制水企业高压变频器的选用

吴志伟

（上海城投水务（集团）有限公司制水分公司，上海 200086）

0 引言

在制水企业生产成本中，日常管理中使水泵机组电耗保持在一个较经济合理的范围内，是企业节能工作的主要内容。目前，公司下属单位逐渐在6–0kV 电机上采用变频调速，可以解决以下问题：一是改善水厂泵站系统运行中效率不高，避免在机泵选型中由于单机选型过大，宁大勿小，造成：大马拉小车“的不合理匹配情况。二是传统的定速水泵电机运行，如长期运行在高压杨程区域，管道冲击不可避免，易使管网受到影响。采用变频调速技术则可以改善。三是当供水外管网压力需求变动时，水厂水泵扬程也需变动，以配合出厂流量和水位的变化，为此水泵运行不可能一直固定在一个高效点上，需要变动控制，而采用定速电机水泵的话，只能通过水泵出水阀门开关角度大小来调节流量，使得电能白白浪费在了水头损失上。四是定速高压电机启动在启停过程中会产生的机械冲击和大启动电流对电网的有一定的影响，高压变频器的软启动和软停特点，可以避免这种情况。现就公司下属单位机泵选用6–10kV 电机的变频器谈谈自己的看法。

1 目前高压变频器技术的发展

按照目前我国国家标准和参照国际惯例，当供电系统电压等级大于或者等于10kV 时称为高压电，小于10kV 电压大于或者等于1kV 以上电压的则称为中压电。因此，针对制水企业所用的10kV 和6kV 两种电机，适用的高压变频器正确的叫法应该分别是高压变频器和中压变频器。但是考虑到变频器厂家在产品供货时，这一电压范围应该是一个配用电压等级的且具备共同的产品特征，另外，通常也习惯将1kV 以上配用电压的变频器称为高压电，所以文中都统称为“高压变频器”。

当集成门极换流晶闸管（igct）、绝缘栅双极型晶体管（igbt）、栅控晶体管SGCT 等一些新型半导体器件相继诞生并广泛应用于PWM 逆变和PWM 整流以后，高压变频器产品在体积减小的同时产生谐波小，功率因素提高明显。对制水企业的高压异步交流电机拖动的水泵，目前最理想的调速方式就是高压变频器调速。

根据主电路结构的不同高压变频器分为电流源型和电压源型两种：

（1）电流源型高压变频器。在逆变电路中为解决耐压较低的问题而采用了串联SGCT 栅控晶体管的电流源型高压变频器，其特点具有较低的功率因素，直流部分采用的电抗器因储存能量易发热，被控制电机要求专用电机，效率低于电压源变频器，但在需要快速制动的场合，其独有可回馈能量的特点，成本较高。目前只有罗克韦尔（AB）公司的部分变频器采用这种方案。

（2）电压源型高压变频器。它是高压变频器厂家普遍采用的，主要是两种结构：一种是串联单元多重电压源功率单元串联多电平型。美国罗宾康公司于1994年率先推出功率单元串联的高-高方案，模块化结构，输入侧采用多电平PWM 技术，采用移相技术减少谐波污染，串联多个低压功率单元实现高电压控制，对被调速电机没有特殊要求，输出电流波形好，减少了谐波含量。这一方案因为采用功率单元模块化，不仅使得设备整体体积减小也使得当功率单元发生故障时可以迅速更换，提高维护便利度。这种变频器可以根据用户的电压决定串联单元数目的多少，可以实现任意的电压输出。由于这一方案在成本和性能设计上有一定的优势，可靠性高，所以被大多数国内的高压变频器的生产厂家采用。

另外一种是以ABB 公司为代表的采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、集成门极换流晶闸管（IGCT）的三电平电压源型变频器。

总的来说，目前市场主流产品都是采用电压源型的高压变频器。不管国内外品牌高压变频器采用哪种主电路拓扑结构，总体上在可靠性、谐波含量、功率因素等方面都能满足国家相关技术标准，在制水企业水泵机组中应用都已不成问题。

2 制水企业选用高压变频器需要考虑事项

2.1 水泵调速高压变频器首选电压源型变频器

虽然电流源型变频器具有可回馈能量的特点，但功率因素较低，电抗器发热量大，对电机要求高，成本较高，加之水厂泵站水泵机组也不需要运行在第四象限，要求变频器具备快速制动的性能，因此，采用电压源型变频器是制水企业的最佳选择。

2.2 选型和招标前需要仔细辨析厂家和产品特点

电源源型高压变频器有两种：一种是以其为罗宾康公司主要代表的，无输入、输出滤波器，主电路采用模块化的逆变功率单元，多脉波整流用于输入侧，H 桥逆变叠加多电平用于输出侧的以单元串联多重化结构来控制高压电机转速。这一方案谐波波形较完美、可靠性高、技术较成熟。另外一种是以日本富士公司和欧洲ABB公司为代表的少数企业在主电路输入侧采用多脉波整流，在输出侧用E 桥逆变叠加多电平输出，逆变单元使用高压模块，控制高压电机转速。这个结构特点是有输入、输出滤波器。

近年来，国外品牌通过兼并收购来降低产品价格扩大市场规模。如西门子收购了罗宾康、AB 收购了哈尔滨九洲、施耐德收购了北京利德华福，使得厂家具备了高中低不同档次产品。这也要求技术人员在选型时必须深入了解各家公司产品特点，仔细甄别厂家产品关键部件的品牌和产地；不同的厂家采用不同结构主电路和原器件的不同，会使得其产品在谐波、功率单元个数、功率因素等技术指标上都各有千秋，要求技术人员对不同产品研究透彻。如西门子的产品功率单元模块可以具有软旁路功能，这一专利采用中性点漂移技术开发成特有的功率单元新型快速旁路技术，当有功率单元故障退出运行时，其三相线电压保持平衡，正常运行功率下降不多，不会突然停机，确保机组可以正常运行。这个产品特点非常适合制水企业内运行机组紧凑，没有多余机组，但又不能突然停机的场合，但由于这个专利功能是选配，如需要使变频器具备这个功能就需要选型时候提出，并且预算要增加，但如果是备车多的场合也就没有必要选用这个功能了。

3 结束语

通过比较高压变频器类型和主要结构，采用功率单元串联多电平型高压变频调速装置更加适合制水企业。通过仔细甄别产品特点和参数，选用一个成熟稳定可靠并且售后有保障的高压变频器应用于制水企业水厂泵站的电机调速中，除了能保证安全可靠供水外，对节能也可以作出不小的贡献。