TS-HVAF—高压变频器的开发与应用

TS-HVAF—高压变频器的开发与应用1、引言大家都认可的一个不争的现实是：任何产品都得在用户的环境中使用，而任何产品在使用过程中又都不可能不出现故障甚至是损坏，笔者根据飞机的制造理念设计、制造高压变频器，而飞机制造的理念用最简单的两句话说明就是：一是全天侯，即尽可能广泛的适应环境；二是即使出现了故障也不能即时修复，必须能够带伤飞回地面。众所周知，由于元器件的技术水平所限，不能直接采用逆变技术解决高电压领域的变频调速问题，因此，高压变频的技术研究与应用一直滞后于高压交流电动机的发展速度。2、“串联叠加”原理的高压变频器发达过程最早将变频调速技术应用到高电压领域的是“高—低—高”原理的技术方案，但由于“高—低—高”的技术方案还存在着一些缺陷。于是在1996年8月14日，世界上首次公开了由中国人在1995年发明的“串联叠加”原理的高压大功率交流电动机的变频调速装置（专利号：zl95119585.9）。“串联叠加”原理的高压大功率变频调速装置较好地克服了“高—低—高”方案所存在的缺陷，提出了一种解决了高电压领域变频调速问题的更加理想的途径。因此，“串联叠加”原理的高压变频技术得到了长足的发展，目前已成为全世界高压变频器产品的主流技术。尽管传统的“串联叠加”原理的高压变频器以其优势目前已经成为了全世界高压变频器产品的主流产品。但是由于它的发展历史还比较短，还是一个有待不断成熟的新技术，因此还必然的存在着一些缺陷。3、传统的“串联叠加”原理的高压变频器的缺陷（1）传统的“串联叠加”原理高压变频器的设备比较复杂、体积庞大、一般都在5～６m长，对于很多改造项目实施有一定的困难；（2）高压大功率机电设备的电流大，温升较高，必须对功率元器件进行良好的通风散热。而在我国南方的大部分地区，夏季的环境温度都会在40℃左右，通风已起不到散热的作用；而且通风和防尘又是一对很难解决的矛盾。所以传统的高压变频器在高粉尘、高湿度、高气温以及有腐蚀性气体的环境中不能安全的使用；（3）“串联叠加”解决了元器件的耐压问题，但由于众多“单元”的叠加使得控制程序的程序量也大大的增加了。大多数传统的“串联叠加”原理的高压变频器都是采用单片机作为控制程序的核心器件，而单片机的抗干扰性比较差，使用高压变频器的场合又大都是用电情况比较复杂的“工业环境”，干扰比较大；另外单片机若没有必要及良好的硬软件保护措施也不适合长时间不间断的运行，甚至有“死机”现象发生。所以，早期的“串联叠加”原理的高压变频器，经常由于程序紊乱而发生问题，甚至出现事故；（4）传统的“串联叠加”原理的高压变频器，设备比较复杂，电缆多，很难做到简洁化，再加上是综合性比较强的高技术产品，所以很难实现由用户自我进行的“现场维护”；（5）大多数传统的“串联叠加”原理的高压变频器采用的都是pwm技术，一般有2.5khz左右的载频，开关器件igbt的开关频率较高，因此功耗和温升也就都比较高，igbt的寿命自然也就会比较短；另外，这个2.5khz左右的载频和它的再生谐波，对于电动机来说本身就是“谐波”，所以当低功率运行它们所占的分量比较大时，就有了“低频发热”现象的发生。只是因为它们的“谐波”次数太高，一般的测试手段无法检测到，将传统高压变频器的“超高次”谐波掩盖了。（6）因为串联叠加”原理的高压变频器的操作比较复杂，事故率也就比较高。作者通过对十几起事故的处理和事故原因的分析发现，除一些早期产品是因为设计和制造不太成熟以外，绝大部分的事故是由于操作期间的误操作或电脑以及器件的误动作而导致的，因此“防误操作”也是给高压变频器制造提出的一个新课题。（7）当高压变频器在运行中出现故障时，绝大多数产品采取的应急措施是“旁路直合供电，工频运行”。但是很多场合特别是为风机安装的高压变频器，不宜采取“旁路直合供电，工频运行”，因为“旁路直合供电，工频运行”会使风量突然增大，造成诸如锅炉正压保护甚至风机飞车等事故的发生。所以，在推荐和选用高压变频器的时候，一定不要仅仅考核其业绩的多少，业绩的多与少并不能真实的反映生产厂的产品技术水平。一定要对上述的“缺陷”采取有效的解决措施。4、ts-hvaf系列高压变频器的技术突破山东点石节能科技开发有限公司在引进的基础上自主开发成功的ts-hvaf系列高压变频器，实现了高压变频器产品的重大技术突破，克服了传统的高压变频器存在的缺陷：4.1极大的拓展了高压变频器的应用领域众所周知，高压大功率机电设备的电流大，温升较高，必须对功率元器件进行良好的通风散热。而在我国南方的大部分地区，夏季的环境温度都会在40℃左右，通风已起不到散热的作用；再加上功率单元发热量的积累，半导体开关器件周围的温度至少会达到50℃以上，也就是说：到了夏季高压变频器的半导体开关器件事实上是在“老化”的环境中运行的，运行风险很高，使用寿命也会大受影响。而且通风和防尘又是一对很难解决的矛盾，能够使用高压变频器的有很多又都是高粉尘环境，比如钢铁厂、发电厂和矿山等等。尽管配电室里面的粉尘不是很大，但通风会将外面的粉尘大量的吸进室内和设备里。目前绝大多数的高压变频器的生产厂家都在回避这个问题，而用户又不可能十分清楚这些事情，就只知道看看业绩有多少和有没有相关场合的业绩，致使很多高压变频器在“恶劣”的环境中“忍辱负重”的工作着。这对于高压变频器的运行安全是存在着很大隐患的。ts-hvaf/r型高压变频器，采用了全密闭热交换技术（专利申请号：200410080498.3和200620012395.8），不与外界环境直接进行空气交流，彻底克服了传统高压变频器在高温、高湿、高腐蚀性气体、高粉尘、防爆等环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热交换器，可以将高压变频器功率单元柜内的温度控制在电子元器件特别是半导体的最佳工作温度范围，在这个温度下电子元器件运行的更安全，过载能力能得到了充分的发挥，使用寿命也大大延长，极大的提高了高压变频器的品质。由于采用的是“中央”形式的热交换器，热交换器的受热器安装在高压变频器功率单元柜的“外部”，这样就很好的解决了“冷凝水”的问题，热交换器的使用还可以将由于高压变频器功率单元柜密封不完全而进入柜内空气中的少量水份“吸”出去。4.2抗干扰能力大大提高，控制程序最稳定ts-hvaf系列高压变频器在其中央控制系统中成功的用可编程门阵列大规模集成电路（fpga）取代了传统的高压变频器中的单片机，实现了“软件问题硬件处理”，将全部的控制程序固化在“大规模集成电路”这个“硬件”里面。在任何情况下—包括上位机和中央控制系统掉电或损坏，也不会出现程序紊乱、死机等现象，高压变频器仍可以在原工况状态下继续安全运行。同时还极大的提高了抗干扰能力，使设备的运行更加安全、稳定和可靠。用“硬件”作为控制程序核心器件的高压变频器，在用户现场经过长时间的运行，从未出现过操作反应迟缓、“死机”和程序紊乱的现象。由于目前相关技术水平的限制，fpga还无法直接与工控机通讯，所以在ts-hvaf高压变频器的中央控制系统中使用了plc，虽然高压变频器的制造成本增加了数千元，但是ts-hvaf型高压变频器却因此而成为了目前世界上“最安全、最可靠”的高压变频器。4.3运行更加安全、可靠，实现小故障可以安全运行由于控制程序的稳定可靠，使得ts-hvaf型高压变频器可以在传统高压变频器的基础上增加切分和叠加单元的个数：6kv的每相切分为8个叠加单元，10kv的每相切分为12个叠加单元。并配以“波形连续变换”技术，一旦个别功率单元出现故障，输出电压的损失比较小，仍能够维持较高功率的运行，即6kv的可以在46hz及以下频率继续安全运行，10kv的可以在47hz及以下频率继续安全运行。这就是说，ts-hvaf型高压变频器即便出现一些故障，也基本能够满足一般用户的正常使用，而不必立即进行维修。这就是“飞机制造的理念”：出现故障无须立即进行维修，可以“带伤”飞回机场—即等到用户可以停机时再进行维修。4.4开关器件的负荷及能耗最低，使用寿命最长由于切分和叠加单元数的增加，使得ts-hvaf系列高压变频器可以用脉动直流叠加原理（最高频率50hz）取代传统的pwm（一般有2.5khz左右的载频）技术。这样不仅大大减少了输出的谐波，更主要的是大大降低了开关器件的开关频率和负荷，减少了开关器件的能耗，即使加装了“中央空调”，ts-hvaf系列高压变频器的功耗也不会高于传统的高压变频器。不仅使ts-hvaf系列高压变频器的运行更加安全可靠，同时还延长了开关器件（igbt）的使用寿命。由于没有了2.5khz左右的载频，ts-hvaf系列高压变频器还有效的克服了“低频发热”现象的发生。4.5整机最简捷，大故障可以实现现场维护由于“串联叠加”原理高压变频器的技术比较复杂，器件和功率单元比较多。所以高压变频器的售后服务和运行中的较大维护一直由生产厂家承担，即便经过培训，在很长的时间内用户自己的维护人员也还是不能有把握地进行现场维护。尽管各个生产厂家在销售时都有售后服务和运行维护的承诺，但想想看：一个制造厂要负责全国各地用户的维修，中国那么大，从接到需要维修的通知到派人到用户现场，从检查出故障部位到发备件，从备件运抵现场到维修完成再进行调试，是不是能够在几天内完成的？什么样的售后服务网络能够保证全国各地用户的维修需要？又有哪个厂家能够建立如此庞大的售后服务网络？山东点石节能科技开发有限公司对售后服务水平的理解是：“最好的售后服务，就是用户根本不需要厂家来售后服务”。而“用户不需要厂家来售后服务”并不是厂家不服务，而是要通过改善设备的技术水平和“最好的服务”使用户自己的维护人员经过培训能够真正的进行现场维护和维修。而要达到用户自己的维护人员能够真正地进行现场维护和维修的目的，产品就必须实现如下的功能：（1）必须实现产品的模块化和故障点的集中，而且整机布局必须简捷、清晰以方便用户维修人员的维修，因为用户的维修人员仅仅经过培训还是不能够进行很复杂的维修；（2）必须有清晰的故障引导系统，因为用户的维修人员经过简单培训还不能很好地判断故障；（3）出现一般性的故障，必须能够“带伤”继续运行，一直安全运行到用户能够停机时，再进行维修。ts-hvaf型高压变频器的柜内主电路无电线、电缆，极大的减少了接线电阻和可能的故障点，整机布局简捷、清晰，大大提高了高压变频器整机的可靠性。整机单元化，更换一个功率单元只需劳动7个螺丝，10min内即可完成，在故障引导系统的提示下，完全可以实现用户的现场自我维护和检修。4.6产品的出厂检验最有效ts-hvaf型高压变频器唯一实现了整机运输，不仅大大缩短了现场安装、调试的时间，将因安装、调试造成的停产损失降到最低；更重要的是高压变频器在生产厂所作的全部调试和检验更加真实、可靠和有效。4.7最完善的防误操作系统，唯一可以进行防误操作验收的高压变频器根据用户提出的要求以及现场使用的实际情况，ts-hvaf型高压变频器可以设置比较完善的防误操作系统，保证最大限度的避免由于操作人员误操作而发生故障的可能。ts-hvaf型高压变频器，是目前唯一可以按照用户的要求签定“防误操作协议”，并在设备验收时进行防误操作试验的高压变频器产品。5、典型应用实例2005年4月，我公司为武汉晨鸣集团长江提水厂安装了一台6kv、630kva的高压变频器，还在调试验收期间该集团就开始宣传这次变频改造的节电效果了,经过改造，不仅被控水泵的节电效果十分明显，而且还节省了由于水库灌满后反向长江回送水的电费和水费，并且延长了设备的使用周期，节省了设备的保养费用。他们预计每天的节电在2000kw·h以上。这台高压变频器自2005年4月29日通过用户验收至今运行正常。经过验收期间对用户的简单培训，这台高压变频器还成为了第一台由用户自行维护维修的高压变频器。2006年山西省北方铜业集团进行高压变频改造时，由于配电室的现有面积所限，取消了原招投标计划而直接购买了我公司的一台ts-hvaf-6/630s高压变频器。这台高压变频器以其小巧精美、操作简便受到了用户上下的一致好评。当地煤矿集团的机电专家