生活给水变频调速机组
赵立宾
摘 要：本文以胶东调水工程高疃泵站调速机组为例，对内反馈高频斩波调速的原理、特点及实际应用情况进行了详细的阐述，为类似工程提供相关经验。
关键词：胶东调水；高疃；调速机组；应用
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.095
胶东调水工程自黄河打渔张引取黄河水，途径15个县市区，输送至米山水库，新建输水线路309.5公里，其中输水管道、输水暗渠及隧洞长度约149.1公里。管道段自黄水河泵站起，主要有4座泵站、5座隧洞、2段暗渠及输水管道等工程，高疃泵站为输水管道的第3级泵站。
1 高疃泵站调速机组应用的必要性
胶东调水工程管道段具有长距离、多起伏、输水压力大、多级有压重力和加压组合输水方式等特点，管道工程较明渠对输水规模变化的调节能量差，小流量、重力流成为工程运行的常态。高疃泵站位于输水管道段的第3级泵站。在泵站出口至下级泵站泵站中间均为高低起伏的有压管道，管道最高点处设无压水池。为确保无压水池的水位保持平衡，必需对高疃泵站进行精确流量调整，因此调速电机对泵站运行是至关重要的。同时考虑到胶东调水工程供水城市较多，各市区间流量分配变化较大，采用调速机组可满足各种流量工况运行。
2 调速机组的选择
目前较为成熟的异步电机调速方式有电磁调速、液力偶合器调速、液态电阻调速、变极调速、变频调速和内反馈高频斩波调速等，高疃泵站采用的调速装置为内反馈高频斩波调速。
2.1 内反馈高频斩波调速的原理
高疃泵站调速系统采用内反馈三相异步电动机，将电机转子电压经整流变为直流电压，当斩波器导通时转子电流被斩波器短路，形成轴功率；当斩波器开路时，转子直流电流经有源逆变器反馈到电机反馈绕组，形成转差功率，通过改变斩波器的占空比即能改变电机转速。
2.2 内反馈高频斩波调速的特点
高疃泵站采用的高频斩波调速装置是与高压电动机配套的高效电力电子调速产品，该装置中控制部分安装了具有智能大功率IGBT模块，采用PWM调节技术，配合固定逆变角的晶闸管（SCR）有源逆变器，从而有效提高了系统的功率因素并加强了可靠性，使系统的速度调节性能和调速范围大为提高。本装置配备的新型大屏幕触摸屏和进口高速可编程控制器（PLC），使得操作直观方便，参数设定灵活准确，可以实现计算机远程通讯。
①调速范围宽 。高疃泵站调速机组调速范围较宽，精度较高，能完全满足泵站机组运行需求。
②极高的可靠性 。该装置采用的是IGBT自关断器件，仅需1只功率模块组件即可完成斩波器的所有功能，排除了换流容易失败的致命弱点，因而工作极为可靠。
③实现远程通讯计算机联网 。由于采用了数字化计算机控制的PLC和人机界面，可以通过RS232和RS485与上位机通信，还可以根据建立多个主从站以方便远程操作及监控，同时可根据工艺生产要求编制工艺程序并进行组态。
④功率因数Cosφ高 。系统采用可关断器件IGBT来提高功率因数，可达到Cosφ0.8-0.9 。
3 调速机组的实例应用
高疃泵站共有四台机组，其中2台T1700-8型1700kW同步电机，2台YRCT710-8型调速异步电动机。泵站水泵为4台800S73型离心泵。
3.1 主要参数
调速电机额定功率为1700kW，额定电压10kV，额定电流123A，额定转速750转，调速范围750转-444转。电机和调速装置的部分参数如下：
3.2 测试数据分析
（1）電机调速装置调速平滑，速度可调范围广，能满足调水期间对水泵出水流量的要求。
（2）调速装置精度较高，转速调速误差较小。
（3）电机转速随占空比的下降而减小，两者基本是线性变化关系。
3.3 运行总结
高疃泵站调速装置在调水运行期间运行可靠。调速机组可根据实际流量情况进行精确的调整，在泵站及管道不具备调节能力的情况下，较好的完成了管道流量调节，该系统对胶东调水工程的调水运行起到了重要的作用。
3.4 运行存在问题
（1）谐振问题。调速电机在某一特定的速度期间，电机和水泵在运行时会出现谐振。此问题未能彻底解决，运行期间的处理办法是调整2台调速电机的速度，在符合流量要求的情况下，避开谐振转速。
（2）调速运行倒流问题。在高疃泵站开机试运行过程中，电机转速为570转/秒（出口压力为0.54mpa）开启出口电动蝶阀至45°，此时管道水出现倒流，流量约为1757m?/小时；此后将电机调速至590转/秒，流量计流量显示为0；逐步将将电机调速至750转/秒，出口压力稳定在0.51mpa，流量计显示流量始终为0。水泵运行过程中出现较大噪声，其余设备与管道均运行正常。
原因分析为：在开启出口电动蝶阀时，由于水泵压力小于管道压力，出现倒流现象，管道内水倒流回前池；由于泵站出口附近管道无排气阀，管道内存在部分气体，在管道水倒流过程中，气体会存积于水泵叶轮中。随着电机转速逐步提升，水泵出口压力稳定在0.51mpa，管道内流量为0，处于一种稳定状态，水泵内气体无法排出，虽然电机转速逐步提升，但水泵始终无法提高出口压力。
解决方案：在开机时，要确保管道出口压力高于管道内水压，由此可确保管道内残存气体无法倒流回水泵内，可杜绝此现象的发生。
4 结语
高疃泵站调速装置运行后，水泵电机运行平稳，调速性能稳定。在调速电机低速运行期间，定子电流较低，整体温升低，延长了电机的绝缘寿命。实践证明，内反馈高频斩波调速具有较高的安全性、可靠性、稳定性，为胶东调水的顺利运行提供了保证。
