关键词：大功率；开发难度大；7500kW；运行良好
Abstract: Superpower high voltage converter has wide market prospects and development potential. It has the high degree difficulty of design development, and is probably the most difficult issue to be resolved in the present. First of all, this paper analyzes and proves the technical solution of 10kV 7500kW high power inverter. And design scheme of control cabinet and controller, power cabinet, power unit, capacitor unit, transformer cabinet also has been introduced. Experimental results, theoretic analysis and operation results confirm that high voltage converter has steadily run in the site.
Key words: Superpower; High degree difficulty of design development; 7500kW; Steadily run
【中图分类号】TN773 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）07-0000-00
1 引言
随着现代电力电子技术和微电子技术的快速发展，高压大功率变频调速装置的应用领域、范围和需求也越来越广泛，如煤炭、建材、矿山、电力、石化装备、冶金、电力能源等行业的各种风机、水泵、压缩机、磨机等[1,2]；因此，大功率高压变频器的设计与研发是设计技术人员的亟待解决的难题。高-高型变频器调速是现阶段比较常用的大功率高压变频器，主要包括电流源型、三电平PWM电压源型、单元串联多电平PWM电压源型等[3]。本文通过参与过的项目，介绍6kV 7500kW单元串联多电平高压变频器控制柜、功率柜、功率单元、电容单元、变压器柜的设计思路，以及现场变频器的运行状况；为变频器相关技术人员提供了设计参考。
2 高压变频器的工作原理
   按照电机学的基本原理[2]，交流异步电动机的转速满足下式：


式中，n—电动机的实际转速；p—电动机的极对数；s—电动机的滑差；f—电动机的运行频率；可见，若平滑地改变电源频率f，即可改变电机转速n；能实现变频调速的装置称之为变频器。
3 控制柜的设计
控制柜内部主要放置控制机、多路电源模块、高压真空接触器、避雷器、以及控制元器件，例如断路器、接触器、熔断器等。此外，控制柜安装了高压变频器的核心控制部件，它是完成变频器频率调节的全过程控制、电气保护功能、以及变频器的人机交互与通讯接口功能；控制柜柜门安装了触摸屏、急停按钮、蜂鸣器等，方便技术人员及时查看设备的运行情况。
控制机是公司自主研发的全数字信号控制装置，包含有PWM板、MCPU板、AIO板、DIO板、SCPU、电源板、转接板，控制机的布置图如图1所示；控制机采用表面导电氧化，增强了其抗干扰能力。经过对电气间隙、安全距离、IP等级以及控制柜内部的自然散热等因素的考虑，最终设计出如图2所示的控制柜三维模型。
 


4 功率柜的设计
高压变频器采用功率单元串联多重化叠加技术，属于高-高电压源型变频器。由于大功率的功率单元和电容单元重量都较大，采用托盘导轨和增加凸起减少摩擦；方便推拉单元，以及方便地更换单元。功率单元采用光纤通讯技术，使系统抗电磁干扰的能力增强；也可实现远程监控和网络化控制，满足不同用户的需要。单元柜采用强迫风冷散热，利用如下所示的公式（2）进行风机选型，经过计算柜顶安装6台500离心风机，可满足功率柜的散热要求；最终设计出如图3所示的三维模型。柜子前后增装了电磁锁，防止设备运行状态误操作、或者停运设备即刻打开柜子引发触电事故的发生。功率单元、电容单元都是变频器的核心零部件，其设计方法如下所示。


式中，Q-系统所需风量，单位为CFM；P-系统的热耗，单位为W；∆T-系统的温升，单位为K；强迫风冷系统的温升一般为10~15K；
 


大型电力电子设备中，随温度的增加，失效率也增加，因此大功率高压变频器单元的热设计直接关系到该变频器的可靠性与稳定性。因此，对IGBT和二极管的损耗进行了计算，详细的计算见论文：大功率风冷功率单元的设计与研发[4]。通过热仿真软件进行仿真，此外，测试人员也进行了相关的测试，温升也满足公司制定的温升标准；最终设计出功率单元的三维模型如图5所示。
 


7 变压器柜设计
变压器柜内装有为高压变频器的各个功率单元提供三相电源的干式移相变压器；柜门上也有干式变压器温度控制仪，为变压器提供温度报警和过热保护。此外，柜子前后门内侧均装有行程开关保护，前后门也增装了电磁锁，防止设备运行状态误操作、或者停运设备即刻打开柜子引发触电事故的发生。高压输入电源接线在柜子前面上部直接进入变压器，输入电压检测接在380V辅助绕组上。
在移相变压器的底部装冷却风机，以冷却变压器的温升；在变压器柜的前后门下部有过滤网，室外空气从通风窗进入变压器，由变压器柜顶的冷却风机将热量排出以使其冷却。同理，按照公式（2）计算可知，变压器柜顶安装3台500离心风机，可满足变压器的散热要求；最终设计出的变压器柜的三维模型如图7所示。
 


8 结束语
最终设计方案也得到优化，经过加工装配，转交给客户。从相关的结构设计和现场测试情况看出，变频器可稳定运行，温升满足要求；该变频器采用级联多电平拓扑结构，以及基于转子磁场定向的矢量控制技术，动态特性好；具备提供1.8倍启动转矩能力，现场所带电机产品为磨机，完全满足半自磨机重载启动要求；控制系统中植入了磨机板结检测功能，能够有效避免物料砸衬板的风险；具备低速爬行功能，可作为板结状态磨机盘车驱动设备。目前，该项目大功率高压变频器已经在现场平稳可靠运转2台，仍有4台处在调试过程中。
此外，该变频器与中信重工自主研发的智能化磨机控制系统实现了无缝对接，大大提高了磨机的工艺和自动化水平，将在提高磨机磨矿效率、降低磨机运行电耗、减少衬板消耗等方面发挥重要作用，推动企业在智能化磨矿系统和智慧矿山上实现更大作为。
参考文献:
[1].仝爱星,张育铭,甘鸿坚,马少才,应建平.一种大功率高压变频器功率单元[P].中国,201110318870.X.2013-04-24.
[2].倚鹏.大功率变频器技术原理与应用[M].北京:人民邮电出版社.2008.1-4.
[3].陈湘林.讨论大功率高压变频器的设计及应用[J].建筑设计,2017,1(2).41.
[4].张英锋,马凯,梁静静等.大功率风冷功率单元的设计与研发[J].变频器世界.
作者简介
张英锋 （1989 -） 男 硕士 助理工程师 研究方向为电力电子技术及其高低压变频器、水冷变频器等研发