摘要：結合北京利德華福Harsvert-A06/300型2500kW高壓變頻器在油田注水泵項目上的實際應用，說明大功率高壓變頻器在開發、應用中解決的主要問題。
關鍵詞：國產高壓變頻器 器件并聯 散熱
一、前言：
　　隨著高壓變頻技術的日趨成熟和節能降耗、提高經濟效益的市場需求越來越深化，高壓變頻技術正向著電壓更高、功率更大、性能更優越的方向發展。大功率和超大功率高壓變頻器的市場前景日益被業內看好。如何解決大功率高壓變頻器在設計、生產、制造、應用中的技術難題，成為打開國內大功率高壓變頻器市場的關鍵。
　　目前，由于大功率高壓變頻的技術門檻較高；因此2000kW以上高壓產品市場一直被國外品牌占據。北京利德華福電氣技術有限公司生產的Harsvert-A06/300型2500kW高壓變頻器在油田注水泵變頻改造項目上的成功應用，充分表明國產大功率高壓變頻在關鍵技術上已經取得實質性進展，它的投運為國產2000kW以上產品的實際應用填補了一項國內空白。
　　2500kW高壓變頻的應用主要需要解決功率器件并聯、設備散熱、環境冷卻以及現場安裝等相關技術問題。

二、大電流輸出問題：
　　2500kW高壓變頻器的額定輸出電流為300A。系統設計過程中，除了需要滿足額定輸出電流的要求外，還需要具備120％過負荷1min的能力；并且必須能夠承受瞬時1.5倍額定電流的沖擊無器件損傷。因此，功率器件的選型必須依據峰值電流設計。也就是說，功率單元的通流量需要達到 ，即620A。考慮到IGBT具有一定的瞬時過流能力，因此基于散熱方面的考慮采用兩只額定值300A的IGBT并聯來達到設計要求，實現IGBT在并聯情況下均流輸出，而且能夠長期可靠的安全運行。在功率單元的設計當中主要有以下幾個問題。
　　1、用同型號、同批次IGBT，篩選電流曲線、開關損耗值等性能參數完全一致的器件進行功率單元的生產。
　　2、在物理上嚴格保證電路參數的一致，消除結構安裝、散熱條件、線路布置等分布參數對實際運行的不利影響。
　　3、采用低電感回路設計，避免動力母線寄生電感對器件安全性的影響。
　　4、單元控制板產生步調一致的觸發脈沖信號，保證并聯器件的開關控制誤差＜1μS。
　　5、驅動線路采用更為嚴格的抗干擾設計，并進行主電氣回路電磁輻射測試；保證驅動波形不畸變，實現電氣控制參數相同。
　　6、動態電流平衡技術，保證IGBT運行工況一致；避免溫度變化帶來的器件特性參數差異，引起電流不均導致器件燒毀系統崩潰的問題。

三、設備散熱問題：
　　高壓變頻器的自身冷卻和環境散熱問題是高壓變頻系統應用中不可忽視的重要問題之一。2500kW的設備在滿載運行情況下有2～4%的損耗，功率約為100kW；這其中絕大部分是以熱量形式散失在空間當中的。及時有效地將自身熱量傳遞到設備外部，使系統工作溫度在允許范圍內是保證設備安全運行的關鍵因素。
　　變頻器的熱量損耗主要包括變壓器柜和功率柜兩部分。變壓器采用H級干式變壓器標準設計，絕緣材料能夠耐受180℃的運行高溫，變壓器溫升可達125K；標稱容量為145℃自然冷卻條件的有效容量值。可以說，變壓器對運行溫度的要求并不敏感；只要運行溫度低于理論設計值145℃，那么變壓器就會滿足使用要求。但是，系統為了保證變壓器的過載能力達到電氣設計指標，冷卻系統采用B級絕緣130℃的工作溫度設計。換句話說，變壓器柜的冷卻系統能夠滿足B級干式變壓器的運行需要，無疑改善了H級干式變壓器的運行條件，提高了運行效率，熱量損失也隨之降低。因為變壓器的運行溫度越高，它的損耗越大、效率越低。
　　根據實際情況，變壓器的冷卻系統設計并沒有采用嚴格的風道結構，而是增加了柜頂風機提高變壓器柜的冷卻風量來達到降低設備自身溫度的目的。冷卻系統保證環境溫度45℃情況下，變壓器在110℃達到熱平衡。實際運行效果表明：現場環境溫度11℃、設備滿負荷運行情況下，變壓器線圈最大溫升65K，遠遠低于設計標準；采用常規風冷卻設計可以滿足要求。
　　功率柜是變頻器運行中的又一發熱主體。功率器件IGBT的最大允許運行溫度（外殼溫度）不能超過85℃，過高的溫升會導致管壓降加大、熱損耗增加；形成惡性循環引起器件內熱量累積，導致因溫度過高而燒毀。因此，必須處理好功率器件的散熱問題，才能保證系統的安全可靠性。以往小功率產品單位熱量較低，散熱和冷卻系統可以有較大的裕量且受到制約的因素較少。而2500kW產品，功率器件的單位熱量增加、必須考慮空冷散熱的功率大小問題；因此，有效地將器件本身的熱量帶出來，并且能夠快速地把熱量傳到系統外就顯得尤為重要了。
　　首先，選用新一代功耗較小的功率器件，利用器件并聯的方式熱量分散、增大有效散熱面積，把內部的熱量帶出來，保證用空冷的方式能夠滿足溫升要求。第二，選用熱傳導特性好、導熱率高的新型冷板釬焊散熱器，提高散熱效果。第三、根據單位面積散熱功率合理設計冷卻系統，保證環境溫度45℃條件下器件自身溫度低于85℃。第四、柜門采用柵格濾網罩，降低進風風阻；濾網選用透氣性好、韌度高的新型過濾合成絲綿，提高冷卻系統的運行效率。第五、采用冷卻風機冗余設計。確保單臺風機故障情況下，系統無需降額運行；兩臺風機故障，變頻器降額運行不停機。最大限度保證了功率柜冷卻系統對設備安全可靠性的影響。經現場實際運行測試：100％負荷情況下，功率器件最大溫升＜23K，取得了良好的運行效果。
　　在系統的設計過程中，除了要解決好設備自身的冷卻問題外，現場的環境散熱問題也是2500kW高壓變頻器應用必須充分考慮的。根據油田注水泵項目的現場情況，決定將變頻器的環境冷卻接入已有的高壓電動機冷卻水系統。經過計算，在增加2500kW變頻器的散熱量的情況下，現有冷卻水系統的設計裕量可以滿足注水聯合站的整個設備冷卻量需要。
　　由于變壓器柜和功率柜在實際運行中的運行溫度并不相同，而環境溫度一致；且功率柜對環境溫度較為敏感。因此，在環境熱交換系統的設計上主要有以下幾方面的考慮。1、借助設備本身的冷卻系統實現環境熱交換，簡化系統，不增加獨立的冷卻風機等設備。減低輔機故障點對系統安全性能的危害。2、通過空－水冷裝置把變頻器冷卻風帶出來的設備熱量直接由冷卻水傳遞到室外，從而降低主要熱源對環境的加熱作用。3、由于變壓器正常運行的溫度就明顯高于功率柜溫度，因此獨立配置變壓器柜和功率柜的熱交換器，提高設備利用率。4、變頻器室采用密閉環境設計，采用隔熱效果好的石棉建筑降低熱傳導。避免夏季室外溫度高帶來的加熱效應，完全依靠空－水冷裝置進行環境散熱。
　　變壓器柜的熱交換器功率55kW，功率柜的熱交換器功率45kW。冷卻水溫＜30℃，出風口溫度＜38℃。熱交換冷卻水系統的工作壓力0.4Mpa，設計流量分別為30m3/h。管路設計公稱壓力1.6Mpa，管徑DN80具有很高的設計裕量，安全性能優于適配高壓電動機的冷卻水系統。也就是說，變頻器室的冷卻水系統并不降低整個注水泵系統的運行安全性能。
　　現場監測數據表明：變頻器滿負荷運行情況下，冷卻進水溫度2℃、回水溫度9℃；功率柜溫度11℃、變壓器柜最高溫度76℃；室內溫度10℃、室外溫度－17℃。設備運行溫度遠低于設計值，系統冷卻和環境散熱均達到設計要求，空－水冷裝置的應用效果良好。

四、制造工藝和設備體積：
　　2500kW高壓變頻器的生產對制造和檢驗工藝提出了更高的要求。首先，為確保系統的高安全可靠性，力求選用技術成熟性能穩定的組件完成功能開發。第二、嚴格入廠檢驗，保證同型號、同批次，性能指標匹配的組件進入生產。第三、加大板件老化力度，嚴格生產組裝工序檢驗。對組件焊接、螺釘緊固等細節內容進行處理。第四、應用新型材料、新工藝減低產品重量、縮小設備體積。
　　縮小體積、提高單位功率是高壓變頻技術發展努力的方向之一。尤其是大功率和超大功率高壓變頻，在項目改造、推廣應用中對體積有著更為明顯的要求。體積過大帶來的運輸、安裝、土建等方面的問題往往成為阻礙技術應用的考慮因素。目前，隨著移相干式隔離變壓器制造工藝和絕緣等級的提高，移相干式隔離變壓器已經可以采用一體化設計結構；無需考慮再因制造工藝、熱量散失等方面技術因素，制造兩臺變壓器帶來的體積問題。功率單元的結構設計和散熱問題已經解決，功率柜結構及承重方面也取得進展，設備的功率密度得到有效提高。由北京利德華福電氣技術有限公司生產的Harsvert-A06/300高壓變頻器的整機外形尺寸僅有6300×1300×2674，總重量約7400kg，較同類產品尺寸減少近1/2。系統的整機結構和現場分布也大為簡化，消除了因功率等級提高帶來的施工等問題。


五、運行效果：
　　自2004年12月順利投運以來，設備運行狀況良好，取得了明顯的投資收益。國產2500kW高壓變頻器的技術水平和設計制造能力完全能夠滿足現場實際應用需求。對變頻器的輸出電流波形測試和諧波分析表明：該設備的應用完全達到預期設計目標，大功率高壓變頻器設計當中的器件并聯均流問題已經徹底解決。變頻器的自身冷卻系統在配備空－水冷裝置后環境溫度控制效果極佳。


圖一、50Hz 電流輸出波形圖


圖二、輸出電流諧波含量分析圖

六、結束語：
　　國產2500kW高壓變頻器的成功應用，為改變國外品牌一統2000kW以上國內高壓變頻市場的局面開創了先河，也為國內用戶在大功率變頻應用方面提供了更多選擇。它的實際應用，為國內產品向著功率更大、功率密度更高、性能更強的高端產品市場競爭奠定了基礎。在大功率高壓變頻領域關鍵技術的解決和驗證，為5000kW以下產品的開發、設計提供了寶貴的經驗。

2005年2月27日