1 引言
隨著我國工業的快速發展，變頻器的使用越來越廣泛。高壓交流變頻調速技術是上世紀90年代迅速發展起來的一種新型電力傳動調速技術，主要用于交流電動機的變頻調速。目前高壓電動機中拖動的負載近70%是風機、泵類，其中一半適合調速。從高壓變頻器的一般使用情況來看，平均節電率可達30%，在技術改造項目中，高壓變頻器的投入和使用，其節能效果是顯而易見的。高壓變頻器經過多年的現場運行證明，它用于驅動風機、泵類設備節電效果顯著，性能穩定、可靠性高。既節約了能源，又滿足了生產工藝要求，且大大減少了設備維護、維修費用，直接和間接經濟效益十分顯著。變頻調速以其顯著的節能效益、高精確的調速精度、寬的調速范圍、完善的保護功能，以及易于實現的自動通信功能，得到了廣大用戶的認可和市場的確認，在運行的安全可靠、安裝使用、維修維護等方面，也給使用者帶來了極大的便利和快捷的服務，使之成為企業采用電機節能方式的首選。
2 改造方案
過去冷卻水循環水泵均不調速，利用出口閥門開度大小來控制水流量和管網壓力，由于設備的選擇都是按最大負荷情況來選型，在實際運行中設備留有較大的裕量，冷卻循環水的流量與壓力是通過冷卻循環水泵出、入口管上的調節閥來進行調節，造成電動機運行效率較低，電能浪費大。為降低企業生產成本，經過調研與比較，反復論證，決定選用上海衛能能源科技有限公司生產的znr系列智能高壓變頻器對d#空分a#、b#、c#3臺循環水泵進行變頻調速節能改造，以解決能源浪費問題。znr-a6h1250/06ya10型智能高壓變頻器，額定電壓為6kv，額定容量為1250kva，6級h橋級聯拓撲方式，適配電機為異步電機，采用“一”字排列安裝形式，控制程序版本為a10型。
d#空分循環水系統要求運行可靠性高，為了充分保證系統的可靠性，考慮到變頻調速系統退出運行后不影響生產，確保循環水系統正常運行，結合實際運行狀況，設計為變頻器加裝工頻旁路裝置，當變頻器因故障時，變頻器退出運行，可將電機直接手動切換到電源工頻情況下運行，恢復到原有系統的運行方式。
3 系統的配置與工作原理
znr系列智能高壓變頻調速系統的主體結構“一”字布置，由旁路柜1面、變壓器柜1面、功率逆變柜和控制柜1面、連接電纜1套等組成，其中功率柜與控制柜合1。
旁路柜：根據需要選用，該組件在系統故障情況下將電機切換至工頻電網，執行旁路功能。
變壓器柜：裝有移相整流變壓器，為各個功率單元提供交流輸入電壓。
功率柜和控制柜：裝有模塊化設計的多個功率單元級聯式的逆變主回路，向電機提供變頻后的輸出電壓。裝有主控部件，控制變頻調速系統的工作并處理通過采集獲得的數據，具備各類數據通信和dcs控制接口功能。
高壓變頻系統配備旁路柜，工頻旁路由2個高壓隔離開關k1、k2組成，其中qf為用戶高壓開關柜原有高壓斷路器。變頻運行時，k1和k2閉合，切換k2至變頻運行位置；工頻運行時，k1斷開，k2閉合，切換k2至工頻運行位置。當高壓變頻調速系統出現故障時，控制器自動跳開qf，操作員打開k1，切換k2至工頻運行位置。可將電機轉切至工頻運行，此時變頻調速系統從高壓中隔離出來，便于檢修、維護和調試。為了實現變頻器故障的保護，高壓變頻器對6kv開關qf進行聯鎖，一旦變頻器故障，變頻器跳開qf，工頻旁路時，變頻器允許qf合閘，撤消對qf的跳閘信號，使電機能正常通過qf合閘工頻啟動。循環水泵變頻調速節能改造主回路電氣原理圖如圖1所示。
znr系列智能高壓變頻調速系統具有強大的自動控制和通信功能，高壓變頻裝置投運后，電機運行方式以變頻運行為主，裝置具備手動旁路功能，在變頻裝置出現故障后，可以旁路工頻運行。高壓變頻裝置現場電控箱可以實現變頻器的啟動、停止，具有運行、停止指示，具有電機電流、電機轉速顯示，可以根據負荷情況調節現場電位器改變變頻器輸出頻率，以調節電機轉速。工藝dcs控制室具有電機運行電流指示，運行狀態顯示，故障跳閘顯示，并具有dcs手操急停功能。高壓變頻裝置本身具有功能完善的各項保護，電源斷路器引入高壓變頻裝置保護連鎖，在變頻裝置不具備運行條件時電源斷路器不能合閘，同時在高壓變頻裝置故障跳閘后聯跳電源斷路器。循環水泵變頻調速節能改造控制回路電氣原理圖如圖2所示。
4 循環水泵變頻調速節能分析
當采用變頻調速時，可以按需要升降電機轉速，改變水泵的性能曲線，使水泵的額定參數滿足工藝要求，根據水泵的相似定律，變速前后流量、壓力、功率與轉速之間的關系為：q1/q2=n1/n2；h1/h2=（n1/n2）2；p1/p2=（n1/n1）3。其中：q1、h1、p1—水泵在n1轉速時的流量、壓力、功率；q2、h2、p2—水泵在n2轉速時相似工況下的流量、壓力、功率。假如轉速降低一半，即：n1/n2=1/2，則p2/p1=1/8，可見降低轉速能大大降低軸功率達到節能的目的。當轉速由n1降為n2時，水泵的額定工作參數q、h、p都降低了。但效率值基本是一樣的。也就是說當轉速降低時，額定工作參數相應降低，但效率不會降低。
因此在滿足操作要求的前提下，水泵仍能在同樣甚至更高的效率下工作。降低了轉速，流量就不再用關小閥門來控制，閥門始終處于全開狀態，避免了由于關小閥門引起的壓力損失增加，也就避免了總效率的下降，確保了能源的充分利用。工頻50hz電網直接啟動，對電網和機械沖擊較大，聲響很大，啟動一次的損耗電能高。而變頻軟起動損耗很小，只有上述損耗電能的1/10，則每年的起動節能也是很可觀的。當采用變頻調速時，50hz滿載時功率因數為接近1，工作電流比電機額定電流值要低許多，這是由于變頻裝置的內濾波電容產生的改善功率因數的作用，可以為電網節約容量20%左右。
5 循環水泵參數和工況
d#空分3臺循環水泵的參數相同，水泵為濟南奔騰泵業有限公司生產btow600-710型，額定轉速970r/min，效率85％，供水6000m3/h，揚程50m。拖動循環水泵的3臺電動機為ykk5603-6型，額定功率1120kw，額定電壓6kv，額定電流124.6a，功率因數cos=0.87，額定轉速992.2r/min，f級絕緣，繞組y接，哈爾濱電機廠有限責任公司生產。
a#、b#、c#、d#、e#5臺循環水泵采用閉式循環水系統，補給水經化學弱酸陽離子交換器處理后的軟化水。循環水泵采用單元制供水系統，即每臺機組配1座冷卻塔，1條壓力循環水管，1條雙孔自流水溝和1臺循環水泵。冷卻水塔采用風筒式逆流自然通風冷卻塔，通風筒為雙曲線旋轉殼。在循環供水系統中，是由循環水泵實現水資源的循環利用的。經熱交換后的熱水進入冷卻設施進行冷卻，使其水溫降至允許值，然后又重復將冷卻水輸入冷卻器而循環使用，由于系統水位基本上是穩定的，故循環水泵的揚程也基本穩定，而其容量按計算水量確定。循環水泵隨機組長期連續運行，由于機組負荷經常變化，需要及時調整循環水流量，以保證機組的安全經濟運行。在正常運行工況，5臺循環水泵運行3臺，另2臺循環水泵備用。即使在同一負荷的情況下，不同的外部環境也使得循環水流量的需求不同。利用高壓變頻器根據實際需要對循環水泵進行調速控制，從而既保證和改善運行工藝，又可達到節能降耗的目的。
znr系列智能高壓變頻調速系統正式投入運行前，應仔細檢查廠家給出的znr智能高壓變頻調速系統控制器功能基本參數所述內容是否都正確設置了，并對znr系列智能高壓變頻調速系統控制器功能參數進行設置。
6 改造前后運行情況
本次只對5臺并聯水泵中的3臺進行改造，正常運行工況為3臺變頻。由于季節及晝夜溫度的差別使得變頻系統的運行有著特殊性，管網總出口的壓力取決于2臺并聯水泵各自的出口壓力，從而決定了變頻泵不可能在太低的頻率下運行，否則會引起倒流或不出水的情況。另一方面，太低的頻率會導致整體壓力下降，達不到循環水系統總體的揚程要求，處于工頻定速運行的水泵也易導致過流發生。根據以往的運行實踐經驗，在工頻泵與變頻泵同進運行的情況下，應使變頻泵最低的頻率保持在38hz以上，在變頻泵單獨運行時，變頻器可以根據需要在5-45hz范圍內調節（變頻泵調節的頻率必須滿足水泵出口壓力最低要求），這樣可以滿足運行需要，同時可對出水量進行連續的調節。
⑴工頻（50hz）運行時，輸入電壓6kv，輸入電流數據為：
3月27日14:30輸入電流103.8a；
3月27日21:35輸入電流106.4a；
3月28日08:00輸入電流105.2a；
3月28日21:00輸入電流104.8a；
3月29日06:25輸入電流104.1a；
工頻運行時，平均電流i1=104.86a，功率因數cosφ1=0.85。
⑵變頻運行時，輸入電壓6kv，運行頻率和輸入電流數據為：
3月27日11:00頻率41.55hz，輸入電流67.5a；
3月27日12:00頻率41.55hz，輸入電流67.6a；
3月27日13:00頻率41.55hz，輸入電流67.7a；
3月27日14:00頻率41.55hz，輸入電流67.7a；
變頻運行時，平均電流i2=67.63a，功率因數cosφ2=0.98。
7 改造效果
7.1 變頻改造前、后的節能計算
假如全年運行時間為330天，根據本廠的上網電價，可知變頻改造后每年節省用電=（i1cosφ1-i2cosφ2）×6×1.732×24×330=1449434kw·h。每年節省電費= 1449434kw·h×0.5元/kw·h=72.5萬元。由41hz運行計算知，每年可以節電約1449434kw·h，節省電費約72.5萬元，不到2年時間就可收回全部投資。變頻運行時節電率達到40%。據統計設備運行頻率在35hz就可以達到工藝要求的出水壓力，而春冬秋三個季節設備完全可以在35 hz運行，故節電率可達到50%左右。
7.2 其它效益分析
（1）電源側功率因數提高。原電機直接由工頻驅動時，功率因數為0.8～0.86，采用高壓變頻調速系統后，電源側的功率因數可提高到0.95以上，可減少大量無功功率，進一步節約了上游設備的運行費用。
（2）循環水泵采用變頻調速后，由于通過降低電機水泵轉速實現節能，電機、水泵轉速降低，管網壓力降低，輔助設備如軸承、閥門等磨損大大減輕，設備運行與維護費用下降，維護周期可加長，設備運行壽命可延長。
（3）采用高壓變頻調速后，電機實現了軟啟動，啟動電流不超過電機額定電流的1.2倍，避免了全壓啟動對電網和電動機的沖擊，降低了電動機的故障率，延長了電動機使用壽命，維護周期增長，電機檢修費用可大幅降低。
8 結束語
設備改造工程于2008年11月完成，高壓變頻器一次試車成功，運行正常，運行頻率在40hz左右，保證了循環水的正常溫度。循環水泵在采用znr智能高壓變頻調速系統進行變頻技術改造后，取得了明顯的節電效果，并獲得很好的經濟效益和社會效益，為電廠高壓電機的節能改造積累了豐富的經驗。高壓變頻調速器的大面積的采用，將大大促進廠用電率的降低。高壓變頻調速器的現場運行證明，它用于驅動風機、泵類設備節電效果顯著，性能穩定、可靠性高。既節約了能源，又滿足了生產工藝要求，且大大減少了設備維護、維修費用，直接和間接經濟效益十分顯著。