隨“機”應“變”――高壓變頻器應用醞釀新突破

　　隨著工業領域對節能和工藝改善需求的提升，國內高壓變頻器行業正在經歷著年均12%到15%的高速增長。在應用領域，高壓變頻器正在向高功率、輕便化、高效能、通訊多樣化和集成化等方向發展。為了準確把握高壓變頻器市場的發展態勢，本刊自3月份開始，將邀請行業內的部分代表廠家，分兩期重點探討高壓變頻器行業的未來發展趨勢，以饗讀者。

　　高功率、小型化和可靠性

　　在高壓變頻器的應用領域中，電力、石油、冶金等許多行業對變頻器的功率容量提出了越來越高的要求，更高功率的高壓變頻器產品已經成為技術發展的一個重點方向，甚至超大功率產品的研發也已經提上日程。另外，面對通常出現的一些較大項目安裝空間狹小、受場地限制的變頻改造需求，高壓變頻器產品也在逐漸向小型化和輕型化方向發展。

　　北京動力源科技股份有限公司節能事業部副總經理褚立峰介紹說，該公司目前的產品功率容量已達到15MW，但目前在現場實際應用的最大容量只有10MW，接下來的研發目標是30MW，功率單元從30A到2000A。褚總分析說，變頻器技術本身就存在一個從低壓向高壓、從小功率向大功率轉變的技術發展過程，體現在產品發展趨勢上就是變頻器產品的功率越來越大，適用于更大規模的電機的節能調速需求。近年來，隨著國內電力電子技術的發展，尤其是高電壓、大電流的SCR/GTO/IGBT/IGCT等器件的生產及并聯、串聯技術的運用，使高電壓大功率變頻器產品的生產及應用成為現實。

　　另外，動力源最近還研發生產了HINV-AMCX系列異步電機用小型化產品。該產品系列擁有多項專利技術，具有功率密度高、可靠性強、體積輕巧、可一體化運輸、維護便捷等特點。

　　國內高壓變頻器知名企業北京利德華福電氣技術有限公司產品設計部經理張釗指出，隨著高壓變頻器技術的不斷成熟，客戶對節能和工藝改善方面的變頻改造需求不斷增加，為高壓變頻器行業帶來市場機遇的同時，也帶來了前所未有的挑戰，為了適應更高可靠性、更廣泛工藝工況、更大功率等級以及符合更多國家和地區特殊電壓等級的要求，需要不斷地提升高壓變頻器的設計、制造水平。

　　當然，對產品進行升級改進和擴容，都必須建立在產品可靠性的基礎上。變頻器的出現為工業領域的工藝改善和節能起到了不可替代的作用，但由于機器的工作惡劣環境和工況要求高，質量水平一般的變頻器給設備帶來的很可能是麻煩，而不是改善。

　　據介紹，利德華福高壓變頻調速系統的可靠性設計措施包括：控制系統由主控單元、SCHNEIDER或SIEMENSPLC、中文操作界面組成;控制器采用VME標準箱體結構，各控制單元板采用FPGA、CPLD等大規模集成電路和表面焊接技術;電源系統采用開關電源技術，各部分功能單元采用獨立供電措施，保證某一部分發生故障時，其它部分仍能可靠運行，等等。

　　三墾力達(江陰)市場部總監Shelley表示，三墾高壓變頻器產品在穩定性和可靠性方面要求很高，控制部分采用雙電源供電，提高電源穩定性，可實現高壓或低壓電源短時失電情況下的穩定運行;同時，開關電源也采用雙回路設計，即使某個開關電源發生損壞也不會影響整機運行;雖然整機過載率為120%一分鐘，但從可靠性考慮，單元按120%過載長時間運行設計。

　　煙臺東方科技環保節能有限公司在產品研發、制造和服務的整個生命周期中都始終貫穿著穩定和可靠的理念。副總經理施明賢介紹，其產品核心器件選用原裝進口，并經過嚴格的測試和老化，并自主研發硬件平臺，利用32位MCU+DSP+FPGA架構和核心算法FPGA硬件編程實現，引進多條日本、德國原裝貼片和波峰焊生產線及自動檢測設備，確保電子元器件的貼裝無虛焊、粘連。此外，擁有豐富經驗的電力系統工程團隊，對現場施工、調試具有嚴格的流程，確保規范操作，減少失誤概率，為產品的穩定可靠嚴把最后一道關口。

　　行業化開發乃重中之重

　　變頻器行業經過多年的發展，用戶需求的已經不再是一種單純意義的變頻器產品，還包括由變頻器延伸出來的有源電力濾波器、同步補償器等相關配套產品。最大程度地貼近客戶，為客戶提供成套的供電服務解決方案，進行詳細認真的行業化開發，已經成為企業市場策略中的重中之重。

　　利德華福營銷副總監兼EPC項目總監劉曉永表示，要做好行業化開發關鍵是對行業應用的特點要有深入的了解研究，才能解決行業的特殊需求，而煤礦和化工是該公司下一步要重點開發的新行業。

　　該公司產品設計部經理張釗也表示，所有的應用場所對高壓變頻器的共同要求就是連續運行的可靠性，因此需要盡一切方法來開發出適應各個行業特殊情況的配套產品技術。“比如，利德華福針對火力發電廠開發出了協調控制系統，針對鋼鐵廠開發出了無擾投切技術和快速加減速相應技術，而針對水泥生產我們的設備還要適應負荷突變的工況。”張釗說。據了解，利德華福為濟南鋼鐵和重鋼開發的燒結機主抽風機二拖二同步投切互為備用變頻調速系統就是這方面的杰作。

　　三墾力達為包頭第二熱電廠吸、送風機系統提供的兩套6kV/2240kW高壓變頻設備，不僅可以根據發電量的變化，調整給定頻率來實現對吸風機系統風量的快速調節，還考慮了變頻器在加減速時間過短造成的過壓或過流問題的自適應，大大提高了變頻器的動態響應，避免了因吸風機負載慣性較大調整時間過短可能導致的故障。三墾力達市場部總監Shelley告訴記者，該公司高壓變頻器產品已廣泛應用于電力、冶金、水泥、市政供水、石化等行業領域，均取得了很好的節能效果。

　　隨著海洋船舶運輸業的快速發展，海洋平臺上各種耗能電機負載的節能改造成為了變頻器行業的新興市場。但海洋平臺由于其環境的特殊性，對設備的要求特別苛刻，氣候條件惡劣、安全要求高、生產成本高且維護困難、費用高，同時空間和重量受限制，因此客戶在高壓變頻器的選用上非常謹慎，一直是國外品牌的天下，國產品牌的應用比較少。

　　雖然有如此多的難度，但據透露，北京動力源科技股份有限公司已經把海洋平臺變頻器作為下一步技術研發重點。該公司節能事業部副總經理褚立峰分析說，海洋平臺寸土寸金，要求變頻器越小越好，必須確保變頻器一次投運成功，對可靠性要求極高，并要求故障后能迅速恢復運行。同時，平臺上鹽霧大，室內屋頂上經常有滴水，變頻器需要作防滴(防護等級IP31)和三防(防霉、防潮、防鹽霧)處理，針對這一新興行業，高防護等級的高壓變頻顯得十分必要。

　　針對行業化開發，煙臺東方科技環保節能有限公司副總經理施明賢表示，企業只有對相關行業的背景及工藝進行詳細分析掌握，才能根據需求提供量身定制的系統化解決方案，而不僅僅是提供單一的產品。該公司自主研發的DF5000系列高壓變頻器就結合了許多應用場合的特點，已經廣泛應用于電力、冶金、石化等行業。

　　施總舉例說，水泥行業高溫風機就具有典型的特殊性，由于現有工藝經常會發生風道“塌料”現象，造成電機過流，如果處理不當會出現保護性跳閘現象。如果只是簡單地滿足電機過流閥值的要求，那么高溫風機所配置的變頻器功率將可能成倍的增加，而且只是在“塌料”的短時間內才會用到額定功率，造成用戶的采購成本極大地浪費。該公司采用專利算法圓滿地解決了這一問題，使變頻器配置的功率比較合理，同時又避免“塌料”問題造成的變頻器過載保護性跳閘。

　　防干擾、能效更高

　　雖然高壓變頻器有其節能效果明顯、方便調節、維護簡單和網絡化等優點，但因為高壓變頻器特殊的工作方式帶來的干擾變得越來越不容忽視。一是高壓變頻器產生的諧波對電網產生傳導干擾，引起電壓畸變，影響電網供電質量;二高壓是變頻器輸出部分一般采用IGBT等開關器件，在輸出能量的同時將在輸出線上產生較強的電磁輻射干擾，影響周邊電氣正常工作。因此，降低干擾輻射是高壓變頻器研究的重中之重。

　　三墾變頻器內部采用高可靠性集成驅動模塊，降低驅動干擾;全部電子器件按標準規格進行90%降額設計和評價，功率部分電氣結構設計經過嚴格的電磁兼容試驗考核，從而提高整機運行的可靠性。三墾變頻器的節能措施包括：設計之初嚴格計算干式移相變壓器相關數據，降低干式變壓器的損耗;功率部分采用新型低功耗器件，降低器件損耗;控制部分提高系統控制性能，快速動態調整變頻器運行狀態，使之工作在最佳節能狀態;高壓變頻器的系統散熱提供不同散熱方案給客戶，降低散熱系統的電能損耗。

　　動力源節能事業部褚總介紹，該公司采用全封閉的功率單元和最先進EMC設計理念的主控來減少輻射干擾，通過全密閉的單元結構設計，有效地將單個單元內部的電磁環境與外界隔離，既能使得單元內部控制電路免受外部電磁環境干擾，又能減小本單元向外界輻射干擾。控制系統PCB設計嚴格按照抗干擾的設計原則，在通信方面還采用抗干擾性的光纖通信，大大提高了通信的準確性。

　　功率單元的效率主要取決于其在正常工作時自身發熱量，功率單元的發熱主要來源于其內部的主功率器件，如IGBT、整流橋等。功率器件的發熱分為導通損耗和開關損耗兩部分。動力源在功率器件選擇方面注意選擇低飽和壓降的模塊，相比飽和壓降高的模塊，在輸出相同電流的情況下，器件導通損耗能夠減小30%左右。

　　針對開關損耗，該公司采用特殊的控制算法，通過優化各橋臂IGBT的開通方式，使得在輸出相同波形的情況下，功率器件的開通關斷次數最小，從而有效降低關斷損耗。褚總介紹，其高壓變頻系統采用H級絕緣的特種干式移相變壓器，此種變壓器成本高，但運行效率大于96%，另外，還針對現場的特殊工況使用特殊的算法，滿足現場的工藝要求，同時節能效果顯著。

　　高壓變頻器本身作為一款高效簡便的節能裝置以為大家所接受，然而由于高壓電動機的變頻屬于大功率高壓電力電子設備，通常要求高壓變頻器對運行環境溫度通常要求在0～40℃，環境粉塵含量低于950ppm。過高的溫度會造成變頻器溫度過熱保護而跳閘，粉塵含量過高導致變頻器通風濾網更換清洗維護量過高，增加維護費用;為了提高高壓大功率變頻器的應用穩定性，常規做法是采用空調冷卻。該方法主要是為高壓變頻器提供一個固定的具有隔熱保溫效果的房間，根據高壓變頻器的發熱量和房間面積大小計算出空調的制冷量，從而配備一定數量的空調;但是大功率高密度的散熱要求需要大功率的空調，采用空調冷卻的系統投資和運營費用將非常昂貴，與變頻改造節能減排的初衷背道而馳，為了解決高壓變頻器的運行環境冷卻及提高變頻改造的節能效率，提高系統安全可靠性、降低運營成本。利德華福電氣技術有限公司經過多年的探索和研究，成功研制出專門為高壓變頻器配套使用的BLH-CK系列空-水冷卻系統。該系統從根本上解決了單位散熱密度高、功率大，有效提高系統安全可靠性、降低運營成本的問題。據介紹，該空-水冷卻系統高效、環保、節能,其應用技術在國內處于領先地位，已經在電力、鋼鐵等行業的高壓大功率變頻應用中得到廣泛的推廣，該系統由于采用完全機械結構設計，較空調等電力、電子設備而言具有明顯的安全、可靠性。

　　另外，為了提高系統的抗干擾能力，利德華福所有的功率模塊與主控單元之間通過光纖通訊，低壓和高壓部分完全可靠隔離，所有I/O板全部采用了隔離措施，將通道上竄入的干擾源拒絕在系統之外。

　　通訊方式日趨豐富

　　高壓變頻器主要用于工業控制領域，怎樣提高產品的監控性和操控性是用戶非常關心的問題，一般變頻器與監控后臺接口方式都采用硬接點方式。由于硬接點接口方式傳輸信息量的多少受電纜芯數限制，只能進行簡單的信息傳輸和操控，而網絡通訊則不需要很多芯數的電纜，傳輸信息量理論上不受限制，因此RS485、Profibus、Modbus等接口網絡通訊方式也被逐漸采用。但是在網絡通信技術高速發展的今天，以上通訊接口由于傳輸及響應速度的制約，不能很好地完成大規模數據的傳輸，系統監控和操控的實時性無法得到快速響應。目前，越來越多的廠商把工業以太網應用在高壓變頻器產品上。相信隨著用戶認知的提高，工業以太網通訊技術將是今后高壓變頻器與后臺監控系統通訊的主流模式。

　　基于以上原因，煙臺東方科技公司已經在DF5000系列高壓變頻器上除了保留原有的幾種通訊方式外，還實現了雙工業以太網通訊接口。

　　針對客戶對通訊的要求越來越高，三墾在其高壓變頻器的產品開發中也豐富了通訊功能，首先系統標準配置RS485、modbus通訊協議功能，并可根據客戶需要配置profibus、CAN通訊協議功能，同時還可以實現無線遠程數據通訊與監控。

　　利德華福近年來在高壓變頻器產品信息化、網絡化方面做了大量工作。針對組件級、系統級通訊的需求以及尚無成熟高速總線技術支持的現狀，利德華福開發了擁有自主技術的基于光纖的高速實時工業總線，通訊速率達百兆以上，可實現多個單元間一微秒級別的時鐘同步;針對監控管理級需求，開發了基于ARM硬件平臺的嵌入式網絡服務器，通過該技術可以將高壓變頻器接入工廠級的以太網網絡，實現對高壓變頻設備的遠程狀態監控及遠程故障診斷。

　　集成化、數字化和自動化

　　功率半導體器件是變頻器產品技術的基礎和核心，自上世紀50年代世界上第一個工業用普通晶閘管的誕生，已經經歷了功率二極管、自關斷器件和功率集成電路的發展過程。到80年代后期，功率半導體器件呈現出模塊化和集成化的發展特點，利用多種拓撲結構，將各種相同或不同的半導體器件封裝在一個模塊里，既可以縮小器件體積，降低成本，又可以提高產品的可靠性。

　　晶閘管(SCR)因其有最大的耐壓容量和電流容量的特點，目前的市場占有率仍占到全部功率半導體器件總數的一半，是目前高壓、大電流裝置中不可替代的電子元件。如今，半導體器件的最新進展是以場控型功率器件(MOS)和智能功率集成電路(SmartPowerIC)為代表的新型微電子技術，解決了以前功率器件因少子工作頻率低、輸入阻抗低和驅動電流大而導致二次擊穿的技術問題，是未來該領域發展的主要方向。

　　“對于變頻器產品，功率變換器的高頻低損耗化、自關斷化、模塊化、高耐壓、大容量化使得更高電壓、更大電流的新型電力半導體器件將應用在高壓變頻器中;新理論、新機理、新材料的出現將會帶來新概念功率變換器件;未來還將全面實現數字化和自動化，參數自設定技術、過程自優化技術、故障自診斷技術都將有新的突破。”動力源節能事業部副總經理褚立峰強調說。

　　結語

　　高壓變頻器技術的發展其實不止以上這些，面對不斷變化的客戶需求，任何一項針對工況的細節性改進都有可能走出一條行業成功之路。在信息和市場日新月異的今天，企業必須在與市場的互動中對各種技術趨勢進行權衡和取舍，在節能減排和工藝改進的市場主旋律中把握技術動向，真正在推動整個產業發展方面扮演優秀的角色。