循环水泵变频方案.doc

山东鑫胜热电有限公司循环水泵中压变频项目编制：张 勇审核：师伟华批准：王培彬二零零九年九月目 录1项目介绍1.1改造项目介绍1.2工况调查数据2变频改造的节能分析2.1变频调速节能原理2.2变频改造节能分析2.3变频调速其他附加好处3项目建议改造方案3.1改造电气原理3.2控制接口与控制设计3.3设备外形尺寸与安装布局要求4ZINVERT系列智能高压变频调速系统技术简介4.1ZINVERT系列智能高压变频调速系统原理与结构4.2ZINVERT系列智能高压变频调速系统功能4.3ZINVERT系列高压变频调速系统使用要求及设计选型注意事项5ZINVERT系列智能高压变频调速系统技术参数1项目介绍1.1改造项目介绍鑫胜热电，新上2台10KV315KW循环水泵，为全厂提供冷却循环水。由于设计压力比实际压力大，需增加变频系统，节能降耗。1.2工况调查数据电机、负载铭牌参数与运行参数功率因数接线方式Y接法额定电压10KV额定电流转速额定功率315KW入口阀门开度出口阀门开度设计压力最小压力运行压力运行功率2变频改造的节能分析2.1变频调速节能原理从流体力学的原理得知，使用感应电动机驱动的风机、水泵负载，轴功率P与流量Q，扬程H的关系为：当电动机的转速由n1变化到n2时,Q、H、P与转速的关系如下:(1)(2) (3)可见流量Q和电机的转速n是成正比关系的，而所需的轴功率P与转速的立方成正比关系。所以当需要80的额定流量时，通过调节电机的转速至额定转速的80，即调节频率到40Hz即可，这时所需功率将仅为原来的51.2。如图2-1所示，从风机、水泵的运行曲线图来分析采用变频调速后的节能效果。图2-1风机、水泵的运行曲线图当所需风量、流量从Q1减小到Q2时，如果采用调节阀门的办法，管网阻力将会增加，管网特性曲线上移，系统的运行工况点从A点变到新的运行工况点B点运行，所需轴功率P2与面积H2Q2成正比；如果采用调速控制方式，风机、水泵转速由n1下降到n2，其管网特性并不发生改变，但风机、水泵的特性曲线将下移，因此其运行工况点由A点移至C点。此时所需轴功率P3与面积HBQ2成正比。从理论上分析，所节约的轴功率Delt(P)与（H2-HB）（C-B）的面积成正比。考虑减速后效率下降和调速装置的附加损耗，通过实践的统计，风机泵类通过调速控制可节能2050，有些风机负载节能比例达60%以上。2.3变频调速其他附加好处2.3.1提高网侧功率因数：原电机直接由工频驱动时，满载时功率因数为0.80.9，实际运行功率因数远低于额定值。采用高压变频调速系统后，电源侧的功率因数可提高到0.95以上，大大的减少无功功率的吸收，进一步节约上游设备的运行费用。2.3.2降低设备运行与维护费用：采用变频调节后，通过调节电机转速实现节能；转速降低，主设备及相应辅助设备如轴承等磨损较前减轻，维护周期、设备运行寿命延长；变频改造后风门开度可达100，运行中不承受压力，可显著减少风门的维护量。在使用变频器过程中，只需定期对变频器除尘，不用停机，保证了生产的连续性。从实际改造情况看，采用变频调速后，运行与维护费用大大降低。2.3.3软启软停功能：采用高压变频改造后，电机实现软启软停，启动电流不超过电机额定电流的1.2倍，对电网无任何冲击，电机使用寿命延长。在整个运行范围内，电机可保证运行平稳，损耗减小，温升正常，无任何附加的异常振动和噪音。2.3.4增强电机的保护功能与原来旧系统相比较，变频器具有过流、短路、过压、欠压、缺相、温升等多项保护功能，更完善地保护了电机。2.3.5实现高度自动化采用变频改造后，系统运行操作简单，运行方便。可通过计算机远程给定风量或压力等参数，实现智能调节。2.3.6增强系统运行的可靠性ZINVERT智能高压变频调速系统适应电网电压波动能力强，电压工作范围宽，电网电压在-35%+15%之间波动时，系统均可正常运行。3项目建议改造方案3.1改造电气原理电气原理如图纸中系统主接原理图所示： 1号泵系统母线电源通过开关柜QF1经变频装置刀闸K1到高压变频装置，变频装置输出经刀闸K2送至电动机,系统母线电源还可通过开关柜QF1经刀闸K2切换至工频侧直接起动电动机。一旦变频装置出现故障，即可马上断开输入侧高压开关及刀闸K1，将变频装置隔离，切换刀闸K2至工频侧，合高压开关工频起动电机运行。刀闸K1、K2之间具有闭锁和防止误操作功能。2号泵系统母线电源通过开关柜QF2经变频装置刀闸K01到高压变频装置，变频装置输出经刀闸K02送至电动机,系统母线电源还可通过开关柜QF2经刀闸K02切换至工频侧直接起动电动机。一旦变频装置出现故障，即可马上断开输入侧高压开关及刀闸K01，将变频装置隔离，切换刀闸K02至工频侧，合高压开关工频起动电机运行。刀闸K1、K2之间具有闭锁和防止误操作功能。由于系统采用一台变频器拖动两台循环水泵，K1与K01,K2变频侧与K02变频侧之间具有闭锁和防止误操作功能。3.2控制接口与控制设计3.2.1 ZINVERT智能高压变频调速系统标准接口如下：标准接口信号说明：其中用户控制台(DCS)及远控箱 ZINVERT系统：序号名称逻辑要求接口类型功能1变频启动脉冲式无源接点启动变频器运行2变频停机脉冲式无源接点变频输出降频至停机3紧急停机电平式无源接点立即停止变频器输出4信号复归脉冲式无源接点清除告警音响、显示5频率控制信号DC电流信号420mA电流源控制变频器输出频率6通信接口MODBUS规约RS485/422与远方后台通讯联接其中ZINVERT系统用户控制台(DCS) 及远控箱：序号名称逻辑要求接口类型功能1远方控制方式电平式无源接点指示远方控制方式2就地控制方式电平式无源接点指示就地控制方式3跳闸信号电平式无源接点指示变频跳进线4轻故障信号电平式无源接点变频轻故障告警5重故障信号电平式无源接点变频重故障停机6运行状态电平式无源接点指示变频运行中7停机状态电平式无源接点指示变频系统停运8变频状态电平式无源接点指示系统变频方式9工频状态电平式无源接点指示系统工频方式10待机状态电平式无源接点指示变频待机状态11电机电流指示DC电流信号420mA电流源指示变频输出电流12输出频率指示DC电流信号420mA电流源指示变频输出频率其中进线开关柜ZINVERT系统：序号名称逻辑要求接口类型功能1断路器状态电平式无源接点运行与安全控制逻辑其中ZINVERT系统进线开关柜：序号名称逻辑要求接口类型功能1合闸允许电平式无源接点系统运行安全控制2跳闸信号脉冲式无源接点故障联跳进线开关3合闸信号脉冲式无源接点合进线开关（自动）控制设计说明：方式一、与离散控制（DCS）系统硬联接，由DCS通过数字量与模拟量控制。方式二、与控制系统或控制后台通过通讯联接控制,可实现一控N台方式三、设置操作后台，采用手操器手动控制方式四、采用生产系统过程控制量，开关量自动控制（实用于工艺生产过程）3.3系统外形尺寸及布局要求系统外形如下图所示：主要由旁路柜、变压器柜、功率控制柜构成系统外形尺寸如下：适配电机：450KW长深高重量旁路方式配置型号（mm）(kg)手动ZINVERTA9H630/10Y4060120025005010自动ZINVERTA9H630/10Y52601200250055104 ZINVERT系列智能高压变频调速系统技术简介4.1 ZINVERT系列智能高压变频调速系统原理与结构ZINVERT系列智能高压变频调速系统采用功率单元串联技术，直接输出3kV、6kV、10kV电压，属高-高电压源型变频器。由于采用功率单元串联而非功率器件的直接串联，因此解决了器件耐压的问题。同时由于同相各级功率单元输出SPWM信号通过移相后进行叠加，提高了输出电压谐波性能、降低输出电压的dv/dt；通过电流多重化技术降低输入侧谐波，减小了对电网的谐波污染；主控制器采用最新电机控制专用双数字信号处理器（DSP）、超大规模集成电路可编程器件（CPLD和FPGA）为核心，配合数据采集、单元控制和光纤通信回路以及内置的可编程逻辑控制器（PLC）构成系统控制部分。图1成套装置配置图ZINVERT系列智能高压变频调速成套系统整体结构上由旁路柜、移相变压器柜、功率单元柜及控制柜组成，见图1所示。ZINVERT型智能高压变频调速系统的功率单元柜与控制柜是合二为一的，各部分功能说明如下：u 功率单元柜 功率单元柜为成套装置的核心部分，也是电机定子大功率变频电源的产生模块。功率单元柜主要由功率单元箱（图1中A1An,B1Bn，C1Cn）并辅以控制构成。u 功率单元箱功率单元箱的电气原理见图2所示，每个功率单元由外部输入三相电源A/B/C供电，经内部整流滤波后逆变成单相电压U/V输出。整流由三相不控整流完成，滤波环节电容采用软充电技术可有效防止对充电电流对电容损害。逆变部分采用当代最先进的IGBT功图2 功率单元电气原理图3 功率单元输出波形功率单元外观率器件，控制方法采用SPWM逆变控制技术，功率单元的输出波形见图3所示。图5 输出电压波形图4 高压形成原理ZINVERT功率单元柜内各功率单元箱的原理与结构完全相同，通用性强，因此可相互替换。功率单元内各器件的工作状态及相应的参数都有监控和保护，IGBT的逆变控制指令和所有的监控参数可通过一对光纤送至控制器，由于采用光纤传送数据，因此也大大提高了装置的抗干扰性。尤其重要的是：ZINVERT每个功率单元箱内直流母线的电压都被实时传送至控制器，因此可在控制器操作界面上直接进行查阅，便于检修维护时的人身安全保护。u 功率单元柜高压形成为了形成高压6kV或10kV电源，ZINVERT采用了功率单元堆波技术，即将多个功率单元的输出电压串联叠加直接形成高压输出（如图4所示），此方法类似于干电池叠加，通过若干个功率单元的叠加可产生所需要的相电压数值。此种高压的形成原理实际是将标准交流波形进行阶梯化等效，波形上阶梯数越多输出的谐波就越小，阶梯数的个数取决于每相串联的功率单元个数。由于各功率单元的输出电压波形在叠加前已经过移相处理，因此叠加后的输出波形质量好（见图5），不存在谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动等特点，不必加装输出滤波器就可以用于普通异步电动机。并且电压的跳变仅为单个功率单元直流电压值，因此dv/dt小，对电机无伤害，可直接适应于普通异步电动机的节能改造。u 移相变压器柜图6 移相变压器柜 图6中移相变压器柜主要为各功率单元箱提供独立的三相交流50Hz电源，该移相变压器具有多个独立的二次绕组直接与各功率单元相连，通过它绕组的移相，还可以显著减小输入电流中的谐波。u 产品组成结构ZINVERT型智能高压变频调速系统依电机额定电压的不同，功率单元柜每相所串联的个数也不同。 对于3kV电压等级ZINVERT调速装置，每相由34个功率单元串联叠加而成； 对于6kV电压等级ZINVERT调速装置，每相由68个功率单元串联叠加而成； 对于10kV电压等级ZINVERT调速装置，每相由9个功率单元串联叠加而成；4.2 ZINVERT系列智能高压变频调速系统功能4.2.1频率设定ZINVERT系列智能高压变频调速系统内核控制由电机控制专用双DSP完成，装置在现场运行时其运行频率设定方式有多种方式。主要的频率控制方式包括： LCD面板按键设定、远方操作盘、计算机后台通信或DCS等智能接口设定、外部420mA或010V模拟信号输入给定、开关量频率升降给定等多种给定方式可选，可视现场具体情况选用。远方控制信号断线时系统给出报警，并维持在断线前的运行频率。4.2.2运行方式闭环控制：检测回路获得被控制量（流量、压力等）的实际值，与设定值比较，得到偏差信号。偏差信号经过PID调节来控制频率控制信号，调节电机转速达到被控制量的调节，使之与设定值一致。 断电恢复再启录波图高压掉电阶段开环控制：选择开环控制，频率控制信号由1中所述方式给定，按照设定曲线控制电机运行。4.2.3断电恢复再启动功能功率单元出现故障后可自动旁路，保证装置的不间断运行电网瞬时停电并在短时间内（允许等待时间0.1秒30秒，更长的等待时间可由用户定制）恢复后，ZINVERT智能高压变频调速系统能在0.21.0秒内自动搜索电机转速，实现无冲击再启动至设定转速，无需等到电机完全停止后再启动，保证负载的连续稳定运行。对于电源不稳或波动较大的用户场合，此功能可保证用户工艺生产不停止，运行人员也无需对装置进行任何操作。4.2.3.1旁路功能ZINVERT成套装置具有两种旁路功能设置，通过这两种旁路功能的利用，可大大提高产品的运行可靠性，能最大程度的保证用户生产工艺不受影响：功率单元自动旁路功能：ZINVERT成套装置每相高压逆变输出由各功率单元箱的输出移相串联叠加而形成，无单元旁路功能的情况下某个单元模块的故障会导致整机停运。但ZINVERT智能型高压变频调速系统各功率单元设置有完善的自动旁路功能，当单元内部出现故障时可自动将该功率单元旁路，每相剩余功率单元继续运行，一般变频运行情况下负载无需降额运行。旁路过程中无需人为操作，由系统自动完成。成套装置工频旁路功能：即在变频器出现故障时，可将变频器进行旁路，将电动机直接接入原电网继续运行。旁路的型式有自动旁路和手动旁路两种型式，主要的区别在于：配置手动旁路功能者，其内部操作机构由隔离刀闸组成，当变频器出现故障时需要按照操作规程进行手动操作将变频器退出，将电机恢复至工频运行状态。当配置了自动工频旁路后，其内部操作机构由隔离刀闸和真空接触器（或断路器）组成，隔离刀闸已预置到相应位置，仅为检修时提供高压断开点，当变频器出现故障时在系统控制器的控制下自动退出变频装置而切换至工频运行状态；当变频器检修完毕后又可以在瞬间由工频运行状态转至变频运行状态，用户的负载无需停车，不影响生产，即可实现工频转变频或是变频转工频的双向互切功能。对于重要工艺情况的负载可采用此种旁路型式。工频旁路柜不是产品的标准配置。旁路柜的接线型式可按照用户现场具体要求定制，可以实现一拖一、一带多的功能切换的功能。4.2.3.2单元直流电压显示与设备寿命检测功能通过对各单元直流电压的检测，还可以实现输出电压的优化控制，提升系统控制性能。ZINVERT智能型高压变频调速系统采用我公司独创技术（国家专利技术），通过控制系统操作面板来查询各单元直流母线电压的功能，通过该功能，用户可以实时掌握功率单元直流母线电压值，对每个功率单元的工作状况进行了解和评估，保证电压控制的精准、系统运行信息与故障信息记录的内容丰富，定位准确；当高压电源停电后，用户可以通过查询各单元直流母线的电压来了解设备是否仍然带电，是否在安全许可的状态下，对运行和检修人员的人身安全起到了保证作用；另外，在电压源高压变频器产品中独具的电容检测功能使得用户可以通过定期对电容器的充放电功能检验电容器的使用老化情况从而预计电容器寿命，从而为设备的调试、运行、维护、充分利用设备使用寿命创造极大方便性。4.2.3.3参数设定功能可设定转矩提升、U/f加速曲线以适应不同的负载情况，可以设定多达3个共振频率躲避区域，可以按现场情况需要设定电机的保护参数、输出接口的功能定义等设置。可以对电机的各种参数进行设置，也可以在界面上对保护参数进行调整和设定。4.2.3.4故障报警与查询功能故障报警采用声、光报警，并以事件形式进行记录，控制系统具有故障报警和故障查询功能，报警信息可以在控制器上通过面板按键进行查询，提高系统故障的排除效率，为用户的运行维护提供方便。4.2.3.5运行状态记录与显示通过运行参数直观的显示，运行人员可直接掌握设备的运行状况和能耗情况，这些参数还可以以通信的方式在后台计算机屏幕上进行显示和控制。ZINVERT系列智能高压变频调速系统具有自动记录运行状态和进行显示的功能，并对显示数据分类，方便日常维护。同时可通过串行通信与上位机（本公司提供或接入用户系统，非标准配置，订货时需特别说明）连接，将运行状态信息上传到上位机，对记录数据进行分析、报表打印等（后台系统功能订货时需特别说明，功能及操作另见有关后台的说明）。波形分析和显示功能控制器可以实现对输入电流、电压，输出电压、电流等的波形实时显示，还可以对每相电压、电流进行谐波分析，有助于用户掌握设备的各种电量参数。4.2.3.6保护配置功能和方案采用工频旁路配置的高压变频调速系统，由于高压变频装置输入侧为整流移相变压器，其特性与高压电动机不同，因此需特别注意保护的配置问题。我公司技术人员具有多年电力系统调试、运行、维护经验，公司为中压电动机、变压器类保护装置的专业研发、生产厂家，在高压变频调速系统的开发中设计配套专业成套的技术解决方案，具体保护功能设置、配置符合IEC61800标准，完全满足行业标准。FK1K2K3逆变控制变频运行方式下（K1、K2合，K3分）由于变频输入侧为整流移相变压器，因此断路器F保护配置应为变压器保护。ZINVERT系统的变压器配置温控保护；控制系统已移植公司专业变压器保护，配置缺相、过压、欠压、过流、速断、过负荷保护。工频运行方式下（K1、K2分，K3合）由于断路器F后直接连接电动机，因此其保护配置应为电动机保护。ZINVERT系统的控制系统配置过流、过压、欠压、失速、过负荷等保护。ZINVERT系统的控制系统对于逆变控制装置，设置过流、过压、欠压、过负荷、过温、接地、辅助电源掉电、通信控制时效保护等系统功能。工频运行时配置电动机综合保护，容量大于2MW的配置电动机差动保护；采用ZINVERT进行变频改造，运行于变频方式无需更改原保护的整定值、无需增加或更改保护配置。4.3 ZINVERT系列高压变频调速系统使用要求及设计选型注意事项4.3.1电动机的保护采用Zinvert系列高压变频调速系统进行变频调速改造的原电动机进线开关的电动机保护在变频投入时除一侧电流采自开关柜的纵差保护需退出外（两侧电流采自电动机就地定子两端的视保护构成的原理可不拆除）不必有任何变动，Zinvert系列高压变频调速系统控制器内置电动机过载、速断、过流、不平衡、接地等保护，比原保护配置更灵敏、可靠，运行现场可按需要对控制器的保护值进行修正以保证电动机安全运行。4.3.2负载装置的机械共振点Zinvert系列高压变频调速系统的输出频率变化在1Hz-50Hz，在此频率范围之内运行可能会由于负载装置的固有机械共振点造成负载的谐振，为了保证设备安全，在现场调试中发现有谐振段时请正确使用参数设置中的最多三个跳跃频率点以避开该共振频段（具体操作详见产品用户手册）。4.3.3改善功率因数的电力电容与浪涌吸收用的压敏器件Zinvert系列高压变频调速系统的输入谐波小、功率因数高，因此无需外加此类设备，同时由于变频器的输出为电压型SPWM 调制波，如果用户在电动机的进线并联有改善功率因数的电力电容或浪涌吸收压敏电阻等设备，请注意在变频器的输出侧不允许接有上述设备，投入运行前务必拆除，否则可能造成变频器故障跳闸或器件的损坏。4.3.4额定电压值以外的使用变频器不适宜在输入电压超过允许偏差值的情况下使用，因为这时可能引起元件损坏。如果输入电压确实偏高请停止使用变频器；在输入电压低于允许偏差值时允许降额使用，输入电压太低时变频器自动停止工作。4.3.5雷电冲击保护由于变频器是一种高价值的设备，虽然内部设置有雷电保护装置，但为了保险起见请用户自行设置外部避雷网与避雷设施。4.3.6海拔高度与降额使用在海拔高度超过1000 米时由于空气稀薄会引起绝缘下降及散热效果下降，因此变频器必须降额使用，技术条件另行协商的设备除外。海拔高度与变频器输出的关系见下图：4.3.7散热设计为了使变频器能长期稳定和可靠地运行，对变频器的安装环境作如下要求：最低环境温度-5，最高环境温度40，工作环境的温度变化应不大于5K/h。针对现场海拔高度对变频器影响示意图的不同环境，我们有三种散热方案：加装风道、加装空调或安装水空冷装置：对于现场环境清洁，空气中灰尘少、环境温度满足设备运行温度要求的可采用风道散热设计：在机柜上面安装风道，将变频器