刘子健
罗克韦尔自动化控制集成（哈尔滨）有限公司 黑龙江省哈尔滨市 150000
摘要：作为一种较新的电力传动调速技术，在实际工作中，主要用于交流电动机中，对其进行变频调速控制。高压交流变频调速技术的发展比较迅速，当前我国许多高压变频器的技术水平已和世界接轨。而在高压变频调速技术中，单元串联多电平高压变频器的诞生，又使其得到进一步提升。通过多重化的技术实现 对设备变频调速控制，通过新的无谐波波形观察设备工作的具体情况，有效地降低了能源损耗，是目前比较先进的高压变频调速技术。
关键词：加压泵站；变频调速；水泵
通过单元串联多电平技术控制高压变频调速系统，属高高电压源型变频器。对应用结果的分析研究发现，采用高压变频器控制水泵设备的运转速度。
一、水泵电机变频原理及作用
根据流体力学基本定律，风机水泵类负载是典型的平方转矩负载，风机水泵类负载一般都是根据最大工作负荷来进行选型，实际工作中大部分时间并非工作于满负荷状态，所以只要平均转速略微降低，负载功率就可明显的降低，从而达到节能效果。采用变频器调速时，根据实际工艺压力、流量的需要可以方便地控制速度。例如：当电机转速为额定转速的 90% 时，负载功率为额定功率的3次方，约额定功率的70%。可见，当转速下降10%，节能可达30%。此外，使用变频器避免了电机起动时对电网的冲击，降低了对电网的容量要求和无功损耗。同时，降低故障率，消除设备震动和水锤现象，延长水泵和电机的使用寿命。
二、水泵选择方案
基于泵站具有流量变化较小、扬程变幅较大的特点，确定水泵选择原则为: 水泵按照最大供水流量、水库死水位工况设计，并保证其他工况运行时尽量处于高效区间内。
1、变频调速方案。通过变频器改变电机的供电频率以改变电机转速来调节水泵运行工况，使水泵在多种运行工况下，均在较高效率范围内连续运行。该方案优点是运行最为灵活，可手动或自动连续调节; 水泵降速运行后，大部分工况运行在高效区间，并可充分利用水库水能，节约电能。缺点是需增加变频设备，且变频器设备价格较高，一次性投资大。
2、大小泵组合方案。通过大小泵搭配，使水泵能灵活组合，运行在不同工况下。该方案优点是设备投资较少。缺点是水泵种类不同，增加了运行、管理和维修工作量，且不能实现连续调节。
3、增加水泵台数方案。通过增加水泵台数，使水泵组合更加灵活，实现不同工况运行。但较多的水泵台数，势必增加泵房的长度，相应的土建费用较高，增加了运行、管理和维修工作量，并且不能实现连续调节。
4、更换水泵叶轮方案。通过更换水泵叶轮，可以利用一部分水库水能，提高部分运行工况的效率。但由于水库水位变幅较大，更换叶轮不能保证各工况下均能运行，部分扬程仍需要通过水泵后的阀门调节以满足运行要求，因此，其耗电量仍然较高，经济指标也较差。
三、高压变频器的技术
此次新建水泵站工程，采用的高压变频器为某公司的TPXX/1001功率单元串联多电平高压变频器，主要组成部分包括功率模块、控制器、移向变压器；采用IGBT功率器件进行全数字化微机控制，不仅具有较高的可靠性，也使其操作方法更加简便，工作性能更加稳定。单元串联型高压变电器的内部系统结构包括以下部分：
1、功率模块结构。
该结构主要由低压绝缘栅双极型晶闸管逆变桥、电容器组，以及不可控二极管整流三相全控桥等相关器件组合而成，形成交-直-交单向逆变电路，在日常工作中，采用正弦脉冲控制低压 绝缘栅双极型晶闸管逆变桥，可通过功率单元输出正弦脉冲波形，由于功率单元的结构相同，因此，可以对其进行随意的互换；如果在工作过程中功率单元发生故障，可对其IGBT信号进行封锁，导通旁路的SCR，以此来隔离故障功率单元。通过此种方法既能实现故障功率单元的诊断，又能保障其他正常功率单元的正常运行。
2、输入侧结构。该结构通过移向变压器向系统内部的每个功率模块供应电力，移动变压器三组副边绕组的电流整流方式，按照电压、功率模块串联的级数， 形成脉冲的多级叠加形式。这种模式可有效改善电流波形，保障工作过程中网侧电压功率在标准水平，减少采用谐波抑制装置或使用功率因数补偿的办法。
3、输出侧结构。该结构给电机供电的主要形式为每个功率模块、输出端子相互连接形成串联的星形接法形式。在对每个功率单元的正弦脉冲宽度调整波形的重组过程中，得到阶梯形的正弦脉冲宽度调整波，由于该波形对于电机和电缆的绝缘性无伤害，因此不需要采用滤波器输出；该波形还可对输出电缆长度进行延伸。实际应用中，对于普通电机可直接采用该波形。
4、控制器。主要由嵌入式人机界面以及DSP 芯片组成，通用DSP 芯片控制正弦脉冲波形，嵌入式人机界面可为使用者提供中文操作使用界面；此外还能进行远程监控、网络化控制，以及对波形输入输出资料的采集。 采用高压变频器，通过对功率因数的提升，减少无功补偿装置的应用频率，在满足工作需求的同时节约运营成本。由于高压变频器是通过对电机转速的调节来实现能耗的节约，因此，当实际工作中的具体负荷率处于低位时，水泵电机转速也随之降低，可以很好地降低水泵抽水系统相关设备的磨损程度，增加其使用寿命，一定程度上也降低了设备维修的成本费用。采用高压变频器，在启动电机时可通过软启动的方式使其启动电流保持在额定电流的1.2倍以下，这样能有效降低启动电流对电网的冲击，增加电机的使用寿命。比较传统的水泵供水系统，高压变频器的保护功能相对较多，具体为短路保护、过流保护、过压保护、温升保护、欠压保护、缺相保护等，其对电机的保护更加全面完善。
5、采用高压变频调速系统应注意的问题。平时工作中应注意高压变频器的可靠性和变频器输入谐波。如果变频器的输入电流谐波较大，会导致许多问题，如增加测量仪器仪表的误差，影响电子计算机等装置系统正常工作，增大电动机、变压器等设备损耗程度。传统普通的电动机直接设计成电网运行，再加上电网电压波形大都为正弦波，在变频器波形输出质量较差的情况下，很容易对其造成影响。输出谐波引起电动机发热，使其转矩脉动、噪音增加,而输出dv /dt共模电压也会对电动机绝缘特性造成影响。此次改造水泵所使用的高压变频器，其输出波形质量较高，实际工作中不必采用输出滤波器也可使用普通电动机。此外，还应注意高压变频器进线、出线刀闸,以及旁路刀闸集成柜的选择，根据辅机设备重要程度选择高压变频器。注重高压变频器冷却电源装置的配置。冷却风扇停止工作时，其功率单元会因超温而导致变频器停止工作，对此采用冷却电源可有效保障变频器正常工作。对于变频器的冷却电源，应为两套不同低压段的独立供电电源。对高压变频器及其变压器柜、功率柜滤网定期打扫，使其保持清洁，避免因灰尘阻塞滤网而导致冷却效果降低，从而造成功率单元温度增加，最终使高压变频器停止工作。采用高压变频器进行水泵转速控制时，要尽量创造良好的工作环境，应在其工作室内配置空调设备，保证工作环境干燥通风、卫生整洁。
随着科技的发展，变频装置类电子产品的价格已有较大滑落，同时，品质却得到较大提升，其经济效益将更为可观，应在类似工程中推荐采用。在实际工作中采用单元型串联高压变频器，严格把握各方面的技术要求，可有效实现提升工作效率、降低能耗的目标.
参考文献：
[1] 杜贤国，郭培彬，韩文昭．高压变频器在冷却水循环泵上的 应用［J］．变频器世界，2019.03．
[2] 陈国呈．ＰＷＭ变频调速及软开关电力变换技术［Ｍ］．北 京：机械工业出版社，2018.12．
[3] 谢红军，李璟 .变频调速技术及其在凝结水泵中的应用 [J]. 变频器世界，2019（3）：84-86.