高壓變頻器功率單元可靠性設(shè)計(jì)研究*

□ 陳江洪 □仲 華

上海電氣富士電機(jī)電氣技術(shù)有限公司 上海 201199

1 研究背景

變頻器是現(xiàn)代工業(yè)裝備的核心設(shè)備,是實(shí)現(xiàn)高性能電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制的技術(shù)支撐。自國家實(shí)施節(jié)能減排戰(zhàn)略以來,高壓變頻器已有長足發(fā)展。但是,在大容量高性能電機(jī)的全功率驅(qū)動(dòng)控制應(yīng)用領(lǐng)域,我國與國外先進(jìn)水平還有很大差距,高端變頻裝備及核心技術(shù)基本被西門子、ABB等少數(shù)跨國公司所掌握,這些跨國公司處于市場的主導(dǎo)地位。

高壓變頻器已廣泛應(yīng)用于電力、石化、鋼鐵、橡膠和建材等行業(yè),在各類大型生產(chǎn)線上起節(jié)能減排、工藝調(diào)節(jié)等作用,成為生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備。某水泥生產(chǎn)企業(yè)在夏季生產(chǎn)過程中,由于高壓變頻器內(nèi)部元件溫度過高,發(fā)生過幾起跳停事故,造成熟料生產(chǎn)線止料。對此,必須采取措施使高壓變頻器散熱降溫,確保高壓變頻器長周期安全運(yùn)行[1]。

當(dāng)前,在國內(nèi)市場上,多電平串聯(lián)H橋逆變拓?fù)涫歉邏鹤冾l器的主流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這一類型高壓變頻器有一些獨(dú)有的特征,包括:① 采用模塊化結(jié)構(gòu),易于降低成本、便于維修；② 網(wǎng)側(cè)電流波形接近正弦,輸出波形幾乎為正弦；③ 具有旁路功能,提高了系統(tǒng)的可靠性[2-3]。對于多電平串聯(lián)H橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高壓變頻器而言,電源的逆變處理主要在功率單元內(nèi)部完成,實(shí)現(xiàn)交直交變換?？梢?功率單元是這一類型高壓變頻器的核心部分,筆者對高壓變頻器功率單元的可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行研究[4-5]。

2 功率單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

高壓變頻器功率單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。變壓器二次繞組經(jīng)過熔斷器,接至三相二極管整流橋的輸入側(cè),整流后經(jīng)濾波電容形成直流母線電壓。當(dāng)功率單元額定交流輸入電壓為690 V時(shí),通過二極管整流后的母線直流電壓約為930 V。逆變部分由四個(gè)絕緣柵雙極晶體管模塊組成H橋式單相逆變電路,通過脈寬調(diào)制控制,在T1和T2端得到變壓變頻的交流輸出,實(shí)現(xiàn)單相交流輸出電壓0～690 V,輸出頻率0～120 Hz。如果三組功率單元聯(lián)合,即可實(shí)現(xiàn)可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的三相電源輸出。

3 功率單元設(shè)計(jì)要求

高壓變頻器電壓及容量等級多、范圍廣,工作環(huán)境較為惡劣。功率單元設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮電力電子器件排布、旁路冗余、熱管理等多方面內(nèi)容。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)

針對高壓變頻器標(biāo)準(zhǔn)化、系列化生產(chǎn)發(fā)展的需要,要求解決部件的互換性問題。功率單元與主控系統(tǒng)之間為光纖通信,以解決強(qiáng)弱電之間的隔離和干擾問題。同一高壓變頻器內(nèi)部的功率單元具有相同的結(jié)構(gòu)及參數(shù),每個(gè)功率單元與系統(tǒng)通過三個(gè)交流輸入端、兩個(gè)交流輸出端和一對光纖插頭進(jìn)行連接,維修方便。

▲圖1 高壓變頻器功率單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2 旁路冗余設(shè)計(jì)

針對火電等領(lǐng)域的高可靠性運(yùn)行要求,需要功率單元具有故障識別及快速投切功能,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整,避免關(guān)鍵工序運(yùn)行時(shí)高壓變頻器故障停機(jī),減少用戶損失,提高設(shè)備的可靠性。功率單元在輸入側(cè)失電、絕緣柵雙極晶體管短路和斷路、控制板嚴(yán)重故障、主控單元連續(xù)通信失敗等情況下可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)旁路,主控單元能控制其余功率單元調(diào)整輸出波形,實(shí)現(xiàn)不斷電繼續(xù)運(yùn)行,大幅提高設(shè)備整體的可靠性。

3.3 熱管理設(shè)計(jì)

大容量高壓變頻器散熱量大,如何處理好散熱問題,是實(shí)現(xiàn)高壓變頻器安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)問題。為設(shè)計(jì)開發(fā)大容量高壓變頻器，以滿足高效超高速直驅(qū)系統(tǒng)的配套要求,必須采用合理的熱管理技術(shù),在低成本強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下實(shí)現(xiàn)高壓變頻器高效運(yùn)行。設(shè)計(jì)時(shí),綜合考慮絕緣柵雙極晶體管、二極管等電力電子元件通態(tài)損耗和開關(guān)損耗,結(jié)合傳熱學(xué)、流體力學(xué)優(yōu)化高壓變頻器結(jié)構(gòu),計(jì)算熱阻、風(fēng)量等參數(shù),并對散熱器和風(fēng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型,對風(fēng)道進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,降低發(fā)熱量,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的低能耗、低成本、高可靠性與輕量化。

電力電子器件必須在限定的溫度條件下工作,一旦溫度過高,就會出現(xiàn)雪崩現(xiàn)象,允許流通的電流急劇減小,使用壽命大幅縮短,器件破損,甚至引發(fā)爆炸等事故,給用戶造成重大損失。由此可見,高壓變頻器功率單元的熱管理設(shè)計(jì)是保證設(shè)備可靠性的基礎(chǔ)。

4 功率單元熱管理設(shè)計(jì)流程

高壓變頻器多應(yīng)用于工業(yè)驅(qū)動(dòng)、火力發(fā)電、鋼鐵、水泥等環(huán)境惡劣場合,對整機(jī)熱損耗、散熱方式有較高要求。受限于空間,必須對功率單元熱分布、散熱方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),合理減小絕緣柵雙極晶體管功率器件的溫升,延長器件使用壽命,提高裝置的可靠性,使系統(tǒng)整體發(fā)熱量顯著降低,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品低能耗、低成本、高可靠性與輕量化。

(1) 合理分布電力電子器件。根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)和國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn),在保證電氣絕緣距離和爬電距離的基礎(chǔ)上,考慮各個(gè)器件的散熱及機(jī)械連接等因素,對高壓變頻器功率單元內(nèi)部元件的分布進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖2所示。圖2中，DM為整流二極管，IGBT為絕緣柵雙極晶體管。設(shè)計(jì)時(shí),確認(rèn)所有關(guān)鍵點(diǎn)的溫度要求值,重點(diǎn)解決功率密度、集成母排、器件并聯(lián)均流和同步驅(qū)動(dòng)控制、電磁兼容等問題,實(shí)現(xiàn)高壓變頻器的大容量、高功率密度和高可靠性。

▲圖2 高壓變頻器功率單元內(nèi)部元件分布

(2) 合理安排冷卻風(fēng)的流向。在保證風(fēng)從低發(fā)熱器件向高發(fā)熱器件流動(dòng)的基本條件下,兼顧不同空間層面的散熱,對高壓變頻器功率單元散熱風(fēng)道進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖3所示。設(shè)計(jì)時(shí),重點(diǎn)解決上部散熱器的熱量流動(dòng),并兼顧下部電解電容周圍空氣的散熱。

(3) 進(jìn)行熱仿真。采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),初步估計(jì)最熱點(diǎn),進(jìn)行器件熱管理分析,確認(rèn)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的溫度要求值。通過熱仿真,可以對前期設(shè)計(jì)進(jìn)行合理性驗(yàn)證,為設(shè)計(jì)變更提供參考意見,優(yōu)化散熱與通風(fēng)方案,進(jìn)行熱控系統(tǒng)優(yōu)化與管理,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效散熱,從而保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、高效性。高壓變頻器功率單元熱仿真結(jié)果如圖4所示。

▲圖3 高壓變頻器功率單元內(nèi)部散熱風(fēng)道設(shè)計(jì)

▲圖4 高壓變頻器功率單元熱仿真結(jié)果

5 功率單元溫度試驗(yàn)驗(yàn)證

高壓變頻器功率單元設(shè)計(jì)完成后,需要進(jìn)行樣機(jī)試制與溫度試驗(yàn)驗(yàn)證。溫度試驗(yàn)驗(yàn)證是功率單元設(shè)計(jì)是否合格的一個(gè)重要判定方法。高壓變頻器功率單元溫度試驗(yàn)回路如圖5所示。輸入三相電源,使單元母線通電。通過脈寬調(diào)制控制單元輸出電壓,在滿足額定電流的條件下,測量關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的溫度。

▲圖5 高壓變頻器功率單元溫度試驗(yàn)回路

如果溫度試驗(yàn)結(jié)果略高于標(biāo)準(zhǔn)限值,那么需要進(jìn)行變更設(shè)計(jì)。在不改變原有整體方案,且不增加較多成本的前提下,可以通過增加風(fēng)道、改善流向和風(fēng)速來使溫度滿足要求。變更設(shè)計(jì)時(shí),使圖3中下部的分散冷卻風(fēng)全部從新增風(fēng)道流過,如圖6所示。

變更設(shè)計(jì)后,再次進(jìn)行溫度試驗(yàn)驗(yàn)證,使所有測量點(diǎn)的溫度均滿足設(shè)計(jì)要求,說明所設(shè)計(jì)的高壓變頻器功率單元滿足設(shè)計(jì)要求,可以投入量產(chǎn)。

▲圖6 高壓變頻器功率單元新增風(fēng)道設(shè)計(jì)

6 熱仿真重要性

如果不進(jìn)行熱仿真,而是直接制造樣機(jī)進(jìn)行溫度試驗(yàn)驗(yàn)證,那么可能出現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較大的情況。若試驗(yàn)溫度大幅低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),則說明設(shè)計(jì)過于保守,產(chǎn)品成本將較高,市場競爭力很弱。若試驗(yàn)溫度大幅高于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),則說明設(shè)計(jì)方案不合理,并且無法進(jìn)行變更修正。出現(xiàn)上述情況,設(shè)計(jì)均屬于不合格,前期人工、時(shí)間及試制完全浪費(fèi)。

進(jìn)行熱仿真,可以將試驗(yàn)結(jié)果和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的偏差控制在一個(gè)較小的范圍內(nèi),有利于進(jìn)行變更設(shè)計(jì),減少樣機(jī)的試制次數(shù),并降低開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期。

7 結(jié)束語

功率單元是高壓變頻器的核心部件,筆者對高壓變頻器功率單元的可靠性設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。后續(xù)功率單元設(shè)計(jì)的主要方向包括:① 風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì),充分利用冷卻風(fēng),更有效地帶走更多的熱量；② 采用新型電力電子器件,減少器件自身的發(fā)熱問題；③ 提升逆變控制能力,降低開關(guān)損耗。

通過設(shè)計(jì)功率密度更高的功率單元,可以在更低成本的前提下,獲得更高的輸出能力。在此基礎(chǔ)上,業(yè)內(nèi)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)繼續(xù)開展大容量高壓變頻器及系統(tǒng)集成應(yīng)用的研究,力求解決大容量電機(jī)系統(tǒng)高性能控制等技術(shù)難題,打破高端大功率高壓變頻器被國外少數(shù)廠商壟斷的局面,提升我國相關(guān)產(chǎn)品的技術(shù)能級。