制水企業高壓變頻器的選用

吳志偉

（上海城投水務（集團）有限公司制水分公司，上海 200086）

0 引言

在制水企業生產成本中，日常管理中使水泵機組電耗保持在一個較經濟合理的范圍內，是企業節能工作的主要內容。目前，公司下屬單位逐漸在6–0kV 電機上采用變頻調速，可以解決以下問題：一是改善水廠泵站系統運行中效率不高，避免在機泵選型中由于單機選型過大，寧大勿小，造成：大馬拉小車“的不合理匹配情況。二是傳統的定速水泵電機運行，如長期運行在高壓楊程區域，管道沖擊不可避免，易使管網受到影響。采用變頻調速技術則可以改善。三是當供水外管網壓力需求變動時，水廠水泵揚程也需變動，以配合出廠流量和水位的變化，為此水泵運行不可能一直固定在一個高效點上，需要變動控制，而采用定速電機水泵的話，只能通過水泵出水閥門開關角度大小來調節流量，使得電能白白浪費在了水頭損失上。四是定速高壓電機啟動在啟停過程中會產生的機械沖擊和大啟動電流對電網的有一定的影響，高壓變頻器的軟啟動和軟停特點，可以避免這種情況。現就公司下屬單位機泵選用6–10kV 電機的變頻器談談自己的看法。

1 目前高壓變頻器技術的發展

按照目前我國國家標準和參照國際慣例，當供電系統電壓等級大于或者等于10kV 時稱為高壓電，小于10kV 電壓大于或者等于1kV 以上電壓的則稱為中壓電。因此，針對制水企業所用的10kV 和6kV 兩種電機，適用的高壓變頻器正確的叫法應該分別是高壓變頻器和中壓變頻器。但是考慮到變頻器廠家在產品供貨時，這一電壓范圍應該是一個配用電壓等級的且具備共同的產品特征，另外，通常也習慣將1kV 以上配用電壓的變頻器稱為高壓電，所以文中都統稱為“高壓變頻器”。

當集成門極換流晶閘管（igct）、絕緣柵雙極型晶體管（igbt）、柵控晶體管SGCT 等一些新型半導體器件相繼誕生并廣泛應用于PWM 逆變和PWM 整流以后，高壓變頻器產品在體積減小的同時產生諧波小，功率因素提高明顯。對制水企業的高壓異步交流電機拖動的水泵，目前最理想的調速方式就是高壓變頻器調速。

根據主電路結構的不同高壓變頻器分為電流源型和電壓源型兩種：

（1）電流源型高壓變頻器。在逆變電路中為解決耐壓較低的問題而采用了串聯SGCT 柵控晶體管的電流源型高壓變頻器，其特點具有較低的功率因素，直流部分采用的電抗器因儲存能量易發熱，被控制電機要求專用電機，效率低于電壓源變頻器，但在需要快速制動的場合，其獨有可回饋能量的特點，成本較高。目前只有羅克韋爾（AB）公司的部分變頻器采用這種方案。

（2）電壓源型高壓變頻器。它是高壓變頻器廠家普遍采用的，主要是兩種結構：一種是串聯單元多重電壓源功率單元串聯多電平型。美國羅賓康公司于1994年率先推出功率單元串聯的高-高方案，模塊化結構，輸入側采用多電平PWM 技術，采用移相技術減少諧波污染，串聯多個低壓功率單元實現高電壓控制，對被調速電機沒有特殊要求，輸出電流波形好，減少了諧波含量。這一方案因為采用功率單元模塊化，不僅使得設備整體體積減小也使得當功率單元發生故障時可以迅速更換，提高維護便利度。這種變頻器可以根據用戶的電壓決定串聯單元數目的多少，可以實現任意的電壓輸出。由于這一方案在成本和性能設計上有一定的優勢，可靠性高，所以被大多數國內的高壓變頻器的生產廠家采用。

另外一種是以ABB 公司為代表的采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）、集成門極換流晶閘管（IGCT）的三電平電壓源型變頻器。

總的來說，目前市場主流產品都是采用電壓源型的高壓變頻器。不管國內外品牌高壓變頻器采用哪種主電路拓撲結構，總體上在可靠性、諧波含量、功率因素等方面都能滿足國家相關技術標準，在制水企業水泵機組中應用都已不成問題。

2 制水企業選用高壓變頻器需要考慮事項

2.1 水泵調速高壓變頻器首選電壓源型變頻器

雖然電流源型變頻器具有可回饋能量的特點，但功率因素較低，電抗器發熱量大，對電機要求高，成本較高，加之水廠泵站水泵機組也不需要運行在第四象限，要求變頻器具備快速制動的性能，因此，采用電壓源型變頻器是制水企業的最佳選擇。

2.2 選型和招標前需要仔細辨析廠家和產品特點

電源源型高壓變頻器有兩種：一種是以其為羅賓康公司主要代表的，無輸入、輸出濾波器，主電路采用模塊化的逆變功率單元，多脈波整流用于輸入側，H 橋逆變疊加多電平用于輸出側的以單元串聯多重化結構來控制高壓電機轉速。這一方案諧波波形較完美、可靠性高、技術較成熟。另外一種是以日本富士公司和歐洲ABB公司為代表的少數企業在主電路輸入側采用多脈波整流，在輸出側用E 橋逆變疊加多電平輸出，逆變單元使用高壓模塊，控制高壓電機轉速。這個結構特點是有輸入、輸出濾波器。

近年來，國外品牌通過兼并收購來降低產品價格擴大市場規模。如西門子收購了羅賓康、AB 收購了哈爾濱九洲、施耐德收購了北京利德華福，使得廠家具備了高中低不同檔次產品。這也要求技術人員在選型時必須深入了解各家公司產品特點，仔細甄別廠家產品關鍵部件的品牌和產地；不同的廠家采用不同結構主電路和原器件的不同，會使得其產品在諧波、功率單元個數、功率因素等技術指標上都各有千秋，要求技術人員對不同產品研究透徹。如西門子的產品功率單元模塊可以具有軟旁路功能，這一專利采用中性點漂移技術開發成特有的功率單元新型快速旁路技術，當有功率單元故障退出運行時，其三相線電壓保持平衡，正常運行功率下降不多，不會突然停機，確保機組可以正常運行。這個產品特點非常適合制水企業內運行機組緊湊，沒有多余機組，但又不能突然停機的場合，但由于這個專利功能是選配，如需要使變頻器具備這個功能就需要選型時候提出，并且預算要增加，但如果是備車多的場合也就沒有必要選用這個功能了。

3 結束語

通過比較高壓變頻器類型和主要結構，采用功率單元串聯多電平型高壓變頻調速裝置更加適合制水企業。通過仔細甄別產品特點和參數，選用一個成熟穩定可靠并且售后有保障的高壓變頻器應用于制水企業水廠泵站的電機調速中，除了能保證安全可靠供水外，對節能也可以作出不小的貢獻。