一、引言
在節(jié)能降耗、保護(hù)環(huán)境作為國家工作重點(diǎn)的大環(huán)境下，最有效的節(jié)能產(chǎn)品之一——高壓變頻器，應(yīng)用越來越廣泛。但隨著高壓變頻器的應(yīng)用廣度和深度都得到不斷強(qiáng)化，變頻器在高溫、高濕、高粉塵、高腐蝕、高電磁噪聲、振動(dòng)等惡劣條件下的節(jié)能應(yīng)用需求日益增多，這就更加凸顯了高壓變頻器在惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性、持久性以及操作的便捷性、靈活性和安全性的重要程度。
二、 人、機(jī)、環(huán)境之間相互作用關(guān)系
1.運(yùn)行環(huán)境對(duì)高壓變頻器的影響
據(jù)一份美國軍方公布的電氣環(huán)境對(duì)電子設(shè)備安全的評(píng)估報(bào)告中顯示：在設(shè)備故障原因的調(diào)查分析中，80%是由于設(shè)備運(yùn)行環(huán)境因素所致，其中溫度原因占55%、濕度25%、粉塵影響12%、振動(dòng)和電磁噪聲13%；由于電路設(shè)計(jì)和元器件質(zhì)量問題引發(fā)設(shè)備故障的只有20%。由此可見，環(huán)境對(duì)電氣設(shè)備安全的影響程度可窺一斑。
⑴ 溫度對(duì)高壓變頻器的影響
①高壓變頻器的核心元件IGBT與溫度之間的關(guān)系，如圖1所示。
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圖1IGBT模塊功率循環(huán)壽命曲線
由上圖可以看出，IGBT模塊的循環(huán)壽命隨著溫度的增加急劇減少，因此盡可能降低高壓變頻器的工作溫度能夠大大延長IGBT模塊的循環(huán)壽命。
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圖2變頻器用濾波電解電容器的壽命與環(huán)境溫度的關(guān)系
從圖中可以看到，當(dāng)電解電容器在額定電流值下工作時(shí)，當(dāng)工作溫度為55℃時(shí)，壽命為20000小時(shí)；當(dāng)工作溫度為75℃時(shí)，壽命為5000小時(shí)；當(dāng)工作溫度為85℃時(shí)，壽命僅為2000小時(shí)（不足三個(gè)月）——這還是排除了浪涌電流沖擊的因素。由此可見溫度升高對(duì)電解電容的壽命影響非常大。
由以上兩點(diǎn)可見，普通高壓變頻器在高溫下運(yùn)行會(huì)大大縮減它的壽命。
⑵ 其他因素對(duì)高壓變頻器的影響
①濕度太高且濕度變化較大時(shí)，變頻器內(nèi)部易出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，其絕緣性能就會(huì)大大降低，甚至可能引發(fā)短路事故。
②在冶金和水泥行業(yè)中產(chǎn)生的粉塵不僅影響散熱，而且還有個(gè)別廠家的粉塵有導(dǎo)電作用。
③如果變頻器周圍存在干擾源，它們將通過輻射或電源線侵入變頻器的內(nèi)部，引起控制回路誤動(dòng)作，造成工作不正?；蛲C(jī)，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞變頻器。
④雷擊或浪涌電流會(huì)使觸點(diǎn)擊穿、燒損或粘結(jié)，從而造成誤導(dǎo)通或喪失功能。
2.用戶管理過程中容易出現(xiàn)的問題
⑴ 控制面板操作復(fù)雜，參數(shù)設(shè)置等工作只有專業(yè)的工程師才能管理控制。
⑵電機(jī)與操作室距離較遠(yuǎn)，不便于用戶的控制和監(jiān)視。
⑶ 某些參數(shù)需要保護(hù)，非專業(yè)人員容易操作失誤。
⑷ 當(dāng)任意單元發(fā)生故障或損壞時(shí)，需要停機(jī)維修，影響發(fā)電需要。
⑸ 變頻-工頻切換時(shí)，會(huì)出現(xiàn)變頻炸機(jī)或空開跳閘的現(xiàn)象。
三、國電四維高壓變頻器應(yīng)對(duì)方案
我們改變不了環(huán)境，但可以改變產(chǎn)品。國電四維本著“精于芯，簡于型”的設(shè)計(jì)理念，從用戶角度出發(fā)，充分考慮到在高壓變頻器應(yīng)用過程中用戶可能面對(duì)的問題，盡最大可能在設(shè)計(jì)階段使這些問題得到解決。
1.高壓變頻器運(yùn)行環(huán)境應(yīng)對(duì)方案
溫度——采用最新推出的第四代高性能大功率IGBT器件，耐功率、熱循環(huán)能力，抗電流、電壓尖峰沖擊能力明顯提高。更適合大功率變頻器和電氣化牽引領(lǐng)域等可靠性要求較高的應(yīng)用場合。
風(fēng)速?zèng)Q定散熱效果，一般產(chǎn)品在單元體的風(fēng)速是3米/秒，工作環(huán)境溫度最高不超過40℃。通過完善的仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和科學(xué)的流體力學(xué)設(shè)計(jì)，國電四維的產(chǎn)品的風(fēng)速在單元體可達(dá)6～9米/秒，工作環(huán)境溫度最高可在45～50℃間。這就意味著，即便沒有空調(diào)制冷，我們的產(chǎn)品也能在很多的場合良好運(yùn)行。其意義在于：減少投資、減少能耗、進(jìn)一步提高可靠性。
濕度——自動(dòng)除塵除潮。粉塵和潮氣是開機(jī)故障率高的重要原因。在停機(jī)狀態(tài)下，根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測，可獨(dú)立運(yùn)行冷卻風(fēng)機(jī)，自動(dòng)除塵除潮，大大提高開機(jī)成功率。并且環(huán)境濕度在95%以下無凝結(jié)；采用除濕設(shè)備和濕度控制技術(shù)，可以長期承受95%以上環(huán)境濕度條件。
粉塵——設(shè)備環(huán)境密閉與外界隔離。
粉塵自動(dòng)回收。采用獨(dú)特的懸掛式半開放單元結(jié)構(gòu)，粉塵不會(huì)跌落和附結(jié)在單元體內(nèi)，并在整機(jī)的底部裝置了可卸載的粉塵回收器皿，解決了長期困擾并影響產(chǎn)品品質(zhì)的粉塵問題。
電磁干擾——采用封閉的金屬外殼和獨(dú)立的接地系統(tǒng)，控制柜與功率單元柜之間全部采用光纖通訊，允許設(shè)備在強(qiáng)干擾環(huán)境下運(yùn)行。
浪涌電流——采用獨(dú)創(chuàng)的預(yù)充電技術(shù)，有效控制電容的充電速度，減少合閘沖擊，提高電容使用壽命，增強(qiáng)變頻器可靠性。
三防——變頻器箱體采用除銹、表面鈍化方式處理，并和線路板的表面都采用了三防涂料。
2．用戶管理問題應(yīng)對(duì)方案
⑴ 國電四維高壓變頻器，采用觸摸屏作為可視化人機(jī)界面，通過串口與控制器通訊，觸摸屏圖文并茂的顯示變頻器狀態(tài)和參數(shù)，現(xiàn)場操作人員只需用手指輕輕觸摸屏上的圖形或文字，就能輕易的實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的操作和修改控制，如圖3所示。
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圖3 主控畫面（其中狀態(tài)指示燈“●”表示“是”狀態(tài)，“○”表示“否”狀態(tài)。）
⑵ 為了方便用戶，國電四維高壓變頻器除了能夠就地完成調(diào)試、設(shè)定、運(yùn)行等操作并進(jìn)行監(jiān)測，還可以通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，如圖4、圖5所示。
圖4 用戶控制項(xiàng)目
圖5 用戶監(jiān)視項(xiàng)目
圖4 用戶控制項(xiàng)目
圖5 用戶監(jiān)視項(xiàng)目
⑶ 為了保證操作的安全性，國電四維高壓變頻器實(shí)行分三級(jí)權(quán)限管理原則，即現(xiàn)場操作人員，工程師和廠家分級(jí)管理，以此保證高壓變頻器能夠安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。
⑷獨(dú)有的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)N-1滿載運(yùn)行，當(dāng)任意一功率單元發(fā)生故障或損壞時(shí)，能保證變頻器不停機(jī)且連續(xù)額定運(yùn)行，不影響電能質(zhì)量和變頻調(diào)節(jié)品質(zhì)。
⑸ 精確的電機(jī)頻率、相位鎖定功能，實(shí)現(xiàn)負(fù)載變頻-工頻自由無擾切換。
四、總結(jié)
北京國電四維清潔能源技術(shù)有限公司以“全面實(shí)現(xiàn)人•機(jī)•環(huán)境的和諧合一”為產(chǎn)品的生產(chǎn)理念，使我公司產(chǎn)品做到了以下四點(diǎn)：
與經(jīng)常掉電、閃變、波動(dòng)的電網(wǎng)和諧合一
與惡劣的、充滿著粉塵與潮氣的環(huán)境和諧合一
與閃電、雷擊等自然災(zāi)害現(xiàn)象和諧合一
與電磁壞干擾、浪涌電流和誤作業(yè)等形形色色的失控現(xiàn)象和諧合一
除此之外，國電四維高壓變頻器還具備以下特點(diǎn)：
產(chǎn)品使用國電四維開發(fā)的一種嶄新的超大規(guī)模集成芯片，即“雙核四維芯” （DSP算法硬核+并發(fā)控制硬核），單芯片即可完成諸如高壓變頻、超大功率太陽能并網(wǎng)逆變器的空間矢量控制等復(fù)雜算法，簡化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，提高可靠性，滿足控制數(shù)據(jù)高速并行處理的需要。
全信號(hào)光纖直接驅(qū)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路模塊化。（國電四維每個(gè)功率單元4根驅(qū)動(dòng)光纖，許多同類廠家只采用1根驅(qū)動(dòng)光纖）功率單元內(nèi)取消了易受干擾的單片機(jī)或其他任何形式的CPU器件，采用光纖直接驅(qū)動(dòng)，解決了程序干擾、通訊誤碼等問題，提高了單元抗干擾能力和運(yùn)行可靠性。
采用緊湊型嵌入式結(jié)構(gòu)，使外觀更加流暢，優(yōu)化的風(fēng)道設(shè)計(jì)將冷卻效果顯著提高。同等功率體積比國內(nèi)外相同產(chǎn)品小30%～50%。
特有的低壓檢測模式，在變頻器安裝調(diào)試或工頻旁路運(yùn)行情況下，可以對(duì)變頻器進(jìn)行調(diào)試或檢修維護(hù)。
雙頻制動(dòng)功能，可用于要求準(zhǔn)確停車的控制場合或變頻器啟動(dòng)前對(duì)由外力引起的電動(dòng)機(jī)自由旋轉(zhuǎn)（如風(fēng)機(jī)）的制動(dòng)。
革命性的能量再生技術(shù)，其核心概念是：把由環(huán)境因素造成的設(shè)備死亡狀態(tài)變?yōu)闃O其短暫的休眠狀態(tài)，在這一短暫的過程中注入新的能量，以激活處于休眠狀態(tài)的設(shè)備，確保設(shè)備不停機(jī)，而這一過程時(shí)間僅為毫秒級(jí)，極大提高了生產(chǎn)系統(tǒng)的效益。
最完美的頻率曲線。一般產(chǎn)品預(yù)先提供了4～8個(gè)頻率曲線，以期得到較好的節(jié)電效果。而變頻的最完美的頻率曲線是與現(xiàn)場的負(fù)載特性曲線相一致，這樣的頻率曲線的節(jié)電效果最高（約高出3個(gè)百分點(diǎn)）?；谔岣咦冾l的節(jié)電率，我們研發(fā)出了無極頻率曲線，也就是說，現(xiàn)場設(shè)備調(diào)試時(shí)，有無限的頻率曲線可供選擇，直至找到與現(xiàn)場負(fù)載特性曲線完全相一致的頻率曲線。
永不死機(jī)。產(chǎn)品采用目前世界最潮流的大功率超級(jí)芯片技術(shù)，避免單元芯片程序繁雜而死機(jī)的情況發(fā)生。我們目前是國內(nèi)唯一采用這一技術(shù)的廠家。
整機(jī)性高效率?？蓪?shí)現(xiàn)整機(jī)運(yùn)輸，整機(jī)投運(yùn)。無需單元單獨(dú)運(yùn)輸單獨(dú)安裝單獨(dú)調(diào)試。同時(shí)由于采用了獨(dú)特的單元懸掛技術(shù)，避免了運(yùn)輸過程中振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響，極大提高了設(shè)備的一次性投運(yùn)成功率。
在全球環(huán)境不斷惡化的今天，以我們的力量暫時(shí)抑制不了日益惡化的生態(tài)環(huán)境，但我們能做到的是不斷研究更新我們公司的產(chǎn)品。國電四維一直致力于制造人、機(jī)、環(huán)境和諧合一的高壓變頻器，希望能夠給在節(jié)能環(huán)保方面有需求的企業(yè)提供一個(gè)更好的選擇！
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