產品與解決方案/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
1引言
高壓交流變頻調速技術是上世紀九十年代迅速發展起來的交流電動機的調速技術。變頻調速以其顯著的節能效益、高精確的調速精度、寬范圍的調速、完善的保護功能，以及易于實現的自動通信功能，得到了用戶和市場的認可，使之成為企業采用電機調速方式的首選方案。
國內高壓變頻器的生產廠家現在生產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域，相比西方發達國家，我國工業起步晚，技術落后是事實，但隨著國內技術的進步，以及在售后方面的碾壓式優勢，國產替代空間逐步打開。近年來，隨著技術水平的逐步積累，尤其是對功率半導體器件的廣泛應用，國產大功率變頻器已有突破性進展，從電壓源型串聯H橋、二極管鉗位式多電平變頻器的研發和應用已逐漸成熟，已逐步縮小與國外產品的技術差距。
當前大功率變頻器的國產化迎來契機：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，但同類產品大部分均已下線停售，原產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，且提供質保期內的優質服務。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超大功率型的高壓變頻器來應對市場的需求。
2 項目概要
本設計機型為6kV-10000kW高壓變頻器，屬于超大功率變頻設備。大功率水冷高壓變頻器涉及到軟件、硬件、結構、工藝等相關工作，各工序需要相互配合，方能完成此研發任務。
2.1 技術參數
2.1.1電網技術參數
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 電機技術參數
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：0.85
2.2 總體方案
本設計項目的總體方案采用高壓變頻器的主回路拓撲結構，即H橋級聯多電平逆變器，如圖1所示。電網輸入的三相6kV高壓交流電經過輸入開關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，通過一根發送光纖將自身運行狀態反饋給控制系統。
圖1 H橋級聯多電平變頻器拓撲示意圖
2.3設計時的難點及重點考慮的問題
2.3.1 本系統的設計，在國內功率在6kV10000kW以上的作為超大功率的高壓變頻器，國內應用先例不多，輸入電壓和頻率變化范圍寬，所有設計和元器件的選用沒有可比照性，因此在選擇上應多加考慮和驗證.
2.3.2 現在方案中采用的器件并聯方式，需要考慮并聯后的均流問題，和器件開關特性的一致性問題，以及驅動回路容量的問題。
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系統的散熱設計：風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結構問題：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，特別是現場安裝，需要考慮專用工具。大柜體的結構設計，多大體積，以及內部絕緣支柱的承受力等問題。
3變頻方案詳細設計說明
本項目方案采用直接高壓變頻電路拓撲，電網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，功率單元輸出串聯后，直接輸出到高壓電機，提供驅動電壓，勵磁柜提供同步電機勵磁控制，水冷柜負責整個系統的散熱控制。考慮供電電源波動范圍比較大，本項目采用8單元串聯方案。
3.1 變壓器柜
3.2.1 移相變壓器容量設計
1) 額定輸入電壓為6kV，輸入電網電壓波動范圍4.2kV-6.9kV（70%-115%），在輸入電壓范圍內，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下運行，設計電流應為1635A；
2) 額定輸入頻率為50Hz，輸入電網頻率波動范圍40Hz-60Hz（80%-120%），變壓器鐵芯設計余量為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計為17000kVA（設計電壓6kV，設計電流為1635A）。由于單機容量較大，生產制造工藝比較復雜，需要配制兩臺8500kVA的干式變壓器（設計電流為1635/2=818A，設計電壓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，實現單元的串聯疊加三相輸出。本方案采用4個相同的功率柜，每個柜子內裝有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部結構圖
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，一般風冷系統已經不能滿足設備的散熱需求，因此功率單元采用液冷散熱結合方式，功率柜有主進水管和出水管。
3.3 控制系統
控制系統是整個水冷型超大功率高壓變頻調速系統的核心，它根據用戶在本地或遠程的操作和設置，并采集系統中電壓、電流模擬量，及各開關量，進行邏輯處理和計算后，決定并控制各功率單元的動作，進一步驅動電機，滿足輸出要求。控制系統連接示意圖如圖4所示。
整機主控制系統有如下幾部分，主控板采用高速的數字信號處理器DSP為核心控制器，負責所有數據處理、算法實現及PWM波形計算，經光纖板電光信號轉換后與功率單元進行信息交互。PLC負責所有電氣件的狀態的掃描和控制，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通信實現各種運行參數和數據的在線設置、修改、顯示和處理等功能。
圖4 控制系統硬件連接示意圖
3.4 水冷柜
由于本項目方案高壓變頻器輸出功率較大，采用風冷方式已經不能滿足變頻系統的散熱要求，故本項目采用水冷散熱方式。恒定壓力和流速的冷卻介質源源不斷流經換熱器進行熱交換，散熱后再進入被冷卻器件帶走熱量，溫升水回至高壓循環泵的進口。根據熱負荷的變化，PLC根據供水溫度的高低來控制進入換熱器的冷卻水流量，從而達到系統精確控制溫度的要求。
水冷控制系統分為內循環水系統及外循環水系統，內循環系統整流二極管、逆變IGBT等器件直接安裝在水冷散熱板上，產生的熱量由內循環水帶走，進入水-水熱交換器，水-水熱交換器通過和外循環水換熱，把熱量由外循環水帶走，冷水進入單元水冷板繼續循環。冷卻系統雙泵互為備用，防止單泵故障引起系統停機；為適應大功率電力電子設備在高電壓條件下的使用要求，防止在高電壓環境下產生漏電流，冷卻介質必須具備極低的電導率，因此在主循環回路上并聯了去離子水處理回路。預設一定流量的冷卻介質流經離子交換器，不斷凈化管路中可能析出的離子，與主循環回路冷卻介質在主循環泵入口合流。具有去離子水離子濃度檢測功能，離子超標報警；冷卻系統壓力檢測，超標報警；冷卻系統溫度檢測，超標報警。
4結束語
國產水冷型超大功率高壓變頻器的研制成功，填補了國產超大功率變頻器應用行業的一項空白。當然，我們還將在結構、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域內會有一個燦爛的明天。
隨著行業應用經驗的積累和技術的成熟，國內品牌在超大功率高壓變頻器的應用上，有望在未來幾年內形成對進口產品的持續替代。工業變頻器涉及冶金、石油、起重設備、礦山機械、海洋裝備、造紙、軌道交通等多個領域，市場巨大，國產化迎來契機，我們看好此領域的機會。
參考文獻：
【1】2019年我國變頻器市場行業分析（行業內參）
【2】新風光電子產品說明書
【3】水冷廠家水冷系統說明書
作者簡介：
田玉芳 女 電氣工程師 現就職于新風光電子科技股份有限公司，一直從事電氣技術工作。
