10kV级联式高压交-交变频技术及在城市供水的应用

1 引言

高压变频器已经在我国城市供水行业中得到了广泛应用，这些产品多以级联式交-直-交pwm电路结构为主，主功率半导体器件采用igbt，该技术路线网侧输出入电流谐波小，电机侧输出电压正弦度高，电气性能满足高压大容量电机调速的要求，并取得了很好的节能效益。但是，该技术方案仍然存在诸多问题，例如电路复杂，成本高，寿命短等等。由北京时代金能电气科技有限公司研发生产的级联式高压交-交变频器，是高压变频技术的全新解决方案，该方案使用可控硅作为主功率器件，无需整流滤波环节，电路简单，可靠性高，不存在大容量电容器所引起的运行寿命短问题。
北京自来水集团某水厂一泵房有4台取水泵并联运行，工作方式为2开2备，泵站设置有集中控制室，用于监视并远程控制水泵的运行状况。水泵拖动电机均为10kv，220kw鼠笼式异步电动机，在变频改造前采用调节阀门来控制取水量，造成很大的电能浪费，为此集团进行了变频节能改造，通过对国内外多个厂家的产品及不同的技术路线进行对比，确定采用了以级联式高压交-交变频技术为技术路线的高压变频器产品。

2 级联式高压交-交变频技术介绍
2.1主电路介绍
级联式高压交-交变频技术的原理是，通过输入变压器产生的多路浮动低压电源给各功率单元供电，各功率单元的输出经过串联后，得到了叠加后的高压输出。输入隔离变压器采用移相技术，使输入电流的高次谐波得以抵消，符合ieee std519-1992和gb/t14549-1993的有关标准对谐波的规定。多级低压电的叠加输出，可以实现输出电压电流的高正弦度，无需增加输出滤波装置就可以直接驱动普通高压同、异步电动机，而不会增加电机温升，电机不需因谐波而降额使用，可使主回路电机、电缆绝缘免受dv/dt应力的损伤，也没有谐波引起的脉动转矩，可延长电机和机械设备使用寿命，电机电缆在压降允许范围内无任何长度限制。
该方案主电路结构如图1所示。各功率单元通过光纤与主控制单元连接，同时功率单元内部的控制电路供电取自变压器浮动电源，因此强电与弱电实现了电气隔离，提高了系统的抗干扰能力和可靠性。

图1 级联式交-交变频器主电路结构图

2.2功率单元电路介绍
级联式高压交-交变频技术采用的功率单元原理如图2所示，其以可控硅作为主半导体开关器件，主电路工作在零电流软关断状态，避免了igbt等器件强迫关断产生的应力，这对于工作在高电压大电流状态的高压大容量变频器尤为重要。而可控硅器件则具有通态损耗小，抗过电流能力强的优点，同时该方案工作在工频开关状态，因此不论是导通损耗还是开关损耗，都大大小于pwm交-直-交传统方案。该方案同样有别于以往的相控交-交变频控制技术，由于采用级联方式，在输出低频时，依然可以保持高功率因数输出，且其输出频率可达到甚至超过50hz。
pwm交-直-交方案功率单元的直流环节需要对输入交流电压进行整流、滤波，因此，其中最薄弱的环节，也是最大的安全隐患所在。特别是电解电容器，由于其内部电解液的逐渐挥发，在额定工作状况下，一般长寿命产品标称额定连续工作寿命仅为3000-5000h，即半年左右，通过降额使用，且在工况较好时，其连续使用寿命也只有5年左右，因此，在电解电容超过使用年限，或检测到性能指标下降时，必须立即加以更换。另外，大容量电容器价格不菲，占相当大比例的设备成本，体积也无法减小，致使设备价格高，体积大。
级联式高压交-交变频方案的开关器件工作于低频状态，且为零电流关断，因此dv/dt非常小，其对电机及导线绝缘的影响可以忽略。同时其工作于四象限状态，避免了在电机减速或者故障时产生反充电，而这一问题对于pwm交-直-交方案，容易引发电容器击穿事故。
3 设备状况
北京自来水集团某水厂一泵房的4台取水泵，变频改造采用直连1对1方式，水厂设有集控室，通过数据总线modbus协议与变频器连接，实现了远程操作及监控的功能。restime系列级联式交-交高压变频产品工作效率高，自身发热少，因此将变频器置于泵房内，不需要额外增加通风降温设施，由于变频器功率单元实现了全密封，因此也不需要采取防尘过滤等措施，不需要定期更换过滤网，日常运行实现了免维护，极大地方便了使用。取水泵电机与变频器主要技术参数如下：
3.1电机主要参数
型号：y450-6；
额定功率：220kw；
额定电流：17a ；
额定功率因数：0.82 ；
额定转速：992r/min 。
3.2 变频器主要参数
变频器功率：500kva；
适配电机功率：400kw；
额定输出电流：29a ；
输入频率：45hz ～ 55hz ；
额定输入电压：10kv ；
允许电压波动：± 15% ；
输出电压范围：0 - 10kv；
变频器效率：≥ 98%；
输出频率范围：0 - 50hz。

4 变频器改造后运行情况
该项目调试完成并投入运行后，达到了变频改造的目的，并具有以下优点：
(1)监控简便
设备运行时的所有数据及运行状态在变频器液晶界面及上位机显示屏上都有中文显示，如运行频率，输出电压，输出电流，电机运行功率等等。
(2)实现了软启动
变频改造后，电机及水泵机组实现了软启动，对机组的机械冲击大幅度减小。
(3)机组运行噪声及震动减小
由于采用了变频调节转速，当水量减小而工作于较低频状态时，机组转速及输出功率较小，从而震动及噪声同时减小，延长了机械设备的使用寿命。
(4)电机温升降低
当水泵工作于较低频状态时，电机电流小于额定值，因此电机温升也有所降低。
(5)日常运行实现了免维护
restime系列级联式交-交高压变频器自身发热少，变频器功率单元实现了全密封，无需加装防尘过滤等措施，因此也不需要定期更换过滤网，日常运行实现了免维护，极大的方便了使用，同时也降低了维护费用。
(6)运行费用低
级联式交-交高压变频器由于没有中间直流环节，省去了大容量电解电容器，设备寿命由此得到大幅度提升，同时也极大的降低了用户定期更换元器件的费用。
(7)节电效果明显
本项目水泵机组工作于不同季节时，供水量变化较大，一般情况下，供水量设定为7.5万t～5万t之间变化，当5万t时，需要采用阀门调节流量，存在较大的电能浪费现象。进行变频改造后，供水量在5万t时，单机平均耗电功率由216kw下降到142kw，节电率为34%，节电效果非常显著。

图2 级联式高压交-交变频技术功率单元原理图

5 结束语
从现场运行情况来看，由北京时代金能电气科技有限公司生产的thv10-050高压变频器性能优越，运行可靠稳定，能满足城市供水中高压电机的使用需要。高压变频器技术产品不仅可以在供水系统中应用，也适合于旧设备改造，不仅提高了供水质量、保障供水压力，而且降低了供水成本。

作者简介
马建军 男 电力工程师，副厂长，现就职于北京市自来水集团有限责任公司，专业为电气技术。