高压变频调速装置在循环泵上的应用详解

1 引言
石油化工企业中有许多热交换器，它需要循环冷却水装置，一个凉水塔冷却水用量达数千吨/时。为了节约水资源，通常采用冷却水循环使用——热交换器出来的热水经冷却风扇喷淋变成冷水流入储水池，循环水泵将储水池内的冷水输送到热交换器，这样周而复始地利用。一般不采用直放式，避免大量浪费水资源。
上海石化炼油、化二、化纤和塑料事业部有20多套这样的冷却水循环装置，设备配备类似。过去冷却风扇和循环水泵均不调速，利用风门挡板和出口阀门来控制风量和水流量。
化工事业部乙二醇联合装置早在1992年已对3台380v/160kw冷却风扇进行了变频调速改造，每台年节约电量约为43400kwh。1998～1999年又对6kv/550kw循环水泵实施了高压变频调速节能改造。本文只介绍高压变频节能应用实例。
2 冷却水循环装置（凉水塔）简介
系统框图如图1所示。

图1循环水冷却塔冷却风扇冷却水泵变频调速系统
2.1凉水塔顶部冷却风扇
;热交换器回来的43℃左右的热水，部分或全部经喷淋装置呈雨滴状下来，冷却风扇将室外冷空气自下而上地排出，进行逆向交换，冷却下来的30～32℃水流入储水池。
冷却风扇变频调速是一个温度闭环控制系统。例如:储水池水温设定为30℃，如果实测水温高于30℃，则会自动增加输出频率→提高风扇转速→增强冷却效果→储水池内水温降下来，反之亦然。
2.2凉水塔底部循环水泵
冷却水循环水泵将储水池内冷水以泵出口压力4.2kg/cm2输送至热交换器，冷水→热水→回至凉水塔周而复始地循环使用，根据不同的工况，冷却水的流量是随机变化的，但是泵出口压力应基本保持不变。
循环水泵变频调速应是一个压力闭环控制系统。设定泵出口压力为控制参数，实际压力如果发生偏差±△p时，则自动调节输出频率→改变泵的出口压力→使之泵出口压力基本维持设定压力值，不同于原先靠控制出口阀门的开启度的方法。变频调速可以实现高效节能，不存在节流损耗。
3 循环水泵高压变频调速系统
循环水泵高压变频系统的设备配置，如图2所示。

图2循环水泵设备配置图
（1）水泵
泵型号:jsq158—6;
泵供量:2300m3/h;
泵扬程:47m。
（2）高压电机
额定功率:550kw;
额定电压:6kv;
极数:6p;
转速:985r/min;
额定电流:64a;
绝缘等级:f。
（3）高压变频器（罗宾康公司）
vfd800kva;
输入:3￠，6kv，50hz;
输出;3￠，0—6kv，0—50hz。
4（美）罗宾康（robicon）公司及hv—vfd高压变频调速器
4.1robicon公司hv—vfd简介
美国罗宾康公司的vfd系列是一种完美无谐波交流高压变频器，它是为了满足电网品质要求特别高的场合而设计的优质变频调速器，它可提供纯净输入电源，高功率因数，保护完善和几乎正弦波输出。
robicon变频驱动装置系列被指定用于标准高压三相ac感应电机。
4.2罗宾康变频器的特点
变频器为单相pwm脉宽调制型，igbt功率器件，最大特点采用多重叠加方式，达到完美无谐波输出。pwm电压型逆变器主要有以下特点:
（1）由于输出等幅脉冲，只需恒定直流电源供电，因此变流器为不可控整流桥，从而简化了主电路，缩小体积，降低成本，使电网侧功率因数大大改善。
（2）采用pwm控制，能够抑制或消除高次谐波，加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常逼近正弦波，使电机转矩脉动减小。
（3）逆变器在调频同时实现调压，与中间直流环节的参数无关，从而加快了系统的动态响应。
4.3robicon高压变频调速器的多个功率单元串联拓扑电路
鉴于目前自关断电力电子器件igbt、igct、sgct的耐压水平不够以及不宜直接串联的缘故，为了得6kv高压输出采用每相5个690v功率单元串联电路。
各个功率单元由输入隔离变压器的二次隔离线圈分别供电，额定电压为690v，每相5个，因此相电压为3450v，所对应的线电压为6000v。
robiconvfd变频器得益于多绕组次级输出降压变压器。例如:6kv变压器有15个付绕组，每相有5个组成，彼此之间有移相角＝60/5＝12°。它是由超前或滞后12°的延边三角形接线来实现的。不难看出，单元多，副绕组多，接线（延边三角形移相）复杂，整个装置的可靠性会降低。
每个功率单元的电路图如图3所示。

图3功率单元的电路图
三相低压（690v）二极管整流，单相二电平pwmigbt逆变，输出为1￠，0～690v。
每个功率单元都是由igbt构成的三相输入、单相输出的脉宽调制型变频器。
这种多重化的脉宽调制（pwm）输出电压波形号称完美无谐波变频器。电源侧和电动机侧的总谐波含量thd达到国家标准是没有问题的。
5 循环冷却水泵高压变频改造后的效益
5.1直接经济效益
1998年，当时一台罗宾康6kvvfd变频器需要人民币120万元，平均约2200元/kw。经估算平均可节电30％左右，即节省165kw，年运行时间约7000h，工业电价0.78元/kwh。
每年节省电费＝165×7000×0.78＝82.5万元
回收期＝1.5年
5.2间接经济效益
再因变频器是软启动方式，采用变频器控制电机后，电动机启动时及运转过程中均无冲击电流，而冲击电流是影响接触器、电机使用寿命的最主要、最直接的因素，同时采用变频器控制电机后还可以避免水锤现象，因此可大大延长电机、接触器及机械散件、轴承、阀门、管道的使用寿命。因此变频改造后，不仅节约大量电费，而且可以减少设备维修保养费。
6 结束语
在当今的年代,我国的企业效益蒸蒸日上,而怎样节能又是一大难题。逐步实现电动机、风机泵设备和系统的经济运行，发展电机调速节电和电力电子技术，提高电能利用率，推广高压大功率电动机变频调速技术，是节能的重要措施。众所周知，在企业中绝大多数的动能都需要电动机来完成的，而低压变频器使用的比较普及，但高压变频器使用较少。据不完全统计，全国大功率风机、泵类设备电动机虽然数量上不到20％，但在容量上竟占40％以上，因此，如果普遍使用高压变频器，节能效果是相当可观的。如果节电率相同的条件下，高压大容量风机水泵采用变频调速会取得更大的节电效益，因此，推广高压变频调速节能技术具有重大的技术意义。