关键词：南水北调 物联网 Goodrive5000 高压变频器 取水泵
1. 引言
河南市某水厂作为郑州市南水北调的主受水厂，一期供水工程建设规模10万立方米/日，占地125.04亩，主要包括沉淀池、清水池、提升泵房、配电间、V型滤池、混合絮凝沉淀池等9项工程建设。项目的建成投入使用，极大满足了郑州城区、薛店、郭店、孟庄、龙湖镇等地群众的用水需求，提高了城市供水安全保障能力。
2. 现场环境和工艺介绍
a. 现场温度： -2-35度之间
b. 现场湿度：现场湿度一般
c. 有无粉尘：无
d. 现场变频器型号：
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配置变频器型号 |
额定功率 |
额定电压 |
额定电流 |
数量 |
旁路方式 |
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GD5000-A0355-10-L |
280kW |
10kV |
21A |
2 |
一拖一带隔离自动 |
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GD5000-A0400-10-L |
315kW |
10kV |
23A |
2 |
一拖一带隔离自动 |
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GD5000-A0500-10-L |
400kW |
10kV |
29A |
2 |
一拖一带隔离自动 |
e. 负载设备名称：取水泵
f. 电机信息：普通异步鼠笼式
g.负载电流范围：0～25A
h.输入电压范围：10KV±10%
i.海拔高度：设备安装于海拔1000米以下
现场照片：
3. 变频驱动方案
3.1 一次回路方案
该厂区电网容量足够满足单台水泵的直接带载启动。选择一拖一带隔离自动旁路方案，一方面可保证变频器在故障停机或检修时可通过高压真空接触器直接自动切换至工频运行；另一方面还可在水量不足时利用变频器的软启功能通过一键操作将水泵拖动切换为50HZ工频电网运行。该回路系统简洁明了，便于操作和维护。一次回路图如下所示：
图1 一拖一带隔离自动切换方案
拖一带隔离自动旁路柜是由三个真空接触器KM1、KM2、KM3和两个刀闸QS1、QS2组成。变频器输出真空接触器KM2和工频真空接触器KM3互锁，完全能够保证变频调速系统安全运行。刀闸QS1、QS2无机械闭锁功能，只是在检修时由手动断开以形成明显的断开点，确保工作人员的安全，在工频和变频运行状况下均处于闭合状态；
(1)在变频运行状况下，KM1、KM2闭合，KM3断开。
如需自动切换至工频运行时，变频器系统先发自由停车命令，再由电气控制依次断开KM1、KM2，然后电气控制闭合KM3，使电机切换至工频侧，使电机工频运行；
(2)在工频旁路运行状况下，KM3闭合，KM1、KM2断开。
如需自动切换至变频运行时，先闭合KM1，待变频器到就绪状态后，断开KM3，闭合KM2，使电机切换至变频侧，电机投入变频运行。
3.2 控制模式
Goodrive5000系列矢量型高压变频器控制系统采用DSP+FPGA+ARM三核模式，内部自带PID调节器，VF控制、矢量化的VF控制、有PG的矢量控制、无PG的矢量控制四种控制模式可选。
系统反应速度快，抗干扰能力强。控制柜门设置就地/远程一键转换开关。就地控制通过10.4寸触摸屏交互式人机界面可实现各种运行参数的显示，对变频器的各种操作以及运行和故障情况的实时记录；远程控制可通过DCS、上位机或操作箱实现对变频器的操作和监控。标准配置为硬接线和MODBUS-RS485通讯，可以选配Profibus-DP，以太网或现场总线通讯。
该项目为实现高自动化的运行和监控模式，采用MODBUS通信，将取水泵变频器信号直接接至厂内DCS系统进行集中控制。系统原理图如下图所示：
图2 取水泵分布集中综合监控系统图
该控制系统利用了DCS（分布集中控制）系统强大的综合控制和高自动化的操作和管理能力，现场还将水泵出口阀门的开度、管道的流量、压力和沉淀池液位信号等全部采集至DCS系统通过PLC编程和组态软件进一步设计优化进行人机交互，水厂可完全实现无人化24小时长期运行。
4.英威腾变频器原理和特点
4.1英威腾变频器原理
英威腾Goodrive5000系列高压变频调速系统采用多重化移相多单元串联正弦脉宽调制(SPWM)叠压技术，直接“高-高”式，10KV进，10KV出，中间无任何升压环节。功率模块为交-直-交型电压源变频调速器。
图3 高压变频器系统示意图
高压变频器是由多个单元串联而成，通过将多个低压功率模块的输出叠加起来得到高压输出。高压变频器的原理结构如下图所示。
图4 单元串联多电平方案
4.2英威腾变频器特点
●同级旁路和中性点偏移旁路：功率单元自带电子式旁路功能，可通过设置不同的旁路方式满足现场在高要求工况下的降额运行不停机；
●全频段转速追踪启动：无论电机转速状态为何种状态，能够精准追踪启动可设定的允许等待时间内电源跌落等瞬时故障恢复0.1～1秒内自动启动变频器直接运转频率输出，拖动电动机运行至设定状态；
●瞬停不停，利用电解电容的储能特点，水泵在电网高压失电可保持1秒内不停机。风机最大可保持5秒。完全满足现场变切工需求或者上端母线双电源的及时切换；
●独有节能运行模式。通过触摸屏软件设置可根据需求对普通风机水泵的自由启停和分时段的不同频率运行进行私人定制。
5.结束语
作为南水北调的标杆形象工程，该水厂采用了国内工控和电气传动行业领军企业的第二代高性能DSP全数字矢量控制型高压变频器。利用其强大的无冲击软启和通信兼容功能实现了水厂关键设备的免维护运行和人工智能调节管理。国内工业控制和电气传动行业最大的综和解决方案提供商-英威腾电气将为水利和市政行业的可持续发展进一步推波助澜。
参考文献：
[1]《智能化水厂》 电力出版社
[2] 深圳市英威腾电气股份有限公司 《Goodrive5000系列高压变频调速系统产品说明书》
