2500kW/6kV高压变频器应用分析

 

关键词：国产高压变频器 器件并联 散热

 

一、前言：

　　随着高压变频技术的日趋成熟和节能降耗、提高经济效益的市场需求越来越深化，高压变频技术正向着电压更高、功率更大、性能更优越的方向发展。大功率和超大功率高压变频器的市场前景日益被业内看好。如何解决大功率高压变频器在设计、生产、制造、应用中的技术难题，成为打开国内大功率高压变频器市场的关键。

　　目前，由于大功率高压变频的技术门槛较高；因此2000kW以上高压产品市场一直被国外品牌占据。北京利德华福电气技术有限公司生产的Harsvert-A06/300型2500kW高压变频器在油田注水泵变频改造项目上的成功应用，充分表明国产大功率高压变频在关键技术上已经取得实质性进展，它的投运为国产2000kW以上产品的实际应用填补了一项国内空白。

　　2500kW高压变频的应用主要需要解决功率器件并联、设备散热、环境冷却以及现场安装等相关技术问题。 

 

二、大电流输出问题：

　　2500kW高压变频器的额定输出电流为300A。系统设计过程中，除了需要满足额定输出电流的要求外，还需要具备120％过负荷1min的能力；并且必须能够承受瞬时1.5倍额定电流的冲击无器件损伤。因此，功率器件的选型必须依据峰值电流设计。也就是说，功率单元的通流量需要达到 ，即620A。考虑到IGBT具有一定的瞬时过流能力，因此基于散热方面的考虑采用两只额定值300A的IGBT并联来达到设计要求，实现IGBT在并联情况下均流输出，而且能够长期可靠的安全运行。在功率单元的设计当中主要有以下几个问题。

　　1、用同型号、同批次IGBT，筛选电流曲线、开关损耗值等性能参数完全一致的器件进行功率单元的生产。

　　2、在物理上严格保证电路参数的一致，消除结构安装、散热条件、线路布置等分布参数对实际运行的不利影响。

　　3、采用低电感回路设计，避免动力母线寄生电感对器件安全性的影响。

　　4、单元控制板产生步调一致的触发脉冲信号，保证并联器件的开关控制误差＜1μS。

　　5、驱动线路采用更为严格的抗干扰设计，并进行主电气回路电磁辐射测试；保证驱动波形不畸变，实现电气控制参数相同。

　　6、动态电流平衡技术，保证IGBT运行工况一致；避免温度变化带来的器件特性参数差异，引起电流不均导致器件烧毁系统崩溃的问题。 

 

三、设备散热问题：

　　高压变频器的自身冷却和环境散热问题是高压变频系统应用中不可忽视的重要问题之一。2500kW的设备在满载运行情况下有2～4%的损耗，功率约为100kW；这其中绝大部分是以热量形式散失在空间当中的。及时有效地将自身热量传递到设备外部，使系统工作温度在允许范围内是保证设备安全运行的关键因素。

　　变频器的热量损耗主要包括变压器柜和功率柜两部分。变压器采用H级干式变压器标准设计，绝缘材料能够耐受180℃的运行高温，变压器温升可达125K；标称容量为145℃自然冷却条件的有效容量值。可以说，变压器对运行温度的要求并不敏感；只要运行温度低于理论设计值145℃，那么变压器就会满足使用要求。但是，系统为了保证变压器的过载能力达到电气设计指标，冷却系统采用B级绝缘130℃的工作温度设计。换句话说，变压器柜的冷却系统能够满足B级干式变压器的运行需要，无疑改善了H级干式变压器的运行条件，提高了运行效率，热量损失也随之降低。因为变压器的运行温度越高，它的损耗越大、效率越低。

　　根据实际情况，变压器的冷却系统设计并没有采用严格的风道结构，而是增加了柜顶风机提高变压器柜的冷却风量来达到降低设备自身温度的目的。冷却系统保证环境温度45℃情况下，变压器在110℃达到热平衡。实际运行效果表明：现场环境温度11℃、设备满负荷运行情况下，变压器线圈最大温升65K，远远低于设计标准；采用常规风冷却设计可以满足要求。

　　功率柜是变频器运行中的又一发热主体。功率器件IGBT的最大允许运行温度（外壳温度）不能超过85℃，过高的温升会导致管压降加大、热损耗增加；形成恶性循环引起器件内热量累积，导致因温度过高而烧毁。因此，必须处理好功率器件的散热问题，才能保证系统的安全可靠性。以往小功率产品单位热量较低，散热和冷却系统可以有较大的裕量且受到制约的因素较少。而2500kW产品，功率器件的单位热量增加、必须考虑空冷散热的功率大小问题；因此，有效地将器件本身的热量带出来，并且能够快速地把热量传到系统外就显得尤为重要了。

　　首先，选用新一代功耗较小的功率器件，利用器件并联的方式热量分散、增大有效散热面积，把内部的热量带出来，保证用空冷的方式能够满足温升要求。第二，选用热传导特性好、导热率高的新型冷板钎焊散热器，提高散热效果。第三、根据单位面积散热功率合理设计冷却系统，保证环境温度45℃条件下器件自身温度低于85℃。第四、柜门采用栅格滤网罩，降低进风风阻；滤网选用透气性好、韧度高的新型过滤合成丝绵，提高冷却系统的运行效率。第五、采用冷却风机冗余设计。确保单台风机故障情况下，系统无需降额运行；两台风机故障，变频器降额运行不停机。最大限度保证了功率柜冷却系统对设备安全可靠性的影响。经现场实际运行测试：100％负荷情况下，功率器件最大温升＜23K，取得了良好的运行效果。

　　在系统的设计过程中，除了要解决好设备自身的冷却问题外，现场的环境散热问题也是2500kW高压变频器应用必须充分考虑的。根据油田注水泵项目的现场情况，决定将变频器的环境冷却接入已有的高压电动机冷却水系统。经过计算，在增加2500kW变频器的散热量的情况下，现有冷却水系统的设计裕量可以满足注水联合站的整个设备冷却量需要。

　　由于变压器柜和功率柜在实际运行中的运行温度并不相同，而环境温度一致；且功率柜对环境温度较为敏感。因此，在环境热交换系统的设计上主要有以下几方面的考虑。1、借助设备本身的冷却系统实现环境热交换，简化系统，不增加独立的冷却风机等设备。减低辅机故障点对系统安全性能的危害。2、通过空－水冷装置把变频器冷却风带出来的设备热量直接由冷却水传递到室外，从而降低主要热源对环境的加热作用。3、由于变压器正常运行的温度就明显高于功率柜温度，因此独立配置变压器柜和功率柜的热交换器，提高设备利用率。4、变频器室采用密闭环境设计，采用隔热效果好的石棉建筑降低热传导。避免夏季室外温度高带来的加热效应，完全依靠空－水冷装置进行环境散热。 

　　变压器柜的热交换器功率55kW，功率柜的热交换器功率45kW。冷却水温＜30℃，出风口温度＜38℃。热交换冷却水系统的工作压力0.4Mpa，设计流量分别为30m3/h。管路设计公称压力1.6Mpa，管径DN80具有很高的设计裕量，安全性能优于适配高压电动机的冷却水系统。也就是说，变频器室的冷却水系统并不降低整个注水泵系统的运行安全性能。

　　现场监测数据表明：变频器满负荷运行情况下，冷却进水温度2℃、回水温度9℃；功率柜温度11℃、变压器柜最高温度76℃；室内温度10℃、室外温度－17℃。设备运行温度远低于设计值，系统冷却和环境散热均达到设计要求，空－水冷装置的应用效果良好。 

 

四、制造工艺和设备体积：

　　2500kW高压变频器的生产对制造和检验工艺提出了更高的要求。首先，为确保系统的高安全可靠性，力求选用技术成熟性能稳定的组件完成功能开发。第二、严格入厂检验，保证同型号、同批次，性能指标匹配的组件进入生产。第三、加大板件老化力度，严格生产组装工序检验。对组件焊接、螺钉紧固等细节内容进行处理。第四、应用新型材料、新工艺减低产品重量、缩小设备体积。

　　缩小体积、提高单位功率是高压变频技术发展努力的方向之一。尤其是大功率和超大功率高压变频，在项目改造、推广应用中对体积有着更为明显的要求。体积过大带来的运输、安装、土建等方面的问题往往成为阻碍技术应用的考虑因素。目前，随着移相干式隔离变压器制造工艺和绝缘等级的提高，移相干式隔离变压器已经可以采用一体化设计结构；无需考虑再因制造工艺、热量散失等方面技术因素，制造两台变压器带来的体积问题。功率单元的结构设计和散热问题已经解决，功率柜结构及承重方面也取得进展，设备的功率密度得到有效提高。由北京利德华福电气技术有限公司生产的Harsvert-A06/300高压变频器的整机外形尺寸仅有6300×1300×2674，总重量约7400kg，较同类产品尺寸减少近1/2。系统的整机结构和现场分布也大为简化，消除了因功率等级提高带来的施工等问题。