高壓變頻調速裝置在循環泵上的應用詳解

1 引言
石油化工企業中有許多熱交換器，它需要循環冷卻水裝置，一個涼水塔冷卻水用量達數千噸/時。為了節約水資源，通常采用冷卻水循環使用——熱交換器出來的熱水經冷卻風扇噴淋變成冷水流入儲水池，循環水泵將儲水池內的冷水輸送到熱交換器，這樣周而復始地利用。一般不采用直放式，避免大量浪費水資源。
上海石化煉油、化二、化纖和塑料事業部有20多套這樣的冷卻水循環裝置，設備配備類似。過去冷卻風扇和循環水泵均不調速，利用風門擋板和出口閥門來控制風量和水流量。
化工事業部乙二醇聯合裝置早在1992年已對3臺380v/160kw冷卻風扇進行了變頻調速改造，每臺年節約電量約為43400kwh。1998～1999年又對6kv/550kw循環水泵實施了高壓變頻調速節能改造。本文只介紹高壓變頻節能應用實例。
2 冷卻水循環裝置（涼水塔）簡介
系統框圖如圖1所示。

圖1循環水冷卻塔冷卻風扇冷卻水泵變頻調速系統
2.1涼水塔頂部冷卻風扇
;熱交換器回來的43℃左右的熱水，部分或全部經噴淋裝置呈雨滴狀下來，冷卻風扇將室外冷空氣自下而上地排出，進行逆向交換，冷卻下來的30～32℃水流入儲水池。
冷卻風扇變頻調速是一個溫度閉環控制系統。例如:儲水池水溫設定為30℃，如果實測水溫高于30℃，則會自動增加輸出頻率→提高風扇轉速→增強冷卻效果→儲水池內水溫降下來，反之亦然。
2.2涼水塔底部循環水泵
冷卻水循環水泵將儲水池內冷水以泵出口壓力4.2kg/cm2輸送至熱交換器，冷水→熱水→回至涼水塔周而復始地循環使用，根據不同的工況，冷卻水的流量是隨機變化的，但是泵出口壓力應基本保持不變。
循環水泵變頻調速應是一個壓力閉環控制系統。設定泵出口壓力為控制參數，實際壓力如果發生偏差±△p時，則自動調節輸出頻率→改變泵的出口壓力→使之泵出口壓力基本維持設定壓力值，不同于原先靠控制出口閥門的開啟度的方法。變頻調速可以實現高效節能，不存在節流損耗。
3 循環水泵高壓變頻調速系統
循環水泵高壓變頻系統的設備配置，如圖2所示。

圖2循環水泵設備配置圖
（1）水泵
泵型號:jsq158—6;
泵供量:2300m3/h;
泵揚程:47m。
（2）高壓電機
額定功率:550kw;
額定電壓:6kv;
極數:6p;
轉速:985r/min;
額定電流:64a;
絕緣等級:f。
（3）高壓變頻器（羅賓康公司）
vfd800kva;
輸入:3￠，6kv，50hz;
輸出;3￠，0—6kv，0—50hz。
4（美）羅賓康（robicon）公司及hv—vfd高壓變頻調速器
4.1robicon公司hv—vfd簡介
美國羅賓康公司的vfd系列是一種完美無諧波交流高壓變頻器，它是為了滿足電網品質要求特別高的場合而設計的優質變頻調速器，它可提供純凈輸入電源，高功率因數，保護完善和幾乎正弦波輸出。
robicon變頻驅動裝置系列被指定用于標準高壓三相ac感應電機。
4.2羅賓康變頻器的特點
變頻器為單相pwm脈寬調制型，igbt功率器件，最大特點采用多重疊加方式，達到完美無諧波輸出。pwm電壓型逆變器主要有以下特點:
（1）由于輸出等幅脈沖，只需恒定直流電源供電，因此變流器為不可控整流橋，從而簡化了主電路，縮小體積，降低成本，使電網側功率因數大大改善。
（2）采用pwm控制，能夠抑制或消除高次諧波，加上使用自關斷器件，開關頻率大幅度提高，輸出波形可以非常逼近正弦波，使電機轉矩脈動減小。
（3）逆變器在調頻同時實現調壓，與中間直流環節的參數無關，從而加快了系統的動態響應。
4.3robicon高壓變頻調速器的多個功率單元串聯拓撲電路
鑒于目前自關斷電力電子器件igbt、igct、sgct的耐壓水平不夠以及不宜直接串聯的緣故，為了得6kv高壓輸出采用每相5個690v功率單元串聯電路。
各個功率單元由輸入隔離變壓器的二次隔離線圈分別供電，額定電壓為690v，每相5個，因此相電壓為3450v，所對應的線電壓為6000v。
robiconvfd變頻器得益于多繞組次級輸出降壓變壓器。例如:6kv變壓器有15個付繞組，每相有5個組成，彼此之間有移相角＝60/5＝12°。它是由超前或滯后12°的延邊三角形接線來實現的。不難看出，單元多，副繞組多，接線（延邊三角形移相）復雜，整個裝置的可靠性會降低。
每個功率單元的電路圖如圖3所示。

圖3功率單元的電路圖
三相低壓（690v）二極管整流，單相二電平pwmigbt逆變，輸出為1￠，0～690v。
每個功率單元都是由igbt構成的三相輸入、單相輸出的脈寬調制型變頻器。
這種多重化的脈寬調制（pwm）輸出電壓波形號稱完美無諧波變頻器。電源側和電動機側的總諧波含量thd達到國家標準是沒有問題的。
5 循環冷卻水泵高壓變頻改造后的效益
5.1直接經濟效益
1998年，當時一臺羅賓康6kvvfd變頻器需要人民幣120萬元，平均約2200元/kw。經估算平均可節電30％左右，即節省165kw，年運行時間約7000h，工業電價0.78元/kwh。
每年節省電費＝165×7000×0.78＝82.5萬元
回收期＝1.5年
5.2間接經濟效益
再因變頻器是軟啟動方式，采用變頻器控制電機后，電動機啟動時及運轉過程中均無沖擊電流，而沖擊電流是影響接觸器、電機使用壽命的最主要、最直接的因素，同時采用變頻器控制電機后還可以避免水錘現象，因此可大大延長電機、接觸器及機械散件、軸承、閥門、管道的使用壽命。因此變頻改造后，不僅節約大量電費，而且可以減少設備維修保養費。
6 結束語
在當今的年代,我國的企業效益蒸蒸日上,而怎樣節能又是一大難題。逐步實現電動機、風機泵設備和系統的經濟運行，發展電機調速節電和電力電子技術，提高電能利用率，推廣高壓大功率電動機變頻調速技術，是節能的重要措施。眾所周知，在企業中絕大多數的動能都需要電動機來完成的，而低壓變頻器使用的比較普及，但高壓變頻器使用較少。據不完全統計，全國大功率風機、泵類設備電動機雖然數量上不到20％，但在容量上竟占40％以上，因此，如果普遍使用高壓變頻器，節能效果是相當可觀的。如果節電率相同的條件下，高壓大容量風機水泵采用變頻調速會取得更大的節電效益，因此，推廣高壓變頻調速節能技術具有重大的技術意義。