随“机”应“变”――高压变频器应用酝酿新突破

　　随着工业领域对节能和工艺改善需求的提升，国内高压变频器行业正在经历着年均12%到15%的高速增长。在应用领域，高压变频器正在向高功率、轻便化、高效能、通讯多样化和集成化等方向发展。为了准确把握高压变频器市场的发展态势，本刊自3月份开始，将邀请行业内的部分代表厂家，分两期重点探讨高压变频器行业的未来发展趋势，以飨读者。

　　高功率、小型化和可靠性

　　在高压变频器的应用领域中，电力、石油、冶金等许多行业对变频器的功率容量提出了越来越高的要求，更高功率的高压变频器产品已经成为技术发展的一个重点方向，甚至超大功率产品的研发也已经提上日程。另外，面对通常出现的一些较大项目安装空间狭小、受场地限制的变频改造需求，高压变频器产品也在逐渐向小型化和轻型化方向发展。

　　北京动力源科技股份有限公司节能事业部副总经理褚立峰介绍说，该公司目前的产品功率容量已达到15MW，但目前在现场实际应用的最大容量只有10MW，接下来的研发目标是30MW，功率单元从30A到2000A。褚总分析说，变频器技术本身就存在一个从低压向高压、从小功率向大功率转变的技术发展过程，体现在产品发展趋势上就是变频器产品的功率越来越大，适用于更大规模的电机的节能调速需求。近年来，随着国内电力电子技术的发展，尤其是高电压、大电流的SCR/GTO/IGBT/IGCT等器件的生产及并联、串联技术的运用，使高电压大功率变频器产品的生产及应用成为现实。

　　另外，动力源最近还研发生产了HINV-AMCX系列异步电机用小型化产品。该产品系列拥有多项专利技术，具有功率密度高、可靠性强、体积轻巧、可一体化运输、维护便捷等特点。

　　国内高压变频器知名企业北京利德华福电气技术有限公司产品设计部经理张钊指出，随着高压变频器技术的不断成熟，客户对节能和工艺改善方面的变频改造需求不断增加，为高压变频器行业带来市场机遇的同时，也带来了前所未有的挑战，为了适应更高可靠性、更广泛工艺工况、更大功率等级以及符合更多国家和地区特殊电压等级的要求，需要不断地提升高压变频器的设计、制造水平。

　　当然，对产品进行升级改进和扩容，都必须建立在产品可靠性的基础上。变频器的出现为工业领域的工艺改善和节能起到了不可替代的作用，但由于机器的工作恶劣环境和工况要求高，质量水平一般的变频器给设备带来的很可能是麻烦，而不是改善。

　　据介绍，利德华福高压变频调速系统的可靠性设计措施包括：控制系统由主控单元、SCHNEIDER或SIEMENSPLC、中文操作界面组成;控制器采用VME标准箱体结构，各控制单元板采用FPGA、CPLD等大规模集成电路和表面焊接技术;电源系统采用开关电源技术，各部分功能单元采用独立供电措施，保证某一部分发生故障时，其它部分仍能可靠运行，等等。

　　三垦力达(江阴)市场部总监Shelley表示，三垦高压变频器产品在稳定性和可靠性方面要求很高，控制部分采用双电源供电，提高电源稳定性，可实现高压或低压电源短时失电情况下的稳定运行;同时，开关电源也采用双回路设计，即使某个开关电源发生损坏也不会影响整机运行;虽然整机过载率为120%一分钟，但从可靠性考虑，单元按120%过载长时间运行设计。

　　烟台东方科技环保节能有限公司在产品研发、制造和服务的整个生命周期中都始终贯穿着稳定和可靠的理念。副总经理施明贤介绍，其产品核心器件选用原装进口，并经过严格的测试和老化，并自主研发硬件平台，利用32位MCU+DSP+FPGA架构和核心算法FPGA硬件编程实现，引进多条日本、德国原装贴片和波峰焊生产线及自动检测设备，确保电子元器件的贴装无虚焊、粘连。此外，拥有丰富经验的电力系统工程团队，对现场施工、调试具有严格的流程，确保规范操作，减少失误概率，为产品的稳定可靠严把最后一道关口。

　　行业化开发乃重中之重

　　变频器行业经过多年的发展，用户需求的已经不再是一种单纯意义的变频器产品，还包括由变频器延伸出来的有源电力滤波器、同步补偿器等相关配套产品。最大程度地贴近客户，为客户提供成套的供电服务解决方案，进行详细认真的行业化开发，已经成为企业市场策略中的重中之重。

　　利德华福营销副总监兼EPC项目总监刘晓永表示，要做好行业化开发关键是对行业应用的特点要有深入的了解研究，才能解决行业的特殊需求，而煤矿和化工是该公司下一步要重点开发的新行业。

　　该公司产品设计部经理张钊也表示，所有的应用场所对高压变频器的共同要求就是连续运行的可靠性，因此需要尽一切方法来开发出适应各个行业特殊情况的配套产品技术。“比如，利德华福针对火力发电厂开发出了协调控制系统，针对钢铁厂开发出了无扰投切技术和快速加减速相应技术，而针对水泥生产我们的设备还要适应负荷突变的工况。”张钊说。据了解，利德华福为济南钢铁和重钢开发的烧结机主抽风机二拖二同步投切互为备用变频调速系统就是这方面的杰作。

　　三垦力达为包头第二热电厂吸、送风机系统提供的两套6kV/2240kW高压变频设备，不仅可以根据发电量的变化，调整给定频率来实现对吸风机系统风量的快速调节，还考虑了变频器在加减速时间过短造成的过压或过流问题的自适应，大大提高了变频器的动态响应，避免了因吸风机负载惯性较大调整时间过短可能导致的故障。三垦力达市场部总监Shelley告诉记者，该公司高压变频器产品已广泛应用于电力、冶金、水泥、市政供水、石化等行业领域，均取得了很好的节能效果。

　　随着海洋船舶运输业的快速发展，海洋平台上各种耗能电机负载的节能改造成为了变频器行业的新兴市场。但海洋平台由于其环境的特殊性，对设备的要求特别苛刻，气候条件恶劣、安全要求高、生产成本高且维护困难、费用高，同时空间和重量受限制，因此客户在高压变频器的选用上非常谨慎，一直是国外品牌的天下，国产品牌的应用比较少。

　　虽然有如此多的难度，但据透露，北京动力源科技股份有限公司已经把海洋平台变频器作为下一步技术研发重点。该公司节能事业部副总经理褚立峰分析说，海洋平台寸土寸金，要求变频器越小越好，必须确保变频器一次投运成功，对可靠性要求极高，并要求故障后能迅速恢复运行。同时，平台上盐雾大，室内屋顶上经常有滴水，变频器需要作防滴(防护等级IP31)和三防(防霉、防潮、防盐雾)处理，针对这一新兴行业，高防护等级的高压变频显得十分必要。

　　针对行业化开发，烟台东方科技环保节能有限公司副总经理施明贤表示，企业只有对相关行业的背景及工艺进行详细分析掌握，才能根据需求提供量身定制的系统化解决方案，而不仅仅是提供单一的产品。该公司自主研发的DF5000系列高压变频器就结合了许多应用场合的特点，已经广泛应用于电力、冶金、石化等行业。

　　施总举例说，水泥行业高温风机就具有典型的特殊性，由于现有工艺经常会发生风道“塌料”现象，造成电机过流，如果处理不当会出现保护性跳闸现象。如果只是简单地满足电机过流阀值的要求，那么高温风机所配置的变频器功率将可能成倍的增加，而且只是在“塌料”的短时间内才会用到额定功率，造成用户的采购成本极大地浪费。该公司采用专利算法圆满地解决了这一问题，使变频器配置的功率比较合理，同时又避免“塌料”问题造成的变频器过载保护性跳闸。

　　防干扰、能效更高

　　虽然高压变频器有其节能效果明显、方便调节、维护简单和网络化等优点，但因为高压变频器特殊的工作方式带来的干扰变得越来越不容忽视。一是高压变频器产生的谐波对电网产生传导干扰，引起电压畸变，影响电网供电质量;二高压是变频器输出部分一般采用IGBT等开关器件，在输出能量的同时将在输出线上产生较强的电磁辐射干扰，影响周边电气正常工作。因此，降低干扰辐射是高压变频器研究的重中之重。

　　三垦变频器内部采用高可靠性集成驱动模块，降低驱动干扰;全部电子器件按标准规格进行90%降额设计和评价，功率部分电气结构设计经过严格的电磁兼容试验考核，从而提高整机运行的可靠性。三垦变频器的节能措施包括：设计之初严格计算干式移相变压器相关数据，降低干式变压器的损耗;功率部分采用新型低功耗器件，降低器件损耗;控制部分提高系统控制性能，快速动态调整变频器运行状态，使之工作在最佳节能状态;高压变频器的系统散热提供不同散热方案给客户，降低散热系统的电能损耗。

　　动力源节能事业部褚总介绍，该公司采用全封闭的功率单元和最先进EMC设计理念的主控来减少辐射干扰，通过全密闭的单元结构设计，有效地将单个单元内部的电磁环境与外界隔离，既能使得单元内部控制电路免受外部电磁环境干扰，又能减小本单元向外界辐射干扰。控制系统PCB设计严格按照抗干扰的设计原则，在通信方面还采用抗干扰性的光纤通信，大大提高了通信的准确性。

　　功率单元的效率主要取决于其在正常工作时自身发热量，功率单元的发热主要来源于其内部的主功率器件，如IGBT、整流桥等。功率器件的发热分为导通损耗和开关损耗两部分。动力源在功率器件选择方面注意选择低饱和压降的模块，相比饱和压降高的模块，在输出相同电流的情况下，器件导通损耗能够减小30%左右。

　　针对开关损耗，该公司采用特殊的控制算法，通过优化各桥臂IGBT的开通方式，使得在输出相同波形的情况下，功率器件的开通关断次数最小，从而有效降低关断损耗。褚总介绍，其高压变频系统采用H级绝缘的特种干式移相变压器，此种变压器成本高，但运行效率大于96%，另外，还针对现场的特殊工况使用特殊的算法，满足现场的工艺要求，同时节能效果显著。

　　高压变频器本身作为一款高效简便的节能装置以为大家所接受，然而由于高压电动机的变频属于大功率高压电力电子设备，通常要求高压变频器对运行环境温度通常要求在0～40℃，环境粉尘含量低于950ppm。过高的温度会造成变频器温度过热保护而跳闸，粉尘含量过高导致变频器通风滤网更换清洗维护量过高，增加维护费用;为了提高高压大功率变频器的应用稳定性，常规做法是采用空调冷却。该方法主要是为高压变频器提供一个固定的具有隔热保温效果的房间，根据高压变频器的发热量和房间面积大小计算出空调的制冷量，从而配备一定数量的空调;但是大功率高密度的散热要求需要大功率的空调，采用空调冷却的系统投资和运营费用将非常昂贵，与变频改造节能减排的初衷背道而驰，为了解决高压变频器的运行环境冷却及提高变频改造的节能效率，提高系统安全可靠性、降低运营成本。利德华福电气技术有限公司经过多年的探索和研究，成功研制出专门为高压变频器配套使用的BLH-CK系列空-水冷却系统。该系统从根本上解决了单位散热密度高、功率大，有效提高系统安全可靠性、降低运营成本的问题。据介绍，该空-水冷却系统高效、环保、节能,其应用技术在国内处于领先地位，已经在电力、钢铁等行业的高压大功率变频应用中得到广泛的推广，该系统由于采用完全机械结构设计，较空调等电力、电子设备而言具有明显的安全、可靠性。

　　另外，为了提高系统的抗干扰能力，利德华福所有的功率模块与主控单元之间通过光纤通讯，低压和高压部分完全可靠隔离，所有I/O板全部采用了隔离措施，将通道上窜入的干扰源拒绝在系统之外。

　　通讯方式日趋丰富

　　高压变频器主要用于工业控制领域，怎样提高产品的监控性和操控性是用户非常关心的问题，一般变频器与监控后台接口方式都采用硬接点方式。由于硬接点接口方式传输信息量的多少受电缆芯数限制，只能进行简单的信息传输和操控，而网络通讯则不需要很多芯数的电缆，传输信息量理论上不受限制，因此RS485、Profibus、Modbus等接口网络通讯方式也被逐渐采用。但是在网络通信技术高速发展的今天，以上通讯接口由于传输及响应速度的制约，不能很好地完成大规模数据的传输，系统监控和操控的实时性无法得到快速响应。目前，越来越多的厂商把工业以太网应用在高压变频器产品上。相信随着用户认知的提高，工业以太网通讯技术将是今后高压变频器与后台监控系统通讯的主流模式。

　　基于以上原因，烟台东方科技公司已经在DF5000系列高压变频器上除了保留原有的几种通讯方式外，还实现了双工业以太网通讯接口。

　　针对客户对通讯的要求越来越高，三垦在其高压变频器的产品开发中也丰富了通讯功能，首先系统标准配置RS485、modbus通讯协议功能，并可根据客户需要配置profibus、CAN通讯协议功能，同时还可以实现无线远程数据通讯与监控。

　　利德华福近年来在高压变频器产品信息化、网络化方面做了大量工作。针对组件级、系统级通讯的需求以及尚无成熟高速总线技术支持的现状，利德华福开发了拥有自主技术的基于光纤的高速实时工业总线，通讯速率达百兆以上，可实现多个单元间一微秒级别的时钟同步;针对监控管理级需求，开发了基于ARM硬件平台的嵌入式网络服务器，通过该技术可以将高压变频器接入工厂级的以太网网络，实现对高压变频设备的远程状态监控及远程故障诊断。

　　集成化、数字化和自动化

　　功率半导体器件是变频器产品技术的基础和核心，自上世纪50年代世界上第一个工业用普通晶闸管的诞生，已经经历了功率二极管、自关断器件和功率集成电路的发展过程。到80年代后期，功率半导体器件呈现出模块化和集成化的发展特点，利用多种拓扑结构，将各种相同或不同的半导体器件封装在一个模块里，既可以缩小器件体积，降低成本，又可以提高产品的可靠性。

　　晶闸管(SCR)因其有最大的耐压容量和电流容量的特点，目前的市场占有率仍占到全部功率半导体器件总数的一半，是目前高压、大电流装置中不可替代的电子元件。如今，半导体器件的最新进展是以场控型功率器件(MOS)和智能功率集成电路(SmartPowerIC)为代表的新型微电子技术，解决了以前功率器件因少子工作频率低、输入阻抗低和驱动电流大而导致二次击穿的技术问题，是未来该领域发展的主要方向。

　　“对于变频器产品，功率变换器的高频低损耗化、自关断化、模块化、高耐压、大容量化使得更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变频器中;新理论、新机理、新材料的出现将会带来新概念功率变换器件;未来还将全面实现数字化和自动化，参数自设定技术、过程自优化技术、故障自诊断技术都将有新的突破。”动力源节能事业部副总经理褚立峰强调说。

　　结语

　　高压变频器技术的发展其实不止以上这些，面对不断变化的客户需求，任何一项针对工况的细节性改进都有可能走出一条行业成功之路。在信息和市场日新月异的今天，企业必须在与市场的互动中对各种技术趋势进行权衡和取舍，在节能减排和工艺改进的市场主旋律中把握技术动向，真正在推动整个产业发展方面扮演优秀的角色。