國產(chǎn)2500kW/6kV高壓變頻器應(yīng)用分析

1 引言 隨著高壓變頻技術(shù)的日趨成熟和節(jié)能降耗、提高經(jīng)濟(jì)效益的市場需求越來越深化，高壓變頻技術(shù)正向著電壓更高、功率更大、性能更優(yōu)越的方向發(fā)展。大功率和超大功率高壓變頻器的市場前景日益被業(yè)內(nèi)看好。如何解決大功率高壓變頻器在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、應(yīng)用中的技術(shù)難題，成為打開國內(nèi)大功率高壓變頻器市場的關(guān)鍵。 目前，由于大功率高壓變頻的技術(shù)門檻較高;因此2000kW以上高壓產(chǎn)品市場一直被國外品牌占據(jù)。北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的Harsvert-A06/300型2500kW高壓變頻器在油田注水泵變頻改造項(xiàng)目上的成功應(yīng)用，充分表明了國產(chǎn)大功率高壓變頻在關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，它的投運(yùn)為國產(chǎn)2000kW以上產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用填補(bǔ)了一項(xiàng)國內(nèi)空白。 2500kW高壓變頻器的應(yīng)用主要需要解決功率器件并聯(lián)、設(shè)備散熱、環(huán)境冷卻以及現(xiàn)場安裝等相關(guān)技術(shù)問題。 2 大電流輸出問題 2500kW高壓變頻器的額定輸出電流為300A。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，除了需要滿足額定輸出電流的要求外，還需要具備120%過負(fù)荷1min的能力;并且必須能夠承受瞬時(shí)1.5倍額定電流的沖擊無器件損傷。因此，功率器件的選型必須依據(jù)峰值電流設(shè)計(jì)。也就是說，功率單元的通流量需要達(dá)到，即620A。考慮到IGBT具有一定的瞬時(shí)過流能力，因此基于散熱方面的考慮采用兩只額定值300A的IGBT并聯(lián)來達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)IGBT在并聯(lián)情況下均流輸出，而且能夠長期可靠的安全運(yùn)行。在功率單元的設(shè)計(jì)當(dāng)中主要有以下幾個(gè)問題: (1) 用同型號(hào)、同批次IGBT，篩選電流曲線、開關(guān)損耗值等性能參數(shù)完全一致的器件進(jìn)行功率單元的生產(chǎn); (2) 在物理上嚴(yán)格保證電路參數(shù)的一致, 消除結(jié)構(gòu)安裝、散熱條件、線路布置等分布參數(shù)對(duì)實(shí)際運(yùn)行的不利影響; (3) 采用低電感回路設(shè)計(jì)，避免動(dòng)力母線寄生電感對(duì)器件安全性的影響; (4) 單元控制板產(chǎn)生步調(diào)一致的觸發(fā)脈沖信號(hào)，保證并聯(lián)器件的開關(guān)控制誤差＜1μs; (5) 驅(qū)動(dòng)線路采用更為嚴(yán)格的抗干擾設(shè)計(jì)，并進(jìn)行主電氣回路電磁輻射測試;保證驅(qū)動(dòng)波形不畸變，電氣控制參數(shù)相同; (6)動(dòng)態(tài)電流平衡技術(shù)，保證IGBT運(yùn)行工況一致;避免溫度變化帶來的器件特性參數(shù)的差異，引起電流不均導(dǎo)致器件燒毀、系統(tǒng)崩潰的問題。 3 設(shè)備散熱問題 高壓變頻器的自身冷卻和環(huán)境散熱問題是高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用中不可忽視的重要問題之一。2500kW的設(shè)備在滿載運(yùn)行情況下有2~4%的損耗，功率約為100kW;這其中絕大部分是以熱量形式散失在空間當(dāng)中的。及時(shí)有效地將自身熱量傳遞到設(shè)備外部，使系統(tǒng)工作溫度在允許范圍內(nèi)是保證設(shè)備安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。 變頻器的熱量損耗主要包括變壓器柜和功率柜兩部分。變壓器采用H級(jí)干式變壓器標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，絕緣材料能夠耐受180℃的運(yùn)行高溫，變壓器溫升可達(dá)125K; 標(biāo)稱容量為145℃自然冷卻條件的有效容量值。可以說，變壓器對(duì)運(yùn)行溫度的要求并不敏感;只要運(yùn)行溫度低于理論設(shè)計(jì)值145℃，那么變壓器就會(huì)滿足使用要求。但是，系統(tǒng)為了保證變壓器的過載能力達(dá)到電氣設(shè)計(jì)指標(biāo)，冷卻系統(tǒng)采用B級(jí)絕緣130℃的工作溫度設(shè)計(jì)。換句話說，變壓器柜的冷卻系統(tǒng)能夠滿足B級(jí)干式變壓器的運(yùn)行需要，無疑改善了H級(jí)干式變壓器的運(yùn)行條件，提高了運(yùn)行效率，熱量損失也隨之降低。因?yàn)樽儔浩鞯倪\(yùn)行溫度越高，它的損耗越大、效率越低。 根據(jù)實(shí)際情況，變壓器的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)并沒有采用嚴(yán)格的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，而是增加了柜頂風(fēng)機(jī)提高變壓器柜的冷卻風(fēng)量來達(dá)到降低設(shè)備自身溫度的目的。冷卻系統(tǒng)保證環(huán)境溫度45℃情況下，變壓器在110℃達(dá)到熱平衡。實(shí)際運(yùn)行效果表明:現(xiàn)場環(huán)境溫度11℃、設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行情況下，變壓器線圈最大溫升65K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);采用常規(guī)風(fēng)冷卻設(shè)計(jì)可以滿足要求。 功率柜是變頻器運(yùn)行中的又一發(fā)熱主體。功率器件IGBT的最大允許運(yùn)行溫度(外殼溫度)不能超過85℃，過高的溫升會(huì)導(dǎo)致管壓降加大、熱損耗增加;形成惡性循環(huán)、引起器件內(nèi)熱量累積，導(dǎo)致因溫度過高而燒毀。因此，必須處理好功率器件的散熱問題，才能保證系統(tǒng)的安全可靠性。以往小功率產(chǎn)品單位熱量較低，散熱和冷卻系統(tǒng)可以有較大的裕量且受到制約的因素較少。而2500kW產(chǎn)品，功率器件的單位熱量增加、必須考慮空冷散熱的功率大小問題;因此，有效地將器件本身的熱量帶出來，并且能夠快速地把熱量傳到系統(tǒng)外就顯得尤為重要了。 3.1 散熱的具體措施 (1)選用新一代功耗較小的功率器件，利用器件并聯(lián)的方式熱量分散、增大有效散熱面積，把內(nèi)部的熱量帶出來，保證用空冷的方式能夠滿足溫升要求; (2) 選用熱傳導(dǎo)特性好、導(dǎo)熱率高的新型冷板釬焊散熱器，提高散熱效果; (3) 根據(jù)單位面積散熱功率合理設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)，保證環(huán)境溫度45℃條件下器件自身溫度低于85℃; (4) 柜門采用柵格濾網(wǎng)罩，降低進(jìn)風(fēng)風(fēng)阻;濾網(wǎng)選用透氣性好、韌度高的新型過濾合成絲綿，提高冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行效率; (5) 采用冷卻風(fēng)機(jī)冗余設(shè)計(jì)。 確保單臺(tái)風(fēng)機(jī)故障情況下，系統(tǒng)無需降額運(yùn)行;兩臺(tái)風(fēng)機(jī)故障，變頻器降額運(yùn)行不停機(jī)。最大限度保證了功率柜冷卻系統(tǒng)對(duì)設(shè)備安全可靠性的影響。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行測試:100％負(fù)荷情況下，功率器件最大溫升＜23K，取得了良好的運(yùn)行效果。 在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中, 除了要解決好設(shè)備自身的冷卻問題外，現(xiàn)場的環(huán)境散熱問題也是2500kW高壓變頻器應(yīng)用必須充分考慮的。根據(jù)油田注水泵項(xiàng)目的現(xiàn)場情況, 決定將變頻器的環(huán)境冷卻接入已有的高壓電動(dòng)機(jī)冷卻水系統(tǒng)。經(jīng)過計(jì)算, 在增加2500kW變頻器的散熱量的情況下, 現(xiàn)有冷卻水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)裕量可以滿足注水聯(lián)合站的整個(gè)設(shè)備冷卻量需要。 3.2 環(huán)境熱交換系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問題 由于變壓器柜和功率柜在實(shí)際運(yùn)行中的運(yùn)行溫度并不相同，而環(huán)境溫度一致; 且功率柜對(duì)環(huán)境溫度較為敏感。因此，在設(shè)計(jì)上主要有以下幾方面的考慮: (1) 借助設(shè)備本身的冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)境熱交換，簡化系統(tǒng)，不增加獨(dú)立的冷卻風(fēng)機(jī)等設(shè)備。減低輔機(jī)故障點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)安全性能的危害。 (2) 通過空－水冷裝置把變頻器冷卻風(fēng)帶出來的設(shè)備熱量直接由冷卻水傳遞到室外，從而降低主要熱源對(duì)環(huán)境的加熱作用。 (3) 由于變壓器正常運(yùn)行時(shí)的溫度就明顯高于功率柜溫度，因此獨(dú)立配置變壓器柜和功率柜的熱交換器，提高設(shè)備利用率。 (4) 變頻器室采用密閉環(huán)境設(shè)計(jì)，采用隔熱效果好的石棉建筑降低熱傳導(dǎo)。避免夏季室外溫度高帶來的加熱效應(yīng)，完全依靠空－水冷裝置進(jìn)行環(huán)境散熱。 變壓器柜的熱交換器功率55kW，功率柜的熱交換器功率45kW。冷卻水溫＜30℃，出風(fēng)口溫度＜38℃。熱交換冷卻水系統(tǒng)的工作壓力0.4Mpa，設(shè)計(jì)流量分別為30m3/h。管路設(shè)計(jì)公稱壓力1.6Mpa，管徑DN80具有很高的設(shè)計(jì)裕量，安全性能優(yōu)于適配高壓電動(dòng)機(jī)的冷卻水系統(tǒng)。也就是說，變頻器室的冷卻水系統(tǒng)并不降低整個(gè)注水泵系統(tǒng)的運(yùn)行安全性能。 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明:變頻器滿負(fù)荷運(yùn)行情況下，冷卻進(jìn)水溫度2℃、回水溫度9℃; 功率柜溫度11℃、變壓器柜最高溫度76℃;室內(nèi)溫度10℃、室外溫度-17℃。設(shè)備運(yùn)行溫度遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值，系統(tǒng)冷卻和環(huán)境散熱均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，空－水冷裝置的應(yīng)用效果良好。 4 制造工藝和設(shè)備體積 2500kW高壓變頻器的生產(chǎn)對(duì)制造和檢驗(yàn)工藝提出了更高的要求: (1) 為確保系統(tǒng)的高安全可靠性，力求選用技術(shù)成熟性能穩(wěn)定的組件完成功能開發(fā); (2) 嚴(yán)格入廠檢驗(yàn)，保證同型號(hào)、同批次，性能指標(biāo)匹配的組件進(jìn)入生產(chǎn); (3) 加大板件老化力度，嚴(yán)格生產(chǎn)組裝工序檢驗(yàn)。對(duì)組件焊接、螺釘緊固等細(xì)節(jié)內(nèi)容進(jìn)行處理; (4) 應(yīng)用新型材料、新工藝降低產(chǎn)品重量、縮小設(shè)備體積。 縮小體積、提高單位功率是高壓變頻技術(shù)發(fā)展努力的方向之一。尤其是大功率和超大功率高壓變頻器，在項(xiàng)目改造、推廣應(yīng)用中對(duì)體積有著更為明顯的要求。體積過大帶來的運(yùn)輸、安裝、土建等方面的問題往往成為阻礙技術(shù)應(yīng)用的考慮因素。目前，隨著移相干式隔離變壓器制造工藝和絕緣等級(jí)的提高，移相干式隔離變壓器已經(jīng)可以采用一體化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu);無需再考慮制造工藝、熱量散失等方面的技術(shù)因素和制造兩臺(tái)變壓器帶來的體積問題。功率單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和散熱問題已經(jīng)解決，功率柜結(jié)構(gòu)及承重方面也取得進(jìn)展，設(shè)備的功率密度得到有效提高。由北京利德華福電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的Harsvert-A06/300高壓變頻器的整機(jī)外形尺寸僅有6356×1300×2674，總重量約7400kg，較同類產(chǎn)品尺寸減少近1/2，如圖1所示。系統(tǒng)的整機(jī)結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場分布也大為簡化，消除了因功率等級(jí)提高帶來的施工等問題。 5 運(yùn)行效果 自2004年12月順利投運(yùn)以來，設(shè)備運(yùn)行狀況良好，取得了明顯的投資收益。國產(chǎn)2500kW高壓變頻器的技術(shù)水平和設(shè)計(jì)制造能力完全能夠滿足現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用需求。對(duì)變頻器的輸出電流波形測試(見圖2)和諧波分析(見圖3)表明:該設(shè)備的應(yīng)用完全達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，大功率高壓變頻器設(shè)計(jì)當(dāng)中的器件并聯(lián)均流問題已經(jīng)徹底解決。變頻器的自身冷卻系統(tǒng)在配備空－水冷裝置后環(huán)境溫度控制效果極佳。 6 結(jié)束語 國產(chǎn)2500kW高壓變頻器的成功應(yīng)用，為改變國外品牌一統(tǒng)2000kW以上國內(nèi)高壓變頻市場的局面開創(chuàng)了先河，也為國內(nèi)用戶在大功率變頻應(yīng)用方面提供了更多選擇。它的實(shí)際應(yīng)用，為國內(nèi)產(chǎn)品向著功率更大、功率密度更高、性能更強(qiáng)的高端產(chǎn)品市場競爭奠定了基礎(chǔ)。在大功率高壓變頻領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的解決和驗(yàn)證，為5000kW以下產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。