0 )与Hf ≈ H1 代入上式可得：
△ P ≈ P3 [1 - ( n / n0 )2( ρ / ρ0 )]
从而得出用转速调节流量比用档板调节流量要节约按转速变化的平方系数的能量。
4、 高压变频器的工作原理：
（1）高压变频器的构成：
多电平单元串联高压变频器是由十八个相同的单元模块构成，每六个模块为一组，分别对应高压回路的三相，单元供电由移相变压器进行供电，原理图如下：
图6 高压变频器内部结构图
（2）功率单元构成：
功率单元是一种单相桥式变换器，由输入切分变压器的副边绕组供电。经整流、滤波后由4个IGBT以PWM方法进行控制，产生设定的频率波形。变频器中所有的功率单元，电路的拓扑结构相同，实行模块化的设计。其控制通过光纤发送。原理框图如下所示：
图7 功率单元原理框图
来自主控制器的控制光信号，经光/电转换，送到控制信号处理器，由控制电路处理器接收到相应的指令后，发出相应设的IGBT的驱动信号，驱动电路接到相应的驱动信号后，发出相应的驱动电压送到IGBT控制极，操作IGBT关断和开通，输出相应波形。
功率单元中的状态信息将被收集到应答信号电路中进行处理，集中后经电/光转换器变换，以光信号向主控制器发送。
（3）、高压变频器运行原理：
高压变频器的每个功率单元相当于一个三电平的二相输出的低压变频器，通过叠加成为高压三相交流电，以6KV变频器为例，论述：6KV输出电压的变频器，每相有6个功率单元相串联。单元的输入电压为三相600V，输出则为单相577V，单元相互串联叠加后可输出相电压3464V。当变频器输出频率为50HZ时，相电压为13阶梯波，如下图所示。图中UA1 … UA6分别为A相6个功率单元的输出电压，叠加后为变频器A相输出电压UA0。图中显示出了生成PWM控制信号时所采用A相参考电压UAr，可以看出UA0很好地逼近UAr。UAF为A相输出电压中的基波成分。
图8 相电压回路叠加波形
由于变频器中点与电动机中性点不连接，变频器输出实际上为线电压，由A相和B相输出电压产生的UAB输出线电压可达6000V，为25阶梯波。如下图所示，为输出的线电压和相电压的阶梯波形，UAB不仅具有正弦波形而且台阶数也成倍增加，因而谐波成分及dV/dt均较小。
图9 线电回路叠加波形
（4）、多电平单元串联叠加型变频器的三相波形输出质量：
高压变频器在运行后，将输入的工频的三相高压交流电转化为可以进行频率可调节的三相交流电，其电压和频率按照V/F的设定进行相应的调节，保持电机在不同的频率下运行，而定子磁心中的主磁通保持在额定水准，提高电机的转换效率，在下图中是在现场运行时，经过PT采集的电动机三相输入波形：
图10 电动机入电压波形
多重叠加应用，高压变频器输出电压的谐波含量很低，已达到常规供电电压允许的谐波含量，同时输出电压的dV/dt较小，不会增加电机绕组的应力，可以向普通标准型交流电动机供电，不需要降容或加输出滤波电抗器，保证了高压设备的通用性。
5、 高压变频器在3号泵上的应用与效果：
（1）、高变频器安装运行：
燕化公司动力事业部一供水车间3号水泵原来采用工频运行，阀门调节方式控制流量，不能满足生产工艺要求，又浪费了大量的电能。为此北京市水务局于2004年12月份投资采用哈尔滨九洲电气股份有限公司生产的高压变频调速装置对3号泵进行改造。该装置采用单元串联式多重叠加型直接高—高变频器，带自动旁路柜，就地，远控均为彩色液晶触摸屏控制，预留DCS控制和闭环控制功能。并于2005年1月4日正式投入运行。经过半年的饿考核，哈尔滨九洲电气股份有限公司所生产的高压变频调速装置运行稳定，性能良好，即满足了生产工艺的要求，又具有显著的节能效果。
（2）、现场设备参数：
●名称：离心式清水泵 型号：24SA—10A
扬程：39m 流量：2700 m3/h
允许吸上真空高度：4.8 m 转速：730 r/min
功率：319KW 配用功率：360KW
生产日期：1975年5月 重量：4100Kg
生产厂家：长沙水泵厂
●名称：异步电动机 型号：JS158-8
额定功率：380KW 额定电压：6000V
额定电流：47A 环境温度：35℃
转速：740 r/min 绝缘等级：A
接法：星 重量：4100 Kg
技术条件：OAG.510.004 序号：750259
生产日期：1975年6月
生产厂家：湘潭电机厂
●名称：高压大功率变频调速装置
型号：JZHICON-IA-06/50 额定输入电压：6000V
额定输出电压：6000V 额定输出频率：50HZ
额定输出功率：500KW 额定输出电流：50A
输出频率调节范围：0～50 HZ
生产厂家：哈尔滨九洲电气股份有限公司
（3）、电动机工频运行时的工况：
电动机电流：26A 电动机温度：45℃
运行频率：50HZ 出口压力：0.50Mpa
输出流量：880 m3/h 出口阀挡板开度：60%
（4）、电动机变频调速运行时的工况：
电动机电流：14A 电动机温度：25℃
运行频率：39.8HZ 出口压力：0.33Mpa
输出流量：880 m3/h 出口阀挡板开度：100%
（5）、电动机工频运行时的耗电量：
每小时耗电：（26A÷47A）×380KW×1h = 210KW
每天耗电：210×24h = 5040 kwh
每年耗电：5040 × 365 = 1839600 kwh
（6）.电动机变频运行时的耗电量：
每小时耗电：（26A÷47A）×380KW×1h = 113.2 kwh
每天耗电：113.2×24h = 2716.8 kwh
每年耗电：2716.8×365 = 991632 kwh
（7）.电动机采用高压变频调速装置后的电量：
每小时节电：210 － 113.2 = 96.8 kwh
每天节电：5040 － 2716.8 = 2323.2 kwh
每年节电：1839600 － 991632 = 847968 kwh
（8）.平均节电率：
847968 ÷ 1839600 = 46%
（9）.电动机采用高压变频调速装置后节约电费：
平均电费以0.5元/ kwh计算：
每年节约电费：847968 kwh × 0.5元/kwh = 423984 元
≈42.4万元
6、结束语：
通过北京燕化公司动力事业部一供水车间的3号泵高压变频器调速改造，解决了大容量的离心泵在供水量与用户量相值相近的小水量输出情况的安全运行的难题。使3号泵安全地运行于额定流量的1/3以下，并可以保持精确的流量调节,在不抽干小流量地表水的同时,保证的用户终端的用水需求。
高压变频器的精确控制功能，可以使水泵工作于原来调节方式下无法达到的工况，在极小流量的情况下仍能精细的调节介质流量,这样就能将大泵使用一些原先无法应用的小流量水源,这样在节约大量电量的同时，同时充分利用了稀少的水资源。
在自主创新，占领世界科技高端的精神带动下，具有自主知识产权的国产大功率与超大功率高压变频的技术不断成熟，在中国的大型工业领域内的电动机调速应用越来广泛，并开始进入原来由国外的高压变频器垄断的领域。使高压变频器这种现代电力电子的高科技产品将在我国能源高效利用的领域得到更加广泛的应用。
参考文献：
[1] 马小亮 大功率交-交变频调速及矢量控制技术 机械工业出版社 2003年10月
[2] 张永惠 高压变频调速器技术的比较 变频器世界 2004年5月
[3] 王喜魁 泵与风机 中国电力出版社 2004年8月
[4] 白扩社 流体力学·泵与风机 机械工业出版社 2005年1月
[5] 梁昊 最新变频器国家强制性标准实施与设计选型使用技术手册 2005年1月
[6] 邱阿瑞 电机与电力拖动 电子工业出版社 2002年7月
[7] 邱阿瑞 电机与电力拖动 电子工业出版社 2001年12月
作者简介
李凯（1977-） 男 工程师 研究方向： 大功率高压变频器
现任2.5MW高压变频器项目研发负责人