產(chǎn)品與解決方案/PRODUCT AND SOLUTIONS
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解決方案
超大功率水冷高壓變頻器的研制與開發(fā)
1引言
高壓交流變頻調(diào)速技術(shù)是上世紀九十年代迅速發(fā)展起來的交流電動機的調(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,、完善的保護功能，以及易于實現(xiàn)的自動通信功能,，得到了用戶和市場的認可,，使之成為企業(yè)采用電機調(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，在大功率變頻傳動領(lǐng)域,，相比西方發(fā)達國家,，我國工業(yè)起步晚，技術(shù)落后是事實,，但隨著國內(nèi)技術(shù)的進步,，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,。
當前大功率變頻器的國產(chǎn)化迎來契機：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)品的更新款價格高昂且要面對兼容問題。其次相比國外品牌6-12個月的交付周期,，本土品牌交付周期短,，備品備件價格大幅降低，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 項目概要
本設(shè)計機型為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 電機技術(shù)參數(shù)
電機類型：同步電機
額定功率：10000kW
電機額定電壓：6kV
電機額定頻率：60Hz
電機功率因數(shù)：0.85
2.2 總體方案
本設(shè)計項目的總體方案采用高壓變頻器的主回路拓撲結(jié)構(gòu),，即H橋級聯(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機,。每個單元的輸出通過解析控制系統(tǒng)傳遞過來的光信號進行控制，每個單元通過一根輸入光纖接收控制指令,，通過一根發(fā)送光纖將自身運行狀態(tài)反饋給控制系統(tǒng),。
圖1 H橋級聯(lián)多電平變頻器拓撲示意圖
2.3設(shè)計時的難點及重點考慮的問題
2.3.1 本系統(tǒng)的設(shè)計，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,，需要考慮并機形式。
2.3.4系統(tǒng)的散熱設(shè)計：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,，自身重量是一個嚴重的問題,，安裝時怎么處理,，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,，多大體積，以及內(nèi)部絕緣支柱的承受力等問題,。
3變頻方案詳細設(shè)計說明
本項目方案采用直接高壓變頻電路拓撲,，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，提供驅(qū)動電壓,，勵磁柜提供同步電機勵磁控制,，水冷柜負責整個系統(tǒng)的散熱控制?？紤]供電電源波動范圍比較大,，本項目采用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
1) 額定輸入電壓為6kV,，輸入電網(wǎng)電壓波動范圍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）,，通過計算變頻器在最低電壓狀態(tài)下運行,，設(shè)計電流應(yīng)為1635A；
2) 額定輸入頻率為50Hz,，輸入電網(wǎng)頻率波動范圍40Hz-60Hz（80%-120%）,，變壓器鐵芯設(shè)計余量為6kV時，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)計為17000kVA（設(shè)計電壓6kV，設(shè)計電流為1635A）,。由于單機容量較大,，生產(chǎn)制造工藝比較復(fù)雜，需要配制兩臺8500kVA的干式變壓器（設(shè)計電流為1635/2=818A,，設(shè)計電壓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，實現(xiàn)單元的串聯(lián)疊加三相輸出,。本方案采用4個相同的功率柜,，每個柜子內(nèi)裝有6個功率單元共24個功率單元，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,，兩個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。每個功率單元都相當于一臺交-直-交電壓型單相低壓變頻器,。每個功率單元由H橋構(gòu)成,，輸出一組SPWM波，每相8個單元,，通過疊加輸出一組17個電平的正弦波,；同一相中的每個功率單元的采樣頻率一致，用同一個載波進行調(diào)制,，載波相差1/N個采樣周期,。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，功率柜有主進水管和出水管,。
3.3 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是整個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，進行邏輯處理和計算后,，決定并控制各功率單元的動作,，進一步驅(qū)動電機，滿足輸出要求,?？刂葡到y(tǒng)連接示意圖如圖4所示。
整機主控制系統(tǒng)有如下幾部分,，主控板采用高速的數(shù)字信號處理器DSP為核心控制器,，負責所有數(shù)據(jù)處理、算法實現(xiàn)及PWM波形計算,，經(jīng)光纖板電光信號轉(zhuǎn)換后與功率單元進行信息交互,。PLC負責所有電氣件的狀態(tài)的掃描和控制，與主控板通信并將各種報警信息上傳至主控板,。觸摸屏與PLC通信實現(xiàn)各種運行參數(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)換熱器進行熱交換,，散熱后再進入被冷卻器件帶走熱量，溫升水回至高壓循環(huán)泵的進口,。根據(jù)熱負荷的變化,，PLC根據(jù)供水溫度的高低來控制進入換熱器的冷卻水流量，從而達到系統(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,；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,，離子超標報警,；冷卻系統(tǒng)壓力檢測，超標報警,；冷卻系統(tǒng)溫度檢測,，超標報警。
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,，填補了國產(chǎn)超大功率變頻器應(yīng)用行業(yè)的一項空白,。當然，我們還將在結(jié)構(gòu),、工藝,、功能等方面進一步完善,，把大功率變頻器做的更完美、更可靠,、更周全,。相信在不遠的將來超大功率變頻器在自動化領(lǐng)域內(nèi)會有一個燦爛的明天。
隨著行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗的積累和技術(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、礦山機械,、海洋裝備,、造紙、軌道交通等多個領(lǐng)域,，市場巨大,，國產(chǎn)化迎來契機，我們看好此領(lǐng)域的機會,。
參考文獻：
【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。
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