《電子技術(shù)應(yīng)用》
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珠峰電氣 變頻調(diào)速是供水系統(tǒng)節(jié)能的最佳選擇
中國(guó)自動(dòng)化網(wǎng)
摘要: 中國(guó)水網(wǎng)專家陳運(yùn)珍在6月份落幕的“2009水業(yè)高級(jí)技術(shù)論壇”會(huì)刊征文中,撰文指出變頻調(diào)速是供水系統(tǒng)節(jié)能的最佳選擇,陳運(yùn)珍原北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院二所副所長(zhǎng),擅長(zhǎng)“電氣與自控”工程的設(shè)計(jì)、評(píng)標(biāo)、審核,承擔(dān)過(guò)承擔(dān)過(guò)北京及深圳市供水調(diào)度廣域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程及北京水源九廠、深圳東湖泵站等幾十項(xiàng)大中型給水排水的供配電系統(tǒng)及復(fù)雜的綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)任務(wù)。
Abstract:
Key words :

中國(guó)水網(wǎng)專家陳運(yùn)珍在6月份落幕的“2009水業(yè)高級(jí)技術(shù)論壇”會(huì)刊征文中,撰文指出變頻調(diào)速是供水系統(tǒng)節(jié)能的最佳選擇,陳運(yùn)珍原北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院二所副所長(zhǎng),擅長(zhǎng)“電氣與自控”工程的設(shè)計(jì)、評(píng)標(biāo)、審核,承擔(dān)過(guò)承擔(dān)過(guò)北京及深圳市供水調(diào)度廣域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程及北京水源九廠、深圳東湖泵站等幾十項(xiàng)大中型給水排水的供配電系統(tǒng)及復(fù)雜的綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)任務(wù)。

由于全國(guó)各省市城鎮(zhèn)化建設(shè)的飛速發(fā)展,近年來(lái)出現(xiàn)嚴(yán)重缺電缺水現(xiàn)象。許多城市出現(xiàn)限電限水現(xiàn)象。國(guó)家出巨資進(jìn)行大規(guī)模的給水排水工程建設(shè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè),全國(guó)城市每天缺水2000萬(wàn)m3,每天排放污水量約1億m3,我國(guó)每年新建擴(kuò)建的水廠近600萬(wàn)m3/d,污水處理廠的處理能力將達(dá)到700萬(wàn)m3/d左右。
  在給排水工程的建設(shè)和管理運(yùn)行中,設(shè)備運(yùn)行管理費(fèi)用很高,其中水廠的電耗約占50%。大多數(shù)新建的FCS、DCS、PLC監(jiān)控系統(tǒng)也不能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控,造成許多資源的消費(fèi)。有許多廠站存在先天性的缺陷,變電站位置不合理,配電電纜太多太長(zhǎng),變壓器等設(shè)備選擇不合理,特別是水泵機(jī)組選擇不合理,工藝流程總體布局不合理,使給水排水系統(tǒng)的電耗居高不下。給排水廠運(yùn)行管理,應(yīng)從工藝流程及其配套用電設(shè)備的變配電系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、水泵機(jī)組系統(tǒng)的三方向進(jìn)行重點(diǎn)研究,要制定每噸水的綜合制造單位電耗和藥耗標(biāo)準(zhǔn),即從每噸水的投資到運(yùn)行的最佳的代價(jià)做文章。在這里,單就水泵機(jī)組的最佳節(jié)能技術(shù)選擇進(jìn)行分析和研究。
實(shí)例分析

  從上世紀(jì)七十年代開始,幾十座大中小型規(guī)模給水廠站的設(shè)計(jì),就打破了常規(guī)設(shè)計(jì)的保守選泵法,采用串級(jí)調(diào)速或變頻調(diào)速技術(shù),使供水系統(tǒng)的出廠水流量和揚(yáng)程,盡量適應(yīng)其配置的管網(wǎng)系統(tǒng)特性的變化,提高水泵的運(yùn)行效率,盡量使供水調(diào)度得到經(jīng)濟(jì)合理,維持管網(wǎng)未端壓力穩(wěn)定運(yùn)行。
  北京市水源九廠開始設(shè)計(jì)時(shí),打破了常規(guī)設(shè)計(jì)的做法,從工藝流程到變配電設(shè)備選型,不是按最高日最高時(shí)的流量和其對(duì)應(yīng)的壓力為工作點(diǎn)來(lái)選不同容量水泵和水泵組合;而是在滿足最大設(shè)計(jì)水量的基礎(chǔ)上,盡量使調(diào)速高效特性曲線接近系統(tǒng)的特性曲線,也就是說(shuō),盡量將各種調(diào)速泵組合的高效區(qū)能套入出現(xiàn)機(jī)率最高的工作段或點(diǎn)上。調(diào)速泵臺(tái)數(shù),應(yīng)在全年內(nèi)運(yùn)行工況中開泵出現(xiàn)次數(shù)最多的臺(tái)數(shù)為需要的臺(tái)數(shù),而備用泵選用定速泵。
  先看取水泵站。取水泵站的各種臺(tái)數(shù)組合的高效中心線,均在系統(tǒng)特性曲線的左側(cè)。在設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)時(shí),應(yīng)將高效中心線包入最大流量點(diǎn)的曲線段,曲線向右下方移動(dòng),流量加大而揚(yáng)程降低,使其與4臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)特性曲線重合或靠近,水泵綜合運(yùn)轉(zhuǎn)效率就會(huì)更高。從系統(tǒng)分析看,水泵同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)4臺(tái)為最經(jīng)濟(jì),考慮分期建設(shè),第一期選用兩臺(tái)容量最大的水泵調(diào)速將更經(jīng)濟(jì)合理。
  再看配水廠站配置。從電算可知,首期2臺(tái)泵運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)機(jī)率最高,其次為3臺(tái),同時(shí)各種臺(tái)數(shù)組合的高效區(qū)均能包入高日高時(shí)流量的基礎(chǔ)上向右下方移動(dòng),見(jiàn)上圖。加大額定流量降低額定揚(yáng)程,使配水泵綜合的高效中心線介于兩三臺(tái)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)系統(tǒng)特性曲線之間,二期后同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)需要4臺(tái),再考慮日變時(shí)變率,運(yùn)轉(zhuǎn)泵均為調(diào)速泵比較合理。當(dāng)一臺(tái)調(diào)速泵有故障時(shí),三調(diào)一定運(yùn)轉(zhuǎn),其綜合效率降低一點(diǎn),而工作揚(yáng)程還是較高。所以,備用泵選用定速泵比較經(jīng)濟(jì)合理。
供水系統(tǒng)可選的幾種變頻調(diào)速技術(shù)
  從上世紀(jì)80年代開始,我國(guó)水工業(yè)真正步入了變頻調(diào)速時(shí)代。如北京水源九廠、深圳梅林水廠、深圳中西部源水系統(tǒng)各泵站、北方南水北調(diào)各大輸水泵站、上海原水公司和自來(lái)水公司、上海排水管理公司、廣州、福州、廈門、東莞、天津、重慶、石家莊、昆明、成都、潮州、大慶油田等自來(lái)水公司的上百個(gè)大中型水廠和泵站都選用了變頻調(diào)速裝置。水泵電機(jī)容量從315KW到2500KW,采用變頻調(diào)速裝置的臺(tái)數(shù)近1000臺(tái)以上。200KW以下容量選用變頻調(diào)速裝置就更多了。
  由于電流型變頻器是全控橋整流,諧波非常豐富,對(duì)電網(wǎng)公害大,抑制諧波的措施比較復(fù)雜,在價(jià)格和可靠性上失去了優(yōu)勢(shì),在水工業(yè)領(lǐng)域中已很少采用了。220KW及以上水泵機(jī)組可選擇的變頻調(diào)速裝置有以下六種:
• “中-低-中”變頻器
  優(yōu)點(diǎn)是變頻器價(jià)格低,缺點(diǎn)是增加了占地面積和成本,增加了兩級(jí)變壓器損耗,可靠性大大降低了,在低速時(shí),變壓器效率更低,功率因數(shù)也低。
•低壓大功率變頻器
  國(guó)產(chǎn)低壓變頻器已做到1000KW,國(guó)外已做到2000KW。建議盡量選用1.7KV、2.3KV、3.3KV多相特殊電動(dòng)機(jī)。
•中-低壓大功率變頻器
  其優(yōu)點(diǎn)是中壓輸電損耗小,低壓變頻效率高,輸入變壓器一側(cè)采用角(△)接法,可吸收變頻系統(tǒng)中的高次諧波。
•中-中壓變頻器
  a)中壓IGBT PWM變頻器。額定功率因數(shù)≥0.96,系統(tǒng)器件由60支減為24支,電路簡(jiǎn)化了,可靠性提高了。b)中壓IGCT PWM變頻器。額定效率>98%,額定功率因數(shù)>0.95。
•多重式多級(jí)串聯(lián)中壓變頻器
  美國(guó)ROBICON公司、日本安川、富士、東芝公司等公司,都先后推出了多重式多級(jí)串聯(lián)中壓變頻調(diào)速裝置。采用多電平結(jié)構(gòu)和多級(jí)低壓小功率IGBT PWM變頻單元串聯(lián)輸出中壓變頻電,實(shí)現(xiàn)了大功率集成。額定效率≥96%,額定功率因數(shù)≥0.95。但必須指出,同一容量采用中壓設(shè)備不但價(jià)格貴得多,且可靠性也下降了。
關(guān)于水泵電機(jī)采用矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制的變頻調(diào)速控制方案的思考
  矢量控制系統(tǒng)(VC)和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(DTC),都是高性能的交流變頻調(diào)速系統(tǒng),都是轉(zhuǎn)矩控制,都是基于異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)的。矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是:通過(guò)坐標(biāo)變換,按轉(zhuǎn)子磁鏈定向,電機(jī)模型需要電機(jī)參數(shù)多,定向準(zhǔn)確度受參數(shù)變化影響大。
  直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)(DTC),在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi),利用轉(zhuǎn)矩反饋直接控制電機(jī)的定子磁鏈轉(zhuǎn)矩。DTC受轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)影響不大,而VC受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化影響大,DTC魯棒性比VC強(qiáng)。
  DTC系統(tǒng)由電機(jī)的電壓和電流計(jì)算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩,采用砰-砰控制來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器的PWM控制,其著眼點(diǎn)是電壓,而矢量控制的著眼點(diǎn)是電流,存在電流調(diào)節(jié)時(shí)間滯后,而DTC沒(méi)有電流控制環(huán)路,沒(méi)有任何電流反映,電機(jī)可以獲得較大的dv/dt,較大的加速電流,產(chǎn)生較快的電流響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩響應(yīng),DTC轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比VC快4~5倍。
  DTC由于采用砰-砰控制,其開關(guān)頻率不穩(wěn)定,其電流的諧波比VC稍大些,變頻器效率略比VC低一些,就是說(shuō)DTC控制變頻器的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)要比VC差一些。無(wú)速度傳感器控制是DTC和VC控制系統(tǒng)共同的研究課題,并不是DTC的發(fā)明專利,它們都采用同樣的交流電機(jī)數(shù)學(xué)模型。DTC的低速控制性能不好,用轉(zhuǎn)子磁鏈控制來(lái)補(bǔ)償DTC的低速性能,控制系統(tǒng)低速時(shí)用ISR,高速時(shí)過(guò)渡到DTC。在水泵機(jī)組、生化處理、加藥系統(tǒng)中選用DTC系統(tǒng),還是VC系統(tǒng),要注意選擇,否則有害無(wú)益。DTC和VC系統(tǒng)作為高性能的調(diào)速系統(tǒng),在本質(zhì)上是相同的,都能實(shí)現(xiàn)較高的靜、動(dòng)態(tài)性能。DTC和VC系統(tǒng),由于控制方法上的差異,各有特色,各有不同的優(yōu)缺點(diǎn),各有側(cè)重的應(yīng)用領(lǐng)域。矢量控制更適應(yīng)于寬范圍調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng),直接轉(zhuǎn)矩控制更適應(yīng)于快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng),魯棒性好的大滯后運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),兩種系統(tǒng)都存在一些不足,兩種系統(tǒng)的研究和開發(fā)工作都朝著克服其缺點(diǎn)方向發(fā)展。

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