大容量中压变频调速装置在英那河水源泵站

1  引言
英那河水源泵站位于庄河市的英那河水库下游400m处，在大连市的东北部，距市中心180km。英那河泵站是大连市引英入连供水应急工程的头部工程，通过水泵加压经109.18km的DN1800钢管输水至洼子店受水池，以解决大连市城市居民生活及工业用水紧张的局面。泵站扬程H=109.45m，水库最低水位为60m，水库多年平均水位为73.80m，正常高水位为79.10m。水库水位高差为13.80m,为了充分利用水库位能，以降低运转费用，达到节约能源的目的，确定英那河水源泵站水泵采用变频调速设备。
泵站分两期建设，一期供水规模33 万吨/日，水泵3台，2 用1备，2台工作泵配套电机功率为2750kW，采用变频调速装置;备用泵配套电机功率为2800kW，不调速;系统额定电压为10kV。
二期供水规模25万吨/日，再上2台泵，配套电机功率为2750kW，2台都采用变频调速装置。

2  几个知名公司变频器的性能比较
变频调速装置根据输出电压的调节方法分为2种:
(1) 改变脉冲宽度比例的调节方法，称为PWM脉宽调制方法
(2) 改变输出电压幅值的调节方法，称为PAM脉冲幅值调制方法
最近10几年来，随着高电压、大容量全控型器件的发展，在水泵类的调速应用上脉宽调制方法的变频调速装置已基本上占据了主导地位。所以，只对采用PWM脉宽调制方法的变频调速装置进行了调研，也向一些专家进行了咨询。调研的对象主要是针对几个在中国市场上销售的知名公司和有特色的公司。笔者根据调查、研究和应用实践，对其产品的性能及应用作出了比较。
2.1 Siemens公司的高压IGBT三电平大容量变频器(SIMOVERT MV)
Simovert MV电压源型系列变频器采用了基于电压空间矢量调制原理的三电平技术，高性能矢量控制(VC)技术以及全数字无速度传感器控制技术。变频器的整流部分是由2个功率相同的三相整流桥系统组成，形成12脉冲，从而保证网侧电源反馈谐波较小，并使电机受到较小的冲击。变频器的逆变部分是由IGBT和钳位二极管形成的三电平的电压源逆变器。

主要技术特点为:输入侧设置变频传动变压器，三卷变压器二次侧分别采用Δ/Δ/Y接线，等效12脉冲整流使得电源输入侧谐波大为降低，在逆变器侧采用了大功率半导体全控器件－高压IGBT，逆变器采用三电平PWM控制。变频传动变压器与变频器柜是分体的，功率元件是HV-IGBT，输出频率范围是0~150Hz。冷却方式:风冷水冷可任选。
不足之处:输出电压特性具有低谐波分量，当与Siemens生产的电机配套使用时，可直接应用，在选用其他厂商生产的电机时，需要一个输出滤波电抗器。IGBT具有快速的开关性能，但在高压变频中其导通损耗大，变频装置的发热是个不能轻视的问题，大容量的变频装置应采取强排风措施。
 2.2 ROBICON公司采用低压IGBT的多重式、多级串联高压变频器
主要原理是利用输入隔离变压器得到多组低压工频电压，采用多级低压小功率IGBT的PWM变频单元，分别进行整流、滤波和逆变，串联叠加得到高压三相变频输出。罗宾康采用功率单元串接的新型结构方式,将几个低压的PWM功率单元串接组成中、高压变频器，较好的解决了一般6脉冲或12脉冲变频器不可避免的谐波干扰问题，这样无需额外加装消谐滤波装置，同时也可选用国产普通电机，这样将提高性能价格比。原理接线见图2。
主要技术特点为:电源侧谐波非常小，对电网污染很小，由于采用了多重化的脉宽调制技术，输出谐波更小，几乎可认为是正弦波，称作完美无谐波，不用考虑因谐波引起的转矩脉动及电机发热、噪音问题。采用多重化的技术，使用功率元件的数量大为增加。功率单元可选择旁路，可让用户在一个功率单元故障的情况下继续运行变频，无需马上停机。输入隔离变压器(干式变压器)与变频器的功率单元柜可并柜，功率元件是LV-IGBT，功率元件的电压等级是690V。输出频率范围是0~150Hz。
不足之处:使用的功率单元及功率器件数量相比比较多，可能故障的环节就相对的多一些，可靠性比使用功率元件的数量少的差，如果处理不及时，易造成功率元件“雪崩”似的故障。采用风冷时，噪声比较大。
对电机绝缘没有特殊要求，可适用于任何电机，而不用配置输出滤波电抗器。

2.3 北京利德华福公司采用低压IGBT的单元串联多电平高压变频调速器(HARSVERT)
原理与ROBICON基本相同。该公司是依托清华大学国家重点实验室的一流技术基础进行开发、研究、生产变频器的。
主要技术特点:与ROBICON基本相同，二者电路结构大同小异。只是他们采用的IGBT功率元件的耐压不同，所用的逆变器数量也不同。适配电机额定电压可达10kV。目前，生产输出电压为10kV的变频装置的公司比较少，因国外3kV电压等级用的较多，他们可能不太注重开发10kV的变频装置。
不足之处:使用功率元件的数量相比稍多，可能故障的环节就相对的多一些。采用风冷时，噪声比较大。IGBT具有快速的开关性能，但在高压变频中其导电损耗高，变频装置的发热是个不能轻视的问题。因其为国内公司研究开发的，应用时间不长，运行经验较少。尤其是适配电机功率达到2750kW的大容量高压变频器。
与国外同容量的变频装置相比价格占有优势。对电机没有特殊要求，可适用于任何电机，而不用配置输出滤波电抗器。
可直接适用于旧设备的改造，无须输出滤波器就可使输出电缆长度很长。对于原有10kV电机的，如果还利用原电机，则用HARSVERT的变频器比较合适。如果用其他的变频器，要配升压变压器将6kV升到10kV。

2.4 ABB公司采用IGCT的三电平大容量变频器(ACS1000)
IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)是90年代在晶体管技术的基础上结合了GTO和IGBT技术开发的大功率新型器件，与IGBT相比，它开关快速，开通能力强、存储时间短、开关导电损耗较低。为减小引线电感，其管芯必须与门驱动电路集成安装、整体更换。IGCT由于其导通压降低，损耗低，比IGBT更适合于高电压、大容量使用。目前使用的IGCT元件电压等级最大做到4.5kV，接线原理与SIEMENS的高压IGBT三电平大容量变频器(SIMOVERT MV)基本相同，只是采用的元件不同，不需要元件串、并联。IGCT器件耐压等级提高以后，它将是构成大功率和超大功率高压变频器的优选功率器件。
主要技术特点为:输入侧设置变频传动变压器，三卷变压器二次侧分别采用Y、Δ接法，等效12脉冲整流使得电源输入侧谐波大为降低。变频传动变压器与变频器柜是分体的，功率元件是HV-IGCT，输出频率范围是0~150Hz，逆变器采用三电平PWM控制。采用了DTC-直接转矩控制专利技术，直接转矩控制(DTC)是交流传动中最佳的电动机控制方法，可以对电动机所有的关键变量进行直接控制。

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