1．概述
变频器不仅能够节约大量能源，而且可以解决生产工艺上能源的合理可靠应用，近几年我单位因工艺和节能需要，新上了不少高低压变频器，而在我公司水处理中心泵站新上的1台北京合康公司生产的10kV高压变频器，在节约能源和稳压控制上起到了关键作用，满足了轧钢生产对水压的需求。该项目在设备选型以及电气设计中可以作为一个典型的事例。
2．改造对象的描述
该泵站有两台水泵机组（一用一备），共用一个母管向轧钢不间断供高水压冷却水。该水泵机组的电机采用高压10kV、710kW普通电机，两台分别接在不同母线段上；两台水泵的开、停由值班人员根据生产调度的要求进行正常的开、停泵操作；该水泵机组的母官水压要求为1.2Mpa，流量1100m3/h左右；但由于用户用水情况不稳定，经常产生突变，流量变化为100m3/h—1300m3/h，这样该泵组的水压变化很大，母管压力太高时都可能出现超压力，值班人员紧急通过调整出水阀门开度来控制母管压力，水泵内部的压力就更高，这样造成能源大量浪费，而且这种情况容易造成水泵和母管的损坏，特别是母管上的卸压阀动作频繁经常损坏每年维修费用就在20万元以上。由于用户的用水变化的特点无法改变，因此只有用变频调速以满足用户供水的要求，同时使供水设备安全、稳定运行。
该中心泵站高压水泵电机变频改造范围为1#机和2#机，采用一拖二方式进行变频改造。电机参数如下：
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型 号：Y500-4
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额定功率：710kW
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额定电压：AC10kV
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额定电流：49.6A
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额定转速：1484rpm/min
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频 率：50Hz
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绝缘等级：F
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功率因数：0.87
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接 法：Y
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冷却方式：IC01
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3．变频改造方案说明
高压变频器应满足该泵站两台电机变频改造的技术要求，变频器采用一拖二带旁路方案，变频器可分别带1#或2#电机，当变频器出现故障时，可自动切换到另一台电机工频旁路运行。高压变频器基本要求如下：
1） 要求直接高压的高高变频器；
2） 要求变频器整流脉冲数在18脉冲以上（含18脉冲整流）；
3） 如果带隔离变压器要求一定为干式变压器；变压器尽量在变频柜内布置。
4．对于变频改造的基本要求
按照改造要求，电机变频将采用如下控制方式：
1）一套变频器装置通过切换可以分别控制两台电机，即变频器可在1＃、2＃电机之间手动切换运行。变频器两台出线开关之间、工频开关之间以及工频与变频开关之间具有完善的硬接线闭锁功能。
2）当变频器出现故障，自动切换到工频旁路运行，保持生产的连续性，同时切换动作报警信号送监控后台。
3）变频器频率可在0—50Hz范围内调节。变频器单独设置高精度PI调节功能，4~20mA压力信号直接来自现场总管压力变送器的4~20mA压力信号，自动调节变频器转速达到恒压闭环控制水管压力的要求。
4）变频器电源柜、工频柜、变频出线柜间的启动停止及闭锁等逻辑需进入现场已有的PLC监控后台。
5）可在变频器操作键盘上方便地实现电机的启停、速度给定及参数调整等。
6）在操作室PLC后台系统中可以对变频器的压力、电流、转速、起/停等进行监控。
7）变频器故障、保护动作、自动切换等需在监控后台进行报警显示。
8）系统零速至全速起动时间不大于10s
9）变频器输入输出达到完美无谐波，谐波分量完全满足GB/T14549-93国标及IEEE519-1992国际标准的要求。
10）功率因素可以达0.95以上，效率可达97％以上（含输入隔离变压器）。
11）控制电源：两路交流电源互为备用+UPS电源，大大提高控制电源可靠性。
12）正常电压波动范围：10.5kV±10%。
5．电气设计几点注意事项
1）地刀问题
大多数高压变频器均为改造项目，原工频回路的开关柜均为已有，且原开关柜均已加装地刀。在变频器改造中将该地刀取消拆除，否则容易造成误操作而发生事故。工频柜地刀是与本柜断路器实现电气和机械联锁的，与新增加的变频柜不实行联锁，在电机处于变频运行状态时，工频柜下柜是带电的，因此地刀必须处于断开位置。特别是在变频器调试前是非常值得关注的安全问题，最可靠的办法是将该地刀拆除，以彻底杜绝误操作事故的发生。
2）联锁问题
对于高压变频器一拖二的方案，整个变频系统上的开关柜必须采取联锁保护，采取的联锁措施如下：
1#机变频出线柜断路器3DL和工频回路断路器1DL之间的联锁；
2#机变频出线柜断路器4DL和工频回路断路器2DL之间的联锁；
变频器输出断路器3DL和4DL断路器之间的联锁；
整个系统确保只能由一路电源给电机供电，并保证工频电源不会倒送至变频器输出端造成变频器功率器件的损坏。为确保断路器之间的联锁能够可靠，必须通过试验手段来检验。
3）保护设置问题
新订购的两台变频器出线柜即3DL和4DL柜均加装了微机保护装置，该两台装置的保护功能均设置为退出，该保护装置的主要功能为采集电流和控制断路器分合闸使用，为何采用退出该保护功能设置，主要从保护变频器本身着想。如果在变频运转状态该变频出线开关先于变频器或变频电源柜跳闸，由于功率的突然变化，会导致变频器因负荷IΔ量的突然变化而造成功率单元损坏。因此只需在变频器本身及其电源柜设置相应的速断和反时限保护即可满足要求。而工频柜的保护设置则与此相同。
4）保护设置引伸问题：
当变频器出现故障时，在控制回路中设计为变频器本体输出一副变频器故障信号接点到变频器电源柜5DL的跳闸回路中去，然后通过5DL常闭接点到变频器出线柜3DL或4DL的跳闸回路中去，先将5DL再将3DL或4DL跳闸，这时启动工频旁路自投回路，将1DL或2DL合上，以保证电机的连续运转。但当变频器输出电缆或所带电机出现故障时，变频器检测到故障后同样输出相同的一副变频器故障信号接点，这时变频器检测不出是内部故障还是区外故障，以上的动作逻辑要照样执行，最后用工频回路的保护将故障切除掉。造成的损害就是发生故障的电气点再次发生短路。这是我们所不希望的，但从保护变频器的角度来看只能如此。
有一种情况是另外，就是有冷却油循环的离心风机上。如果变频运转状态下的离心风机突然接受油压油温等仪控信号，必须立即跳闸，否则容易对风机造成损坏，严重的甚至造成烧机现象。因此在该类型的风机变频自投切转工频回路的设计上，考虑当有油压油温等仪控信号出现时，实行彻底停机或自动启动备用风机的设计思想。我们采取的设计方案是彻底停机的方案，在工频自投的合闸回路中串一副仪控信号的常闭接点，当油站正常时，接点闭合，合闸回路通路；当有仪控信号出现时接点打开，自投切不成功，同时将信号送PLC后台进行报警显示。在改造中这一点往往是容易被忽视的。
5）变频器风扇控制电源设计问题
高压大功率机电设备的电流大，温升较高，必须对功率元器件进行良好的通风散热，但通风和防尘又是一对很难解决的矛盾。
因受环境的影响较大，需要保持在一个干燥以及适当温度的环境下运行，为此我们在变频器附近安装了一台空调来保证变频器的运行环境。但当变频器运行在一个湿度较大的环境，必须慎重考虑变频器冷却系统的电源设计。常规设计采用双路电源接入，两路电源能够实现自动切换功能，当一路电源失电另一路能够自动投切上去，在电源输出回路同时加装一定容量的UPS电源。并在变频器的操作步骤上，必须明确规定，在变频器运行前和停运后均必须将风冷系统运行10分钟以上，以避免变频器内部忽冷忽热而形成淋露，造成单元的损坏。
6）自动投切问题
钢铁企业生产是连续性，不容许有停机的情况发生，否则会造成很大的损失，甚至发生安全事故，因此为保证所带电机的连续运转，应设置自动投切功能，在变频出故障的情况下能自动投切至工频状态运行。但自动投切不能采用瞬时投切，而应该躲开电动机停机后产生的自感电动势，选择在电磁衰减基本结束后进行投切。这样可以避免电动机定子绕组的电动势和工频电源电压叠加，对电机绕组的绝缘造成破坏。
由电机学理论我们知道异步电动机切断电源后，存在着一个处于同步发电机状态的电磁过渡过程。异步电动机切断电源瞬间，定子绕组的自感电动势将随着磁场的消失而消失；转子的自感电动势将阻止电流的消失，转子绕组中的电流将有一个逐渐衰减的过程，同时转子电流产生一个逐渐衰减的直流磁场。我们在实际调试过程中，采用模拟试验的方式来测定。一般电磁过渡时间约为5s。
电机的工作频率是由工况决定的，因此变频器发生故障时，究竟在多大频率下工作是无法预知的；故障切换为非同步切换，因此不考虑变频器输出频率与工频电网电压、频率和相位之间的关系。
因此我们对工频自投回路中的延时继电器整定为7s时限，经过测试电机均以较小的启动电流热启动，保障了工艺安全，又保证了电机的安全运行。
通常自动投切的情况大致可为两种情况，一是变频器本身故障引起的自动投切，另一种是外部电网发生瞬时电压波动造成变频器跳闸而引起的自动投切。钢铁企业电网发生波动是不能完全避免的，但可以采取相关技术措施减少因电压波动带来的停机事故的发生。对高压断路器采用低电压延时1s动作时限来设置，对低压接触器采用双路切换的方式，或对低压接触器加装延时模块的方式来解决电压波动引起的跳闸。
6．结束语
变频改造是一个系统工程。安装变频调速装置后，风机可软启软停，减少设备机械冲击，延长设备使用寿命。由于变频调速装置的频率控制精度为0.1%，因此压力控制精度大大提高，保护管网安全稳定运行。系统投运一年来，运行稳定，调节效果显著，节约了大量的电能。经过测算每年可以节约60万元以上的经济效益，经济效益和社会利益显著。