6kV补给水泵变频改造浅析

电力技术Electric Power TechnologyVol.19No.9May.2010第19卷　第9期2010年5月6kV 补给水泵变频改造浅析杨成余（大唐阳城发电有限责任公司，山西　晋城　048102）【摘　要】从经济和技术两方面，分析了阳城电厂6kV 补给水泵电机采用变频调速的可行性，结合该厂实际选择确定6kV 补给水泵电机变频改造一次主接线方案，并介绍引入变频调速应注意的若干问题，为变频改造提供了宝贵经验。

【关键词】变频；经济；主接线；谐波；共振【中图分类号】TH31【文献标识码】B【文章编号】1674-4586(2010)09-0041-040　引言目前，采用变频器对交流电机进行变速驱动在工业控制上已经得到了普遍应用，特别是对风机，水泵类平方转矩负载，由于功率是与转率的立方成正比，因此，采用变频调速取代阀门或档板节流量是最佳的节能控制方案。

1　阳城电厂供水系统概况阳城电厂供水来自水源地，水源地有四个6kV 补给水泵，#1、#2补给水泵接#1输水管，#3、#4补给水泵接#2输水管，输水管之有联管，并有阀门隔离，详细布置见图1。

正常情况下，二台泵连续运行，一台泵间歇运行，一台泵备用，满足厂区生产用水及所有生活用水。

图1　阳城电厂供水系统示意图上图中，①②③④——#1～#4补给水泵；⑤⑥⑦⑧——#1～#4补给水泵出口液控缓关逆止阀；⑨⑩——#、#输水管之间联络门；——#、#输水管电动门。

2　阳城电厂补给水泵电动机变频调速可行性分析2.1　经济性分析阳城电厂变频改造前，补给水泵的流量不可调，经常出现两泵满足不了运行用水量，多起一台泵又经常造成多余的水无法存储，大量流失，每年水耗3600万立方左右。

采用变频改造后，可节约用水700多万立方，减少浪费，节约资源。

图2　离心水泵类负载转速、扬程和功率的关系补给水泵属离心水泵类负载，属平方转矩负载，其转速、扬程和功率的关系如图2，当流量要求为原来的80%时，其消耗的功率仅为原功率的(80%)3=51%，可以节约49%的耗电，节电量相当可观。

补给水泵变频改造前，每年约用电万W ，采用变频器后，每年约用电56万W ，可2223o 41oo 3211&211&o1212900k h 4k h42电力技术第19卷以节约电量：354万kW h。

如果按照上网电价0.33元/kW h计，每年至少可以节约116.82万元以上。

另外，由于无法存储的水要和污水一起排放掉，也要收取环保费用，无形增加了企业的支出。

变频改造后，排放的水量会大大减少，减少企业环保支出。

按安装两台变频器计算，需大约投资500万元，2～3年就可收回投资。

按安装4台变频器计算，需大约投资1000万元，4～5年就可收回投资。

高压变频器的运行寿命一般20年，至少有15年节能收益。

由此可见，虽然改造初期投入大，但回收投资期比较短，因此补给水泵采用变频器后，经济效益可观。

另外，采用变频器以后，电机的启动方式为软启动，对电机没有冲击，可以大大处长电机的使用寿命，减少水泵等机械设备的磨损，可以减少电机和水泵的检修费用。

2.2　技术性分析异步电动机的转速公式式中，——异步电动机的转速；——异步电动机的频率；——电动机转差率；——电动机极对数。

由上式可知，交流异步电动机有三种基本的调速方法，即变极调速、变转差率调速、变频调速。

其中，后两种方法可实现无级调速。

在交流异步电动机的各种调速方法中，变频调速是异步电动机的一种比较理想调速方法，其调速性能最好、效率最高。

补给水泵电机额定电压6kV，额定功率2440kW，额定电流273A，立式安装，选用变频方法，通过改变电动机电源频率就可以实现速度调节，降低能量损耗。

3　变频器一次主接线方案选择变频器一次主接线有两种方案：一对一方案和一拖二带切换方案。

一对一方案：每台补给水泵电机配一台变频器，方案如图3。

需增加的变频控制装置有：高压变频器4台、高压刀闸旁路柜4台（其中K2/K3之间有机械连锁，不能同时合上，防止工频6kV电压倒灌到变频器输出端损坏变频器）、在DCS中增加对补给水泵速度的调节程序。

改造完成后的系统可以实现以下运行工况：在变频器正常的情况下，变频器可以驱动任何一台水泵工作，阀门全开，D S输出变频器速度调节信号给变频器，完成流量的控制；在变频器故障的情况下保留原有的工频控制不变。

$47l W7l W!J!61I[!4QI$2NL4L3L2$27l W$3NL4L3$37l WL2L3$5$4NL4N7l W!JJ!61I[!4QIL2L3$57l WL4L2图3　一对一方案主接线图一拖二带切换方案：每两台补给水泵电机公用一台变频器，方案如图4。

需增加的变频控制装置有：高压变频器2台、高压开关柜6台，在DCS中增加对补给水泵速度的调节程序。

改造完成后的系统可以实现以下运行工况：在变频器正常的情况下，变频器可以驱动任何一台水泵工作，阀门全开，DCS输出变频器速度调节信号给变频器，完成流量的控制；在变频器故障的情况下保留原有的工频控制不变。

两台补给水泵可以互相切换。

7l W!J!61I[!4Q I$2L3NL4$27l WL2L6L7$3N$37l WL57l W!J J!61I[!4QIL5L7L3$4NL4N$47l WL2L6$5$57l W图4　一拖二带切换方案主接线图两种方案比较，一对一方案多用了两台变频器，变频器的造价很高，占用面积大，经济性较差，而一拖二带切换方案，多用了两台高压开关柜，少用了两台变频器，节省了设备占用面积，适合阳城电厂至少一台补给水泵满负载运行的条件，即1台旁路运行，1台变频运行。

所以，从经济性和实用出发，选用一拖二带切换方案最佳。

4　实际应用中变频器应注意的几个问题　变频器保护优化C4.143杨成余：6kV补给水泵变频改造浅析第9期变频器原设计中压柜门被打开跳变频器及高压开关、变压器柜和功率单元柜至少有两个风机故障跳变频器及高压开关功能，应取消，但保留其报警信号。

380V控制电源全部丢失原设计跳变频器及高压开关，由于逻辑回路采取电压监视接触器辅助触点、长期运行该接点具有接触不良情况，可能造成变频器误掉闸，另外其380V控制电源通常采用两路电源、并具备切换功能，大大提高了控制电源的可靠性，同时在两路电源消失后内部装设UPS装置还可继续运行一段时间，确保控制回路不失电。

故取消其跳闸功能，保留报警信号。

4.2　避免过载补给水泵一般不容易过载，选择变频器的容量时保证其稍大于或等于电动机的容量即可；同时选择的变频器的过载能力要求也较低，一般达到120%，1min即可。

但在变频器功能参数选择和预置时应注意，由于负载的阻转矩与转速的平方成正比，当工作频率高于电动机的额定频率时，负载的阻转矩会超过额定转矩，使电动机过载。

所以，要严格控制最高工作频率不能超过电机额定频率。

4.3　启/停时变频器加速时间与减速时间的匹配由于泵的负载转动惯量比较大，其启动和停止时与变频器的加速时间和减速时间匹配是一个非常重要的问题。

在变频器选型和应用时，应根据负荷参数计算变频器的加速时间和减速时间来选择最短时间，以便在变频器启动时不发生过流跳闸和变频器减速时不发生过电压跳闸的情况。

4.4　避免共振由于变频器是通过改变电动机的电源频率来改变电机转速实现节能效果的，就有可能在某一电机转速下与负荷轴系的共振点、共振频率重合，造成负荷轴系不能容忍的振动，有时会造成设备停运或设备损坏，所以在变频器功能参数选择和预置时，应根据负荷轴系的共振频率，通过设定跳跃频率点和宽度，避免系统发生共振现象。

4.5　憋压与水锤效应泵类负载在实际运行过程中，容易发生憋压和水锤效应，所以变频器选型时，在功能设定时要针对这个问题进行设定。

(1)憋压　泵类负载在低速运行时，由于关闭出口门使压力升高，从而造成泵汽蚀。

在变频器功能设定时，通过限定变频器的最低频率来限定泵流量的临界点最低转速，可避免此类现象的发生。

(2)水锤效应　泵类负载在突然断电时，由于泵管道中的液体重力而倒流。

若逆止阀不严或没有逆止阀，将导致电机反转，因电机发电而使变频器发生故障或烧坏。

在变频器系统设计时，应使变频器按减速曲线停止，在电机完全停止后再断开主电路，或者设定“断电减速停止”功能，可避免该现象的发生。

4.6　谐波抑制变频器使用的突出问题就是谐波干扰，当变频器工作时，输出电流的谐波电流会对电源造成干扰。

虽然各变频器厂家对变频器谐波的治理均采取了措施且基本达到国家标准要求，但谐波仍然是变频器选型和使用中最需要关注的问题。

(1)对电网的谐波污染高压变频器对电网的谐波污染解决的办法是尽量采用12脉冲或更高脉冲的变频器。

12脉冲的变频器销掉了5次和7次谐波，同时增大变频器前的输入变压器阻抗也可减少谐波含量。

(2)高压变频器对电动机的影响高压变频器存在的输出谐波会引起电动机附加发热，导致电动机额外升温，电动机往往要降容使用。

同时，由于输出波形失真，会影响电动机的绝缘，谐波还会引起电动机转矩脉动，噪声增加。

解决的办法是选用特制电动机，或增加输出滤波器，或选择单元串联多电平变频器。

(3)谐波对通信设备的影响变频器逆变电路的功率元件在快速开闭时，会将高频电磁波辐射到空中，对变频器附近的无线电接收装置产生干扰。

解决的办法主要有：使用通过EMC 标准的设备；采用输入输出谐波低的变频器；采用屏蔽电缆；变频器柜外壳接地。

4.7　设备运行环境高压变频器的变压器和功率单元都是大功率的电子元件，高发热，极易受到工作温度的影响，产品一般要求为0～55℃，但为了保证工作安全、可靠，使用时应考虑留有余地，最好控制在40℃以下。

变频器室应结合实际，加大室内面积和空间高度。

使用环境如果腐蚀性气体浓度大，不仅会腐蚀元器件的引线、印刷电路板等，而且还会加速塑料器件的老化，降低绝缘性能，在这种情况下，应把控制箱制成封闭式结构，并在室内安装空调进行换气。

如果环境温度不高且环境干净，可采取对其通风风道改造并装少许空调的方法。

环境温度不能太高且温度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性44电力技术第19卷能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。

必要时，必须在箱中增加干燥剂和加热器。

4.8　防雷在变频器中，一般都设有雷电吸收网络，主要防止瞬间的雷电侵入，使变频器损坏。

但在实际工作中，特别是电源线架空引入的情况下，单靠变频器的吸收网络是不能满足要求的。

在雷电活跃地区，这一问题尤为重要，如果电源是架空进线，在进线处装设变频专用避雷器(选件)，或有按规范要求在离变频器20m的远处预埋钢管做专用接地保护。

如果电源是电缆引入，则应做好控制室的防雷系统，以防雷电窜入破坏设备。

5　结论是否选用变频器、选用何种变频器、变频器一次主接线如何选择，应从实际情况出发，考虑经济、技术、可靠性等多方面因素。