1引言

高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)是上世紀(jì)九十年代迅速發(fā)展起來的交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速技術(shù)。變頻調(diào)速以其顯著的節(jié)能效益、高精確的調(diào)速精度、寬范圍的調(diào)速、完善的保護(hù)功能，以及易于實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)通信功能，得到了用戶和市場的認(rèn)可，使之成為企業(yè)采用電機(jī)調(diào)速方式的首選方案。

國內(nèi)高壓變頻器的生產(chǎn)廠家現(xiàn)在生產(chǎn)的高壓變頻器一般都是中小功率，功率一般在5000kW以下。我國在高壓大功率變頻器方面的研究相對比較滯后，在大功率變頻傳動(dòng)領(lǐng)域，相比西方發(fā)達(dá)國家，我國工業(yè)起步晚，技術(shù)落后是事實(shí)，但隨著國內(nèi)技術(shù)的進(jìn)步，以及在售后方面的碾壓式優(yōu)勢，國產(chǎn)替代空間逐步打開。近年來，隨著技術(shù)水平的逐步積累，尤其是對功率半導(dǎo)體器件的廣泛應(yīng)用，國產(chǎn)大功率變頻器已有突破性進(jìn)展，從電壓源型串聯(lián)H橋、二極管鉗位式多電平變頻器的研發(fā)和應(yīng)用已逐漸成熟，已逐步縮小與國外產(chǎn)品的技術(shù)差距。

當(dāng)前大功率變頻器的國產(chǎn)化迎來契機(jī)：首先是存量改造市場可觀。近年來，許多西門子、ABB等國外品牌已超期服役，急需替換，但同類產(chǎn)品大部分均已下線停售，原產(chǎn)品的更新款價(jià)格高昂且要面對兼容問題。其次相比國外品牌6-12個(gè)月的交付周期，本土品牌交付周期短，備品備件價(jià)格大幅降低，且提供質(zhì)保期內(nèi)的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。第三是客戶定制化、半定制化需求越來越高，日資和歐美品牌靈活性顯然不及本土品牌。因此公司很有必要研制和開發(fā)超大功率型的高壓變頻器來應(yīng)對市場的需求。

2 項(xiàng)目概要

本設(shè)計(jì)機(jī)型為6kV-10000kW高壓變頻器，屬于超大功率變頻設(shè)備。大功率水冷高壓變頻器涉及到軟件、硬件、結(jié)構(gòu)、工藝等相關(guān)工作，各工序需要相互配合，方能完成此研發(fā)任務(wù)。

2.1 技術(shù)參數(shù)

2.1.1電網(wǎng)技術(shù)參數(shù)

      輸入電壓：6kV   電壓上限 6.9kV (+15%)  電壓下限 4.2kV (-30%)

      輸入頻率：50Hz   頻率上限  60Hz (+20%)   頻率下限 40Hz  (-20%)

2.1.2 電機(jī)技術(shù)參數(shù)

電機(jī)類型：同步電機(jī)

額定功率：10000kW

電機(jī)額定電壓：6kV

電機(jī)額定頻率：60Hz

電機(jī)功率因數(shù)：0.85

2.2 總體方案

本設(shè)計(jì)項(xiàng)目的總體方案采用高壓變頻器的主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即H橋級(jí)聯(lián)多電平逆變器，如圖1所示。電網(wǎng)輸入的三相6kV高壓交流電經(jīng)過輸入開關(guān)柜供給移相隔離變壓器。副邊24繞組的移相變壓器將三相6kV電壓，隔離移相后輸出3×8組的三相690V低壓交流電，分別經(jīng)由整流模塊、濾波電容器、IGBT模塊等組成的功率單元整流逆變，每相由8個(gè)功率單元輸出串聯(lián)疊加形成 0～6kV、0～60Hz的變頻高壓交流電壓輸出至同步電動(dòng)機(jī)。每個(gè)單元的輸出通過解析控制系統(tǒng)傳遞過來的光信號(hào)進(jìn)行控制，每個(gè)單元通過一根輸入光纖接收控制指令，通過一根發(fā)送光纖將自身運(yùn)行狀態(tài)反饋給控制系統(tǒng)。

圖1 H橋級(jí)聯(lián)多電平變頻器拓?fù)涫疽鈭D

2.3設(shè)計(jì)時(shí)的難點(diǎn)及重點(diǎn)考慮的問題

 2.3.1 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在國內(nèi)功率在6kV10000kW以上的作為超大功率的高壓變頻器，國內(nèi)應(yīng)用先例不多，輸入電壓和頻率變化范圍寬，所有設(shè)計(jì)和元器件的選用沒有可比照性，因此在選擇上應(yīng)多加考慮和驗(yàn)證.

 2.3.2 現(xiàn)在方案中采用的器件并聯(lián)方式，需要考慮并聯(lián)后的均流問題，和器件開關(guān)特性的一致性問題，以及驅(qū)動(dòng)回路容量的問題。

 2.3.3 單體變壓器容量問題，一般在10000kVA以下，超容量時(shí)，需要考慮并機(jī)形式。

 2.3.4系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)：風(fēng)冷方式已不能滿足變頻器的散熱要求，需采用水冷散熱方式。

 2.3.5結(jié)構(gòu)問題：功率單元的元器件增多加大后，自身重量是一個(gè)嚴(yán)重的問題，安裝時(shí)怎么處理，特別是現(xiàn)場安裝，需要考慮專用工具。大柜體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，多大體積，以及內(nèi)部絕緣支柱的承受力等問題。

3變頻方案詳細(xì)設(shè)計(jì)說明

本項(xiàng)目方案采用直接高壓變頻電路拓?fù)?，電網(wǎng)直接給移相變壓器供電，移相變壓器副邊繞組給功率單元供電，功率單元輸出串聯(lián)后，直接輸出到高壓電機(jī)，提供驅(qū)動(dòng)電壓，勵(lì)磁柜提供同步電機(jī)勵(lì)磁控制，水冷柜負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的散熱控制?？紤]供電電源波動(dòng)范圍比較大，本項(xiàng)目采用8單元串聯(lián)方案。

3.1 變壓器柜

3.2.1 移相變壓器容量設(shè)計(jì)

1) 額定輸入電壓為6kV，輸入電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍4.2kV-6.9kV（70%-115%），在輸入電壓范圍內(nèi)，變壓器額定傳輸功率為10000kW（12500kVA），通過計(jì)算變頻器在最低電壓狀態(tài)下運(yùn)行，設(shè)計(jì)電流應(yīng)為1635A；

2) 額定輸入頻率為50Hz，輸入電網(wǎng)頻率波動(dòng)范圍40Hz-60Hz（80%-120%），變壓器鐵芯設(shè)計(jì)余量為6kV時(shí)，按40Hz考慮；

3) 變壓器額定傳輸功率為10000kW（12500kVA）。綜合考慮變壓器容量設(shè)計(jì)為17000kVA（設(shè)計(jì)電壓6kV，設(shè)計(jì)電流為1635A）。由于單機(jī)容量較大，生產(chǎn)制造工藝比較復(fù)雜，需要配制兩臺(tái)8500kVA的干式變壓器（設(shè)計(jì)電流為1635/2=818A，設(shè)計(jì)電壓6kV）。

3.2 功率柜

功率柜的作用和組成：功率柜主要用于安裝功率單元，實(shí)現(xiàn)單元的串聯(lián)疊加三相輸出。本方案采用4個(gè)相同的功率柜，每個(gè)柜子內(nèi)裝有6個(gè)功率單元共24個(gè)功率單元，分上中下三層布置。從上至下分別為變頻器輸出的A、B、C三相，功率柜在一側(cè)使用封星點(diǎn)，兩個(gè)功率柜中間使用電纜連接,如圖2所示。

圖2 水冷型超大功率高壓變頻器功率柜外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

功率單元是使用功率電力電子器件進(jìn)行整流、濾波、逆變的高壓變頻器部件，也是構(gòu)成高壓變頻器主回路的主要部分。每個(gè)功率單元都相當(dāng)于一臺(tái)交-直-交電壓型單相低壓變頻器。每個(gè)功率單元由H橋構(gòu)成，輸出一組SPWM波，每相8個(gè)單元，通過疊加輸出一組17個(gè)電平的正弦波；同一相中的每個(gè)功率單元的采樣頻率一致，用同一個(gè)載波進(jìn)行調(diào)制，載波相差1/N個(gè)采樣周期。單元原理示意圖如圖3所示。

圖3功率單元原理示意圖

本項(xiàng)目功率單元輸出電流比較大，一般風(fēng)冷系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足設(shè)備的散熱需求，因此功率單元采用液冷散熱結(jié)合方式，功率柜有主進(jìn)水管和出水管。

3.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個(gè)水冷型超大功率高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心，它根據(jù)用戶在本地或遠(yuǎn)程的操作和設(shè)置，并采集系統(tǒng)中電壓、電流模擬量，及各開關(guān)量，進(jìn)行邏輯處理和計(jì)算后，決定并控制各功率單元的動(dòng)作，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)電機(jī)，滿足輸出要求?？刂葡到y(tǒng)連接示意圖如圖4所示。

整機(jī)主控制系統(tǒng)有如下幾部分，主控板采用高速的數(shù)字信號(hào)處理器DSP為核心控制器，負(fù)責(zé)所有數(shù)據(jù)處理、算法實(shí)現(xiàn)及PWM波形計(jì)算，經(jīng)光纖板電光信號(hào)轉(zhuǎn)換后與功率單元進(jìn)行信息交互。PLC負(fù)責(zé)所有電氣件的狀態(tài)的掃描和控制，與主控板通信并將各種報(bào)警信息上傳至主控板。觸摸屏與PLC通信實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行參數(shù)和數(shù)據(jù)的在線設(shè)置、修改、顯示和處理等功能。

圖4  控制系統(tǒng)硬件連接示意圖

3.4 水冷柜

由于本項(xiàng)目方案高壓變頻器輸出功率較大，采用風(fēng)冷方式已經(jīng)不能滿足變頻系統(tǒng)的散熱要求，故本項(xiàng)目采用水冷散熱方式。恒定壓力和流速的冷卻介質(zhì)源源不斷流經(jīng)換熱器進(jìn)行熱交換，散熱后再進(jìn)入被冷卻器件帶走熱量，溫升水回至高壓循環(huán)泵的進(jìn)口。根據(jù)熱負(fù)荷的變化，PLC根據(jù)供水溫度的高低來控制進(jìn)入換熱器的冷卻水流量，從而達(dá)到系統(tǒng)精確控制溫度的要求。

水冷控制系統(tǒng)分為內(nèi)循環(huán)水系統(tǒng)及外循環(huán)水系統(tǒng)，內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)整流二極管、逆變IGBT等器件直接安裝在水冷散熱板上，產(chǎn)生的熱量由內(nèi)循環(huán)水帶走，進(jìn)入水-水熱交換器，水-水熱交換器通過和外循環(huán)水換熱，把熱量由外循環(huán)水帶走，冷水進(jìn)入單元水冷板繼續(xù)循環(huán)。冷卻系統(tǒng)雙泵互為備用，防止單泵故障引起系統(tǒng)停機(jī)；為適應(yīng)大功率電力電子設(shè)備在高電壓條件下的使用要求，防止在高電壓環(huán)境下產(chǎn)生漏電流，冷卻介質(zhì)必須具備極低的電導(dǎo)率，因此在主循環(huán)回路上并聯(lián)了去離子水處理回路。預(yù)設(shè)一定流量的冷卻介質(zhì)流經(jīng)離子交換器，不斷凈化管路中可能析出的離子，與主循環(huán)回路冷卻介質(zhì)在主循環(huán)泵入口合流。具有去離子水離子濃度檢測功能，離子超標(biāo)報(bào)警；冷卻系統(tǒng)壓力檢測，超標(biāo)報(bào)警；冷卻系統(tǒng)溫度檢測，超標(biāo)報(bào)警。

4結(jié)束語

國產(chǎn)水冷型超大功率高壓變頻器的研制成功，填補(bǔ)了國產(chǎn)超大功率變頻器應(yīng)用行業(yè)的一項(xiàng)空白。當(dāng)然，我們還將在結(jié)構(gòu)、工藝、功能等方面進(jìn)一步完善，把大功率變頻器做的更完美、更可靠、更周全。相信在不遠(yuǎn)的將來超大功率變頻器在自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)會(huì)有一個(gè)燦爛的明天。

隨著行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累和技術(shù)的成熟，國內(nèi)品牌在超大功率高壓變頻器的應(yīng)用上，有望在未來幾年內(nèi)形成對進(jìn)口產(chǎn)品的持續(xù)替代。工業(yè)變頻器涉及冶金、石油、起重設(shè)備、礦山機(jī)械、海洋裝備、造紙、軌道交通等多個(gè)領(lǐng)域，市場巨大，國產(chǎn)化迎來契機(jī)，我們看好此領(lǐng)域的機(jī)會(huì)。

參考文獻(xiàn)：

【1】2019年我國變頻器市場行業(yè)分析（行業(yè)內(nèi)參）

【2】新風(fēng)光電子產(chǎn)品說明書

【3】水冷廠家水冷系統(tǒng)說明書

作者簡介：

田玉芳 女 電氣工程師  現(xiàn)就職于新風(fēng)光電子科技股份有限公司，一直從事電氣技術(shù)工作。