眾所周知,供水行業(yè)水泵機組實施變頻調速方案,可以收到一定的節(jié)能效果和確保城市供水管網的運行安全。除直接經濟效益外,還具有明顯的社會效益。可以預計,大功率交流電機變頻調速新技術的發(fā)展和應用是我國節(jié)能的主導方向之一,也是供水行業(yè)不斷努力的目標。
2 目前現(xiàn)狀
前些年，高壓變頻調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、單臺最小功率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，從而造成微觀經濟效益上的難題。在高壓供電而功率器件耐壓能力有限的情況下，目前，除羅克韋爾公司的電流型外，一般采用功率單元串聯(lián)或功率器件串聯(lián)的方法來解決高電壓的問題。
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，國內外各變頻器生產廠家各有不盡一致的主電路結構，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、電容箝位四電平高壓變頻器、直接串聯(lián)IGBT高壓變頻器、電壓型高—低—高式高壓變頻器等多種拓樸結構。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，市場上一些知名品牌的變頻器屬電壓型或電流型變頻器。
（1）電壓型變頻器
電壓型變頻器是采用低耐壓器件串聯(lián)進行電壓疊加，來滿足高電壓電機的使用要求。這類變頻器的優(yōu)點是一次性投資略低，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，使驅動和吸收電路簡化，系統(tǒng)效率提高，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，結構簡單，使用的功率器件最少。同時設置了進線電抗器及濾波器，滿足電網及系統(tǒng)對諧波的要求。
PowerFlex7000的性能與電機的參數(shù)有關,具有自適應調整系統(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的不足之處是一次性投資略高。
不同型式的6kV變頻器，除主電路拓樸結構不相一致外，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，脈寬調制技術（PWM），電流源逆變器（CSI）作為驅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，其功率器件最少。采用有源前端的PWM整流器，因此，它不需要輸入裂相隔離變壓器就可滿足IEEE-519的要求。PowerFlex7000可以向電動機提供接近正弦波的電流、電壓，降低了對散熱條件和絕緣強度的要求。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構（SHE），消除主要階次的諧波（如3、5、7次諧波等），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（帶集成門極驅動器的改進門極關斷晶閘管GTO）。門極驅動器的位置靠近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、FUJI FVRG5/P5系列，SANKEN SVF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；轉矩響應慢，電機轉矩利用率不高，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磁場軌跡為目的,一次生成二相調制波形。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品。然而,在上述四種方法中,由于未引入轉矩的調節(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
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。它使人們看到交流電動機盡管控制復雜，但同樣可以實現(xiàn)轉矩、磁場獨立控制的內在本質。矢量控制的基本點是控制轉子磁鏈，以轉子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉矩和磁場兩個分量，經過坐標變換實現(xiàn)正交或解耦控制。但是，由于轉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：直接轉矩控制
PowerFlex7000變頻器正是采用了無速度傳感器的直接轉矩控制方法。這種方法允許電動機轉矩快速變化而不影響電動機的磁通，且無需使用測速發(fā)電機即可達到較高的控制精度。直接轉矩控制理論（Direct Torque Control簡稱DTC）是1985年德國魯爾大學 Depenbrock教授首先提出的。直接轉矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制。轉矩控制的優(yōu)越性在于：轉矩控制是控制定子磁鏈，在本質上并不需要轉速信息；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矩控制。然而，這種控制依賴于精確的電機數(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、電動機負載的轉動慣量等重要參數(shù)，然后根據(jù)精確的電動機模型，估算出電動機的實際轉矩、定子磁鏈和轉子速度，并由磁鏈和轉矩的Band-Band控制產生PWM信號，對逆變器的開關狀態(tài)進行控制。這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)很快的轉矩響應速度和很高的速度控制、轉矩控制精度。直接轉矩控制系統(tǒng)的技術性能指標：轉矩響應速度已達到<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速節(jié)電項目改造工程是與泵房改造相結合進行實施的。為確保該工程的順利完成。從2002年初就進行了市場調研和考察。根據(jù)四水廠改造前的實際情況（5臺機組，4用1備），對部份機組進行變頻調速節(jié)能改造，使四水廠的供水能力能滿足2005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研、考察、招投標的期間,從變頻器的主電路的拓樸結構、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,最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2005年5月底進行調試并投入試生產。
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。使其運行控制實現(xiàn)了閉環(huán)、全自動化的分時段恒壓供水的目標。
5 改造效果
該工程自2005年5月底進行調試并投入生產以來，運行情況良好，并具有一定的節(jié)能效果。
5.1 微觀經濟效益
（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)表自動調整為 0.38Mpa～0.45Mpa,忽略變頻調整后的短時間0.45Mpa壓力值，設泵的出口壓力由0.45Mpa調整為0.38Mpa，近似計算如下：
水泵的流量與轉速成正比關系：Q1/Q2=n1/n2
水泵的壓力與轉速的平方成正比：N1/N2=（n1/n2）2
軸功率與轉速的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
某季的單臺630kW變頻機組的實際功耗的日平均測試數(shù)如表2所示。
由表2的測試數(shù)據(jù)得:單臺日節(jié)電量為2780kW·h，年節(jié)電量為2780×341=94.8萬kW·h（全年以341天計算，扣除每月2天保養(yǎng)維護時間），考慮到變頻器的效率為97.6%，則年實際節(jié)電量為92.5萬kW·h，節(jié)約資金92.5×0.473=43.75萬元。
5.2 宏觀經濟效益
（1）安全性
自該工程投運幾年來，由于采用了恒壓供水，從未發(fā)生過一起供水管網的主干管爆管事故，有效地保證了城市供水的安全，取得了較好的社會效益和經濟效益，對維護城市的安定、和諧發(fā)揮了重要作用。
（2）政府獎勵
由于該工程為揚州地區(qū)第一臺6kV電壓等級的大功率變頻器項目，對本地區(qū)的各行業(yè)的高壓變頻器節(jié)能改造起到了示范作用。另一方面，由于該項目的成功實施，適應了電力需求側負荷的調節(jié)要求，得到市政府和省政府能源主管部門的好評，并獲得了江蘇省節(jié)能項目獎。
6 結束語
電壓等級為6kV的變頻器目前市場上有較多的品牌，筆者認為，PowerFlex7000型變頻器在供水行業(yè)6kV電機調速中應用效果較好。揚州水司根據(jù)該變頻器在四水廠運行情況，于2006年下半年又購置了一臺套PowerFlex7000型變頻器，用于一水廠機組變頻調速，以實現(xiàn)更好的經濟效益和社會效益。筆者所述，供同行在選擇6kV變頻器設備時參考。