湖南南方長河泵業(yè)有限公司是南方泵業(yè)股份有限公司的全資子公司，位于湖南省長沙經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，是南方泵業(yè)股份有限公司中高端大中型泵銷售、研發(fā)、制造及實驗基地。

該公司主要產(chǎn)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(jié)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(yīng)用在電力、冶金、鋼鐵、水利、市政、環(huán)保、疏浚、石油、化工、消防等行業(yè)，每年約有70%以上的產(chǎn)品出口到歐美等六十多個國家，是國內(nèi)中開泵、長軸泵產(chǎn)品規(guī)格較全、出口量較大的企業(yè)。
2 水泵測試中心

湖南南方長河泵業(yè)有限公司水泵測試中心，擬對原有變頻電源設(shè)備進行升級改造，采用全自動上位機測控系統(tǒng)，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(fā)效果。

長河泵業(yè)原有技術(shù)參數(shù)如下：高壓變頻電源設(shè)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(diào)，升級改造后變化為：輸入電壓10kV，輸出電壓1100V－10000V范圍內(nèi)的無極調(diào)壓；輸出電流的范圍為0A－450A；頻率范圍為輸出電壓范圍內(nèi)的任一電壓可0－75Hz可調(diào)。

測試中心采用全自動上位機測控系統(tǒng)，可對整個測試中心全方位監(jiān)控，采用高精度檢測儀器儀表、傳感器和計算機相結(jié)合自動測控、采集、處理、分析電力參數(shù)及流體參數(shù)，測試結(jié)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(tǒng)不確定度分析。中央控制室與接待室數(shù)據(jù)可同步運行顯示。
3 風光高壓變頻電源控制系統(tǒng)基本參數(shù)

風光高壓變頻電源系統(tǒng)，以高可靠性、易操作、高性能為設(shè)計目標。高壓變頻電源系統(tǒng)采用新IGBT功率器件，全數(shù)字化微機控制，有關(guān)電源基本參數(shù)如表1所示。

 4高壓變頻電源系統(tǒng)

高壓變頻電源系統(tǒng)采用直接“高-高”變換形式，為單元串聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)由多個功率模塊串聯(lián)而成，從而由各組低壓疊加而產(chǎn)生需要的高壓輸出，它對電網(wǎng)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(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置；輸出波形質(zhì)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(fā)熱和轉(zhuǎn)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(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

變頻電源裝置0-10kV輸出，每個系統(tǒng)共有24個功率單元，每8個功率單元串連構(gòu)成一相，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

 
圖1 變頻電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xiàn)多重化，以達到降低輸入諧波電流的目的。每個功率單元結(jié)構(gòu)上完全一致，可以互換，為基本的單相逆變電路，整流側(cè)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(tǒng)運行的可靠性。
4.3功率柜

柜內(nèi)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(yōu)的運行性能。彩色嵌入式人機界面提供友好的全中文監(jiān)控和操作界面，同時可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)化控制?？刂破靼ㄒ慌_內(nèi)置的PLC，用于柜體內(nèi)開關(guān)信號的邏輯處理，以及與現(xiàn)場各種操作信號和狀態(tài)信號(包括DCS/RS485//Modbus)的協(xié)調(diào)，并且可以根據(jù)用戶的需要擴展控制開關(guān)量?？刂破髋c功率單元之間采用光纖通訊技術(shù)，低壓部分和高壓部分完全可靠隔離，系統(tǒng)應(yīng)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(cè)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(shù)的輸出額定電壓需設(shè)為10kV，過流保護值，輸入測試水泵電機銘牌參數(shù)。如需測試其他電壓等級的水泵電機，則只需按照設(shè)定為相應(yīng)的輸出電壓等級，及相應(yīng)參數(shù)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(nèi)部連線一體化設(shè)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(guān)量

變頻電源采用自制PLC邏輯控制板，標準數(shù)字量配置為24點入、16點出，并且可以根據(jù)用戶的不同需求進行I/O點的擴展及參數(shù)化設(shè)計。其部分輸出定義為：
(1) 變頻電源就緒狀態(tài)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(tài)指示：表示變頻電源正在運行，各1路。變頻運行狀態(tài)指示為常開點，節(jié)點閉合時表示為變頻電源處于運行狀態(tài)；變頻停止狀態(tài)為常閉點，節(jié)點閉合時表示變頻電源處于停止狀態(tài)。
(3) 變頻電源控制狀態(tài)指示：外控控制狀態(tài)為常開點，節(jié)點閉合表示變頻電源控制權(quán)為現(xiàn)場遠程控制；本地控制狀態(tài)為常閉點，節(jié)點閉合時表示變頻電源控制權(quán)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(chǎn)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(fā)生重故障，立即關(guān)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(tài)，常開點，閉合有效。
 以上為變頻電源的基本輸出狀態(tài)點。
6.2變頻電源提供給高壓開關(guān)柜的開關(guān)量

高壓開關(guān)緊急分斷：變頻電源出現(xiàn)重故障時，自動分斷高壓開關(guān)，1路常開點，閉合有效。

高壓合閘允許：允許將高壓開關(guān)合閘，1路常開點，閉合有效。

以上所有數(shù)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(guān)柜提供給變頻電源的開關(guān)量

高壓就緒：高壓準備就緒，為高壓開關(guān)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(guān)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(jù)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(zhuǎn)速、壓力反饋等。
6.7通訊協(xié)議

默認通訊協(xié)議為MODBUS通訊協(xié)議，通訊接口為RS485接口。通訊協(xié)議：PROFIBUS通訊協(xié)議，提供2個通訊口，與現(xiàn)場上位機組成冗余系統(tǒng)（現(xiàn)場上位機為西門子S7-400冗余系統(tǒng)）。
7 高壓變頻電源在水泵測試臺使用效果

該設(shè)備自投運以來，改造達到了預期目的。高壓變頻電源現(xiàn)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(chǎn)的JD-BP38－7000高壓變頻電源所有部分裝在配電柜內(nèi)，不需要另外的電抗器、濾波器等設(shè)備裝置。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡單，現(xiàn)場配線少，調(diào)試周期短，投入生產(chǎn)快。
（2）高壓變頻電源的運行參數(shù)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(xiàn)測試各種電機水泵測試需求，只需設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)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(shè)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(shè)備現(xiàn)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(zhuǎn)速、軸功率及效率等性能參數(shù)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(zhuǎn)速、效率進行測試。變頻電源根據(jù)用戶要求，輸出電壓10kV，帶載輸出穩(wěn)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。