水处理系统高压变频器的选型设计和应用-专业论文-自动化应用案例

水处理系统高压变频器的选型设计和应用

发布日期：2018-08-24 来源：《变频器世界》6期作者：郭培志王寅仲杨平浏览次数：23698

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【摘　要】：本文阐述了高压变频器的选型设计要点，并通过高压变频器在水处理反渗透系统高压泵中的应用，整个变频调速系统运行稳定，满足了水处理系统大功率电气设备在节能降耗、调节控制上的要求。

关键词：反渗透系统；高压变频器；旁路系统；节能

Abstract: This paper describes the main points of the type selection and design of high voltage frequency convertor, and by the application of high voltage frequency convertor in the high pressure pump of water treatment of the reverse osmosis system, the whole frequency conversion speed control system runs steadily, which meets the requirements of energy saving and regulation and control of the large power electrical equipment of the water treatment system.

Key words: Reverse osmosis system; High voltage frequency convertor ; Bypass system; Energy saving;

【中图分类号】TE08 【文献标识码】B 【文章编号】1561-0330（2018）06-0000-00

1 引言

随着国家对工业生产节能降耗、调节控制的要求越来越高，大功率设备如高压大功率水泵电机是工业生产中的耗电大户，利用高压变频器可以大幅降低能耗和生产成本，提高产品的质量。作为高价值的电气设备，高压变频器和低压变频器有着很大的不同，在工程项目设计选择低压变频器时，一般根据负载的类型、负载电压等级和功率，就能快速选择对应的低压变频器；而对于高压变频器的选型设计就比较复杂，需要考虑较多的因素，所以选择适合现场需求的高压变频器，在实际应用中显得越来越重要。

2 水处理反渗透系统简介

在巴基斯坦某电站给水处理系统项目中，为了使反渗透装置能够满足不同工况下的出水水质及产水量需求，在系统前端设置了反渗透给水泵为整套装置供水，在反渗透给水泵后设置有高压泵，一般情况下反渗透给水泵的出力是恒定不可调节的，为了防止反渗透装置进水时产生“水锤”现象，影响反渗透系统膜元件的使用寿命，同时整个反渗透系统的产水量都是通过调节高压泵出力来实现的，因此，在水处理反渗透系统应用中，高压泵一般设置为变频控制。

3 高压变频器选型设计

在工业生产选型设计大功率高压变频器，主要考虑以下几个方面：

3.1高压变频器输出电流

高压变频器一般按照负载电机电流来选择变频器，高压变频器的额定输出电流大于等于电机电流即可，对于特殊负载可按电机额定电流的1.25倍来选择高压变频器，即高压变频器的输出电流大于等于电机电流的1.25倍。不同品牌的高压变频器，相同电流输出的高压变频器有不同的形式，其区别在于其移相变压器的容量不一样，移相变压器容量大的高压变频器具有可靠性高、过载能力大的特点，但价格也相对略高。

3.2高压变频器整流脉冲数

高压变频器的一个重要参数是整流脉冲数，一般为18、24、30、36、48，整流脉冲数越高，对应的功率单元数量也越多，其成本也越高，变频器输出正弦波波形越完美。但整流脉冲数超过36相后，谐波电流幅值降低不显著，所以从成本和使用考虑，整流脉冲数为36的高压变频器基本满足使用。

3.3高压变频器散热问题

高压变频器在正常工作时，热量来源主要是移相变压器、功率单元、控制系统等，其中作为功率单元主电路电子功率器件和功率柜的散热与通风设计最为重要。高压变频器的发热量有理论计算公式，一般高压变频器额定运行时，发热量约为系统额定功率的4%。以280kW的高压变频器为例，其散热量功率为280kWx0.04=11.2kW，这些热量如果全部排放到室内，将会使房间温度迅速升高，影响变频器的正常运行。如果房间内装设空调，以通常1.5匹空调制冷量3486W计算，若要满足降温需求，至少配置4台1.5匹空调，这就大大增加了投资成本。在高压变频器设计基础条件提资时，可以在机柜上方安装风道，将变频器产生的热量通过风道直接排至室外，由变频器的进风口不断补充冷风，对系统进行冷却，加装风道实现高压变频器冷却是最经济的办法。

3.4高压变频器内部单元旁路

高压变频器基本都能实现内部单元旁路功能，即在每相回路热备一个功率单元模块，实现N+1备用，如果一组功率单元模块故障，内部单元旁路自动切除故障的功率单元模块，投入热备的功率单元模块；如果两组功率单元模块出现故障，一般需要手动切换至外部工频旁路运行。但有一些高压变频器，其两组功率单元模块出现故障后，通过调节功率单元的移相角恢复输出平衡，这就要求功率单元的输出电压值可调，对功率单元元器件性能要求较高，但性价比不高。

3.5高压变频器手动旁路

高压变频器通常采用单元机组一拖一手动旁路方式配置，即单机配备一台高压变频器，通过切换高压隔离开关把高压变频器切换到工频电源上去。高压变频调速系统结构图如图1所示。

手动旁路柜主要是由3个高压隔离开关组成，为了确保不向变频器输出端反送电，QS21与QS22采用一个双刀双掷隔离开关，实现自然机械互锁。当QS1、QS22闭合，QS21断开时，电机变频运行；当QS1、QS22断开，QS21闭合时，电机工频运行，此时变频器从高压中隔离出来，便于检修、维护和调试。

手动旁路柜与上级高压断路器QF连锁，旁路柜隔离开关未合到位时，不允许QF合闸；QF合闸时，绝对不允许操作隔离开关，以防止出现拉弧现象，确保操作人员和设备的安全。

合闸闭锁：将变频器“合闸允许”信号与旁路柜“工频投入”信号并联后，串联于高压开关（断路器QF）合闸回路。在变频投入状态下，变频器故障或不就绪时，上级高压开关合闸不允许；旁路投入状态时，合闸闭锁无效。

故障分闸：将变频器“高压分断”信号与旁路柜“变频投入”信号串联后，并联于高压开关分闸回路。在变频投入状态下，当变频器出现故障时，分断变频器高压输入；旁路投入状态下，变频器故障分闸无效。

以上变频器及旁路功能联锁保护是必须的，不是简单的手动旁路操作，有电气也有机械的互锁。

4 高压变频器应用

该项目因系统水量较大，共设有7套反渗透装置，单套装置出力为300m³/h，为达到额定出水量及水质要求，经工艺计算反渗透高压泵配套电机功率为335kW，考虑到系统需要预留一定的余量，最终选择的电机功率为355kW。经查询一些变频器厂家样本，355kW电动机一般需要配套400kW的变频器。7套反渗透装置设计为6用1备，正常情况下有6套反渗透装置在运行，如6套反渗透装置均工作在额定工况下，6台高压泵所需的功率即为355×7=2485kW，再加上给水泵以及除反渗透装置以外的其他子系统用电负荷，系统变压器容量极大，这给水处理系统配电带来极大的不稳定性。因整个工程项目电压等级为400V和6kV，在相同功率下，6kV电压等级与400V电压等级相比，有着对电网影响小、运行电流小等优势。为了降低变压器容量和减少高压泵启动时对反渗透系统用电负荷的冲击，选择设计采用6kV电压等级的高压变频器。

根据本项目情况，水处理反渗透高压变频器选择广州智光Zinvert-A6H500，额定电压为6KV ，额定容量为500kVA，采用6级H桥的级联拓扑方式（整流脉冲数为36），适配电机是异步电机。由于大功率设备在给水系统中显得极其重要，为了系统运行的可靠性、安全性，反渗透高压泵高压变频器设置了手动旁路，以保证变频器在出现故障且短时间无法恢复的情况下，能够通过手动旁路暂时性代替变频器在检修这段时间内的工作。整个高压变频器系统包括：变压器柜（干式隔离变压器）、功率柜及控制柜（功率单元及控制系统）、旁路柜（手动旁路系统）、两端连接设备的动力电缆和控制电缆等，如图2所示是反渗透高压泵高压变频器主系统图。