高压变频器应用环境的研究和分析

摘要：通过对1600kW及以下高压变频器应用环境和当前对环境适应条件的分析，提出整装结构形式的高压变频器应用集成解决方案，进而阐述了高压变频应用技术在高压变频应用中的技术需求和特点，以及技术整合所带来的技术特点和广泛适应的具体实现。
关键词：高压变频器  环境 
一、引言
      随着高压变频器的技术日渐成熟和广泛应用，高压变频器的应用广度和深度都得到不断地强化，变频器在高温、高湿、高粉尘、强腐蚀、高磁噪声、振动等高危险环境条件的节能应用需求日益增多。同时，面对能源形势和节能降耗的迫切需求，诸多项目的施工周期、工程安全质量、应用空间限制等客观因素，在不同程度上也制约了高压变频节能项目的顺利实施和可持续发展目标的实现。
      针对高压变频器应用中产生和带来的一系列问题，能够提出一揽子完整的集成化解决方案，并且在变频器设计和生产中进行整体考虑、全面解决，更好的为高压变频节能项目提供技术保障。
二、应用现状分析
      解决高压变频器的应用运行环境问题，对提高变频器的运行安全性、稳定可靠性和经济使用性具有重要的现实意义。针对1600kW及以下高压变频器的实际应用现状进行统计分析，主要具有以下特点：
     首先，国内在运行的高压电动机总量中，1600kW以下的高压电动机数量约占目前全功率电动机产品总量的69％，运用数量大范围广。根据当前国家建设节约型社会和可持续发展的要求，绝大部分需要通过增加高压变频器进行节能改造，实现节能降耗的目的。其中，需要为设备运行新增房屋建设的占到改造总量的77％以上，只有少数项目可借用已有建筑结构，而且往往受到空间位置等条件的限制无法实施或需要增加项目投入成本。第二，随着高压变频器在水泥、钢铁、冶金、矿山、石化、开采等行业的推广应用，高温、高粉尘、高湿、高腐蚀、昼夜温差大等恶劣环境条件，对变频器安全无故障运行的影响程度越发突出，导致设备非停、影响生产、造成巨大经济损失的情况日益严重。并且，解决好高压变频器运行环境问题，在野外作业和特殊工况条件中，运行环境成为必须解决的重要问题之一。据一份美国军方公布的电气环境对电子设备安全的评估报告中显示：在设备故障原因的调查分析中，80％是由于设备运行环境因素所致，其中温度原因占55％、湿度25％、粉尘影响12％、振动和电磁噪声13％；由于电路设计和元器件质量问题引发设备故障的只有20％。由此可见，环境对电气设备安全的影响程度可窥一斑。
                       
                                 变频器用电解电容器寿命与温度的关系
   
                                   不同温度情况下IGBT参数的改变
          
                                  IGBT模块加速循环载荷寿命试验曲线
     第三，由于高压变频器运行过程中，要产生3～4％的热量损耗。需要提供变频器运行温度控制的解决方案，保证变频器能够在允许的环境条件下运行。而长期的温差变化、湿度与粉尘的影响，直接导致电路板电阻、电容等电子器件特性变差，严重时导致故障。而电力电子管功率器件对温度的敏感性更高，由于温度原因直接引起器件不能正常工作。海拔高度、温度变化等因素，直接需要降额使用，究其本质也是温度问题。因此，需要对变频器的运行环境散热问题特别考虑并加以解决。
          第四、由于矿山、化工、石油开采、海上平台等特殊生产环境的条件限制，高压变频器的应用需要解决防爆、防腐、防潮、防盐雾、防高温暴晒、超低温运行、整体撬装运输等一系列特殊工况条件。尤其是在石油开采、测试平台等生产场合，全部采用撬体结构；不可能进行永久性房屋施工，因此，在高压变频项目的实施中，提供完整全面的集成化技术解决方案就显得十分必要。做到设备就位即可直接使用，用完起吊即可转场的目标。
      综上分析，解决高压变频应用中的环境问题，主要应包括如下几个方面，并具备相应的技术标准。

三、技术解决方案
          针对高压变频器在应用中需要解决的电气、冷却、土建施工、低压配电等应用环境问题，迫切需要研制出一种集成制冷、制热、环境控制、消防安全、空间利用、工程力学、撬装箱体结构、配电等多项专业技术融合的新型产品，从高压变频器设计生产时，即从本质上解决变频器应用所需解决的所有问题。消除环境因素对设备运行安全性、稳定性、可靠性，使用寿命、电力电子器件故障率的直接影响，并且通过控制环境条件，提高的产品运行性能、延缓设备高温老化的速度，延长使用寿命和平均无故障运行时间。同时，还要移动方便、便于运输，解决变频器到现场需要安装再调试的问题，可以方便地与石油钻探、开采等设备直接转运、直接使用。
          这种形式的产品既要独立于普通应用的高压变频器，又要和变频器紧密结合起来。实现多项技术和设备整体安装实施，研制出适用于现场直接就位使用的整装结构的变频器，将可以解决以下几个方面的问题：
            1）技术控制流程和工程水平可控。将现场的设备安装、空间环境通过流程化生产的方式确定下来。使得产品的运行可靠性受环境影响的因素降到最低，提高系统的运行稳定性。
            2）产品质量保障更加可控。由于设备出厂前组装、调试完毕后，即被固化下来。因此，到场就位后，即可上电使用，工程人员成为设备运行和出厂检验关口的交付验证，不再是生产过程的重复而是产品质量保证的延审。
        3）项目执行周期更加可控。由于采用产品生产将现场的安装和空间需求在产品制造过程中解决，因此，省却了现场需要房屋、照明、配电、防水等工程设计、土建施工、工程质量控制、施工安全、项目监理的繁琐工程问题。
            4）项目质量可控。由于采取统一的控制流程、技术标准、专业人员，避免了现场项目实施中技术标准、人员水平、项目质量等不确定因素对设备环境和运行稳定可靠性的影响。
               5）设备运输、存储更加方便节能。原来设备需要出厂包装、到场拆箱，木材浪费且无法再利用，现在整体生产制造，设备外观既是包装，又是到场后房屋结构，无需库房存放、空地露天放置即可。
            6）项目施工周期可控。变频器采用户外整装结构箱体后，设备能够做到，到场即安装。只要现场场地位置确定，即可到场卸货、即安装完毕。省去设备到场后，还需要组织设备拆箱、转运、就位等工作周期，设备交付运行的周期缩短2/3。
            7）电气施工简单。户外变频器提供的外置高低压端子接箱，直接与现场接线使用，使得变频器的施工变得像电动机安装一样简单。
            8）设备调试周期更短。设备到场接线完毕，即可送电调试。不需要再重复设备组装、检查等工作。
            9）设备空间环境一步到位。无需再解决，冷却、除湿、照明、配电、消防、应急照明、应急通风等问题。设备制造出厂面定制解决。
          10）实现包装、储运的节能，避免设备包装箱不可再利用的浪费。体现环保节能的理念，省去木材的消耗。
四、可行性应用分析
          户外整装结构箱式变频器（简称：户外箱式变频器），顾名思义就是将变频器直接生产安装在撬装箱体结构中，并且将多项技术和设备整体安装实施的一种适用于现场直接就位使用于户外的新型结构的变频器形式。
          户外箱式变频器结构的开发成功，解决了高压变频器应用过程中的投资成本，提高了系统的适配能力。户外变频器的箱体结构将变频器的防护等级由IP20提高到IP43，完全满足了变频器在高粉尘、高温、危害气体等恶劣环境条件下的应用，适应野外开采、石油、石化、矿山、水泥等高污染、恶劣环境。
          同时，户外箱式变频器解决了变频应用环境中需要解决的电气、冷却、土建施工、低压配电等众多问题一并解决，并进行整体设计、一体化生产，不再需要现场繁琐的施工和多专业的配合与协调。更重要的是，箱式变频器的运用为解决外部问题提供了实现的空间和更为简捷的手段。将变频的控制与节能直接整合到箱体内，直接应用于电动机和入口档板、阀门需要节能改造的设备旁边，不再需要大面积的变更和施工成本。实现大包工程的实施费用可控，项目投资成本有据可依。
          户外箱式变频器的出现，解决了变频器到现场需要安装再调试的问题。目前，通常高压变频器都要进行分体运输，到现场就位后再进行设备组装、接线调试。这与设备在生产中进行整机组装测试，通过多个独立部门进行实施和工序控制，最后通过品质部进行检验出厂的流程控制而言具有不确定性。
          将工程产品通过整体生产组装的方式，不仅是简化了重复的工作节约人工成本，更重要的是使得产品到达现场后的产品质量更加可控。将原来的产品二次拆装，调整为工程人员成为产品经过出厂检验后，运输到场交付运行的最后一道检验产品质量工序。而不是简单的产品再组装、检查、调试、投运的过程重复。这样，就将工厂生产过程中的质量控制转变为切实保证产品现场质量的一道环节。原来，通过设备的拆卸分解运输，将出厂检验的结果在一程度上阻断。不能进行100%传递，而是通过对现场工程技术人员的培训、管理保证的。比高压电动机安装还要简便。现场需要的只是接上高压电缆、直接使用，解决了变频器到现场需要安装再调试的问题。
          可见，户外箱体变频器的出现，为变频器的应用提供了工程应用的制造平台，项目的实现不再依托于现场的工程实施，而可以通过生产制造的方式直接提供出来，大大减少了项目实施的周期和实施成本。做到项目可以像产品一样生产出来。开创了高压变频器应用的新型运用模式。集成化程度更高、技术整合和设备契合程度更好、项目实现可控程度由工程实现的35%提高到80%以上，真正做到了过程控制标准化和项目管理标准化。
五、结束语
          户外箱式变频器的研制是高压变频器应用技术的集成体现，真正做到了工程产品向制造产品的转变，实现了过程控制标准化和项目管理标准化。箱式变频器的整装结构应用于变频器本体，是工程应用技术的又一次成功移植和技术创新，在拓宽了高压变频的应用领域和应用方向上具有重要的现实意义。
参考文献：
1、 倚鹏，北京利德华福电气技术有限公司，《高压大功率变频器技术原理与应用》
2、 陈永真，辽宁工业大学，变频器用电解电容器的性能分析
作者简介：刘军祥，1996年毕业于天津大学。长期从事高压变频在电力、钢铁、冶金、矿山、水泥、石化等领域的高压变频工程应用技术研究，以及新应用领域和成套产品的开发管理工作。现任北京利德华福电气技术有限公司总工程师助理兼技术成套部经理。