高壓變頻調(diào)速電源研發(fā)探索

王召穩(wěn)

(山西杏花村汾酒廠股份有限公司，山西汾陽(yáng)032205)

0 引言

變頻調(diào)速電源屬于現(xiàn)代電力電子裝置的一種，從它所推動(dòng)的異步電機(jī)的工作原理看，其軸轉(zhuǎn)速為n=60f1(1－s)/p，式中f1為變頻調(diào)速電源的實(shí)時(shí)輸出的頻率，轉(zhuǎn)速n與頻率f1成正比，頻率f1越低，轉(zhuǎn)速n越低，反之亦然，這樣通過頻率f1就能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速n，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)f1可設(shè)置為0.5Hz，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速相當(dāng)?shù)?，啟?dòng)力矩相當(dāng)大，傳統(tǒng)供電方式，因啟動(dòng)時(shí)頻率為50Hz，啟動(dòng)轉(zhuǎn)速就很高，故從電網(wǎng)抽取得功率高達(dá)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的十幾倍，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊干擾，嚴(yán)重時(shí)能破壞進(jìn)網(wǎng)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。用變頻電源啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，對(duì)電網(wǎng)不產(chǎn)生沖擊，啟動(dòng)后緩慢增加頻率，頻率可增到50Hz，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速的100倍，輕載時(shí)，調(diào)速電源的頻率降至或進(jìn)入休眠狀態(tài)(取決用戶的設(shè)置)，當(dāng)制動(dòng)時(shí)，具有四象限運(yùn)行功能的變頻器可將多余的能量返回到電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了緩啟動(dòng)、運(yùn)行、輕載和停機(jī)節(jié)能。此過程是按用戶設(shè)定程序自動(dòng)執(zhí)行的。

1 變頻電源近況

1.1 變頻調(diào)速電源的發(fā)展趨勢(shì)

變頻調(diào)速電源的發(fā)展史就是其核心器件開關(guān)管的發(fā)展史，20世紀(jì)60年代主要使用半控型的晶閘管(可控硅)作為變頻電源的開關(guān)管，存在相控角隨溫度變化大等突出缺點(diǎn)，20世紀(jì)80年代各種全控器件先后問世，變頻技術(shù)特別是交流調(diào)速技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，尤其是20世紀(jì)80年代末基于GTK、GTO和TGBT的變頻裝置在特性和價(jià)格上可以和直流調(diào)速裝置相媲美，逐漸成為變頻調(diào)速裝置的主流技術(shù)，20世紀(jì)90年代后期至今電力電子器件的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代，高壓IGBT、GCTI、IEGT和SGCT等器件出現(xiàn)，并進(jìn)入實(shí)用化階段段，從而推動(dòng)變頻技術(shù)向高電壓、大電流、高頻化方向邁進(jìn)。

1.2 機(jī)遇

我們的機(jī)遇，當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家以MOSFT和IGBT為代表的開關(guān)管已進(jìn)入第五代。在山西煤化工、鋼鐵、礦山等行業(yè)中，風(fēng)機(jī)及水泵電動(dòng)機(jī)功率大、數(shù)量多，開發(fā)變頻調(diào)速電源大有用武之地。

2007年山西消耗的總電量約為1300億kWh，占全國(guó)消耗總電量的4%，電動(dòng)機(jī)械消耗的電量占30%，接近400億kWh，若有4%的電動(dòng)機(jī)械使用變頻調(diào)速電源，節(jié)電率按最低30%計(jì)算，能節(jié)電4.8億kWh，按同比計(jì)算全國(guó)能節(jié)電120億kWh，這相當(dāng)于2個(gè)2007年三峽的總發(fā)電量(60億kWh)，若節(jié)電率按40%計(jì)算，這個(gè)數(shù)字更可觀了。

2 國(guó)內(nèi)外技術(shù)水平及發(fā)展趨勢(shì)、生產(chǎn)現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外技術(shù)水平及發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)及社會(huì)發(fā)展的需要推動(dòng)了交交變頻技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電力電子器件的開發(fā)和應(yīng)用，現(xiàn)代控制理論和控制器件的研制和應(yīng)用，微控制技術(shù)和大規(guī)模集成電路的開發(fā)和應(yīng)用為交流變頻技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用創(chuàng)造了物質(zhì)和技術(shù)條件。以微處理器技術(shù)，PWM控制芯片和電力電子開關(guān)器件為基礎(chǔ)，以正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)、矢量變換技術(shù)、直流轉(zhuǎn)矩控制和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為先導(dǎo)的全數(shù)字化控制技術(shù)作為控制手段，交流變頻電源經(jīng)歷了一個(gè)由傳統(tǒng)交交直接變頻到交直交變頻，再到矩陣交交變頻的全過程。

從1956年普通晶閘管問世到20世紀(jì)80年代以前，以晶閘管為核心的交交變頻電路廣泛應(yīng)用于電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，晶閘管為核心的交交變頻電路已不能滿足變頻技術(shù)的發(fā)展需求。到20世紀(jì)80年代各種全控器件GTR、GTO和IGBT相繼問世，逐漸成為交直交變頻調(diào)速技術(shù)的主流。此階段日本公司廣泛采用變壓變頻(VVVF)技術(shù)，并將變頻調(diào)速電源向各個(gè)領(lǐng)域延伸。西門子將矢量控制變頻調(diào)速電源推向市場(chǎng)，并形成系列產(chǎn)品。1995年ABB公司首先推出了直接轉(zhuǎn)矩控制通用變頻器，目前已成為各系列通用變頻器的核心技術(shù)。20世紀(jì)90年代初美國(guó)首先推出矩陣變換器的實(shí)驗(yàn)裝置，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，矩陣變頻調(diào)速電源已成為當(dāng)前的領(lǐng)先技術(shù)。

從國(guó)外變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展歷程來(lái)看，關(guān)鍵技術(shù)是功率開關(guān)管、控制電路和主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三大部分。第一代變頻調(diào)速電源始于20世紀(jì)60年代，其開關(guān)管是可控硅、分離式控制電路和交交拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);第二代始于20世紀(jì)70年末，其開關(guān)管是10kHz的可關(guān)斷器件、部分集成控制電路和交直拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);第三代始于20世紀(jì)80年代末，其開關(guān)管是100kHz的高頻開關(guān)器件、大規(guī)模集成控制電路和層疊式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);第四代始于20世紀(jì)90年代初，其開關(guān)管是200kHz高頻高壓MOSFET和IGBT、數(shù)字控制電路和矢量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);第五代始于2000年，其開關(guān)管是高頻高壓大電流的 IGBT、GCTT、IEGT和SGCT實(shí)現(xiàn)四遙功能的全數(shù)字化控制電路和直接轉(zhuǎn)矩拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.2 國(guó)內(nèi)技術(shù)水平及發(fā)展趨勢(shì)

國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速電源起步較晚，20世紀(jì)80年代開發(fā)出以晶閘管為核心的交交變頻電路，少量的應(yīng)用到電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中。20世紀(jì)80年代后期隨著我國(guó)的入世、工業(yè)生產(chǎn)步伐的加快，在節(jié)能減排政策的推動(dòng)下，不斷提高生產(chǎn)中的能源利用率，逐步向國(guó)際節(jié)能降耗標(biāo)準(zhǔn)靠攏，使變頻調(diào)速技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，特別是基于GTR、GTO和IGBT的變頻裝置在性能和價(jià)格上可以和直流調(diào)速裝置相媲美，逐漸成為變頻調(diào)速裝置的主流技術(shù)。此階段在國(guó)內(nèi)重點(diǎn)設(shè)備中使用了變頻調(diào)速裝置，但還沒有達(dá)到普及應(yīng)用的程度。我國(guó)矩陣變換方面的研究始于20世紀(jì)90年代，南京航天航空大學(xué)，浙大、哈大、上海大學(xué)、福州大學(xué)、華中科技大學(xué)及清華大學(xué)等都開展了這方面的研究，但總的說(shuō)來(lái)，我國(guó)的矩陣變換器的研究工作無(wú)論在理論上還是在實(shí)際應(yīng)用上，與國(guó)際領(lǐng)先水平相比還有不小的差距。

從國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速電源發(fā)展歷程來(lái)看，關(guān)鍵技術(shù)也是功率開關(guān)管，控制電路和主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三大部分。由于國(guó)內(nèi)不能生產(chǎn)功率開關(guān)管和大規(guī)模集成電路，造成該產(chǎn)品落后二十年，其工藝技術(shù)落后更多，目前我們只能使用國(guó)外第三代開關(guān)器件和小規(guī)模集成電路，至于第四代和第五代產(chǎn)品國(guó)內(nèi)只有理論上的探討。

2.3 生產(chǎn)狀況

國(guó)外成批生產(chǎn)并大量用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的是第三代和第四代變頻調(diào)速電源，所有電動(dòng)機(jī)械都通過變頻調(diào)速電源供電。其第三代產(chǎn)品將被淘汰，第五代產(chǎn)品將裝備新興的電動(dòng)機(jī)械產(chǎn)品，到2015年逐步取代第四代產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)成批生產(chǎn)的是第二代產(chǎn)品，在部分電動(dòng)機(jī)械中投入使用，絕大部分電動(dòng)機(jī)械還是采用傳統(tǒng)供電方式。國(guó)內(nèi)的第三代產(chǎn)品也有部分生產(chǎn)能力，但與實(shí)際需求還差得很遠(yuǎn)。一些新開發(fā)的重點(diǎn)電動(dòng)機(jī)械項(xiàng)目，都使用了變頻調(diào)速電源，但絕大部分是進(jìn)口，獨(dú)資或合資企業(yè)的產(chǎn)品，日本幾家公司，西門子和ABB公司的第四代變頻調(diào)速電源。

3 技術(shù)來(lái)源、開發(fā)研制現(xiàn)狀及國(guó)產(chǎn)化狀況

(1)技術(shù)來(lái)源:從電源世界、電源技術(shù)應(yīng)用、電源資訊、中國(guó)電源博覽、今日電子、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、IEEE電子學(xué)和IEEE工業(yè)應(yīng)用等電力電子雜志上，了解了電力電子裝置的發(fā)展史和實(shí)際應(yīng)用，變頻調(diào)速電源涵蓋的三大技術(shù)、開關(guān)管、控制電路和主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

專家認(rèn)同一個(gè)觀點(diǎn)就是變頻電源在中國(guó)大有可為，用現(xiàn)代的變頻調(diào)速電源為異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，確保節(jié)能30%～70%(取決于應(yīng)用場(chǎng)合)，這對(duì)節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是個(gè)可觀的數(shù)字，再加上新開發(fā)的礦山、電力、水利和送風(fēng)機(jī)械的應(yīng)用，節(jié)能效果更加凸顯出來(lái)。

(2)開發(fā)研制現(xiàn)狀:目前多家公司都以國(guó)家級(jí)或省市級(jí)技術(shù)中心為依托，以電力電源產(chǎn)品技術(shù)為基礎(chǔ)，集中優(yōu)勢(shì)技術(shù)力量對(duì)變頻調(diào)速電源項(xiàng)目進(jìn)行了全面市場(chǎng)調(diào)研、論證，并對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了消化吸收，制定了可靠實(shí)施方案。爭(zhēng)取以最快速度產(chǎn)出物美價(jià)廉的產(chǎn)品與國(guó)外產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)。

(3)國(guó)產(chǎn)化狀況:該項(xiàng)目的產(chǎn)品圖紙、工藝技術(shù)屬于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)范圍，其原材料國(guó)內(nèi)大部分都能自產(chǎn)，隨著技術(shù)進(jìn)步，其元器件成本逐年下降，預(yù)計(jì)到2013年90%為國(guó)產(chǎn)元器件，功率開關(guān)管及各種集成電路等進(jìn)口元器件僅占10%左右。

4 項(xiàng)目?jī)?nèi)容、開發(fā)方案及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

4.1 項(xiàng)目開發(fā)內(nèi)容

變頻調(diào)速電源的研制，以TY6KV050A為例，主要技術(shù)指標(biāo)是輸出電壓為3相6000VAC，輸出功率300kW，輸出頻率范圍0.5～120Hz。從輸出功率等級(jí)可分為大功率(1kkW以上)、中功率(100kW左右)和小功率(10kW左右)。該項(xiàng)目適于300kW，居于中等功率范圍，項(xiàng)目研制成功后可向大功率和小功率兩個(gè)方向延伸，形成系列產(chǎn)品是該項(xiàng)目的特色。

主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)，就是整合國(guó)外第三代功率開關(guān)管、集成控制電路和主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)用技術(shù)，打破國(guó)外同類產(chǎn)品壟斷國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的局面，形成本土化系列產(chǎn)品，以其價(jià)格的優(yōu)勢(shì)參與競(jìng)爭(zhēng)。

解決的關(guān)鍵技術(shù)，在大功率開關(guān)器件方面，主要使用可關(guān)斷開關(guān)器件，用IGBT和CMOS去替代半控開關(guān)器可控硅。從而推動(dòng)變頻技術(shù)向高電壓、大電流、高頻化方向邁進(jìn)。該項(xiàng)目選用高壓大電流IGBT模塊作為開關(guān)器。在控制器件方面，首先用好正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)，能提高效率的零壓(ZVT)和零流(ZCT)開關(guān)控制技術(shù)。然后向DSP全數(shù)字化控制方向發(fā)展。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，首先要靈活運(yùn)用改進(jìn)式層疊式多電平變頻器，然后去探討矩陣式變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在散熱方面，雖然新一代開關(guān)使變頻電源的效率由80%提高到90%，其散熱任務(wù)顯著減輕，但仍有10%的能量變成熱能，需要快速散掉，隨著整機(jī)體積的減小，散熱仍是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)良好的散熱系統(tǒng)是技術(shù)人員務(wù)必完成的任務(wù)。

在電磁干擾(EMI)方面，隨著體積的減小，頻率的提高，會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的機(jī)內(nèi)電磁干擾，干擾嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞本機(jī)的工作狀態(tài)，使各種保護(hù)功能失效，故防止電磁干擾的危害也是技術(shù)人員不可忽視的設(shè)計(jì)問題。

在焊接方面，隨著集成電路的體積大幅度減小，其腳間距由2.54mm減到1.25mm，現(xiàn)在又減到0.63mm，人工焊接無(wú)法完成，必須建立數(shù)控平面焊系統(tǒng)，確保焊接牢固可靠。另外要向歐盟RoHS指令靠攏還要求對(duì)數(shù)控平面焊系統(tǒng)進(jìn)行改造，使其滿足無(wú)鉛焊接指令的要求。在絕緣性能方面，工作電壓6kV/10kV屬于高壓設(shè)備，絕緣隔離性能要滿足國(guó)家的強(qiáng)制要求，確保設(shè)備安全運(yùn)行，并保護(hù)使用電網(wǎng)的安全。

4.2 項(xiàng)目開發(fā)方案

根據(jù)目前各公司的具體情況和該項(xiàng)目的主要技術(shù)指標(biāo)，其輸入電壓要求3相6kV交流，有的公司的變電站只能供給3相380VAC，故實(shí)驗(yàn)方案分兩步走，第一步只能利用公司的現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)取得一定的進(jìn)展后，再增加變電站等設(shè)施。

(1)第一階段，主電路選用層疊式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通用的層疊式結(jié)構(gòu)要求輸入電壓為3相6kVAC電源，其輸入采用降壓變壓器，在沒有高壓變電站的情況下，打算輸入端采用升壓變壓器，這樣能等效我們已有的3相6kVAC電源，實(shí)驗(yàn)成功后，再考慮換入變電站設(shè)備，為成批生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。

該項(xiàng)目輸出電壓要求3相6kVAC，輸出功率為300kW，居于中等功率的設(shè)備，第一步實(shí)驗(yàn)先考慮100kW，成功后再擴(kuò)展到300kW。該項(xiàng)目控制電路選用大規(guī)模集成電路，其管腳間距為0.63mm，手工無(wú)法焊接，可采用外協(xié)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(2)第二階段，在總結(jié)第一階段取得的成果基礎(chǔ)上，抓住完全自主開發(fā)這個(gè)中心環(huán)節(jié)，重點(diǎn)開展下列工作。購(gòu)買測(cè)試設(shè)備，建設(shè)高壓變電站和大規(guī)模集成電路焊接設(shè)備，為成批生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。

變頻調(diào)速電源屬于電力電子工業(yè)，我國(guó)電力電子工業(yè)的發(fā)展水平落后于先進(jìn)國(guó)家10年～20年，而其工藝技術(shù)要落后15年～30年，如此大的差距，在我們的技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目中去解決電力電子工藝技術(shù)就顯得尤為重要。

(3)第三階段，變頻調(diào)速電源歷經(jīng)40年的發(fā)展，到目前解決好小型輕量化、模塊化、智能數(shù)字化、長(zhǎng)壽命和高可靠性是世界各國(guó)共同的奮斗目標(biāo)，其在小型輕量化方面每前進(jìn)一步都要帶來(lái)相互干擾、散熱和可靠性諸多困難，這些困難都與工藝技術(shù)息息相關(guān)。小型化就是安裝緊湊，元件和部件集中帶來(lái)的干擾和散熱問題越大，因此要采取工藝創(chuàng)新。主電路中較大的元器件和部件要合理布局，輸入和輸出端要明確分開，輸入和輸出接線排要安排在整機(jī)的兩側(cè)或兩端，防止走線混雜。發(fā)熱量大的開關(guān)管、變壓器和濾波電容要帶有足夠大的散熱片，并有較大的散熱空間，這些發(fā)熱元件盡量遠(yuǎn)置。

控制數(shù)字電路要盡量靠近被控元器件，使相互之間的干擾減至最小，火線和零線要盡量加粗，減小引線電阻，特別是公共零線要單點(diǎn)接地，其接地面積是較粗走線的10倍以上。

數(shù)字電路要選用抗干擾性能較強(qiáng)的部件，確保機(jī)內(nèi)干擾不破壞其工作。過壓、過流、限流和過熱保護(hù)功能完善，并有聲光告警顯示，使操作人員可及時(shí)處理故障。確保大功率開關(guān)管和整流管正常工作，提高整機(jī)的可靠性和供電安全。在電力電子開關(guān)器件的實(shí)用技術(shù)、正弦脈寬調(diào)制技術(shù)(SPWM)和層疊式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面有所突破，力爭(zhēng)達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。

4.3 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

4.3.1經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

研制的變頻調(diào)速電源(TY6KV050A)主要由高壓開關(guān)、移相隔離變壓器、功率單元、主控單元、電壓電流檢測(cè)單元和可編程人機(jī)接口通信單元組成的。

4.3.2產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)

高壓變頻電源TY6KV050A主要技術(shù)指標(biāo)

輸入電壓:6kVAC/50～60Hz/3相±10%

功率因數(shù):0.95

輸出電壓:6kVAC/3相

輸出功率:300kW(滿載下)

輸出頻率:0.5～120Hz(按設(shè)置受控)

輸出效率:90%(滿載下)

輸出穩(wěn)壓:±2%(電源+負(fù)載調(diào)整率)

絕緣電阻:＞2MΩ(環(huán)境濕度90%時(shí))

絕緣耐壓:10kVAC(環(huán)境濕度70%時(shí))

環(huán)境溫度:－10℃ ～45℃

環(huán)境濕度:＜90%

外形尺寸(mm):1200×2000×1000(WXHXD)

整機(jī)重量(kg):2000

5 結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)研制成功后，可改變電動(dòng)機(jī)械傳統(tǒng)供電方式，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速，可在大范圍內(nèi)，大幅度節(jié)能高達(dá)30%～70%(取決于應(yīng)用場(chǎng)合)，為我國(guó)的節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)，并對(duì)電子工業(yè)產(chǎn)生新的推動(dòng)力，使全國(guó)的機(jī)電一體化向前邁進(jìn)一步。