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课程设计课程名称：电力电子技术设计题目：调压技术在污水处理中得应用专业班级：09电本1班姓名：郭太州学号：0915140066指导教师：褚晓锐2011年12月25日调压技术在污水处理中的应用上海市污水治理二期工程是世界银行贷款的大型环境保护项目，工程建成后将有效地改善黄浦江中上游段水质，对于保护环境提高人民生活质量和改善上海市投资环境有着极其重要意义，被列入市重点工程项目，总服务面积为27117平方千米，总服务人口为355.6万人，设计旱流污水量为172立方米每天工程范围包括浦西徐汇、卢湾二个区内的6排水系统的截流设施截流管及过江管，浦东地区13个地区和城镇的污水总管，浦西责浦江上游的吴泾闵行地区通过南支线接入污水总管。浦东浦江边一直到长江口(白龙港地区)设置有三座中途提升泵站(SA泵站、SB泵站及M2泵站)，然后进入白龙港出口泵站并进行预处理后通过江底隧道进入深水排放。为了对长距离污水输送的有效调节达到满足变化的输送工艺要求、优化调度方案，故在三座中途泵站中分别都设有2变频调速器对水泵电机进行调速，也就是按不同的工艺(流量、扬程)调节电机供电电源的频率对水泵的转速进行调节，使输送污水的流量和扬程达到最佳的协调。这种调速最简便有效可靠而且节能(对调节闸门开启程度而言),还能满足一定范围内的无级调速。随着工业电子技术的飞速发展和高压变频技术的不断提高和成熟，使二期污水输送中的水泵转速的调节己成为现实。1变频调速的基本原理众所周知水泵的原动机是异步电动机，所以要改变水泵的转速关键在于改变带动水泵运转的电动机的转速，而在交流异步电动机的诸多调速中变频调速性能最好，调速范围大、静态稳定性好、运行效率高，所以，一般均采用变频器对异步电动机进行调速控制。由于用方便可靠性高而且经济效益显著以致于该方法逐步得到推广应用。从电机学的基本原理可知异步电动机的同步转速即旋转磁场的转速为N=60F/P式中：N-电机转速F-电源频率P-磁极对数从式中可知极对数P是电机制造中已固定不变的，如二期污水工程运行使用的SA泵站、SB泵站、M2泵站电机都是16极的，其同步转速为375r/min,可见N与F成相对比例关系，只要改变电动机电源频率就可以改变电动机的转速，而且变频调速属于非能耗调速，是异步电动机最有效的调速方法。对异步电动机进行调速控制时希望电动机的磁通保持额定值不变，由电机理论知道三相异步电动机定子每相电动势的有效值为:E=4.44FNΦmE-定子每相由气隙磁通感应的电动势的均方根值（V）F-定子频率(HZ)N-定子相绕组有效匝数Φm-每极磁通量由上式可见Φm值是由E和F共同决定的，对E和F进行控制就可以使气隙磁通Φm保持额定值不变，所以对基频(50HZ)以下的恒滋通调速(向下调速)，为保持电动机的负载能力，应保持气隙磁通Φm不变，这就要降低供电频率的同时降低感应电势，保持E/F=常数(U/F=常数)，这种控制称为恒磁通变频调速，属于恒转矩调速方式。另一种情况如工频以上的调速(向上调速),F向上增加但由于电压受额定电压限制不能升高，必然会使主磁通随着F的上升而减小，相当于弱磁调速，属于恒功率调速。如图1所示。以上可知异步电动机的变频调速必须按照一定的规律同时改变其定子电压和频率即必须通过变频装置获得电压与频率均可调节的供电电源，实现所谓的VVVF(VariableVoltageVariableFreqeney)变压变频调速控制。图1异步电动机调速控制特性对于具有风机和泵类特性的机械负载其转矩ML与转速N是成二次曲线关系(MLN2),轴功率P与转速是三次曲线关系(P∝N3)随着速度的下降阻转矩ML下降很快、轴功率下降更快,(如图2所示)。根据此特性我们可采用不同于恒功率或恒转矩的调速方法,即采用变转矩的调速使变频器输入电压V和频率F具有不同的比值,在确保电机有足够的过载能力的前提下就可以达到最佳的变频调速高效节能的效果。图2风机和泵类负载转矩ML轴功率P与转速关系2变频调速装置的几种形式随着电气传动技术尤其是变频调速技术的发展,大容量高压变频装置也得到广泛应用,各种高压变频器不断出现。根据高压的组成方式可分为直接高压和高-低-高型。根据有无中间直流环节又可分为交-交变频器和交-直-交变频器。在交-直-交变频器中按中间直流滤波环节不同可分为电压源型(也称电压型)和电流源型(也称电源型)。电流源型变频器一般采用大电感作为中间直流滤波环节电路,一般采用晶闸管作为功率元件也有采用GTO的,主要目的是采用电流PWM脉冲宽度调制(pulseWidthModulation)控制用于改善输入电流波型。在系统控制上电流源型变频器与一般采取电压-频率协调控制的电压型变频器可以直接控制输出电压不同,电流源型变频器的输出电压由输出电流及负载决定。电流源型变频器对电网电压的波动较为敏感,一般当电网电压下降可能引起变频器跳闸。电压型变频器一般中间有直流环节,储能元件采用大电容,负载的无功功率将由它来补偿,直流电源内阻比较小,相当于电压源,故称电压源型变频器或电压型变频器。3应用于污水二期工程中的变频调速装置污水二期SA泵站、SB泵站、M2泵站的6KV高压变速电机配用的是美国罗宾康(ROBICON)公司生产的6KV完美无谐波高压变频装置,该装置属于单元串联多电平PWM电压型变频器。采用若干个低压IGBT变频功率单元，以串联的方式实现直接高压输出。该方案是由美国罗宾康公司发明的专利产品，该变频器具有对电网谐波污染小(满足IEEE-51-1992和SD-126-84对电压和电流最严格的谐波失真要求)，输入的功率因数高，不必采用谐波滤波器和功率因数补偿装置。输出波型好不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动噪声，输出的du/dt共模电压等问题。所以取名为完美无谐波高压变频装置。图3所示其主电路结构图，图4为功率单元结构图。单元串联多电平变频器采用若干个独立的低压功率单元串联的形式来实现高压输出，其原理如图5所示。6KV输出电压等级的变频器主电路结构如图3所示，电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器后经功率单元供电，功率单元为三相输入单相输出的交-直-交PWM电压源型逆变结构见图4所示。将相邻功率单元的输出端接起来形成Y联结结构实现变压变频的高压直接输出供给高压电动机。每个功率单元分别由输入变压器的二次绕组供电，功率单元之间及变压器的二次绕组之间相互绝缘。对于额定电压为6KV变频器每相有5个额定电压为690V的IGBT功率单元串联而成，输出相电压最高达3450V，线电压可达6KV，每个功率单元承受全部的输出电压，保证提供1/5的相电压和1/5的输出功率。单元的电压等级和串联数量决定变频器的输出电压，单元的额定电流决定变频器的输出电流。由于不是采用传统的器件串联方式来实现高压输出，而采用整个功率单元串联所以不存在器件声联引起的均压问题。图3主电路结构图图4功率单元结构图图5电压叠加结构图输入变压器实行多重化设计达到降低输入谐波电流的目的，6KV变频器变压器的15个二次绕组采用延边三角型联结分为5个不同的相位差，互差12度电角度形成30脉冲的二极管整流电路结构，所以理论上29次以下的谐波都可以消除，输入电源的波形接近正弦波，总谐波电路失真可低于1%，如图6所示。图6完美无谐波变频波形图本结构由于采用二极管整流的电压型结构，电动机所需要的无功功率可由滤波电容提供，所以输入功率因数高可保持在0.95以上，如图7所示。不另外采用功率因数补偿装置，逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联多单元的载波之间互相错开一定电角度实现多电平PWM输出电压非常接近正弦波如图6所示。图7电机速度与输入功率因数关系图每个电平台阶上每个单元直流母线电压du/dt很小，使得电动机绝缘不会受到影响，功率单元采用较低的开关频率以降低开关损耗且可以不用浪涌吸收电路来提高变频器效率。由于采用多电平移相式PWM等效输出，开关频率很高，且输出电平数增加可大大改善输出波形，降低输出谐波。这样对电动机没有特殊要求，可采用普通的高压电动机。所以在当时决策时，SB泵站采用日本荏原生产的水泵，美国的变频器、国产电机，当水泵在日本工厂进行联动调试时，承包商担心国产电机经受不住变频器可能引起的谐波影响，承包商极力推荐西门子进口电机，本人当时出于对罗宾康变频器的性能分析，拒绝采用西门子进口电机而大胆使用上海电机厂的电机，这个决策完全基于上述的技术分析，经过在日本水泵厂的联动调试开车一次成功，说明当时决策的正确和合理，为国家节约了外汇。从1999年底通水运行至今，因为目前工况和水量尚未达到设计流量，定速泵开启比较困难，而SA泵站，SB泵站，M2泵站变频装置所带动的水泵适应了至今的小水流低扬程的需要，基本都在变频条件下运行，从另一个角度来看也使变频装置经受了长期运行的考验，目前为止还没有发现过变频装置引起的设备故障。4使用变频装置应注意的几个问题和维修保养变频器是一种精密的工业电子装置，虽然在制造过程中厂家在可靠性设计上达到了所述具有良好的电气机械性能，但是如果使用不当仍然可能发生故障或出现运行不佳的情况，同时日常维护与检查是必不可少的。即使是最新一代的变频器，由于长期使用以及温度、震动、尘土、尤其污水系统的气体腐蚀等环境影响其性能可能有一些变化，如果使用合理，维护得当，则能延长使用寿命，至少减少因突然故障造成的损失。变频的日常维护与定期检查应包括以下几个方面和注意的问题:1)应注意的问题①操作员必须熟悉变频的基本原理、功能、特点和具有定的运行经验②操作前必须切断电源,还应注意接地可靠③操作员应熟悉变频器的操作规程2)日常检查项目基本上是检查变频器运行时是否有异常现象①安装环境是否有异常②冷却系统是否正常，风机开启排风是否正常③变频器、电动机、变压器、电抗器是否过热、变色或有异味④变频器和电动机是否有异常振动、异常声音