高压变频器的可靠性分析与对策

高压变频器的可靠性分析与对策HVF高压变频调速器低压变频技术突破上世纪八十年代，绝缘栅型双极晶体管（IGBT）问世，使低电压的交流电机变频调速获长足发展。九十年代末全世界进入低电压变频器商业化应用阶段。人们自然想到，同样的原理应用到高压电机调速是否可行呢？问者可能没有想到，这是一个“石破天惊”的问题。HVF高压变频调速器“高压”可照搬“低压”？低压变频器所用的元件IGBT所能耐受的电压是1200V至1800V，电压再高元件就会损坏。按照低压变频器所用的原理和电路，高压变频器所需的元件耐压是两万伏特以上，期待这种元件是不现实的。HVF高压变频调速器紧赶赶上狼慢赶狼赶上如果是业内人士，你可能脱口而出：把二十个低耐压元件串联就够了！很对，这是电力电子行业的经典做法。事实上许多大型国际性电气公司和我国的研究院所都做了大量的工作，证明这是一个代价极高的方案。二十个棒小伙子，个子一样高，肩扛一根铁轨走在平坦的路上，每个人的负重能力是一百公斤，铁轨重两千公斤，有人指挥并且安排好左右腿交替方案。这种只有理论意义的设想，我们不敢将他付诸实际。如果一个小伙打个趔趄，就会压垮全部小伙。但我们必须说明，这个设想的可行性高于二十个低耐压元件串联。HVF高压变频调速器逞强自己被击垮偷懒会击垮别人先考察一个静态的情况：二十个棒小伙子肩扛一根铁轨站在平坦的路面。要求肩一样高，不许偷懒和逞强。二十个低耐压元件串联起来共同承受两万四千伏特的电压。每个分担一千二百伏电压，不可多担也不可少担。多担自己会击垮，少担会击垮别人。怎样才能不多担也不少担呢？要求每个元件自身的“内阻”一致。内阻类似小伙子们的素质。HVF高压变频调速器动态的情况：二十个棒小伙子肩扛一根铁轨站在平坦的路面，然后协调一致的把铁轨“撂”在路面上。少顷，重新协调一致“扛”到肩上。二十个低耐压元件串联起来共同承受两万四千伏特的电压。每个分担一千二百伏电压，不可多担也不可少担。然后，在统一的时间，各元件变阻抗为导通，变的速度要一致，变得快击垮别人，变的慢击垮自己。同样，少顷，由导通变为阻抗时，变的速度要一致，“扛”得快击垮自己，“扛”的慢击垮别人。怎样才能变的不快也不慢呢？要求每个元件的“内部电容”一致。这类似于小伙子们的敏捷程度。“扛”得快击垮自己，“扛”的慢击垮别人；“撂”得快击垮别人，“撂”的慢击垮自己。HVF高压变频调速器老化问题元件从出炉到不断使用，性能会有所改变，经过一段时间后逐渐稳定下来。称为“老化”。就像小伙子们工作一段时间后表现出不同的心理和身体素质，需要调整工作团队。而元件进行这样的调整成本就太高了。通常是牺牲一些有效工作寿命，老化完成后选配组合。HVF高压变频调速器批次问题通常同一批次的元件具有相近的参数，我们可以预留同批次元件作为更换备件，也意味着设备的高昂价格。HVF高压变频调速器若忽略元件问题,“高压”可照搬“低压”？即使忽略元件问题，“高压”也不可照搬“低压”！又将面临高压变频技术的另一座高山——谐波。HVF高压变频调速器什么是谐波？现实中的波形是由基波和谐波合成的，对拖动电机起正面作用的是基波。谐波频率比基波频率高若干倍。可以想象，基波推动电机向前时，谐波以较高的频率一下向前、一下向后的作用电机，在很短的时间里推了一下又拉了一下，相当于在基波上叠加了一个震动。谐波还会带来额外的发热。我们不希望谐波出现，但如影随形，总是困扰着我们。如果“高压”照搬“低压”谐波将是无法承受之痛。谐波带来什么危害？HVF高压变频调速器电子云原子由原子核、电子组成，电子围绕原子核高速运转形成球形的电子云，原子核与电子云的重心是重合的。当加上一个直流（左边正、右边负）电场之后，球形就变成了橄榄球形。原子核偏向了负电极（右），电子云偏向了正电极（左）。电场反过来（左负右正），原子核偏向左，电子云偏向右。HVF高压变频调速器微波炉如果电场交变起来，就是微波炉的原理。原子核与电子云相向对冲，一会向左一会向右，交变电场频率越高、摩擦越重、发热越甚，加热食品很是有效。但这个交变电场加到电机上，电机和电缆的绝缘物就被“烧熟”了，电机和电缆很快就坏了。HVF高压变频调速器臭氧发生器如果这个交变电场中有空气就更严重了。其中的氧气会转化为臭氧。在原子核与电子云的摩擦中，三个O2变成两个O3。更令人瞠目结舌的是：电机有散热风扇，不断的将O2喂进来，将转化后的O3扇出去。电机成了效率极高的臭氧发生器。少量的臭氧可杀菌，清新空气，浓度高了就成了杀手。强氧化性，导致呼吸道和其他组织溃疡，我国劳动卫生法中对此有严格规定。HVF高压变频调速器电机线圈发热前面提到，谐波在很短的时间里把电机推一下又拉一下，没有起到正面作用，又增加了震动。且这个能量要在电机线圈中转化为热，减少电机寿命。这是谐波的又一“贡献”。HVF高压变频调速器再忽略谐波，“高压”可照搬“低压”否？仍然不可！低压变频技术原理中采用脉冲宽度调制（PWM），元件开关次数太高。HVF高压变频调速器元件发热元件希望导通时不承受电压；截止时不通过电流。这样电压乘电流为零，元件损耗很小。事实上元件不可能理想，有几个微秒功耗是很大的。比如一百安培乘五百伏特，达五十千瓦。这仅为一个元件的损耗。开关次数（频率）高到一定程度，将无法将产生的热散发出去，无法输出有用的功率，元件将很快烧毁。HVF高压变频调速器元件寿命即使没有元件发热的问题，开关次数（频率）高也要直面寿命问题。元件的材质是硅材料，属脆性，达疲劳极限就会损坏。开关次数差一百倍，寿命也差一百倍。HVF高压变频调速器“经变压器降压，低压变频，再经变压器升压”可否？西门子公司早期就是这一“高-低-高”方案。过渡性的满足了社会需求。存在的问题也很明显。HVF高压变频调速器损耗大二百二十五倍就像高压输电损耗较小，采用高压电机也是为了减小损耗。如果又有了低压环节，比如将六千伏降为四百伏，要保持同样功率电流就要高十五倍，损耗是十五的平方倍。HVF高压变频调速器前后变压器的麻烦放大谐波，增加损耗。除元件不必串联外，其他问题无一不在。HVF高压变频调速器总结我们总结一下：希望存在一种方案：1、采用低耐压、参数正常分布元件。2、谐波很低。3、开关次数很低。4、无功耗加大环节。HVF高压变频调速器选个对手高压变频项目有四座大山，我应该从哪下手呢？采用普通元件的原理线路应该最关键。先试试再说。不知道发明学老师怎么说，我的做法是：如果这个条路走不通，另外三条路要分别试探一下。多角度试探，为了触发灵感。HVF高压变频调速器触类旁通就像前面描述的，我通常要将选定的难题与一个自然中存在的类似的现象联系起来。看看类似的情况别人是怎样解决的，或可以怎样解决。普通元件串联就像普通的小伙子扛铁轨。几十个性情不一、素质不一的小伙子，同步扛起、放下一整根铁轨确实不易，怎样就容易了呢？苦恼了很多天。有一天，平平常常，脑中无望的唠叨：要是各自扛起一小段就好了！……一小段就好了！把整根铁轨截成小段？…HVF高压变频调速器铁轨代表什么？HVF高压变频调速器铁轨代表什么？头脑中像打了一个雷，我追问自己，这意味着什么？这意味着什么？一人一小段就不必心理、身体素质一致，不必同步训练，可以独立完成作业。小伙子是元件，铁轨是什么？小段铁轨代表什么？几十段铁轨代表什么？整根铁轨代表什么？需要整根铁轨时怎么办？怎么接起来？一定有名堂！非想明白不可。HVF高压变频调速器铁轨代表什么？铁轨代表电源，整根铁轨代表整个电源，小段铁轨代表一个分立的、独立的电源。许多独立电源合起来形成整个电源。开关元件导通时，独立电源被接入。开关元件关断时，独立电源被移走。这个开关元件就只承受这个独立电源的电压，这个开关元件的导通和关断也不影响其他的开关元件。HVF高压变频调速器高压变频器最基本的元素很快就画出了单元电路图，细长线、粗短线电池符号代表独立电源，串上开关，旁边并上一个二极管，方向同电源，开关断时二极管导通，给别的单元提供通路。这个简单电路被专家认定是高压变频器最基本的元素，虽然只能完成直流功能，但其他的事情已经不难了。HVF高压变频调速器堆波不怕开关时间不一致了，得寸进尺，故意让各开关有早有晚，瞄着正弦曲线摆开关时间，确定工作波形。当时时兴一种“堆跟”的高跟鞋，工作波形很像那个“堆跟”，大家说：就叫“堆波”吧。除了像堆跟，也像截去顶的金字塔。问题来了，明显看出堆波中上部台阶较窄，下部台阶较宽。工作起来各单元贡献不一，温升也会不一致。苦乐不均整机会降低寿命。总不能设计成有的单元大,有的单元小吧?那样就无法互换了。后来听说，有的公司还真是那样干了。HVF高压变频调速器FIRO和FIFO研发团队中的才子们很快指出将FIRO（先入后出）改为FIFO（先入先出）即可。堆波中下部台阶较宽，是因为这个单元开关通的早、关的晚。可以改成通的早的，关的也早。通的晚的，关的也晚。即先入后出改为先入先出。画出图来，一量宽度，乐了。都干别的去了，很长时间没人问它。HVF高压变频调速器还是苦乐不均经过较长的一段时间，现场运行数据出来了：取电电流谐波高，单元温升不一致，单元母线电压波动不一致（原因后面再解释）。说明各单元还是苦乐不均，这下给大家打懵了。大量FIRO模式和FIFO模式实验表明，两种模式的温升发生了有趣的互换，原来高的变低了，原来低的变高了。因为FIRO和FIFO前半部是一样的，关键在后半部，即谁关的晚谁功耗大。HVF高压变频调速器功率因数的作用原来我们忽略了功率因数的作用。电流滞后电压，在电压堆波的前坡阶段电流很小，谁早通谁晚通功耗差不了多少。而在电压堆波的后坡阶段电流达到峰值，早关比晚关“安逸”很多。不能设计成各单元同时关断，波形太难看了，齐刷刷的，谐波太大，怎么办呢？HVF高压变频调速器换位忘了过程，总而言之找到了理想方法。以八个单元为例，1、2、3、4、5、6、7、8围成一圈作换位子游戏。每周期换一次位置。转换八个位置，周而复始。功耗平均了，但有小的周期性波动。HVF高压变频调速器“优化换位”改进为1、4、7、2、5、8、3、6、换位方案。称为“优化换位”。“优化换位”可以保证更小的功耗波动。HVF高压变频调速器一加一等于二，三减一也等于二。这一章要说波形变换的事情，波形变换也称“调制”是电力电子和通信专业的说法，“调幅波”、“调频波”大家有印象。第一章提到的脉冲宽度调制PWM,就是一种调制方法。HVF高压变频调速器整体PWMPWM有定宽调频和定频调宽两种方式。前者导通宽度固定，调整截止的宽度，后者导通加截止的宽度固定，调整导通的宽度。电力电子行业采用PWM是为了用方波来近似正弦波，这个方波的宽度是按照正弦波的规律变化的。如果你知道一点调频广播，就不难明白PWM。如果有八个单元，每个单元电压500伏，串联起来4000伏，组成宽度按正弦规律变化的方波。就成为整体PWM。整体PWM是“空心”的HVF高压变频调速器部分PWM如果在堆波的基础上，叠加小的PWM，成为部分PWM。部分PWM是“顶花带刺”的。HVF高压变频调速器为何“空心”“带刺”为了连续的调节相电压，保证输出线电压连续调制变化。如果没有“空心”“带刺”相电压无法连续调节。HVF高压变频调速器三相电知识三个相电压幅值相等，相位相隔120度。线电压是两个相电压的向量差，幅值是相电压的√3倍。HVF高压变频调速器理论突破传统理论中把目标与手段作了僵化的固定。输出波形需要严格确定，实现手段不必拘泥。俗话说条条道路通罗马，一加一等于二，三减一也等于二，实现等于二有无穷多解。不需相电压幅值相等，不需相位总相隔120度，甚至不需相电压是正弦波。HVF高压变频调速器提高输出电压相电压不必是正弦波，我们可以把相电压波形“加胖”，提高有效值。最高线电压峰值是相电压峰值的两倍。HVF高压变频调速器降低输出电压把单元用满，充分利用阶梯资源。把八个单元全用上，波形“缩瘦”，降低有效值。线电压波形阶梯多、波形美观。HVF高压变频调速器减少开关次数靠相电压变胖变瘦调节输出电压，不必“顶花带刺”，最高开关次数仅五十次。比其他调制方法少一百倍。HVF高