Zusammenfassung: Dieser Artikel befasst sich mit dem Einsatz von inländischen Hochspannungs-Frequenzumrichtern im Wasserwerk von Daye Special Steel in der Provinz Hubei. Das Hochspannungs-Frequenzumrichtersystem wird beschrieben. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz inländischer Hochspannungs-Frequenzumrichter zur Drehzahlregelung und Energieeinsparung der Pumpen im Wasserwerk erhebliche sozioökonomische Vorteile bietet. Schlüsselwörter: Hochspannungs-Frequenzumrichter, Wasserpumpe, Energieeinsparung. 1. Einleitung: Das Wasserwerk von Daye Special Steel versorgt das Wohngebiet des Unternehmens mit Wasser und liefert täglich 300.000 Tonnen. Das Pumpenhaus ist mit sechs Pumpeneinheiten ausgestattet: Einheit 1 bis 4 mit 550 kW/6 kV und Einheit 5 und 6 mit 300 kW/6 kV. Vor der Modernisierung liefen alle Wasserpumpen mit konstanter Drehzahl. Aufgrund der erheblichen Schwankungen des Wasserdurchflusses zwischen Tag und Nacht war es häufig notwendig, zwischen großen und kleinen Pumpen umzuschalten, um den Wasserbedarf zu decken. Die häufigen Start-Stopp-Zyklen der Pumpen erhöhten die Ausfallrate von Motoren, Pumpen und Ventilen und führten somit zu höheren Wartungskosten. Zudem verursachten sie häufige Wasserdruckschwankungen und gelegentliche Rohrbrüche. Um den Wasserdruck zu stabilisieren, die Wasserversorgungskapazität zu erhöhen, die Automatisierung zu verbessern, Energie zu sparen und die Kosten der Wasserversorgung zu senken, beschloss das Wasserwerk der Daye Special Steel Company, die Pumpen mithilfe von Frequenzumrichtern zu modernisieren. Nach eingehender Untersuchung stellte das Wasserwerk fest, dass Hoch-Niederspannungs- und Hoch-Niederspannungs-Hochspannungs-Frequenzumrichter veraltet waren und hohe Oberschwingungen sowie einen geringen Wirkungsgrad aufwiesen. Daher entschied man sich für einen Hoch-Hochspannungs-Ansatz. Dieser lässt sich in drei Stufen unterteilen: die direkte Reihenschaltung der Komponenten und die Reihenschaltung der Leistungseinheiten. Die Reihenschaltung der Leistungseinheiten gilt derzeit als die ausgereifteste Technologie und bietet einen zuverlässigen Betrieb. Nach einem Vergleich verschiedener kostengünstiger Optionen entschied sich das Wasserwerk für den Einsatz des Hochspannungs-Frequenzumrichters JD-BP37 der Marke Fengguang unseres Unternehmens zur Drehzahlregelung der Pumpeneinheiten 1 und 2. Der Hochspannungs- Frequenzumrichter JD-BP37 der Marke Fengguang ist ein Frequenzumrichter mit direkter Hoch-Hoch-Spannungsquelle. Er arbeitet mit einer Reihenschaltung der Leistungseinheiten, was zu geringen Oberschwingungen, einem hohen Leistungsfaktor und der Eignung für Standardmotoren führt. Seine überlegene Leistung macht ihn ideal für die nationalen Gegebenheiten Chinas. 2. Übersicht der Wasseraufbereitungsanlage: Die Wasseraufbereitungsanlage der Daye Special Steel Company entschied sich für die Drehzahlregelung der Einheiten 1 und 2 mittels Frequenzumrichtern in einer 1:2-Konfiguration. Das heißt, der Hochspannungs-Frequenzumrichter treibt entweder Einheit 1 oder 2 an; während eine Einheit gewartet wird, läuft die andere. Die Anlagenbedingungen sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Einheiten 1 und 2 sind vom gleichen Typ. Die wichtigsten Parameter des Motors und der Wasserpumpe in Einheit 1 sind: 1) Wasserpumpe Modell 20SH-9, Nennfördermenge 2016 m³/h, Nennförderhöhe 59 m, Nennwellenleistung 390 kW, Nennwirkungsgrad 83 %, Nenndrehzahl 970 U/min. 2) Motormodell JS158-6, Nennleistung 550 kW, Nennspannung 6 kV, Nennstrom 64 A, Nennleistungsfaktor 0,89, Nenndrehzahl 985 U/min. [ALIGN=CENTER] Abbildung 1: Ansicht der Anlage[/ALIGN] 3. Funktionsbeschreibung des Hochspannungs-Frequenzumrichters JD-BP37-560F der Marke Fengguang. Das Wasserwerk der Daye Special Steel Company entschied sich für den Einsatz des von unserem Unternehmen hergestellten Hochspannungs-Frequenzumrichters JD-BP37-560F der Marke Fengguang zur Drehzahlregelung der Einheiten 1 und 2. 3.1 Wichtigste Leistungsmerkmale des Hochspannungs-Frequenzumrichters JD-BP37-560F: Leistung des Frequenzumrichters 560 kW, Nennausgangsstrom 80 A, Eingangsfrequenz 45 Hz bis 55 Hz, Nenneingangsspannung 6 kV, zulässige Spannungsschwankung ±20 %, Eingangsleistungsfaktor ≥ 0,98, Ausgangsspannungsbereich 0–6 kV, Wirkungsgrad des Frequenzumrichters ≥ 96 %, Ausgangsfrequenzbereich 0–50 Hz, Überlastfähigkeit 100 %, Dauerbetrieb 160 %, Dauerbetrieb (1 min) 220 %, zulässige Überlastzeit 1,5 s. 3.2 Wichtigste technische Merkmale des Hochspannungs-Frequenzumrichters JD-BP37-560F: 3.2.1 Hochspannungs-Frequenzumrichter mit direkter 6-kV-Eingangsspannung und -Ausgangsspannung. Kein Ausgangstransformator oder Filter erforderlich. Geeignet für gängige Hochspannungsmotoren. Keine Beschädigung der Motor- und Kabelisolierung. 3.2.2 Hoher Leistungsfaktor und geringe Stromoberschwingungen, wodurch der Bedarf an Leistungsfaktorkompensation und Oberschwingungsunterdrückungsgeräten entfällt. 3.2.3 Modulares Design der Schaltkreise, einfache Wartung und gute Austauschbarkeit. 3.2.4 Gestaffelte Sinus-PWM-Ausgangswellenform. 3.2.5 Glasfaserverbindung zwischen Hochspannungs-Hauptstromkreis und Steuerung, gewährleistet starke und schwache Stromtrennung und Sicherheit. 3.2.6 Umfassende Fehlererkennung, präziser Fehlerschutz sowie genaue Positionsanzeige und Alarmierung. 3.2.7 Integrierte SPS, einfache Anpassung der Steuerlogik, flexible Wahl zwischen Vor-Ort- und Fernsteuerung zur Anpassung an wechselnde Anforderungen vor Ort. 3.2.8 Nutzt Trägerphasenverschiebungssteuerung, wodurch Oberschwingungsanteile der Ausgangsspannung deutlich unterdrückt und eine perfekte Sinus-Ausgangswellenform gewährleistet wird. 3.2.9 Die Steuerstromversorgung ist unabhängig von der Hochspannungsversorgung. Die Wechselrichterleistung kann auch ohne Hochspannung erfasst werden, was die Fehlersuche vor Ort, die Bedienerschulung und die Wartung erleichtert. 3.2.10 Nutzt quasi-optimierte SPWM-Modulationstechnologie für die Hochspannungsnutzung. 3.2.11 Das Leistungsaggregat wird einem 24-stündigen Hochtemperatur-Alterungstest und einem 150%-Lasttest unterzogen und beweist damit seine hohe Zuverlässigkeit. 3.2.12 Das System verfügt über eine chinesische Windows-Benutzeroberfläche mit Farb-LCD-Touchscreen. Die Hauptbenutzeroberfläche ist in Abbildung 2 dargestellt. Die benutzerfreundliche und umfassende Überwachungssystemschnittstelle umfasst einen Host-Computer (handelsüblicher PC), einen Slave-Computer (Industrie-Steuerungscomputer) und einen Mikrocontroller. Der Mikrocontroller bietet dem Benutzer ein 4-stelliges LED-Digitaldisplay und ein 12-Tasten-Tastenfeld, das die vollständige Bedienung des Wechselrichters ermöglicht, einschließlich Parametereinstellungen und verschiedener Betriebsbefehle. Der industrielle Steuerungsrechner bietet eine umfassendere Bedienplattform mit Touchscreen und Universaltastatur. Diese ermöglicht Parameter- und Funktionseinstellungen, Bedienung, Datendruck, Fehlerabfrage usw. Der Host-Rechner (handelsüblicher PC) befindet sich im zentralen Kontrollraum und kann mehrere Wechselrichter fernsteuern und messen. Bei nur einem Wechselrichter kann der Host-Rechner entfallen oder kundenspezifisch angepasst werden. [align=center] Abbildung 2: Hauptschnittstellendiagramm[/align] 3.2.13 Empfang und Ausgabe mehrerer industrieller Standardsignale. 3.2.14 Druck von Betriebsberichten. Zusätzlich zu den genannten Basisfunktionen verfügt der Frequenzumrichter über folgende Sonderfunktionen: (1) Vakuumprüfung der Ventile. Vor dem Start der Wasserpumpe prüft der Frequenzumrichter automatisch den Vakuumwert. Bei fehlendem Vakuum oder Nichterfüllung der Anforderungen gibt der Frequenzumrichter ein Alarmsignal aus und verhindert den Start der Wasserpumpe. (2) Konfiguration des Netzfrequenz-Bypass. Der Frequenzumrichter verfügt über einen manuellen Bypass-Schalter, sodass die Wasserpumpeneinheit wahlweise mit Frequenzumwandlung oder Netzfrequenz betrieben werden kann. (3) Autonome Motortemperaturregelung. Der Frequenzumrichter erfasst die Motortemperatur und zeigt diese auf seiner Hauptschnittstelle an. Bei zu hoher Motortemperatur gibt er ein Alarmsignal aus. (4) Zwei Betriebsmodi: „Lokal“ und „Fernsteuerung“. Je nach Bedarf können Start- und Stoppvorgänge sowie Parametereinstellungen direkt am Frequenzumrichter oder über einen Mikrocomputer in der Fernsteuerungszentrale durchgeführt werden. (5) Ventilanbindung. Beim An- und Abfahren der Pumpe entfällt die manuelle Ventilbetätigung durch das Personal. Dies reduziert den Arbeitsaufwand und ermöglicht die vollständige Automatisierung des An- und Abfahrvorgangs. (6) Fernüberwachung per Telefon. Um den Betrieb des Frequenzumrichters vor Ort zu überwachen, muss die Betriebsleitung lediglich eine Fernüberwachungssoftware auf dem Terminal-Mikrocomputer installieren und bei Bedarf die entsprechende Leitung anrufen. 4. Änderungsplan Im August 2004 unterzeichneten die Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd. und das Wasserwerk der Daye Special Steel Company einen Vertrag über den Kauf eines Frequenzumrichters. Im Oktober 2004 wurde der Frequenzumrichter offiziell in Betrieb genommen und die Inbetriebnahme verlief auf Anhieb erfolgreich. Auch die Abnahme des Frequenzumrichters wurde abgeschlossen. Der geänderte Schaltplan ist in Abbildung 3 dargestellt: [align=center] Abbildung 3: Geänderter Schaltplan[/align] In Abbildung 3 ist KA0 der Hochspannungsschalter des Frequenzumrichters; KA1 und KA2 sind die ursprünglichen Hochspannungsschalter für die Pumpen 1 und 2; KY1 bis KY4 sind manuelle Trennschalter; M1 ist der Motor für Pumpe 1; M2 ist der Motor für Pumpe 2. KY2 darf nicht gleichzeitig mit KY1 oder KY3 geschlossen sein, und KY3 darf nicht gleichzeitig mit KY4 oder KY2 geschlossen sein. Wenn KY2 geschlossen und KY1 getrennt ist, kann Pumpe 1 mit Frequenzumrichter betrieben werden. In diesem Fall muss KY3 getrennt werden, KY4 kann getrennt oder geschlossen werden. Wenn KY4 und KA2 geschlossen sind, kann Pumpe Nr. 2 mit Netzfrequenz betrieben werden. Wenn KY3 geschlossen und KY4 getrennt ist, arbeitet Pumpe Nr. 2 mit Frequenzumwandlung. In diesem Fall muss KY2 getrennt werden, KY1 kann getrennt oder geschlossen werden. Wenn KY1 und KA1 geschlossen sind, kann Pumpe Nr. 1 mit Netzfrequenz betrieben werden. 5. Betriebszustand des Frequenzumrichters (FU): Nach fast neun Monaten Betrieb hat der Anwender den Zweck der FU-Aufrüstung vollständig erreicht. Folgende Vorteile wurden nach der Verwendung des FU festgestellt: (1) Einfache Bedienung und gute Übersicht. Alle Daten und der Betriebszustand des FU während des Betriebs können auf dem Bildschirm des Host-Computers angezeigt werden, z. B. Betriebsfrequenz, Eingangsspannung, Eingangsstrom, Ausgangsspannung, Ausgangsstrom, offener und geschlossener Regelkreis, Druckwert usw. Der Bildschirm des Host-Computers ist einfach und übersichtlich zu bedienen und gut ablesbar. (2) Stabiler Betrieb der Motor- und Wasserpumpeneinheit bei normalem Temperaturanstieg. Die vom Frequenzumrichter angetriebenen Einheiten Nr. 1 und Nr. 2 sind gewöhnliche Drehstrom-Asynchronmotoren der Shenyang Electric Machinery Factory (Juni 1986), die Wasserpumpen sind Kreiselpumpen für sauberes Wasser der Shenyang Water Pump Factory (August 1987). Im gesamten Drehzahlbereich der Pumpeneinheit liefen Motor und Pumpe ruhig und vibrations- sowie geräuschlos. Auch der Temperaturanstieg von Motor und Pumpe lag im Normbereich. Der Frequenzumrichter war als Sanftanlaufgerät mit geringem Anlaufstrom ausgeführt, wodurch die mechanische Belastung der Einheit deutlich reduziert wurde. (3) Der Frequenzumrichter arbeitete stabil und zuverlässig. Seit der Inbetriebnahme des Hochspannungs-Frequenzumrichters JD-BP37-560F der Marke Fengguang läuft dieser stabil mit gleichmäßiger und zuverlässiger Drehzahlregelung, normaler Spannung und normalem Strom und ohne jegliche Störungen. (4) Er reduzierte die Arbeitsbelastung des Betriebspersonals. Da der Frequenzumrichter über eine Ventilanbindungsfunktion verfügt, kann das diensthabende Personal die Pumpen und Ventile während des Betriebs über das Mikrocomputer-Fernüberwachungssystem steuern. Ein häufiges Ein- und Ausschalten entfällt, was den Arbeitsaufwand erheblich reduziert. (5) Konstantdruckregelung. Die Konstantdruckregelung ermöglicht es dem Benutzer, den benötigten Druck entsprechend dem tatsächlichen Wasserbedarf einzustellen. Der Frequenzumrichter arbeitet dann automatisch mit konstantem Druck. Die Druckeinstellung ist komfortabel, präzise und stabil und gewährleistet so einen stabilen Betrieb des Rohrleitungsnetzes und eine verbesserte Wasserqualität. (6) Reduzierte Wartungskosten. Durch den sanften Anlauf des Motors dank des Frequenzumrichters ist der Anlaufstrom gering und die Wasserpumpeneinheit wird nicht mechanisch belastet. Dadurch verlängert sich die Lebensdauer von Pumpe, Motor und Ventil, und der Wartungsaufwand sowie die Wartungskosten werden deutlich reduziert. (7) Deutliche Energieeinsparung. Im Wasserwerk der Daye Special Steel Company werden derzeit mehrere Wasserpumpen parallel zur Wasserversorgung eingesetzt. Aufgrund der starken Schwankungen im Wasserangebot zwischen Tag und Nacht nutzt das Wasserwerk zur Regulierung üblicherweise das An- und Abschalten großer und kleiner Pumpen anstelle der Ventilsteuerung. Trotzdem entsteht weiterhin ein gewisser Energieverlust. Vor der Umrüstung des Wasserwerks wurden zur Wasserversorgung des Stadtgebiets in der Regel ein oder zwei an das Stromnetz angeschlossene Pumpen mit Netzfrequenz verwendet. Im September 2004, als die Wasserversorgung auf diese Weise betrieben wurde, lag der Stromverbrauch pro 1000 Tonnen Wasser bei 143,6 kWh. Nach der Umrüstung auf Frequenzumrichter betrug der Stromverbrauch pro 1000 Tonnen Wasser im Oktober 2004 129,6 kWh, was einer Reduzierung des Gesamtstromverbrauchs um etwa 10 % entspricht. Berechnungen zufolge amortisieren sich die Kosten in weniger als zwei Jahren. 6. Fazit: Der im praktischen Einsatz verwendete Hochspannungs-Frequenzumrichter JD-BP37-560F der Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd. zeichnet sich durch hervorragende Leistung und zuverlässigen Betrieb aus. Es kann nicht nur in neuen Trinkwasserprojekten, sondern auch bei der Modernisierung alter Anlagen eingesetzt werden. Der Einsatz der Frequenzumrichter-Drehzahlregelung in Wasserwerken verbessert nicht nur die Wasserqualität und -kapazität, sondern senkt auch die Kosten der Wasserversorgung. Der erfolgreiche Betrieb des Hochspannungs-Frequenzumrichters JD-BP37-560F der Marke Fengguang im Wasserwerk der Daye Special Steel Company beweist seine unübertroffene Leistungsfähigkeit bei der Drehzahlregelung von Wasserpumpen. Referenzen: [1] Shandong Xinfengguang Electronic User Manual [Z]. Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd. [2] Du Xianguo, Guo Peibin, Han Wenzhao. Anwendung von Hochspannungs-Frequenzumrichtern in Kühlwasser-Umwälzpumpen. Liu Haipeng (1875-), Ingenieur, Abteilung Technische Unterstützung der Shandong Xinfengguang Electronic Technology Development Co., Ltd.