高压变频器在水泵驱动系统中的应用

高压变频器在水泵驱动系统中的应用

王雪东

（营口京华钢铁有限公司辽宁省营口市115005）

摘要：介绍了频率转换速度控制的节能原理，分析了各模块的组成、技术特点、主要功能和操作特点。

关键词：高压变频器变频调速节能水泵电动机组

高压变频调系统主要用于风扇、泵等，通过速度控制来控制节能。高可靠性：使用高压变频调系统，直接高压输入高压输出，没有输出变压器。高质量功率输入和输出：输入功率因数高，输入谐波数低，不需要用谐波抑制装置来补偿功率因数。改进和简单的功能参数：定义参数的一般功能。

一、工作原理

高压逆变器是一种串联叠加型高压逆变器，即采用多台单相三电平逆变器串联，输出可为变频电压交流电。根据电机的基本原理，电机转速满足如下方程：n=（1-s）60f/p=n×（1一s）（P：电机极对数；F：电机工作频率；从方程可以看出，电机的同步转速n。电机的工作频率成正比（n=60f/p），一般小（0~0.05），电动机的实际转速n约等于电动机的同步转速n。通过调节电机的供电频率f，可以改变电机的实际转速。马达的滑距与负载有关。载荷越大，滑移就越大。因此，电机的实际转速会随着负载的增加而略有下降。变频器本身由变压器柜、电源柜和控制柜组成。三相高压通过高压开关柜进入，通过输入降压和移相的方式向电源箱内的电源单元供电。该电源单元分为三组，一组为一相，各相电源单元的输出相为串联。权力的控制柜的主要控制单元每个功率单元柜通过光纤整流器和逆变器控制和检测，所以根据实际需要为给定的频率，通过用户界面动力装置的控制单元控制信息发送到相应的整流器和逆变器调整，输出电压等级满足负载的需求。

二、水泵电动机组驱动系统构成

泵站共安装水平单级双吸离心泵8台，额定流量为1Om3/s。水泵和电机采用直接传动方式。每台泵配有7300kw异步电动机，额定转速375r/rain。在供水运行过程中，上下游供水需求变化频繁，需要不断改变机组数量，调整机组速度。因此，从提高工作效率、节能环保的角度出发，选用ABB公司生产的ACS6000AD高压变频器。整个水泵驱动系统由高压开合柜、输入变压器、ACS6000变频器、高压电机等组成。如图1所示。

图1水泵驱动系统主回路

1.高压开关设备。机组馈线高压开关柜为可拆卸金属外壳，施耐德真空断路器Evolis-12，额定电流1250a，配备微机综合保护（GE公司F650），有效保护输入变压器和变频器。根据变频器设备运行安全要求，断路器的开灭时间总计小于60ms；断路器操作机构除常规的跳闸线圈外，还配备了欠压分闸线圈，确保故障情况下可靠分闸。

2．输入变压器。输入可变容量为862OkVA和Dyl1接线，连接电源与变换器，使电网电压（1OkV）与变换器输入电压（3160v）能够匹配，为变换器提供所需的能量。

3.一个Acs6000转换器。ACS6000系列开关元件采用IGCT，采用D、T、C（直接转矩控制）电机控制方式。配套电机变频器的选择模型ACS6111一F06一lal1一C26一W2a，该系统主要由输入滤波器波单元（IFU），主动整流单元（ARU），电容组单元（CBU），逆变器单元（INU）控制单元（COU），水的冷却装置（WCU）和终端连接单元（TEU）等等，前后布置，TEU和COU安装在一个柜体内。（1）IGCT性能特点.IGCT由BB公司最先开发并投入市场，是在GTO基础上发展起来的新型复合器件，它吸收了GTO和IGBT的技术优点，具有优良的特性：门极驱动采用特殊的环形封装，使得门极电感非常小，因此无需吸收电路，有利于器件串联应用，IGCT内部集成了驱动电路，对门极驱动的要求比IGBT和GTO都低，用户只需提供20~40v的直流电源供电即可，驱动电路与系统控制器采用一条光纤连接，用于传输控制信号和器件故障反馈信息，抗干扰能力强，开关损耗低、通态电流大，响应快速；不使用焊接或键合导线，而是采用了独立的弹簧压力封装技术，降低了器件对压力不均匀性的敏感度，提高了器件在高压大容量应用领域的可靠性；工作范围可达几百赫兹至几十千赫兹，接近IGBT的开关速度。（2）ARU和INU的功能及其特点。ARU作用是将交流电变换成直流电后提供给逆变电路，通过对ARU的控制，可调节直流电压和功率因数。ARU为三相全控整流电路，与INU配合可实现能量的双向流动，实现电机四象限运行。INU的作用是将直流电变换成负载所需的交流电，通过对INU的控制，可调节电机转矩及磁通。ARU和INu都具有一个交流端和一个直流端，直流侧都连接到直流回路的电容上，因此系统是对称的。在电动运行模式时，ARU单元的运行如同一个制动模式的INU单元；在制动模式，ARU单元的运行如同一个电动模式的INU单元。（3）CBU的功能和特点。CBU连接在ARU和INU之间，起到直流稳压的作用。CBU主要包括两组电容器，充电单元，接地开关和放电单元。电容器组是CBU单元的主要组成部分。直流电压分为上下两组水冷电容（每组6个）电容器组构成三电平逆变器所需直流母线的三电势结构。接地刀是为操作安全而设计的。只有接地刀关闭后，操作人员才能打开CBU柜门。同时，为了防止接地刀带电，机柜装有电磁锁紧装置，只有当直流母线电压低于5OV时才能操作接地刀闸。

4.运行特点。（1）速度和力矩控制精度高，启动电机冲击小，运行平稳。由于DTC提供精确的转矩控制，采用脉冲编码器，静速控制偏差达到士0．01。动态速度控制偏差为0．2t0。5％。变频器可在电机转速为1．2倍，启动扭矩为额定扭矩，启动过程快速稳定，且启动电流小，无冲击，真正实现软启动。在整个调速范围内，变频器运行平稳，温升正常，运行噪音低于75dB。（2）谐波抑制效果好，达到了标准要求。变换器整流侧采用三电平全控PWM有源整流电路。功率侧输入电流波形接近正弦，功率侧高次谐波含量小于2。即使母线上的三个电机同时运行，电压和电流谐波也满足GB/T14549的要求。（3）完善的保护功能和故障自诊断功能。ACS6000具有非常完善的保护功能，如电源过压、欠压、缺相，变频器过压、欠压、过流、短路、接地，IGCT故障，电机超温、堵转，通讯监测等，并且自诊断功能完善。当系统出现异常或故障时，可给出简短准确的故障信息，维护人员根据故障信息对照手册即可了解具体的故障内容和处理方法。（4）高电网侧功率因数。在整个转速范围内，变频器电源侧功率因数保持为1.0.没有无功补偿装置的，供电企业给用户的功率因数不得低于0.9要求，省电率调整用电；同时，由于无功电流的减小，电机的涡流损耗、铜损耗和线损也相应减小。（5）适应电网电压波动能力强，工作范围广。当电网电压在10~10%之间波动时，系统可以正常运行。直流控制的快速转矩步长响应特性可以在负荷和电网变化时快速响应，使其适应电网电压波动和负荷的突然变化。（5）操作简单，操作方便。该设备具有集成度高、指示功能齐全、锁紧功能完善、操作方便、计算机遥控等特点。便于实现无人值班、少人值守。

不同厂家、不同控制原理的高压变频驱动系统的主电路结构、性能指标等差异较大。在设备选型时，必须根据所驱动设备的运行工况、变频器效率、调速范围、过载能力、转矩脉动、外形尺寸、对电网电压波动的适应性、谐波含量能否控制在国家标准范围内、价格及售后服务等多项指标进行综合比较。

参考文献：

[1]张燕．高压大功率交流变频调速技术[M]．北京：机械工业出版社，2017

[2]王倩倩．现代电机控制技术[M]．北京：机械工业出版社，2017