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2500kW高压变频器在油田注水泵项目上的实际应用

2500kW高压变频器在油田注水泵项目上的实际应用 2011： 2500kW高压变频器在油田注水泵项目上的实际应用摘要：结合北京利德华福Harsvert-A06/300型2500kW高压变频器在油田注水泵项目上的实际应用，说明大功率高压变频器在开发、应用中解决的主要问题。

关键词：国产高压变频器 器件并联 散热

一、前言：　　随着高压变频技术的日趋成熟和节能降耗、提高经济效益的市场需求越来越深化，高压变频技术正向着电压更高、功率更大、性能更优越的方向发展。大功率和超大功率高压变频器的市场前景日益被业内看好。如何解决大功率高压变频器在设计、生产、制造、应用中的技术难题，成为打开国内大功率高压变频器市场的关键。　　目前，由于大功率高压变频的技术门槛较高；因此2000kW以上高压产品市场一直被国外品牌占据。北京利德华福电气技术有限公司生产的Harsvert-A06/300型2500kW高压变频器在油田注水泵变频改造项目上的成功应用，充分表明国产大功率高压变频在关键技术上已经取得实质性进展，它的投运为国产2000kW以上产品的实际应用填补了一项国内空白。　　2500kW高压变频的应用主要需要解决功率器件并联、设备散热、环境冷却以及现场安装等相关技术问题。

二、大电流输出问题：　　2500kW高压变频器的额定输出电流为300A。系统设计过程中，除了需要满足额定输出电流的要求外，还需要具备120％过负荷1min的能力；并且必须能够承受瞬时1.5倍额定电流的冲击无器件损伤。因此，功率器件的选型必须依据峰值电流设计。也就是说，功率单元的通流量需要达到 ，即620A。考虑到IGBT具有一定的瞬时过流能力，因此基于散热方面的考虑采用两只额定值300A的IGBT并联来达到设计要求，实现IGBT在并联情况下均流输出，而且能够长期可靠的安全运行。在功率单元的设计当中主要有以下几个问题。　　1、用同型号、同批次IGBT，筛选电流曲线、开关损耗值等性能参数完全一致的器件进行功率单元的生产。　　2、在物理上严格保证电路参数的一致，消除结构安装、散热条件、线路布置等分布参数对实际运行的不利影响。　　3、采用低电感回路设计，避免动力母线寄生电感对器件安全性的影响。　　4、单元控制板产生步调一致的触发脉冲信号，保证并联器件的开关控制误差＜1μS。　　5、驱动线路采用更为严格的抗干扰设计，并进行主电气回路电磁辐射测试；保证驱动波形不畸变，实现电气控制参数相同。　　6、动态电流平衡技术，保证IGBT运行工况一致；避免温度变化带来的器件特性参数差异，引起电流不均导致器件烧毁系统崩溃的问题。

三、设备散热问题：　　高压变频器的自身冷却和环境散热问题是高压变频系统应用中不可忽视的重要问题之一。2500kW的设备在满载运行情况下有2～4%的损耗，功率约为100kW；这其中绝大部分是以热量形式散失在空间当中的。及时有效地将自身热量传递到设备外部，使系统工作温度在允许范围内是保证设备安全运行的关键因素。　　变频器的热量损耗主要包括变压器柜和功率柜两部分。变压器采用H级干式变压器标准设计，绝缘材料能够耐受180℃的运行高温，变压器温升可达125K；标称容量为145℃自然冷却条件的有效容量值。可以说，变压器对运行温度的要求并不敏感；只要运行温度低于理论设计值145℃，那么变压器就会满足使用要求。但是，系统为了保证变压器的过载能力达到电气设计指标，冷却系统采用B级绝缘130℃的工作温度设计。换句话说，变压器柜的冷却系统能够满足B级干式变压器的运行需要，无疑改善了H级干式变压器的运行条件，提高了运行效率，热量损失也随之降低。因为变压器的运行温度越高，它的损耗越大、效率越低。　　根据实际情况，变压器的冷却系统设计并没有采用严格的风道结构，而是增加了柜顶风机提高变压器柜的冷却风量来达到降低设备自身温度的目的。冷却系统保证环境温度45℃情况下，变压器在110℃达到热平衡。实际运行效果表明：现场环境温度11℃、设备满负荷运行情况下，变压器线圈最大温升65K，远远低于设计标准；采用常规风冷却设计可以满足要求。　　功率柜是变频器运行中的又一发热主体。功率器件IGBT的最大允许运行温度（外壳温度）不能超过85℃，过高的温升会导致管压降加大、热损耗增加；形成恶性循环引起器件内热量累积，导致因温度过高而烧毁。因此，必须处理好功率器件的散热问题，才能保证系统的安全可靠性。以往小功率产品单位热量较低，散热和冷却系统可以有较大的裕量且受到制约的因素较少。而2500kW产品，功率器件的单位热量增加、必须考虑空冷散热的功率大小问题；因此，有效地将器件本身的热量带出来，并且能够快速地把热量传到系统外就显得尤为重要了。　　首先，选用新一代功耗较小的功率器件，利用器件并联的方式热量分散、增大有效散热面积，把内部的热量带出来，保证用空冷的方式能够满足温升要求。第二，选用热传导特性好、导热率高的新型冷板钎焊散热器，提高散热效果。第三、根据单位面积散热功率合理设计冷

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