大容量中压变频调速装置在英那河水源泵站中的应用
2.4 ABB公司采用IGCT的三电平大容量变频器(ACS1000)
IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)是90年代在晶体管技术的基础上结合了GTO和IGBT技术开发的大功率新型器件，与IGBT相比，它开关快速，开通能力强、存储时间短、开关导电损耗较低。为减小引线电感，其管芯必须与门驱动电路集成安装、整体更换。IGCT由于其导通压降低，损耗低，比IGBT更适合于高电压、大容量使用。目前使用的IGCT元件电压等级最大做到4.5kV，接线原理与SIEMENS的高压IGBT三电平大容量变频器(SIMOVERT MV)基本相同，只是采用的元件不同，不需要元件串、并联。IGCT器件耐压等级提高以后，它将是构成大功率和超大功率高压变频器的优选功率器件。
主要技术特点为:输入侧设置变频传动变压器，三卷变压器二次侧分别采用Y、Δ接法，等效12脉冲整流使得电源输入侧谐波大为降低。变频传动变压器与变频器柜是分体的，功率元件是HV-IGCT，输出频率范围是0~150Hz，逆变器采用三电平PWM控制。采用了DTC-直接转矩控制专利技术，直接转矩控制(DTC)是交流传动中最佳的电动机控制方法，可以对电动机所有的关键变量进行直接控制。
表1
| SIEMENS | ABB | ROBICON | 利德华福 | |
| 技术原理 | 三电平PWM | 三电平PWM | 多重化-PWM | 多重化-PWM |
| 逆变功率元件 | HV-IGBT | IGCT | LV-IGBT | IGCT |
| 对4.16kV的变频器， 逆变器中需用功率 元件个数 |
12个高压IGBT6个钳位二极管 | 12个IGCT | 60个低压 IGBT | |
| 输入变压器 | 三绕组变频整流变压器 | 三绕组输入隔离变压器 | 一体化干式多绕组变压器 | 一体化干式多绕组变压器 |
| 功率因数 |
≥96% |
≥95%(调速范围内) | ≥95% | 95%(＞20%负载) |
| 变频器本身效率 | ≥98.5%(额定工作点) | ≥98% | ≥98.5%(调速范围内) | ≥95%(额定负载下) |
| 谐波输出 | 有低谐波分量 | 有输出正弦滤波器，谐波含量极小 | 谐波非常小 | 谐波非常小 |
| 最高输出频率 | 150Hz | 66Hz(可选122Hz) | 120Hz | 120Hz |
| 逆变器电平数 | 3 | 3 | 11 | 多电平 |
| 适配电机 | 西门子电机最佳其他厂商的电机要另加输出滤波器 | 可与标准的鼠笼型电机配用 | 可与任意厂商生产的交流鼠笼型电机配用 | 可与任意厂商生产的交流鼠笼型电机配用 |
| 电机电压(kV) | 2.3 3.3 4.16 6 | 2.3 3.3 4.16 | 2.3 3.3 4.16 6 | 3 6 10 |
| 电机功率范围 | 800~4000kW | 315~5000kW | 400~7500kW | 300~4000kW |
| 初投资价格(同容量) | 高 | 高 | 高 | 低 |
表1为4家中压大容量变频装置特性比较。
3 结论
综合各方面因素，经过招标，最后采用的是SIEMENS变频装置(6SE8033-1CA01)和配套电机(1RQ4562-6JV40)。
此规格变频器在欧洲已有应用，在国内水行业中还是头次应用，取得了一些经验。
(1)该工程于2000年10月开始设计，2001年7月一次通水成功，现已运行将近2年时间。通过这段时间的运行看，该泵站运行安全稳定，节能效果显著。根据最典型的应用工况，一期各方案经济比较见表2。
从表2分析结果知，b方案为最优方案，即2台调速泵方案最优。其次方案为a方案，即一台调速与一台恒速泵并联方案。虽然a方案的设备投资比b方案少425万元，但a方案比b方案一年的运行费用多108.84万元，这样b方案3.9年所省的运行费，即可抵消掉其设备所增加的投资，即静态回收期为3.9年。
从表2还可看出全调方案与阀调节方案的比较其节能效果:水位控制变频调速技术为泵站一年省电费378.25万元(一期工程), 静态回收期为2.25年。(注:上述的计算只是针对水库多年平均水位，电费按0.50元/度计算)
通过几年来的运行表明，在大型地表水厂的送水泵房中采用大功率变频器(水行业中最大单机容量2800 kW)，虽然一次性投资较大，但是长期运行节能效果非常明显，特别是在较大产水量的情况下，节能效果更加明显，值得推广。
(2) 通过这段时间的运行看，其不足之处有以下几点:
a) 变频装置的进线断路器要具有失压脱扣功能。
当控制电源没有时，不论高压工作电源是否故障，都要跳开进线断路器，使变频装置断开工作电源。此时，当变频装置恰巧发生故障时的跳闸，对变频装置起到了保护的作用。而当变频装置无故障时的跳闸，易额外产生水锤效应，水锤效应具有极大的破坏性:压强过高处，将引起管子的破裂;反之，压强过低处又会导致管子的瘪塌，对供水管线产生危害。此外，水锤效应也可能损坏阀门和固定件，对泵站厂房产生危害，易淹泵房。如何解决这个问题并获得认可，值得研究。
b) 大容量的变频装置的发热是个不能轻视的问题。
从目前使用来看，发热比较厉害，尤其夏季环境温度比较高的时候。对变频装置采取了强排风措施,但排风扇产生的噪声比较大，相应的要采取隔音措施。如何解决大功率高压变频器发热和噪声，将是变频器生产厂家迫切解决的问题。
参考文献
[1] 水泵变频调速的节电量计算及系统设计[M]. 科学出版社,1998.
[2] 白勇. 风机、泵类变频调速节能原理及大容量变频技术应用[J]. 变频器世界,2000,(7).
