高壓變頻器的可靠性分析與對策

高壓變頻器的可靠性分析與對策第一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器低壓變頻技術(shù)突破

上世紀八十年代，絕緣柵型雙極晶體管（IGBT）問世，使低電壓的交流電機變頻調(diào)速獲長足發(fā)展。九十年代末全世界進入低電壓變頻器商業(yè)化應(yīng)用階段。人們自然想到，同樣的原理應(yīng)用到高壓電機調(diào)速是否可行呢？問者可能沒有想到，這是一個“石破天驚”的問題。第二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器“高壓”可照搬“低壓”？

低壓變頻器所用的元件IGBT所能耐受的電壓是1200V至1800V，電壓再高元件就會損壞。按照低壓變頻器所用的原理和電路，高壓變頻器所需的元件耐壓是兩萬伏特以上，期待這種元件是不現(xiàn)實的。第三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器緊趕趕上狼慢趕狼趕上

如果是業(yè)內(nèi)人士，你可能脫口而出：把二十個低耐壓元件串聯(lián)就夠了！很對，這是電力電子行業(yè)的經(jīng)典做法。事實上許多大型國際性電氣公司和我國的研究院所都做了大量的工作，證明這是一個代價極高的方案。二十個棒小伙子，個子一樣高，肩扛一根鐵軌走在平坦的路上，每個人的負重能力是一百公斤，鐵軌重兩千公斤，有人指揮并且安排好左右腿交替方案。這種只有理論意義的設(shè)想，我們不敢將他付諸實際。如果一個小伙打個趔趄，就會壓垮全部小伙。但我們必須說明，這個設(shè)想的可行性高于二十個低耐壓元件串聯(lián)。第四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器逞強自己被擊垮

偷懶會擊垮別人

先考察一個靜態(tài)的情況：二十個棒小伙子肩扛一根鐵軌站在平坦的路面。要求肩一樣高，不許偷懶和逞強。二十個低耐壓元件串聯(lián)起來共同承受兩萬四千伏特的電壓。每個分擔(dān)一千二百伏電壓，不可多擔(dān)也不可少擔(dān)。多擔(dān)自己會擊垮，少擔(dān)會擊垮別人。怎樣才能不多擔(dān)也不少擔(dān)呢？要求每個元件自身的“內(nèi)阻”一致。內(nèi)阻類似小伙子們的素質(zhì)。第五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器

動態(tài)的情況：二十個棒小伙子肩扛一根鐵軌站在平坦的路面，然后協(xié)調(diào)一致的把鐵軌“撂”在路面上。少頃，重新協(xié)調(diào)一致“扛”到肩上。二十個低耐壓元件串聯(lián)起來共同承受兩萬四千伏特的電壓。每個分擔(dān)一千二百伏電壓，不可多擔(dān)也不可少擔(dān)。然后，在統(tǒng)一的時間，各元件變阻抗為導(dǎo)通，變的速度要一致，變得快擊垮別人，變的慢擊垮自己。同樣，少頃，由導(dǎo)通變?yōu)樽杩箷r，變的速度要一致，“扛”得快擊垮自己，“扛”的慢擊垮別人。怎樣才能變的不快也不慢呢？要求每個元件的“內(nèi)部電容”一致。這類似于小伙子們的敏捷程度?！翱浮钡每鞊艨遄约?，“扛”的慢擊垮別人；

“撂”得快擊垮別人，“撂”的慢擊垮自己。

第六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器老化問題

元件從出爐到不斷使用，性能會有所改變，經(jīng)過一段時間后逐漸穩(wěn)定下來。稱為“老化”。就像小伙子們工作一段時間后表現(xiàn)出不同的心理和身體素質(zhì)，需要調(diào)整工作團隊。而元件進行這樣的調(diào)整成本就太高了。通常是犧牲一些有效工作壽命，老化完成后選配組合。第七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器批次問題通常同一批次的元件具有相近的參數(shù)，我們可以預(yù)留同批次元件作為更換備件，也意味著設(shè)備的高昂價格。第八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器若忽略元件問題,

“高壓”可照搬“低壓”？

即使忽略元件問題，“高壓”也不可照搬“低壓”！又將面臨高壓變頻技術(shù)的另一座高山——諧波。第九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器什么是諧波？

現(xiàn)實中的波形是由基波和諧波合成的，對拖動電機起正面作用的是基波。諧波頻率比基波頻率高若干倍?？梢韵胂?，基波推動電機向前時，諧波以較高的頻率一下向前、一下向后的作用電機，在很短的時間里推了一下又拉了一下，相當(dāng)于在基波上疊加了一個震動。諧波還會帶來額外的發(fā)熱。我們不希望諧波出現(xiàn)，但如影隨形，總是困擾著我們。如果“高壓”照搬“低壓”諧波將是無法承受之痛。諧波帶來什么危害？第十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器電子云原子由原子核、電子組成，電子圍繞原子核高速運轉(zhuǎn)形成球形的電子云，原子核與電子云的重心是重合的。當(dāng)加上一個直流（左邊正、右邊負）電場之后，球形就變成了橄欖球形。原子核偏向了負電極（右），電子云偏向了正電極（左）。電場反過來（左負右正），原子核偏向左，電子云偏向右。第十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器

微波爐

如果電場交變起來，就是微波爐的原理。原子核與電子云相向?qū)_，一會向左一會向右，交變電場頻率越高、摩擦越重、發(fā)熱越甚，加熱食品很是有效。但這個交變電場加到電機上，電機和電纜的絕緣物就被“燒熟”了，電機和電纜很快就壞了。第十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器臭氧發(fā)生器如果這個交變電場中有空氣就更嚴重了。其中的氧氣會轉(zhuǎn)化為臭氧。在原子核與電子云的摩擦中，三個O2變成兩個O3。更令人瞠目結(jié)舌的是：電機有散熱風(fēng)扇，不斷的將O2喂進來，將轉(zhuǎn)化后的O3扇出去。電機成了效率極高的臭氧發(fā)生器。少量的臭氧可殺菌，清新空氣，濃度高了就成了殺手。強氧化性，導(dǎo)致呼吸道和其他組織潰瘍，我國勞動衛(wèi)生法中對此有嚴格規(guī)定。第十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器電機線圈發(fā)熱

前面提到，諧波在很短的時間里把電機推一下又拉一下，沒有起到正面作用，又增加了震動。且這個能量要在電機線圈中轉(zhuǎn)化為熱，減少電機壽命。這是諧波的又一“貢獻”。第十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器再忽略諧波，

“高壓”可照搬“低壓”否？仍然不可！低壓變頻技術(shù)原理中采用脈沖寬度調(diào)制（PWM），元件開關(guān)次數(shù)太高。第十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器元件發(fā)熱元件希望導(dǎo)通時不承受電壓；截止時不通過電流。這樣電壓乘電流為零，元件損耗很小。事實上元件不可能理想，有幾個微秒功耗是很大的。比如一百安培乘五百伏特，達五十千瓦。這僅為一個元件的損耗。開關(guān)次數(shù)（頻率）高到一定程度，將無法將產(chǎn)生的熱散發(fā)出去，無法輸出有用的功率，元件將很快燒毀。第十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器元件壽命即使沒有元件發(fā)熱的問題，開關(guān)次數(shù)（頻率）高也要直面壽命問題。元件的材質(zhì)是硅材料，屬脆性，達疲勞極限就會損壞。開關(guān)次數(shù)差一百倍，壽命也差一百倍。第十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器“經(jīng)變壓器降壓，

低壓變頻，

再經(jīng)變壓器升壓”可否？西門子公司早期就是這一“高-低-高”方案。過渡性的滿足了社會需求。存在的問題也很明顯。第十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器

損耗大二百二十五倍就像高壓輸電損耗較小，采用高壓電機也是為了減小損耗。如果又有了低壓環(huán)節(jié)，比如將六千伏降為四百伏，要保持同樣功率電流就要高十五倍，損耗是十五的平方倍。第十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器前后變壓器的麻煩

放大諧波，增加損耗。

除元件不必串聯(lián)外，其他問題無一不在。第二十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器總結(jié)

我們總結(jié)一下：希望存在一種方案：

1、采用低耐壓、參數(shù)正常分布元件。

2、諧波很低。

3、開關(guān)次數(shù)很低。

4、無功耗加大環(huán)節(jié)。第二十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器選個對手高壓變頻項目有四座大山，我應(yīng)該從哪下手呢？采用普通元件的原理線路應(yīng)該最關(guān)鍵。先試試再說。不知道發(fā)明學(xué)老師怎么說，我的做法是：如果這個條路走不通，另外三條路要分別試探一下。多角度試探，為了觸發(fā)靈感。第二十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器觸類旁通就像前面描述的，我通常要將選定的難題與一個自然中存在的類似的現(xiàn)象聯(lián)系起來?？纯搭愃频那闆r別人是怎樣解決的，或可以怎樣解決。普通元件串聯(lián)就像普通的小伙子扛鐵軌。幾十個性情不一、素質(zhì)不一的小伙子，同步扛起、放下一整根鐵軌確實不易，怎樣就容易了呢？苦惱了很多天。有一天，平平常常，腦中無望的嘮叨：要是各自扛起一小段就好了！……一小段就好了！把整根鐵軌截成小段？…

第二十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六

HVF

高壓變頻調(diào)速器鐵軌代表什么？第二十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器鐵軌代表什么？

頭腦中像打了一個雷，我追問自己，這意味著什么？這意味著什么？一人一小段就不必心理、身體素質(zhì)一致，不必同步訓(xùn)練，可以獨立完成作業(yè)。小伙子是元件，鐵軌是什么？小段鐵軌代表什么？幾十段鐵軌代表什么？整根鐵軌代表什么？需要整根鐵軌時怎么辦？怎么接起來？一定有名堂！非想明白不可。第二十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器鐵軌代表什么？

鐵軌代表電源，整根鐵軌代表整個電源，小段鐵軌代表一個分立的、獨立的電源。許多獨立電源合起來形成整個電源。開關(guān)元件導(dǎo)通時，獨立電源被接入。開關(guān)元件關(guān)斷時，獨立電源被移走。這個開關(guān)元件就只承受這個獨立電源的電壓，這個開關(guān)元件的導(dǎo)通和關(guān)斷也不影響其他的開關(guān)元件。第二十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器高壓變頻器最基本的元素

很快就畫出了單元電路圖，細長線、粗短線電池符號代表獨立電源，串上開關(guān)，旁邊并上一個二極管，方向同電源，開關(guān)斷時二極管導(dǎo)通，給別的單元提供通路。這個簡單電路被專家認定是高壓變頻器最基本的元素，雖然只能完成直流功能，但其他的事情已經(jīng)不難了。第二十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器堆波

不怕開關(guān)時間不一致了，得寸進尺，故意讓各開關(guān)有早有晚，瞄著正弦曲線擺開關(guān)時間，確定工作波形。當(dāng)時時興一種“堆跟”的高跟鞋，工作波形很像那個“堆跟”，大家說：就叫“堆波”吧。除了像堆跟，也像截去頂?shù)慕鹱炙?。問題來了，明顯看出堆波中上部臺階較窄，下部臺階較寬。工作起來各單元貢獻不一，溫升也會不一致?？鄻凡痪麢C會降低壽命?？偛荒茉O(shè)計成有的單元大,有的單元小吧?那樣就無法互換了。后來聽說，有的公司還真是那樣干了。第二十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器

FIRO和FIFO

研發(fā)團隊中的才子們很快指出將FIRO（先入后出）改為FIFO（先入先出）即可。堆波中下部臺階較寬，是因為這個單元開關(guān)通的早、關(guān)的晚。可以改成通的早的，關(guān)的也早。通的晚的，關(guān)的也晚。即先入后出改為先入先出。畫出圖來，一量寬度，樂了。都干別的去了，很長時間沒人問它。第二十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器還是苦樂不均經(jīng)過較長的一段時間，現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)出來了：取電電流諧波高，單元溫升不一致，單元母線電壓波動不一致（原因后面再解釋）。說明各單元還是苦樂不均，這下給大家打懵了。大量FIRO模式和FIFO模式實驗表明，兩種模式的溫升發(fā)生了有趣的互換，原來高的變低了，原來低的變高了。因為FIRO和FIFO前半部是一樣的，關(guān)鍵在后半部，即誰關(guān)的晚誰功耗大。第三十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器功率因數(shù)的作用

原來我們忽略了功率因數(shù)的作用。電流滯后電壓，在電壓堆波的前坡階段電流很小，誰早通誰晚通功耗差不了多少。而在電壓堆波的后坡階段電流達到峰值，早關(guān)比晚關(guān)“安逸”很多。不能設(shè)計成各單元同時關(guān)斷，波形太難看了，齊刷刷的，諧波太大，怎么辦呢？第三十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器換位

忘了過程，總而言之找到了理想方法。以八個單元為例，1、2、3、4、5、6、7、8圍成一圈作換位子游戲。每周期換一次位置。轉(zhuǎn)換八個位置，周而復(fù)始。功耗平均了，但有小的周期性波動。第三十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器“優(yōu)化換位”

改進為1、4、7、2、5、8、3、6、換位方案。稱為“優(yōu)化換位”。“優(yōu)化換位”可以保證更小的功耗波動。第三十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器一加一等于二，

三減一也等于二。這一章要說波形變換的事情，波形變換也稱“調(diào)制”是電力電子和通信專業(yè)的說法，“調(diào)幅波”、“調(diào)頻波”大家有印象。第一章提到的脈沖寬度調(diào)制PWM,就是一種調(diào)制方法。第三十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器整體PWM

PWM有定寬調(diào)頻和定頻調(diào)寬兩種方式。前者導(dǎo)通寬度固定，調(diào)整截止的寬度，后者導(dǎo)通加截止的寬度固定，調(diào)整導(dǎo)通的寬度。電力電子行業(yè)采用PWM是為了用方波來近似正弦波，這個方波的寬度是按照正弦波的規(guī)律變化的。如果你知道一點調(diào)頻廣播，就不難明白PWM。如果有八個單元，每個單元電壓500伏，串聯(lián)起來4000伏，組成寬度按正弦規(guī)律變化的方波。就成為整體PWM。整體PWM是“空心”的第三十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器部分PWM

如果在堆波的基礎(chǔ)上，疊加小的PWM，成為部分PWM。部分PWM是“頂花帶刺”的。第三十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器為何“空心”“帶刺”

為了連續(xù)的調(diào)節(jié)相電壓，保證輸出線電壓連續(xù)調(diào)制變化。如果沒有“空心”“帶刺”相電壓無法連續(xù)調(diào)節(jié)。第三十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器三相電知識

三個相電壓幅值相等，相位相隔120度。線電壓是兩個相電壓的向量差，幅值是相電壓的√3倍。第三十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器理論突破傳統(tǒng)理論中把目標(biāo)與手段作了僵化的固定。輸出波形需要嚴格確定，實現(xiàn)手段不必拘泥。俗話說條條道路通羅馬，一加一等于二，三減一也等于二，實現(xiàn)等于二有無窮多解。不需相電壓幅值相等，不需相位總相隔120度，甚至不需相電壓是正弦波。第三十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器提高輸出電壓相電壓不必是正弦波，我們可以把相電壓波形“加胖”，提高有效值。最高線電壓峰值是相電壓峰值的兩倍。第四十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器降低輸出電壓

把單元用滿，充分利用階梯資源。把八個單元全用上，波形“縮瘦”，降低有效值。線電壓波形階梯多、波形美觀。第四十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器減少開關(guān)次數(shù)

靠相電壓變胖變瘦調(diào)節(jié)輸出電壓，不必“頂花帶刺”，最高開關(guān)次數(shù)僅五十次。比其他調(diào)制方法少一百倍。第四十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器熱冗余

當(dāng)某單元故障，安排各相電壓變形，保持輸出不變。當(dāng)某單元僅故障一部分時，其它部分仍可貢獻力量。比如一個IGBT擊穿或斷路（此類故障占全部故障90%），會影響半波輸出，通過各相配合，另半波可輸出，不必全單元退出。熱冗余功能除提高了設(shè)備可靠性之外，可開發(fā)利用元件老化階段價值。即元件不進行老化，直接進入運行。適當(dāng)時間后更換缺陷元件。第四十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器變壓器前面提到需要把一個完整電源，切分成許多獨立的單元。這個任務(wù)是由變壓器完成的，移相多副邊整流變壓器。這種變壓器副邊較多，一個副邊對應(yīng)一個單元。如果每個輸出相八個單元，三相共二十四個單元，就需二十四組副邊。第四十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器移相整流橋和電容的作用下各相電流只在很小的窗口時間流入單元。電容值越大，窗口越小。各單元全在這個小窗口時間取電流，總電流波形就會又窄又高。我們已經(jīng)知道這是高諧波的形態(tài)。我們把各單元的窗口錯開一點，總電流的峰值被分散，總電流的窗口被擴展?？赏茖?dǎo)出當(dāng)各單元電流一致時，均勻安排各單元窗口，總電流諧波最低。當(dāng)各單元電流不一致時，確定窗口間隔變得異常復(fù)雜。這就是我們十分關(guān)注單元輸出功率相等的原因第四十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器絕緣強度關(guān)于高壓變頻器所用變壓器各副邊之間的絕緣強度，有些文獻嚴重誤導(dǎo)了大眾。文獻作者不是說一套做一套，就是他自己采用了浪費的設(shè)計。文獻稱高壓變頻器所用變壓器各副邊之間的絕緣強度，與原副邊絕緣強度相等。他沒有分清不同輸出相，與本輸出相的區(qū)別。也沒有提出相鄰副邊的概念。本輸出相中各相鄰副邊的絕緣強度僅需500伏。此一項可節(jié)省大量的變壓器成本。第四十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器散熱方式早期，高壓變頻器所用變壓器與通用變壓器一樣，從底部進風(fēng)，頂部出風(fēng)。我們想象一個與衣柜相當(dāng)?shù)牧⒎襟w，底面積最小，側(cè)面積次之，正面積最大。進深最短，柜寬次之，柜高最長。早期變壓器就是從最小面積進風(fēng)，經(jīng)過最長距離，從最小面積出風(fēng)。實測溫度發(fā)現(xiàn)，變壓器底部表溫二十度，頂部表溫八十度。第四十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器六度定理工程師們都知道一個“六度定理”，溫度升高六度，變壓器壽命降低一半。假如設(shè)計溫度是六十度，六十六度時壽命為十年，七十二度時壽命為五年，七十八度時壽命僅為二點五年。不足二點五年頂部就要損壞了，底部完好也擋不住變壓器整機損壞。第四十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器橫向通風(fēng)

我們改進了變壓器設(shè)計，采用橫向通透結(jié)構(gòu)，從最大面積進風(fēng)，經(jīng)過最短路徑，從最大面積出風(fēng)。實測表面溫度：變壓器各點溫度從最低五十一度，到最高五十五度。理論分析通風(fēng)效率提高了十倍以上。第四十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及單元墻

在興高采烈的氣氛中有人提出：變壓器通風(fēng)效果這么好，把功率單元也掛在器身上吧！一不做二不休，設(shè)計了網(wǎng)架式支架，細密的結(jié)構(gòu)件透著現(xiàn)代氣息，又毫不阻攔進出的空氣。功率單元插入支架，整齊的布成“單元陣”墻，儼然“軍事裝備”，透出威嚴。第五十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器線圈配送變壓器屬于合同定制產(chǎn)品，成本很大部分在技術(shù)協(xié)議、需求調(diào)查、規(guī)劃設(shè)計、單品材料采購、單品材料邊余、特殊要求加工、非常規(guī)指導(dǎo)、定向用戶保險(因故無法轉(zhuǎn)給別人)、單機運輸?？梢哉f變壓器生產(chǎn)未進入工業(yè)化。我們開創(chuàng)新的模式：完成系列設(shè)計；指定公司線圈繞制；線圈配送；鐵心配送；用戶所在城市組裝；經(jīng)這一番革命性改造，變壓器造價降30%。第五十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器線圈新結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)變壓器線圈是這樣加工的：在絕緣桶上纏繞初級線圈，完成后加上撐條，再套上一個絕緣桶，這層絕緣桶上加撐條纏繞次級線圈?？催@些線圈組件層層疊疊，密密匝匝，通風(fēng)不利，又浪費材料。新結(jié)構(gòu)是用初級線圈浸漬觸媒絕緣樹脂，制造一個絕緣桶，在這個桶上加撐條纏繞次級線圈。觸媒絕緣樹脂系高導(dǎo)熱材料。第五十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器模塊變壓器通常線圈組件為三個，套入三個鐵心柱。組件較大較笨拙，且不利橫向通風(fēng)。根據(jù)高壓變頻器特點改成九個組件（模塊）。小巧了許多，結(jié)構(gòu)大為簡化。另外我們還開發(fā)了無邊余料的卷繞鐵心，鐵心柱中留有散熱通孔，鐵心重量大為減輕。第五十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器功率單元

功率單元包含整流橋、濾波電容、IGBT、散熱器、電源、控制板?？煽啃圆畹囊讚p件被刻意集中在功率單元里。第五十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器均壓電阻取電我們應(yīng)用了自動控制理論中的負反饋概念，輸入電壓高的電源多出一些電流，輸入電壓低的電源少出一些電流，一微秒調(diào)節(jié)一次，精確的保證了均壓。沒有了均壓電阻，沒有了功耗，降低了溫升。第五十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器可靠性可靠性是個大學(xué)問，很多人、很多技術(shù)、很多產(chǎn)品，都栽在這可靠性上。對可靠性要求最高的，首推關(guān)乎人命的裝備。人們對高壓變頻器的要求是：不可因自身故障突然停機，導(dǎo)致工作系統(tǒng)中斷,產(chǎn)生進一步的經(jīng)濟損失。比如冶金行業(yè)的高爐風(fēng)機，工作時用風(fēng)力托舉爐料，突然停機會導(dǎo)致爐料下落，造成高爐損壞。但因提高可靠性使價格升高到不經(jīng)濟的地步，也會失去它的推廣價值。高壓變頻器中變壓器、導(dǎo)線、開關(guān)、機柜、支撐件屬耐用部件，通訊總線、傳感器、控制器、風(fēng)扇屬關(guān)注部件，功率單元屬易損部件。第五十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器理論上的可靠性如果評價一個部件的可靠性，可以推導(dǎo)出它的理論值。俗稱“算出來的”。把組成部件的各個元件可靠性百分數(shù)相乘即得部件可靠性。同樣，組成整機的各部件可靠性百分數(shù)相乘即得整機可靠性。第五十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器理論上的可靠性實測可以驗證計算值的準(zhǔn)確性。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某整機實測值與計算值不符，可能元件可靠性取值不當(dāng)，可能忽略了某些因素，也可能試品較少沒達到統(tǒng)計學(xué)所要求的數(shù)量。但是，理論的分析仍然是重要的。他使我們在可靠性的道路上有方向感。比如，功率單元部件可靠性為A，二十四個功率單元部件集合可靠性為二十四個A相乘。二十四個功率單元中任意一個單元故障不影響運行可靠性又是多少呢？第五十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器提高可靠性有兩種途徑，

加強和冗余。

第五十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器加強

我曾與一位低壓變頻器公司總工有過一次交談。我請他們把產(chǎn)品可靠性提高一倍，無故障時間從五千小時提高到一萬小時。他考慮了一會告訴我：從五千小時提高到六千小時成本就要提高一倍。并且六千小時到期后，下一個六千小時這批產(chǎn)品就都不能用了，其中的元件也不能利用。我和這位總工都認為，這樣的產(chǎn)品，只有不計經(jīng)濟代價的用戶才會選用。對工業(yè)用戶是不合適的。在高壓變頻器開發(fā)中走可靠性加強道路是沒有前途的。第六十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器冗余

應(yīng)理解為有益的繁復(fù)，我們的身體就是一個高度冗余的系統(tǒng)。政治和軍事也多構(gòu)建成冗余的組織。我國的航天工程也是應(yīng)用冗余技術(shù)的典范。當(dāng)某個子系統(tǒng)故障時，包括各種故障狀態(tài)，其他子系統(tǒng)1、完全代替它；2、部分代替它；3、降低要求后代替它。比如我們每相八個單元，增加一個備用單元，變?yōu)槊肯嗑艂€單元構(gòu)成冗余系統(tǒng)。備用單元隨時準(zhǔn)備代替故障單元。第六十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器冷、溫、熱備用單元靜靜的等待，是早期的備用方法。有兩個缺點，一是沒有利用備用單元使用價值；二是備用一段時間后，不知它是否處于完好狀態(tài)。對比不通電的狀態(tài)稱冷備份，此類備份只能稱為溫備份。第六十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器真正熱備份

真正熱備份有三種：一是備份單元參與換位；把“1、2、3、4、5、6、7、8”循環(huán)換位，變?yōu)椤?、2、3、4、5、6、7、8、備”換位。當(dāng)出現(xiàn)故障單元時，代替故障單元，恢復(fù)原換位。二是把八階梯堆波改為九階梯堆波，進一步提高利用率。當(dāng)出現(xiàn)故障單元時，按熱冗余方法變換。三是不設(shè)備份單元，仍為八階梯，當(dāng)出現(xiàn)故障單元時，按熱冗余方法變換?，F(xiàn)在大多數(shù)產(chǎn)品采用第三種方法。第六十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器可觀測性

如果一臺設(shè)備關(guān)上柜門后，發(fā)生的一切外界全然不知，就稱不具可觀測性。特別是電子設(shè)備，不關(guān)門你也看不見發(fā)生了什么。要安排一些檢測點，用儀器測量，我們就把握了設(shè)備的一些狀態(tài)。但這是設(shè)備研發(fā)期間的做法，我們追求的是產(chǎn)品運行期間的可觀測性。在一些重要的觀測點，用傳感器檢測數(shù)字或模擬的量值。要把設(shè)備整體和局部的狀態(tài)及時的反映出來，并且配合一些聲光告警和提示。第六十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器可靠性兩大法寶

冗余和可觀測性是可靠性的兩大法寶，缺一不可。僅冗余無可觀測性，冗余資源用盡設(shè)備依然故障，或備份替換不及時。僅可觀測性無冗余，明知后果難為“無米之炊”。第六十五頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器熱插拔

源自計算機技術(shù)，用于更換故障配件。由幾個環(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)：1、配件故障不影響整機運行(除該配件功能)；2、拔下配件過程不影響整機運行(除該配件功能)；3、拔下配件后不影響整機運行(除該配件功能)；4、插上新配件過程不影響整機運行(除該配件功能)；5、插上新配件后不影響整機運行，且該配件功能恢復(fù)。無疑，高壓變頻器采用熱插拔技術(shù)會極大提高整機可靠性，我們曾大力推進研發(fā)。為便于插拔設(shè)計了旋進式結(jié)構(gòu)；后接先離的電源觸頭；專用插拔工具;旁路單元;操作規(guī)程；動作標(biāo)準(zhǔn)等。并在一個用戶現(xiàn)場進行插拔試驗。遇到我國法律和制度障礙：高電壓設(shè)備不冗許帶電作業(yè)。該研究無疾而終。第六十六頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器預(yù)前技術(shù)部件壽命結(jié)束前是有征兆的，比如散熱風(fēng)扇接近壽命期時震動會加大；IGBT元件接近壽命期管壓降（元件導(dǎo)通時在兩端測得的電壓）會上升；電解電容接近壽命期電容量會下降。但震動大到什么程度、管壓降升高到多少、電容量下降為幾何可以判定進入損壞前階段。這就是預(yù)前技術(shù)研究的內(nèi)容。這是一個以統(tǒng)計學(xué)為研究方法的技術(shù)。它需要大量的數(shù)據(jù)，得出概率型的結(jié)果。比如十小時后損壞概率為50%，一百小時后損壞概率為70%，五百小時后損壞概率為90%，……。這些數(shù)據(jù)來自大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計和數(shù)學(xué)分析，并且不斷刷新著研究成果。第六十七頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器現(xiàn)場總裝通常設(shè)備總裝安排在制造廠，最重要的原因是需要進行整機檢驗，但我國的國家標(biāo)準(zhǔn)《變頻器總技術(shù)條件》并不要求進行整機的全負荷試驗，電氣設(shè)備制造公司的電力容量標(biāo)準(zhǔn)一般為500千伏安，這個容量小于多數(shù)變頻器規(guī)格?？傃b起來只為了做一下空載試驗，造成極大的浪費，弊大于利。整機運輸運費高，因為占了較大的體積，并且不符合安全質(zhì)量規(guī)定。比如較重的真空接觸器掛在電氣梁上，一路顛簸到現(xiàn)場誰也不敢保證性能完好。標(biāo)準(zhǔn)是將配件拆下，裝入原包裝，按配件廠家要求運輸。設(shè)備裝一回又拆一回，到現(xiàn)場又裝一回，此時做過的空載試驗還有多大作用是很值得懷疑。我們主張取消制造廠總裝，到現(xiàn)場進行。第六十八頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器客戶現(xiàn)場人員

是最好的服務(wù)力量

第六十九頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器出售實驗數(shù)據(jù)當(dāng)我們監(jiān)測配件狀態(tài)，為設(shè)備可靠性不懈努力時，產(chǎn)生了有價值的副產(chǎn)品。從配件啟用、經(jīng)過老化期、直至損壞，全過程被我們的預(yù)前系統(tǒng)掌握，這些信息是配件制造廠難得的數(shù)據(jù)，可揭示提高產(chǎn)品質(zhì)量的途徑，應(yīng)出售給配件制造廠。第七十頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器空氣濾層這是一個最容易被業(yè)內(nèi)忽視的問題，空氣中的大量灰塵會吸附在器件上、印制線路板上。如果沒有水分還好一點，灰塵厚度會穩(wěn)定下來。但不幸的是外界空氣中的水分會不斷的吸進來，加入灰塵中。就像蓋被子，一層又一層。這樣由于散熱不利，發(fā)熱和散熱平衡點提升，器件溫度高過使用標(biāo)準(zhǔn)就會損壞。因此一個好的空氣濾層設(shè)計就成了關(guān)鍵問題。空氣濾層并不陌生，吸塵器濾層和汽車空氣濾清器濾芯大家都見過。設(shè)計原則是進風(fēng)面積要大，網(wǎng)孔要小。在進風(fēng)面增加一些凹凸會加大進風(fēng)面積，極端情況是類似動物的毛發(fā)。另外要便于清洗重復(fù)使用。第七十一頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器戶外型環(huán)境防護等級主要關(guān)注灰塵和水，IP00表示無防護，IP87表示最高防護，此一等級設(shè)備可長期潛入水下工作。但高等級防護意味著成本“天價”。我們考察了社會、仿生、各個方面，希望借鑒相關(guān)行業(yè)的成熟技術(shù)。煤礦電氣設(shè)備有較高的防護等級，但偏重于對可燃性氣體的防護。什么行業(yè)的技術(shù)更適合我們呢？慢慢的一幅畫面進入了我們的視野，一艘滿載集裝箱的遠洋巨輪，頂著狂風(fēng)巨浪，行駛在浩瀚的海洋上。此時集裝箱承受著近似IP87的嚴酷環(huán)境，并且附加含鹽空氣的腐蝕，極大的機械撞擊。它是我們最理想的參照對象。第七十二頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器整機設(shè)備信息每個單元都具有一個不重復(fù)的ID號，由單元處理器管理。此ID號下記錄全部原配件信息，原配件都具有不重復(fù)的身份號，由設(shè)備檔案服務(wù)器管理。第七十三頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器壓頻比曲線掃描沒有電機拖動理論的深刻理解，和堅實的實踐經(jīng)驗，一般用戶是不能精確把握的。并且，隨著氣候變化和工藝改變應(yīng)隨時調(diào)整壓頻曲線，很可能任一條預(yù)設(shè)曲線都不能適合。壓頻曲線本意是將三維問題用一系列兩維關(guān)系解決，事實上影響因素不只三維。真正實用的方法是隨時調(diào)整壓頻曲線，或取消壓頻曲線的概念。我們應(yīng)用“自學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)”理論，不斷的變化電壓和頻率、主動的尋找多個目標(biāo)的最佳平衡點，并且紀錄全部過程，形成壓頻控制的新理論。第七十四頁，共八十四頁，編輯于2023年，星期六HVF高壓變頻調(diào)速器克服共振點電機的“腔”結(jié)構(gòu)和機械運動的特性，若再加以電磁力容易產(chǎn)生共振。由于電機制造廠只考慮在五十赫茲情況下應(yīng)用，他們做的是要讓共振點遠離五十赫茲。因為高壓電機體積較大，較厚重，共振點多落在三十到四十赫茲。此時如果處理不當(dāng)，會發(fā)生嚴重的事故?？梢酝贫ㄔS多用戶是深受其害后拒絕使用這項技術(shù)的。更可怕的是共振點還會隨工況和年限移動，沒有一勞永逸的解決辦法。在控制體系中加入克服共振點單元,使結(jié)構(gòu)固有頻率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速、電機電流頻率盡量拉遠，或在相位上有更多的抵消機會。