一、引言
目前,我國(guó)大型異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用變頻調(diào)速剛剛起步，可是，國(guó)外已經(jīng)廣泛使用，而且隨著電力電子器件的發(fā)展，高壓變頻裝置的型式也是多種多樣。按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分就有IGBT直接串聯(lián)型，三電平型和多單元串聯(lián)電壓疊加型等。
通過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)：大功率風(fēng)機(jī)、水泵等需調(diào)速的設(shè)備運(yùn)用高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)表現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)效益、其可靠性也得到保證。而且,變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速、起動(dòng)和制動(dòng)性能、易于自動(dòng)化控制、高效率、高功率因數(shù)、良好的節(jié)電效果及廣泛的適用范圍等優(yōu)點(diǎn)被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為是最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。
在低壓變頻器驅(qū)動(dòng)的低壓電動(dòng)機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造后，驅(qū)動(dòng)大型水泵和風(fēng)機(jī)的高壓大功率電動(dòng)機(jī)的節(jié)能改造正在以驚人的速度推進(jìn)，高壓變頻器、內(nèi)饋調(diào)速等多種高壓電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法發(fā)展迅速，特別是高壓頻器以良好的調(diào)速性能和較高的效率得到了廣大客戶的認(rèn)可。
二、工況
盛虹集團(tuán)有限公司位于江蘇吳江市盛澤鎮(zhèn)，公司成立于一九九二年，前身為江蘇盛虹印染有限公司，經(jīng)過(guò)十三年快速穩(wěn)健的發(fā)展，已經(jīng)形成了以印染、化纖、酒店、熱電、房地產(chǎn)等五大主業(yè)為核心，資本運(yùn)營(yíng)與實(shí)業(yè)經(jīng)營(yíng)互動(dòng)發(fā)展的現(xiàn)代化企業(yè)集團(tuán)。目前集團(tuán)控股子公司10家，三級(jí)分公司及分廠10家，總資產(chǎn)50億元，凈資產(chǎn)超過(guò)20億元。集團(tuán)印染引進(jìn)意大利、臺(tái)灣等進(jìn)口先進(jìn)設(shè)備，屬國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，主要加工和銷(xiāo)售滌絲紡系列，尼絲紡系列，春亞紡系列，桃皮絨系列，塔絲隆系列，錦滌系列，牛津布系列，錦棉/滌棉混紡系列，麂皮絨系列，色丁系列，仿真絲系列，彈力系列，人造絲系列。年印染加工能力達(dá)10億米，產(chǎn)能居亞洲第一，產(chǎn)品遠(yuǎn)銷(xiāo)美國(guó)、德國(guó)、土耳其、法國(guó)及周邊國(guó)家和地區(qū)。其中電廠有兩個(gè)15MW的發(fā)電機(jī)組和一個(gè)30MW的發(fā)電機(jī)組，除了給自主產(chǎn)供電、供氣外，還給市區(qū)供曖、供電。15MW的兩個(gè)發(fā)電機(jī)組共有三臺(tái)鍋爐組成，三臺(tái)鍋爐的給水泵由四臺(tái)1000kW/6KV的高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)，正常運(yùn)行的時(shí)候是三用一備。
經(jīng)過(guò)多方的研究和論證，將鍋爐給水泵由原來(lái)的閥門(mén)調(diào)節(jié)改為變頻調(diào)速恒壓給水。考慮到壓力變化差不大，只將2＃給水泵進(jìn)行變頻節(jié)能改造。
三、改造方案
近兩年，高壓變頻器發(fā)展迅猛，涌現(xiàn)出生產(chǎn)高壓變頻器的大小廠數(shù)十家。但是，各廠家的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都相差無(wú)幾。通過(guò)各種途徑的考察與比較，盛虹集團(tuán)最終選擇深圳市庫(kù)馬克新技術(shù)股份有限公司的自主研發(fā)、生產(chǎn)的多單元串聯(lián)的高─高形式的ES9000系列高壓變頻器，這種結(jié)構(gòu)的高壓變頻器具有良好的輸入、輸出波形，非常高的性價(jià)比，可靠性高，即便個(gè)別單元有故障，也可將其所在的一組單元旁路，降頻使用。這對(duì)于風(fēng)機(jī)、水泵的運(yùn)行特性具有相當(dāng)?shù)目煽啃浴?br />
ES9000系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用多個(gè)功率單元串聯(lián)的形式。電壓疊加原理類(lèi)同于“電池組疊加”技術(shù)。對(duì)于6kV系統(tǒng)，每相六單元串聯(lián)，每個(gè)功率單元輸出交流有效值Vo為578V，相電壓為3468V，線電壓為6000V。
輸入側(cè)
ES9000系列智能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在6kV電源側(cè)采用多達(dá)36重化的整流技術(shù)，電網(wǎng)側(cè)諧波污染小，功率因數(shù)高，無(wú)需功率因數(shù)補(bǔ)償及諧波抑制裝置，對(duì)同一電網(wǎng)上用電的其它電氣設(shè)備不產(chǎn)生諧波干擾。
輸出側(cè)
在輸出側(cè)由每個(gè)單元的L1、L2輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電，由于采用多重化的正弦脈寬調(diào)制SPWM技術(shù)，輸出諧波非常小，可消除葉片與軸承的振動(dòng)，無(wú)需諧波抑制裝置可直接適配各種電機(jī)。
控制器
主控制部分以雙專(zhuān)用DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)為控制核心，輔以可編程邏輯器件，實(shí)現(xiàn)SPWM波形控制及各種信號(hào)的檢測(cè)、分析判斷和處理。控制器雙屏直觀顯示，具備虛擬示波器功能，可實(shí)時(shí)顯示輸入、輸出交流電壓電流波形，高達(dá)128點(diǎn)的快速傅利葉變換，進(jìn)行諧波分析、實(shí)時(shí)刷新頻譜分析。控制電源采用三路電源切換技術(shù)，保證供電可靠性。另外，當(dāng)控制電源掉電后，可由系統(tǒng)配備的UPS繼續(xù)供電。
主控制部分和單元控制部分通過(guò)光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，可有效避免電磁干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。
（一）、根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和可具備的各種條件，決定采取以下改造方案：
1、 2＃給水泵采用一拖一的方式，因有備用設(shè)備未使用工頻旁路系統(tǒng)；
2、 從母管上取壓力變送器的4~20mA電流信號(hào)作為反饋，給定頻率根據(jù)用戶從DCS系統(tǒng)直接給定；
3、 運(yùn)行信號(hào)、停止信號(hào)從DCS系統(tǒng)給定；
4、 高壓變頻器的狀態(tài)信號(hào)從變頻器的控制柜里送到DCS系統(tǒng)，以便實(shí)時(shí)觀察；
5、 改造后的母管壓力值達(dá)到工藝要求6.8MPa以上；
6、 將每臺(tái)水泵的旁通閥關(guān)閉，用高壓變頻器調(diào)節(jié)高壓電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)所需的流量。
（二）、閉環(huán)控制：
將各泵的旁通閥關(guān)閉，利用變頻系統(tǒng)自帶的PID功能實(shí)現(xiàn)的閉環(huán)控制，由DCS給出給定連續(xù)可調(diào)的4~20mA對(duì)應(yīng)0~10MP壓力，由母管上的壓力變壓器0~10MP壓力信號(hào)對(duì)應(yīng)4~20mA反饋給變頻器，通過(guò)PID功能來(lái)控制輸出轉(zhuǎn)速的高低，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整給水流量的目的。
四、效益分析
從流體力學(xué)的原理得知，使用感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)，軸功率P與風(fēng)量Q，揚(yáng)程H的關(guān)系為：
當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速由n1變化到n2時(shí), Q、 H、 P與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下:
可見(jiàn)流量Q和電機(jī)的轉(zhuǎn)速n是成正比關(guān)系的，而所需的軸功率P與轉(zhuǎn)速的立方成正比關(guān)系。所以當(dāng)需要80％的額定流量時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速的80％，即調(diào)節(jié)頻率到40赫茲即可，這時(shí)所需功率將僅為原來(lái)的51.2％。
如下圖所示，從風(fēng)機(jī)的運(yùn)行曲線圖來(lái)分析采用變頻調(diào)速后的節(jié)能效果。
當(dāng)所需流量從Q1減小到Q2時(shí)，如果采用調(diào)節(jié)擋板的辦法，管網(wǎng)阻力將會(huì)增加，管網(wǎng)特性曲線上移，系統(tǒng)的運(yùn)行工況點(diǎn)從A點(diǎn)變到新的運(yùn)行工況點(diǎn)B點(diǎn)運(yùn)行，所需軸功率P2與面積H2×Q2成正比；如果采用調(diào)速控制方式，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由n1下降到n2，其管網(wǎng)特性并不發(fā)生改變，但風(fēng)機(jī)的特性曲線將下移，因此其運(yùn)行工況點(diǎn)由A點(diǎn)移至C點(diǎn)。此時(shí)所需軸功率P3與面積HB×Q2成正比。從理論上分析，所節(jié)約的軸功率Delt(P)與（H2-HB）×（C-B）的面積成正比。
考慮減速后效率下降和調(diào)速裝置的附加損耗，通過(guò)實(shí)踐的統(tǒng)計(jì)，風(fēng)機(jī)類(lèi)通過(guò)調(diào)速控制可節(jié)能20％～50％。因此，當(dāng)然用水量降低的時(shí)候可以用降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)滿足生產(chǎn)需，而無(wú)需再用閥門(mén)調(diào)節(jié)，如此就可以省下用閥門(mén)調(diào)節(jié)損耗的電能了。
以下是2＃水泵變頻改造前和改造后的數(shù)據(jù)對(duì)比（采集一個(gè)月的數(shù)據(jù)，得出平均值，每月按30天計(jì)算，每年按360天計(jì)算）：
從上述表格的數(shù)據(jù)可以看出，每年的電費(fèi)就可以省下77萬(wàn)多元。
五、結(jié)束語(yǔ)
隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能環(huán)保越來(lái)越重視和大量的節(jié)能減排優(yōu)惠政策陸續(xù)出臺(tái)，企業(yè)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中能源的浪費(fèi)現(xiàn)象日益重視，紛紛加強(qiáng)合理利用能源的管理，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，為變頻器的發(fā)展與推廣起到了關(guān)鍵作用，也為風(fēng)機(jī)與水泵的節(jié)能運(yùn)行和提高其運(yùn)行效率提供了有效途經(jīng)。
