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4 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4.2 ZINVERT系列智能高压变频调速系统功能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5 ZINVERT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：P Q H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:Q2 Q1 n2(1)n1H 2 H1 n n2(2)2 1n1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H2×Q2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HB×Q2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20％～50％. 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0.8 －0.9. 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：备备备备备备用用用用用用用用用用用用标准接口信号说明：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4～20mA电流源控制变频器输出频率远方控制就地控制高压合闸允许跳闸信号（至开关）跳闸信号（至DCS）轻故障信号重故障信号运行状态停止状态变频状态工频状态待机状态AC250V/5AAC250V/5AAC250V/5AAC250V/5AAC250V/5AAC250V/5AAC250V/5AAC250V/5AAC250V/5AAC250V/5AAC250V/5AAC250V/5A开关量输出(4~20mA)(0~10V)(4~20mA)(0~10V)(4~20mA)(0~10V)RS485断路器状态信号输入电机电流信号输出输出频率信号输出频率控制信号输入通信接口（可选）+220V启动停止急停消音高压变频调速控制系统b c n AC400V/10KVADC220V/1kW散热风机交流电源控制器系统直流电源控制与测量光纤通信至断路器高压电缆至高压电机连接电缆(U1,V1,W1) UVW a外部控制输入控制设计说明：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 ZINVERT －A9H630/10Y 4060 1200 2500 5010 自动ZINVERT －A9H630/10Y5260 1200 2500 5510旁路柜 变压器柜 控制柜DH4 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。
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：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 A1～An,B1 ～ Bn.C1～ Cn ）并辅以控制构成。
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 功图功率单元外观图 2 功率单元电气图 3 功率单元输出波形率器件 .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。
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。
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。
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。