TS-HVAF—高壓變頻器的開發(fā)與應(yīng)用

1、ts-hvaf高壓變頻器的開發(fā)與應(yīng)用1、引言大家都認可的一個不爭的現(xiàn)實是：任何產(chǎn)品都得在用戶 的環(huán)境中使用，而任何產(chǎn)品在使用過程中又都不可能不出 現(xiàn)故障甚至是損壞，筆者根據(jù)飛機的制造理念設(shè)計、制造 高壓變頻器，而飛機制造的理念用最簡單的兩句話說明就 是：一是全天侯，即盡可能廣泛的適應(yīng)環(huán)境；二是即使出 現(xiàn)了故障也不能即時修復(fù)，必須能夠帶傷飛回地面。眾所周知，由于元器件的技術(shù)水平所限，不能直接采用 逆變技術(shù)解決高電壓領(lǐng)域的變頻調(diào)速問題，因此，高壓變 頻的技術(shù)研究與應(yīng)用一直滯后于高壓交流電動機的發(fā)展速 度。2、“串聯(lián)疊加”原理的高壓變頻器發(fā)達過程最早將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到高電壓領(lǐng)域的是“高一低一 高”

2、原理的技術(shù)方案，但由于“高一低一高”的技術(shù)方案還存 在著一些缺陷。于是在1996年8月14日，世界上首次公 開了由中國人在1995年發(fā)明的“串聯(lián)疊加”原理的高壓大功 率交流電動機的變頻調(diào)速裝置（專利號：z195119585.9） 0 “串聯(lián)疊加”原理的高壓大功率變頻調(diào)速裝置較好地克服了 “高一低一高”方案所存在的缺陷，提出了一種解決了高電 壓領(lǐng)域變頻調(diào)速問題的更加理想的途徑。因此，“串聯(lián)疊加” 原理的高壓變頻技術(shù)得到了長足的發(fā)展，目前已成為全世 界高壓變頻器產(chǎn)品的主流技術(shù)。盡管傳統(tǒng)的“串聯(lián)疊加”原理的高壓變頻器以其優(yōu)勢目前 已經(jīng)成為了全世界高壓變頻器產(chǎn)品的主流產(chǎn)品。但是由于 它的發(fā)展歷史還比較

3、短，還是一個有待不斷成熟的新技術(shù), 因此還必然的存在著些缺陷。3、傳統(tǒng)的“串聯(lián)疊加”原理的高壓變頻器的缺陷(1) 傳統(tǒng)的“串聯(lián)疊加'原理高壓變頻器的設(shè)備比較復(fù)雜、 體積龐大、一般都在56 m長，對于很多改造項目實施 有一定的困難；(2) 高壓大功率機電設(shè)備的電流大，溫升較高，必須對 功率元器件進行良好的通風(fēng)散熱。而在我國南方的大部分 地區(qū)，夏季的環(huán)境溫度都會在40°c左右，通風(fēng)己起不到散 熱的作用；而且通風(fēng)和防塵乂是一對很難解決的矛盾。所 以傳統(tǒng)的高壓變頻器在高粉塵、高濕度、高氣溫以及有腐 蝕性氣體的環(huán)境屮不能安全的使用；(3) “串聯(lián)疊加”解決了元器件的耐壓問題，但由于眾多

4、 “單元”的疊加使得控制程序的程序量也大大的增加了。大 多數(shù)傳統(tǒng)的“串聯(lián)疊加”原理的高壓變頻器都是采用單片機 作為控制程序的核心器件，而單片機的抗干擾性比較差， 使用高壓變頻器的場合又大都是用電情況比較復(fù)雜的“工 業(yè)環(huán)境”，干擾比較大；另外單片機若沒有必要及良好的硬 軟件保護措施也不適合長時間不間斷的運行，其至有“死 機”現(xiàn)象發(fā)生。所以，早期的“串聯(lián)疊加”原理的高壓變頻器, 經(jīng)常由于程序紊亂而發(fā)生問題，甚至出現(xiàn)事故；（4）傳統(tǒng)的“串聯(lián)疊加”原理的高壓變頻器，設(shè)備比較復(fù) 雜，電纜多，很難做到簡潔化，再加上是綜合性比較強的 高技術(shù)產(chǎn)品，所以很難實現(xiàn)由用戶自我進行的“現(xiàn)場維護”;（5）大多數(shù)傳統(tǒng)的“

5、串聯(lián)疊加”原理的高壓變頻器采用的 都是pwm技術(shù)，一般有2.5khz左右的載頻，開關(guān)器件igb t的開關(guān)頻率較高，因此功耗和溫升也就都比較高，igbt的 壽命自然也就會比較短；另外，這個2.5khz左右的載頻和 它的再牛諧波，對于電動機來說本身就是“諧波”，所以當(dāng) 低功率運行它們所占的分量比較大時，就有了“低頻發(fā)熱” 現(xiàn)象的發(fā)生。只是因為它們的“諧波”次數(shù)太高，一般的測 試手段無法檢測到，將傳統(tǒng)高壓變頻器的“超高次”諧波掩 蓋了。（6）因為串聯(lián)疊加”原理的高壓變頻器的操作比較復(fù)雜, 事故率也就比較高。作者通過對十幾起事故的處理和事故 原因的分析發(fā)現(xiàn)，除一些早期產(chǎn)品是因為設(shè)計和制造不太 成熟以外

6、，絕大部分的事故是由于操作期間的誤操作或電 腦以及器件的誤動作而導(dǎo)致的，因此“防誤操作”也是給高 壓變頻器制造提出的一個新課題。（7）當(dāng)高壓變頻器在運行屮岀現(xiàn)故障時，絕大多數(shù)產(chǎn)品 采取的應(yīng)急措施是“旁路直合供電，工頻運行”。但是很多 場合特別是為風(fēng)機安裝的高壓變頻器，不宜采取“旁路直合 供電，工頻運行”，因為“旁路直合供電，工頻運行”會使風(fēng) 量突然增大，造成諸如鍋爐正壓保護甚至風(fēng)機飛車等事故 的發(fā)生。所以，在推薦和選用高壓變頻器的時候，一定不要僅僅 考核其業(yè)績的多少，業(yè)績的多與少并不能真實的反映生產(chǎn) 廠的產(chǎn)品技術(shù)水平。一定要對上述的“缺陷”采取有效的解 決措施。4、ts-hvaf系列高壓變頻器

7、的技術(shù)突破山東點石節(jié)能科技開發(fā)有限公司在引進的基礎(chǔ)上自主開 發(fā)成功的ts-hvaf系列高壓變頻器，實現(xiàn)了高壓變頻器產(chǎn)品 的重大技術(shù)突破，克服了傳統(tǒng)的高壓變頻器存在的缺陷：4.1極大的拓展了高壓變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域眾所周知，高壓大功率機電設(shè)備的電流大，溫升較高， 必須對功率元器件進行良好的通風(fēng)散熱。而在我國南方的 大部分地區(qū)，夏季的環(huán)境溫度都會在40°c左右，通風(fēng)已起 不到散熱的作用；再加上功率單元發(fā)熱量的積累，半導(dǎo)體 開關(guān)器件周圍的溫度至少會達到50°c以上，也就是說：到 了夏季高壓變頻器的半導(dǎo)體開關(guān)器件事實上是在“老化”的 環(huán)境屮運行的，運行風(fēng)險很高，使用壽命也會大受影響。而

8、且通風(fēng)和防塵又是一對很難解決的矛盾，能夠使用高 壓變頻器的有很多又都是高粉塵環(huán)境，比如鋼鐵廠、發(fā)電 廠和礦山等等。盡管配電室里面的粉塵不是很大，但通風(fēng) 會將外面的粉塵大量的吸進室內(nèi)和設(shè)備里?？谇敖^大多數(shù)的高壓變頻器的生產(chǎn)廠家都在回避這個問 題，而用戶又不可能十分清楚這些事情，就只知道看看業(yè) 績有多少和有沒有相關(guān)場合的業(yè)績，致使很多高壓變頻器 在“惡劣”的環(huán)境中“忍辱負重”的工作著。這對于高壓變頻 器的運行安全是存在著很大隱患的。ts-hvaf/r型高壓變頻器，采用了全密閉熱交換技術(shù)（專利 申請?zhí)枺?00410080498.3 和 200620012395.8）,不與外界 環(huán)境直接進行空氣交流，

9、徹底克服了傳統(tǒng)高壓變頻器在高 溫、高濕、高腐蝕性氣體、高粉塵、防爆等環(huán)境中不能安 全使用的缺陷。更重要的是：由于使用的是制冷型熱交換 器，可以將高壓變頻器功率單元柜內(nèi)的溫度控制在電子元 器件特別是半導(dǎo)體的最佳工作溫度范圍，在這個溫度下電 子元器件運行的更安全，過載能力能得到了充分的發(fā)揮， 使用壽命也大大延長，極大的提高了高壓變頻器的品質(zhì)。由于采用的是“中央”形式的熱交換器，熱交換器的受熱 器安裝在高壓變頻器功率單元柜的“外部”，這樣就很好的 解決了 “冷凝水”的問題，熱交換器的使用還可以將由于高 壓變頻器功率單元柜密封不完全而進入柜內(nèi)空氣屮的少量 水份“吸”出去。4.2抗干擾能力大大提咼，控制

10、程序最穩(wěn)定ts-hvaf系列高壓變頻器在其中央控制系統(tǒng)中成功的用可 編程門陣列大規(guī)模集成電路（fpga）取代了傳統(tǒng)的高壓變 頻器屮的單片機，實現(xiàn)了“軟件問題硬件處理”，將全部的 控制程序固化在“大規(guī)模集成電路”這個“硬件'里面。在任 何情況下一包括上位機和中央控制系統(tǒng)掉電或損壞，也不 會出現(xiàn)程序紊亂、死機等現(xiàn)象，高壓變頻器仍可以在原工 況狀態(tài)下繼續(xù)安全運行o同時還極大的提高了抗丁擾能力, 使設(shè)備的運行更加安全、穩(wěn)定和可靠。用“硬件”作為控制 程序核心器件的高壓變頻器，在用戶現(xiàn)場經(jīng)過長時間的運 行，從未出現(xiàn)過操作反應(yīng)遲緩、“死機”和程序紊亂的現(xiàn)象。 由于目前相關(guān)技術(shù)水平的限制，fpga還

11、無法直接與工控機 通訊，所以在ts-hvaf高壓變頻器的中央控制系統(tǒng)中使用了 pic,雖然高壓變頻器的制造成本增加了數(shù)千元，但是ts-h vaf型高壓變頻器卻因此而成為了目前世界上“最安全、最 可靠”的高壓變頻器。4.3運行更加安全、可靠，實現(xiàn)小故障可以安全運行由于控制程序的穩(wěn)定可靠，使得ts-hvaf型高壓變頻器可 以在傳統(tǒng)高壓變頻器的基礎(chǔ)上增加切分和疊加單元的個 數(shù)：6kv的每相切分為8個疊加單元，10kv的每相切分為 12個疊加單元。并配以“波形連續(xù)變換”技術(shù)，一旦個別功 率單元出現(xiàn)故障，輸出電壓的損失比較小，仍能夠維持較 高功率的運行，即6kv的可以在46hz及以下頻率繼續(xù)安全 運行，

12、lokv的可以在47hz及以下頻率繼續(xù)安全運行。這 就是說，ts-hvaf型高壓變頻器即便出現(xiàn)一些故障，也基本 能夠滿足一般用戶的正常使用，而不必立即進行維修。這就是“飛機制造的理念”：出現(xiàn)故障無須立即進行維修, 可以“帶傷”飛回機場一即等到用戶可以停機時再進行維 修。4.4開關(guān)器件的負荷及能耗最低，使用壽命最長由于切分和疊加單元數(shù)的增加，使得ts-hvaf系列高壓變 頻器可以用脈動直流疊加原理（最高頻率5ohz）取代傳統(tǒng) 的pwm （一般有2.5khz左右的載頻）技術(shù)。這樣不僅大大 減少了輸出的諧波，更主要的是大大降低了開關(guān)器件的開 關(guān)頻率和負荷，減少了開關(guān)器件的能耗，即使加裝了“中央 空調(diào)

13、”，ts-hvaf系列高壓變頻器的功耗也不會高于傳統(tǒng)的高 壓變頻器。不僅使ts-hvaf系列高壓變頻器的運行更加安全 可靠，同時還延長了開關(guān)器件（igbt）的使用壽命。由于沒有了 2.5khz左右的載頻，ts-hvaf系列高壓變頻器 還有效的克服了“低頻發(fā)熱”現(xiàn)象的發(fā)生。4.5整機最簡捷，大故障可以實現(xiàn)現(xiàn)場維護由于“串聯(lián)疊加”原理高壓變頻器的技術(shù)比較復(fù)雜，器件 和功率單元比較多。所以高壓變頻器的售后服務(wù)和運行中 的較大維護一直由生產(chǎn)廠家承擔(dān)，即便經(jīng)過培訓(xùn)，在很長 的時間內(nèi)用戶自己的維護人員也還是不能有把握地進行現(xiàn) 場維護。盡管各個生產(chǎn)廠家在銷售時都有售后服務(wù)和運行維護的 承諾，但想想看：個制造

14、廠要負責(zé)全國各地用戶的維修, 中國那么大，從接到需要維修的通知到派人到用戶現(xiàn)場， 從檢查出故障部位到發(fā)備件，從備件運抵現(xiàn)場到維修完成 再進行調(diào)試，是不是能夠在兒天內(nèi)完成的？什么樣的售后 服務(wù)網(wǎng)絡(luò)能夠保證全國各地用戶的維修需要？又有哪個廠 家能夠建立如此龐大的售后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)？山東點右節(jié)能科技開發(fā)有限公司對售后服務(wù)水平的理解 是：“最好的售后服務(wù)，就是用戶根木不需要廠家來售后服 務(wù)”。而“用戶不需要廠家來售后服務(wù)”并不是廠家不服務(wù)， 而是要通過改善設(shè)備的技術(shù)水平和“最好的服務(wù)”使用戶自 己的維護人員經(jīng)過培訓(xùn)能夠真正的進行現(xiàn)場維護和維修。而要達到用戶自己的維護人員能夠真正地進行現(xiàn)場維護 和維修的目的，

15、產(chǎn)品就必須實現(xiàn)如下的功能：(1) 必須實現(xiàn)產(chǎn)品的模塊化和故障點的集中，而且整機 布局必須簡捷、清晰以方便用戶維修人員的維修，因為用 戶的維修人員僅僅經(jīng)過培訓(xùn)還是不能夠進行很復(fù)雜的維修;(2) 必須有清晰的故障引導(dǎo)系統(tǒng)，因為用戶的維修人員 經(jīng)過簡單培訓(xùn)還不能很好地判斷故障；(3) 出現(xiàn)一般性的故障，必須能夠“帶傷”繼續(xù)運行，一 直安全運行到用戶能夠停機時，再進行維修。ts-hvaf型高壓變頻器的柜內(nèi)主電路無電線、電纜，極大 的減少了接線電阻和可能的故障點，整機布局簡捷、清晰, 大大提高了高壓變頻器整機的可靠性。整機單元化，更換 一個功率單元只需勞動7個螺絲，lomin內(nèi)即可完成，在 故障引導(dǎo)系統(tǒng)

16、的提示下，完全可以實現(xiàn)用戶的現(xiàn)場自我維 護和檢修。4.6產(chǎn)品的出廠檢驗最有效ts-hvaf型高壓變頻器唯一實現(xiàn)了整機運輸，不僅大大縮 短了現(xiàn)場安裝、調(diào)試的時間，將因安裝、調(diào)試造成的停產(chǎn) 損失降到最低；更重要的是高壓變頻器在生產(chǎn)廠所作的全 部調(diào)試和檢驗更加真實、可靠和有效。4.7最完善的防誤操作系統(tǒng)，唯一可以進行防誤操作驗收 的高壓變頻器根據(jù)用戶提出的要求以及現(xiàn)場使用的實際情況，ts-hvaf 型高壓變頻器可以設(shè)置比較完善的防誤操作系統(tǒng)，保證最 大限度的避免由于操作人員誤操作而發(fā)生故障的可能。ts- hvaf型高壓變頻器，是目前唯一可以按照用戶的要求簽定“防誤操作協(xié)議”，并在設(shè)備驗收時進行防誤操

17、作試驗的高 壓變頻器產(chǎn)品。5、典型應(yīng)用實例2005年4月，我公司為武漢晨鳴集團長江提水廠安裝了 一臺6kv、630kva的高壓變頻器，還在調(diào)試驗收期間該集 團就開始宣傳這次變頻改造的節(jié)電效果了，經(jīng)過改造，不僅 被控水泵的節(jié)電效果十分明顯，而且還節(jié)省了由于水庫灌 滿后反向長江回送水的電費和水費，并且延長了設(shè)備的使 用周期，節(jié)省了設(shè)備的保養(yǎng)費用。他們預(yù)計每天的節(jié)電在 2000kw-h以上。這臺高壓變頻器自2005年4月29日通過 用戶驗收至今運行正常。經(jīng)過驗收期間對用戶的簡單培訓(xùn), 這臺高壓變頻器還成為了第一臺由用戶口行維護維修的高 壓變頻器。2006年山西省北方銅業(yè)集團進行高壓變頻改造時，由于

18、配電室的現(xiàn)有面積所限，取消了原招投標計劃而直接購買 了我公司的一臺ts-hvaf-6/630s高壓變頻器。這臺高壓變頻 器以其小巧精美、操作簡便受到了用戶上下的致好評。 當(dāng)?shù)孛旱V集團的機電專家現(xiàn)場考察后當(dāng)場決定：采用我公 司的ts-hvaf高壓變頻器在煤礦主巷通風(fēng)上進行高壓變頻的 試點改造。在無錫市東方環(huán)境工程研究所承攬的山東通禹集團鋼廠 除塵風(fēng)機改造工程屮，由于安裝環(huán)境的粉塵比較大，不能采 用簡單的通風(fēng)散熱方式。如果采取室內(nèi)循環(huán)散熱方式，需 另外投資安裝熱交換器,運行費用也會增加。經(jīng)過用戶與無 錫市東方環(huán)境工程研究所的共同考察和研究，采用了我公 司的ts-hvaf/sr高壓變頻器。這臺高壓變頻器的使