眾所周知,供水行業水泵機組實施變頻調速方案,可以收到一定的節能效果和確保城市供水管網的運行安全。除直接經濟效益外,還具有明顯的社會效益?？梢灶A計,大功率交流電機變頻調速新技術的發展和應用是我國節能的主導方向之一,也是供水行業不斷努力的目標。
2 目前現狀
前些年，高壓變頻調速技術在大功率交流傳動中推廣應用較慢，其原因主要有兩個：一是大功率電動機的供電電壓高（筆者所在公司的29臺三相交流異步電機均為6kV、單臺最小功率185kW），而組成變頻器的功率器件的耐壓水平較低，造成電壓匹配上的難題；二是高壓大功率變頻調速系統技術含量高，難度大，成本也高，而一般的水泵等節能改造都要求低投入、高回報，從而造成微觀經濟效益上的難題。在高壓供電而功率器件耐壓能力有限的情況下，目前，除羅克韋爾公司的電流型外，一般采用功率單元串聯或功率器件串聯的方法來解決高電壓的問題。
3 主電路及控制電路的比較
3.1 主電路比較
目前市場上的高壓變頻器還沒有低壓變頻器那樣具有成熟的、一致性的主電路的拓樸結構，僅限于采用目前電壓耐量的功率器件。如何面對高電壓使用條件的要求，國內外各變頻器生產廠家各有不盡一致的主電路結構，但都較為成功地解決了高電壓大容量這一難題。異步電機高壓變頻器先后出現了電流型高壓變頻器、功率單元串聯型高壓變頻器、二極管箝位三電平高壓變頻器、電容箝位四電平高壓變頻器、直接串聯IGBT高壓變頻器、電壓型高—低—高式高壓變頻器等多種拓樸結構。大功率高電壓的變頻器尤其以電壓型和電流型二種較為普遍。目前，市場上一些知名品牌的變頻器屬電壓型或電流型變頻器。
（1）電壓型變頻器
電壓型變頻器是采用低耐壓器件串聯進行電壓疊加，來滿足高電壓電機的使用要求。這類變頻器的優點是一次性投資略低，但從理論上來講，器件在串聯使用時，因為各器件的動態電阻和極電容不同，而存在靜態和動態均壓的問題。如果采用與器件并聯R（電阻）和RC（阻容）的均壓措施，會使電路復雜，損耗增加;同時，器件的串聯對驅動電路的要求也大大提高,要盡量做到串聯器件同時導通和關斷,否則由于各器件開斷時間不一,承受電壓不均,會導致器件損壞甚至整個裝置崩潰。
（2）電流型變頻器
電流型變頻器目前主要是羅克韋爾公司的產品，尤其以其近年推出新一代的6kV變頻器PowerFlex7000系列，用新型功率器件即對稱門極換流晶閘管（SGCT）代替原先的GTO，使驅動和吸收電路簡化，系統效率提高，6kV系統每個橋臂采用三只耐壓為6500V的SGCT。PWM整流器，標準的諧波濾波器及功率因數補償器，以使其諧波符合IEEE519-1992標準的規定。
PowerFlex7000系列6kV變頻器的優點是易于控制電流，便于實現能量回饋和四象限運行;輸入端采用可控器件實現PWM整流，該變頻器采用功率器件串聯的二電平逆變方案，結構簡單，使用的功率器件最少。同時設置了進線電抗器及濾波器，滿足電網及系統對諧波的要求。
PowerFlex7000的性能與電機的參數有關,具有自適應調整系統,消除了有些品牌變頻器的電流的諧波成分大,污染和損耗較大,且共模電壓高,對電機的絕緣有影響等不足。但PowerFlex7000的不足之處是一次性投資略高。
不同型式的6kV變頻器，除主電路拓樸結構不相一致外，還有效率、諧波、和可靠性、冗余設計等問題也有所不同。
供水行業的機組變頻調速裝量的容量較大，隨著人們節能意識的不斷提高，對系統的效率問題認識也就愈加注重。采用不同的主電路拓樸結構，使用的功率器件的種類、數量的多少，以及變壓器，濾波器等的使用，都會影響系統的效率。為了提高系統效率，必須設法盡量減少功率開關器件和變頻調速裝置的損耗。在多種6kV變頻器中，PowerFlex7000屬高-高電壓等級（6kV進線—6kV出線）的電流型變頻器，系統采用了冗余設計，脈寬調制技術（PWM），電流源逆變器（CSI）作為驅動端逆變器等的運用，使系統的性能得到進一步的提高。它的功率單元結構簡單、性價比高及穩定可靠，能適應較寬的電壓和功率范圍。電力半導體器件的額定反向峰值電壓PIV高達6500V，同電壓等級、同容量變頻器中，其功率器件最少。采用有源前端的PWM整流器，因此，它不需要輸入裂相隔離變壓器就可滿足IEEE-519的要求。PowerFlex7000可以向電動機提供接近正弦波的電流、電壓，降低了對散熱條件和絕緣強度的要求。電壓波形的dv/dt小于10V/ms。困擾電壓型逆變器（VSI）的反射波形和dv/dt的問題在PowerFlex7000根本不存在，同時還在逆變器中應用了諧波選擇消除結構（SHE），消除主要階次的諧波（如3、5、7次諧波等），集成在變頻器中的輸出小電容器消除了其余的高次諧波，使整個輸出波型接近完美正弦波。該裝置還使用了SGCT（帶集成門極驅動器的改進門極關斷晶閘管GTO）。門極驅動器的位置靠近SGCT，控制回路阻抗低，它在降低門極開關時電流和電壓的起伏程度方面大大優于傳統的功率器件。
3.2 控制電路比較
早期通用變頻器如東芝TOSVERT-130系列、FUJI FVRG5/P5系列，SANKEN SVF系列等大多數為開環恒壓比（V/F=常數）的控制方式。其優點是控制結構簡單、成本較低，缺點是系統性能不高。具體來說，其控制曲線會隨著負載的變化而變化；轉矩響應慢，電機轉矩利用率不高，低速時因定子電阻和逆變器死區效應的存在而性能下降，穩定性變差等。對變頻器U/F控制系統的改造主要經歷了以下3個階段；
（1）第1階段:磁通軌跡控制
80年代初日本學者提出了基本磁通軌跡的電壓空間矢量（或稱磁通軌跡法）。該方法以三相波形的整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的,一次生成二相調制波形。這種方法被稱為電壓空間矢量控制。典型機種如1989年前后進入中國市場的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三墾）MF系列等。1991年由富士電機推出的FVR與FRNG7/P7的設計中，三菱、日立，東芝等系列中也都有類似的產品。然而,在上述四種方法中,由于未引入轉矩的調節，系統性能沒有得到根本性的改善。
（2）第2階段:磁場定向控制,也稱矢量控制
它是70年代初由西德 F.Blasschke等人首先提出，以直流電動機和交流電動機比較的方法，分析闡述了這一原理，由此開創了交流電動機等效直流電動機控制的先河。它使人們看到交流電動機盡管控制復雜，但同樣可以實現轉矩、磁場獨立控制的內在本質。矢量控制的基本點是控制轉子磁鏈，以轉子磁通定向，然后分解定子電流，使之成為轉矩和磁場兩個分量，經過坐標變換實現正交或解耦控制。但是，由于轉子磁鏈難以準確觀測，以及矢量變換的復雜性，使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果，這是矢量控制技術在實踐上的不足。此外，它必須直接或間接地得到轉子磁鏈在空間上的位置才能實現定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統中需要配置轉子位置傳感器或速度傳感器，這顯然給許多應用場合帶來不便。因此，矢量控制技術仍然在努力融入通用型變頻器中，1992年開始，德國西門子開發了6SE70通用型系列，通過FC、VC、SC板可以分別實現頻率控制、矢量控制、伺服控制。1994年將該系列擴展至315kW以上。
（3）第3階段：直接轉矩控制
PowerFlex7000變頻器正是采用了無速度傳感器的直接轉矩控制方法。這種方法允許電動機轉矩快速變化而不影響電動機的磁通，且無需使用測速發電機即可達到較高的控制精度。直接轉矩控制理論（Direct Torque Control簡稱DTC）是1985年德國魯爾大學 Depenbrock教授首先提出的。直接轉矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制。轉矩控制的優越性在于：轉矩控制是控制定子磁鏈，在本質上并不需要轉速信息；控制上對除定子電阻外的所有電機參數變化適應性良好；所引入的定子磁鏈觀測器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地實現無速度傳感器化。這種控制方法被應用于通用變頻器的設計之中，是很自然的事，這種控制被稱為無速度傳感器直接轉矩控制。然而，這種控制依賴于精確的電機數學模型和對電機參數的自動識別，通過ID運行自動確立電機實際的定子阻抗、互感、電動機負載的轉動慣量等重要參數，然后根據精確的電動機模型，估算出電動機的實際轉矩、定子磁鏈和轉子速度，并由磁鏈和轉矩的Band-Band控制產生PWM信號，對逆變器的開關狀態進行控制。這種系統可以實現很快的轉矩響應速度和很高的速度控制、轉矩控制精度。直接轉矩控制系統的技術性能指標：轉矩響應速度已達到<2ms，在帶PG時的靜態速度精度達土0.01%，在不帶PG的情況下即使受到輸入電壓的變化或負載突變的影響，可以達到土0.1％的速度控制精度。
4 工程實例
揚州第四水廠變頻調速節電項目改造工程是與泵房改造相結合進行實施的。為確保該工程的順利完成。從2002年初就進行了市場調研和考察。根據四水廠改造前的實際情況（5臺機組，4用1備），對部份機組進行變頻調速節能改造，使四水廠的供水能力能滿足2005年的供水的峰谷期的變化需求。改造前后四水廠的二泵房機泵設備對照表如表1所示。
在揚州四水廠變頻器改造項目的調研、考察、招投標的期間,從變頻器的主電路的拓樸結構、裝置的可靠性、控制方式、控制精度、效率、諧波、性價比及供水行業的使用效果等因素方面綜合考慮,最終選擇了羅克韋爾公司的PowerFlex7000變頻器。其變頻器室的土建工程按照安裝3臺套6kV電壓等級,功率為630kW的變頻器進行建設,全部工程于2005年5月底進行調試并投入試生產。
在變頻器的控制方面采用就地和遠程控制兩種方式，應用羅克韋爾公司的MicroLogix500型PLC控制系統，設置了工作日與節假日不相同的，每天分24個時間段的壓力數據表，并可實時在線修改其數據，實現了變頻器開停、出水閥門的開關、壓力調整等操作，同時還具有頻率實時顯示、曲線跟蹤以及報警功能。使其運行控制實現了閉環、全自動化的分時段恒壓供水的目標。
5 改造效果
該工程自2005年5月底進行調試并投入生產以來，運行情況良好，并具有一定的節能效果。
5.1 微觀經濟效益
（1）根據泵的出口壓力量測
目前機組的實際運行情況是將泵的出口壓力從原先的基本維持在0.45Mpa，由變頻器根據設定的數據表自動調整為 0.38Mpa～0.45Mpa,忽略變頻調整后的短時間0.45Mpa壓力值，設泵的出口壓力由0.45Mpa調整為0.38Mpa，近似計算如下：
水泵的流量與轉速成正比關系：Q1/Q2=n1/n2
水泵的壓力與轉速的平方成正比：N1/N2=（n1/n2）2
軸功率與轉速的３次方成正比：P1/P2=（n1/n2）3
0.38Mpa/0.45Mpa=（n1/n2）2
n1/n2=0.919
P1/P2=（n1/n2）3=0.776=77.6%
由計算可知，電機消耗的功率為原來的77.6%，節能22.4%。
（2）由實際功耗測量節電效果
某季的單臺630kW變頻機組的實際功耗的日平均測試數如表2所示。
由表2的測試數據得:單臺日節電量為2780kW·h，年節電量為2780×341=94.8萬kW·h（全年以341天計算，扣除每月2天保養維護時間），考慮到變頻器的效率為97.6%，則年實際節電量為92.5萬kW·h，節約資金92.5×0.473=43.75萬元。
5.2 宏觀經濟效益
（1）安全性
自該工程投運幾年來，由于采用了恒壓供水，從未發生過一起供水管網的主干管爆管事故，有效地保證了城市供水的安全，取得了較好的社會效益和經濟效益，對維護城市的安定、和諧發揮了重要作用。
（2）政府獎勵
由于該工程為揚州地區第一臺6kV電壓等級的大功率變頻器項目，對本地區的各行業的高壓變頻器節能改造起到了示范作用。另一方面，由于該項目的成功實施，適應了電力需求側負荷的調節要求，得到市政府和省政府能源主管部門的好評，并獲得了江蘇省節能項目獎。
6 結束語
電壓等級為6kV的變頻器目前市場上有較多的品牌，筆者認為，PowerFlex7000型變頻器在供水行業6kV電機調速中應用效果較好。揚州水司根據該變頻器在四水廠運行情況，于2006年下半年又購置了一臺套PowerFlex7000型變頻器，用于一水廠機組變頻調速，以實現更好的經濟效益和社會效益。筆者所述，供同行在選擇6kV變頻器設備時參考。