高压变频器+智能PID调节器实现生产水系统恒压供水

高压变频器+智能PID调节器实现生产水系统恒压供水

曹保峰

曹保峰（中国铝业股份有限公司中州分公司河南焦作454174）

摘要：通过采用高压变频器在生产水系统的技术改造，并引用PID控制技术，提高了生产水系统自动控制水平，实现了恒压供水，达到节能降耗的目标。

关键词：生产水系统；高压变频；PID控制；恒压；节能

引言随着我公司运营转型工作的深入开展，为进一步做好企业节能降耗挖潜工作，按照转型速赢项目方法对公司生产水系统水泵类设备运行工况进行了调查，发现目前水泵实际运行效率不高，其主要原因是水泵的调速性能差；运行点远离水泵的最高效率点；高低压泵组均通过调整阀门组开度来保证出口流量与压力稳定，尤其是生产水高压泵组阀门开度在20—30%之间，造成大量能耗浪费在节流的阀门组上；由于生产工艺生产水流量变化需要频繁的启停，不但对设备稳定运行造成影响同时也造成能源浪费。据调查，目前运行的水泵裕度为20%-30%，压力裕度为15%-25%，这是因为在设计过程中，很难准确地计算出管网阻力，并考虑到长期运行过程中可能发生的各种问题，通常总是把系统的最大流量和压力富裕量作为选择风机型号的设计值。

1.高压节能设备选型和供水车间技术沟通、了解工艺要求后决定对3#高压生产水泵实施变频改造。本着不增加设备投资，将闲置高压变频器再利用的理念，我们选用原4#锅炉排粉机变频器（由于其实际运行频率接近工频，没有调节空间，故闲置）北京合康亿盛科技有限公司的HIVERT系列高压变频器，该设备是一种高效节能的交流调速传动设备，广泛适用于各种风机泵类负载，减少了电网的谐波污染，不存在因谐波引起的电机发热、转矩脉动、噪音、共模电压等。

2.手动旁路柜配置变频系统旁路方案说明：变频运行时：断开QS21，闭合QS1和QS22；工频运行时：断开QS1和QS22，闭合QS21；旁路作用：当变频装置工程检修时，可手动操作刀闸，形成明显断电点，能够保证人身安全；当变频装置出现故障时，也可手动操作刀闸，将变频装置隔离，使负载在工频电源下正常运行，保证生产的安全、持续的运行。

手动旁路柜元器件选型说明：隔离开关QS1选用GN19-10400A/12.5系列单投，QS2.3双投户内高压隔离开关，相间距为210mm；单投隔离开关的进线端的三个绝缘端子为高压带电显示装置HL1.2的三个传感器SQ1.2。

照明灯为柜门式照明灯。

避雷器采用三相组合式。

旁路柜有外加输入、输出端子和带电、工频、变频指示。

3.高压变频器原理（以6KV为例）3.1高压变频系统HIVERT系列高压变频器采用交-直-交直接高压（高-高）方式，主电路开关元件为IGBT。(普通变频器)由于IGBT耐压所限，无法直接逆变输出6kV、10kV，而因开关频率高、均压难度大等技术难题无法完成直接串联。HIVERT变频器采用功率单元串联，叠波升压，充分利用常压变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。

隔离变压器（以下简称主变压器）采用干式结构，强迫风冷。变压器原边为Y型接法，直接与高压相连。副边绕组数量依变频器电压等级及结构而定，3kV系列为9个，6kV系列为15(18)个，10kV系列为27个，延边三角形接法，绕组间的相位差由下式计算：60°移相角度=———————每相单元数量为每个功率单元提供三相电源输入。

由于为功率单元提供电源的变压器副边绕组间有一定的相位差，从而消除了大部分由单个功率单元所引起的谐波电流，所以HIVERT变频器输入电流的总谐波含量（THD）远小于国家标准5%的要求，并且能保持接近1的输入功率因数。图2.2为6kV系列（每相五个单元串联）输入电流实录波形，几近完美的正弦波。

图2.2输入电流波形变频器输出是将多个三相输入、单相输出的低压功率单元的输出串联叠波得到。

3.2控制系统控制器由三块光纤板，一块信号板，一块主控板和一块电源板组成，各板之间通过母线底板连接，如图2.11所示。光纤板通过光纤与功率单元传递数据信号，每块光纤板控制一相的所有单元。光纤板周期性向单元发出脉宽调制（PWM）信号或工作模式。单元通过光纤接收其触发指令和状态信号，并在故障时向光纤板发出故障代码信号。信号板采集变频器的输出电压、电流信号，并将模拟信号隔离、滤波和量程转换。转换后的信号用于变频器控制、保护，以及提供给主控板数据采集。

4.系统调试中的问题及解决办法4.1PID控制调节仪调试在对PID控制调节仪调试前，首先检查调节仪电源、输入、输出接线拆除，在1#、5#端子上接入4~20ma模拟信号（信号发生器）、在22#、23#端子上接入万用表（ma档）。调节信号发生器分段增加模拟量，同时查看PID控制调节仪管网压力值和万用表上所测到的PID控制调节仪输出模拟量。并绘制出两者对应关系图。

4.2高压变频器调试在高压变频器通电之前，对进线变压器进行耐压实验，可分三次以上不同的时间进行，完成之后，才能对高压变频器通电进行调试。

调试时的速度由变频器直接输出，从10%到100%的额定速度，分段进行速度给定（本地给定），这期间注意高压变频器及电机等设备运行情况。当运行正常后，即可开始带负荷运行，速度也是由10%到100%的额定速度给定分阶段进行升、降速。在此阶段必须调节好高压变频器的升、降速时间，不能过快，否则变频器会报故障而停机，甚至会烧坏IGBT模块。

在完成本地给定调试正常后，转入PID控制带负荷试车。由操作工配合启动3#生产水泵，启动后检查变频器组及电机运行正常，逐渐关小运行中的生产水泵出口阀门，观察3#生产水泵PID调节仪上管网压和变频器反馈频率指示变化，应操作工要求调整PID控制调节仪的响应速度，直到合适为止。

5.改造受益5.1节能分析(1)通过改造前后对比分析，发现在以下几个方面我们得到了受益：（1）原工频运行的电机起动时会出现较大的冲击电流，采用变频节能技术后，可以使电机起动时电流平缓上升，没有任何冲击。另外，大功率电机停机时会产生很大的反生冲击电流，对设备造成一定程度的损害，采用变频节能技术后，可使电机实现软停，避免反生电流造成的危害，有利于延长设备的使用寿命。

（2）采用变频节能技术后，可通过调节电机转速来调节水量及压力大小，从而精确控制水量及水压。

（3）采用了变频节能技术后，可将水泵阀门全开，降低管网阻力。

（4）通过调整电机的转速来调整水量，节省了大量的电能。

（5）采用了PID控制加变频节能技术，实现了恒压供水，降低了操作工的劳动强度，无需人工频繁调整。

5.2效益分析根据安装高压变频节能设备加PID控制使用后供水车间统计，每年可节约用电1078.64万度，节约电费24万元。以上数据均为每天24小时，每月30天，电价按0.65元/KW.H计算。

参考文献：[1]吴忠智.变频器应用手册〔M〕机械工业出版社2004[2]竺伟，陈伯时.高压变频调速技术[J].电工技术杂志1999（3）[3]合康变频用户手册