產品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
7MW高壓變頻電源在水泵測試臺中的應用
湖南南方長河泵業有限公司是南方泵業股份有限公司的全資子公司，位于湖南省長沙經濟技術開發區，是南方泵業股份有限公司中高端大中型泵銷售、研發、制造及實驗基地。
該公司主要產品包括單級雙吸中開離心泵、臥式多級中開離心泵、立式長軸泵、筒袋式冷凝泵、立式及潛水式斜流泵、立式及潛水式軸流泵、蝸殼式混流泵及污水泵、節段式多級離心泵、泵用直角齒輪箱、大中型外殼水冷式深井泵專用電機，各種膜法海水淡化用泵以及API610
BB1,BB3,OH1,OH2,VS1,VS6,VS7等石油化工用泵等。廣泛應用在電力、冶金、鋼鐵、水利、市政、環保、疏浚、石油、化工、消防等行業，每年約有70%以上的產品出口到歐美等六十多個國家，是國內中開泵、長軸泵產品規格較全、出口量較大的企業。
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水泵測試中心
湖南南方長河泵業有限公司水泵測試中心，擬對原有變頻電源設備進行升級改造，采用全自動上位機測控系統，改造后可以對各種型式水泵進行性能測試，可以真實地把握水泵的出廠性能以及水泵研發效果。
長河泵業原有技術參數如下：高壓變頻電源設備輸入電壓10kV，輸出電壓10kV/6kV，輸出電流的范圍為0A－400A；頻率范圍為0－75Hz可調，升級改造后變化為：輸入電壓10kV，輸出電壓1100V－10000V范圍內的無極調壓；輸出電流的范圍為0A－450A；頻率范圍為輸出電壓范圍內的任一電壓可0－75Hz可調。
測試中心采用全自動上位機測控系統，可對整個測試中心全方位監控，采用高精度檢測儀器儀表、傳感器和計算機相結合自動測控、采集、處理、分析電力參數及流體參數，測試結果可自動進行顯示、打印制表、繪制特性曲線（變速、變徑、變角），系統不確定度分析。中央控制室與接待室數據可同步運行顯示。
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風光高壓變頻電源控制系統基本參數
風光高壓變頻電源系統，以高可靠性、易操作、高性能為設計目標。高壓變頻電源系統采用新IGBT功率器件，全數字化微機控制，有關電源基本參數如表1所示。
4高壓變頻電源系統
高壓變頻電源系統采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯多電平拓撲結構，主體結構由多個功率模塊串聯而成，從而由各組低壓疊加而產生需要的高壓輸出，它對電網諧波污染小，輸入諧波畸變小于3%，直接滿足IEEE519-1992的諧波抑制標準，輸入功率因數高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置；輸出波形質量好，輸出電壓諧波畸變小于2%，不存在諧波引起的電機附加發熱和轉矩脈動、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，不必加輸出濾波器，就可以使用普通的異步電機。
4.1電源系統拓撲結構
變頻電源裝置0-10kV輸出，每個系統共有24個功率單元，每8個功率單元串連構成一相，其系統結構如圖1所示。
圖1
變頻電源系統結構示意圖
4.2功率單元
每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣，二次繞組采用星形折邊接法，實現多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。每個功率單元結構上完全一致，可以互換，為基本的單相逆變電路，整流側為二極管三相全橋，
IGBT逆變橋的控制方式為PWM控制，并且有自動單元旁路功能，大大提高系統運行的可靠性。
4.3功率柜
柜內主要對功率單元進行組合，通過每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機供電，通過對每個單元的PWM波形進行重組，得到非常好的PWM波形，dv/dt小，可減少對電纜和電機的絕緣損壞，無須輸出濾波器就可以輸出電纜長度很長，電機不需要降額使用。
4.4控制柜
控制器采用32位高速DSP芯片，精確的算法保證電機達到較優的運行性能。彩色嵌入式人機界面提供友好的全中文監控和操作界面，同時可以實現遠程監控和網絡化控制?？刂破靼ㄒ慌_內置的PLC，用于柜體內開關信號的邏輯處理，以及與現場各種操作信號和狀態信號(包括DCS/RS485//Modbus)的協調，并且可以根據用戶的需要擴展控制開關量?？刂破髋c功率單元之間采用光纖通訊技術，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統應具有極高的安全性，同時具有很好的抗電磁干擾性能。
4.5變壓器柜及風機
主要包括為功率單元供電的移相變壓器，輸入側的電壓、電流檢測器件，以及溫度檢測器件溫控器。變頻電源功率柜頂部和變壓器柜頂部所配冷卻風機。干式變壓器繞組底部也配有冷卻風機，由溫控儀檢測變壓器繞組溫度進行控制。
4.6上位機接口清單
上位機接口清單如圖2所示。
圖2上位機接口清單
5 變頻電源主回路
變頻電源主回路如圖3所示。變頻電源能任意拖動10kV/4200kW或6kV/4200kW電機，以及3kV/2300V/1100V等電壓等級電機水泵測試實驗。例如拖動10kV/4200kW，變頻電源參數的輸出額定電壓需設為10kV，過流保護值，輸入測試水泵電機銘牌參數。如需測試其他電壓等級的水泵電機，則只需按照設定為相應的輸出電壓等級，及相應參數即可。
圖3
高壓變頻電源主回路
6 對外標準接口
整套變頻控制裝置，包括控制柜、功率柜、變壓器柜、旁路柜等所有部件及內部連線一體化設計，需方只須連接高壓輸入、高壓輸出、控制電源和控制線即可。
高壓變頻電源對外接口的具體定義如下：
6.1變頻電源提供的開關量
變頻電源采用自制PLC邏輯控制板，標準數字量配置為24點入、16點出，并且可以根據用戶的不同需求進行I/O點的擴展及參數化設計。其部分輸出定義為：
(1) 變頻電源就緒狀態指示：表示變頻電源已待命，具備啟動條件，1路，常開點，閉合有效。
(2) 變頻電源運行/停機狀態指示：表示變頻電源正在運行，各1路。變頻運行狀態指示為常開點，節點閉合時表示為變頻電源處于運行狀態；變頻停止狀態為常閉點，節點閉合時表示變頻電源處于停止狀態。
(3) 變頻電源控制狀態指示：外控控制狀態為常開點，節點閉合表示變頻電源控制權為現場遠程控制；本地控制狀態為常閉點，節點閉合時表示變頻電源控制權為本地變頻電源控制，各1路。
(4) 變頻電源報警指示：表示變頻電源產生報警信號。包含柜門非法打開、變壓器超溫、控制電源掉電、給定信號斷線、單元故障等信息，1路，常開點，閉合有效。
(5) 變頻電源故障指示：表示變頻電源發生重故障，立即關斷輸出切斷高壓。包含過壓、過流、過載、短路等信息，1路，常開點，閉合有效。
(6) 電機在工頻旁路：表示電動機處于工頻旁路狀態，常開點，閉合有效。
以上為變頻電源的基本輸出狀態點。
6.2變頻電源提供給高壓開關柜的開關量
高壓開關緊急分斷：變頻電源出現重故障時，自動分斷高壓開關，1路常開點，閉合有效。
高壓合閘允許：允許將高壓開關合閘，1路常開點，閉合有效。
以上所有數字量采用無源接點輸出，定義為接點閉合時有效。除特別注明外，接點容量均為AC220V，3A。
6.3高壓開關柜提供給變頻電源的開關量
高壓就緒：高壓準備就緒，為高壓開關提供的1路常開點，閉合有效。
6.4變頻電源提供的模擬量
變頻電源可以提供2路4～20mA的電流源輸出，帶負載能力均為250Ω。分別為輸出頻率、輸出電流信號。
6.5
DCS提供給變頻電源的開關量
a) 啟動指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻電源開始運行。
b) 停機指令：干接點，3秒脈沖閉合時有效，變頻電源正常停機。
c) 緊急停機指令：干接點，閉合保持有效，變頻電源緊急停機。
6.6
DCS提供給變頻電源的模擬量
變頻電源提供1路4～20mA電流源輸入，其輸入可根據用戶不同的要求進行定義，滿足用戶多方面的需求，可定義為給定頻率、給定轉速、壓力反饋等。
6.7通訊協議
默認通訊協議為MODBUS通訊協議，通訊接口為RS485接口。通訊協議：PROFIBUS通訊協議，提供2個通訊口，與現場上位機組成冗余系統（現場上位機為西門子S7-400冗余系統）。
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高壓變頻電源在水泵測試臺使用效果
該設備自投運以來，改造達到了預期目的。高壓變頻電源現場運行如圖4所示，變頻電源測試10kV電機水泵的測試界面如圖5所示，高壓變頻電源視在功率476kW，有功功率414kW，輸入電壓10.59kV，輸出電壓10.52kV，輸入電流23.9A，輸出電流24.8A，輸出頻率50.00Hz，測試實驗非常方便。
（1）新風光電子公司生產的JD-BP38－7000高壓變頻電源所有部分裝在配電柜內，不需要另外的電抗器、濾波器等設備裝置。體積小，結構緊湊，安裝簡單，現場配線少，調試周期短，投入生產快。
（2）高壓變頻電源的運行參數及各種指示在觸摸屏均有顯示。
（3）電源帶有標準通訊接口，上位機可以通過通訊完全集控變頻電源。
（4）變頻電源非常方便實現測試各種電機水泵測試需求，只需設定相應的參數即可，可任意拖動10kV/6kV/3kV/2300V/1100V等電壓等級，不超過450A電流，0-72Hz水泵完成測試各種實驗。
（5）具有與進口設備同樣的測試效果，大大降低了水泵測試成本。
圖4
高壓變頻電源設備現場運行照片
圖5
高壓變頻電源人機界面
（6）附錄用變頻電源測試的水泵型式試驗報告
測試中心對水泵的流量、揚程、轉速、軸功率及效率等性能參數進行實際測試。在水泵不同流量的條件下，分別對水泵揚程（進口揚程、出口揚程、總揚程）、功率、轉速、效率進行測試。變頻電源根據用戶要求，輸出電壓10kV，帶載輸出穩定，電壓、電流及諧波等各方面性能指標滿足要求，達到了改造的預期目的。型式試驗報告見圖6所示。
