浅谈高压变频器的原理及冷却方式

浅谈高压变频器的原理及冷却方式

刘东野

本钢板材股份有限公司设备工程部，辽宁 本溪 117000

摘要：高压变频器是一种串联叠加性高压变频器，即采用多台单相三电平逆变器串联连接，输出可变频变压的高压交流电。高压变频器以交流-直流-交流的转换形式居多，它是以三相高压电进入高压开关柜，净输入降压和移相等处理后为功率柜中功率单元供电，其次，主控制柜中包含的控制单元经过光纤时，对功率柜中功率单元进行整理、逆变控制、检测等处理，使得频率可以根据需要通过操作界面给出，最后控制柜中控制单元将控制信息发送至功率单元中进行整流、逆变等调整，输出所需等级的电压。

关键词：变频器;冷却方式;水冷系统;空水冷系统

引言

高压变频器在超临界火电机组主要辅机中的应用越来越广泛，其对降低火电机组厂用电率的贡献非常明显。尤其是当前火电机组普遍处于深度调峰运行方式下时，主要辅机采用变频运行方式有调节迅速、节能显著等多个优点。因此研究影响变频辅机运行可靠性的相关因素，避免因变频器故障造成辅机RB甚至机组非停显得尤为重要。采用水冷方式的高压变频器会配置独立的闭式水冷却系统。冷却水用于对功率单元中IGBT等发热元件的冷却，部分高压变频器的移相变压器绕组也采用水冷方式。由于采用去离子水（除盐水）进行闭式循环，因此冷却水的水质、流量、水位等工质参数也成了影响高压变频器可靠运行的因素之一。部分高压变频器控制逻辑中也将冷却水系统参数异常纳入变频器报警、跳闸保护条件中。水冷高压变频器除了自身重故障引起变频辅机跳闸外，其冷却水系统、高压连接电缆等附属设备的故障也会造成同样的后果，而单台变频辅机故障跳闸后如果因电气保护、热控逻辑不完善，也会造成事故进一步扩大，以至电气母线失压或跳闸、运行参数失稳造成热工保护动作等。因此该文将从以下三个方面进行分析。

1维护高压变频器的意义

高压变频器对安装环节具有明确要求，必须保证安装环境温度控制在5~40℃范围内[1]。同时设备运行过程中也会产生故障，影响设备应用价值及工作效能，由此技术人员在经过实际研究后发现，高压变频器设备运行可靠性与工作环境温度存在明显关联，环境温度每上升10℃，设备使用寿命就会随之缩减到原有水平的一半左右，这也导致夏季成为设备故障的高发期。同时环境的清洁程度也是影响设备运行可靠性的重要因素。由此，强化对高压变频器设备的保养及维护工作对提升设备运行可靠性具有重要意义。

2高压变频器冷却方式

2.1散热路径分析

一般而言，电子产品的散热方式根据其功率的大小来进行选择。低压变频器采用自然散热，即利用热传导、空气自然对流和热辐射进行散热。中压变频器常采用强制空气对流和增大散热面积的方法进行散热，即利用冷却风扇和设计散热翅。高压变频器则需用到热管冷却、热点冷却、液体冷却等液体冷却方式。水冷散热器的散热效率极高，可大大提高功率元件的容量，但是普通水的电气绝缘性能极差，水中的杂质离子在高电压下会产生电腐蚀和漏电现象，而且水质较硬时，在水道中易形成水垢，从而削弱散热的效果，有可能堵塞水道，因此在使用时必须考虑和解决运行过程中的腐蚀性和可靠性两大重点问题，尽可能使用纯度较高、硬度较低的水作为冷却液。

2.2空水冷系统

高压变频器调速系统采用半导体变流技术、并采用输入移相整流变压器、半导体开关等发热大的元器件，其内部热量必须及时有效的得到疏散，以保证变频系统内部元器件的正常工作及整机的平稳运行。空-水冷密闭冷却系统是集高效、环保、节能为一体的高压变频器冷却设备系统，其应用技术在国内处于领先地位。在电力、钢铁、水泥、煤炭、化工、石油、冶金、等行业的高压大功率变频器项目中得到广泛的推广和应用，高压变频器冷却设备系统从根本上解决了单位散热密度高、设备能耗大的问题。从而提高系统安全可靠性、降低运营成本。空水冷系统主要有冷却水管路、风道、换热器、增压风机、控制箱等构成。变频器里的热量通过柜顶散热风机直接排出，经过管道进入空水冷设备进行热冷交换，高温的空气把热量传递给换热器，冷却水有进水管和出水管经换热器降温，管道内水管的供水压力保持在0．2～0．6MPa，降温后的空气送至室内，再进入变频器内吸热，如此循环往复。从而保证了变频器内良好的运行环境。该系统高效，环保，节能。排风管与冷却水完全分离，保证了水管破裂导致高压变频器的损坏，而且空水冷系统所使用的冷却水是利用公司生产所需的冷却水，得到了2次利用。循环冷风装置构成的密封空间中循环流动的进行热交换的空气能够保持其清洁度、不受外界环境的影响，减少了环境对变频器功率柜、控制柜运行稳定性的不利影响。

2.3IGBT模块故障

高压变频器设备中IGBT模块故障的主要表现为更换故障熔断器后依然出现熔断情况，主要原因在于IBGT产生不可逆性损坏或出现炸管问题，而导致该故障出现的主要原因在于设备运行过程中频繁停送电或是IGBT被高压电流击穿。针对炸管故障判断可以较为直观地分析故障点，但是多数情况下，运维人员难以从外观情况判断IGBT故障点。在现场缺乏试验条件的情况下，运维人员可以采用以下措施判断IGBT模块是否正常运行：）判断极性。实际操作过程中需要利用万能表设备，将其拨至R×1kΩ挡位，在实际测量过程中，若某一极与其他两极阻值呈现出无限大情况，且调换表笔后此情况未发生变化，则可认定此极为栅极（G）。随后对其余两极进行测试，若测试过程中分别利用万能表正常测试及调换表笔后所测阻值分别为无穷大及阻值较小，则可认定为阻值较小的一次中，红表笔接及黑表笔接分别分为判定为集电极（C）与发射极（E）。2）判断好坏。同样需要利用万能表设备，将挡位调整至R×10kΩ，随后将黑表笔接及红表笔接分别接入集电极（C）及发射极（E），此时万能表指针应在零位。随后运维人员应同时触发栅极（G）与集电极（C），使IGBT模块进入导通状态，万能表指针此时会导向阻值较小的方向，并明确出某一位置，随后运维人员阻断IGBT，万能表设备指针再次归零。此时，即可判断IGBT模块的好坏。在对IGBT模块运行状态进行判定过程中需要注意的是，此方法对万能表设备规格没有明确要求。在判断IGBT好坏过程中，必须将档位调整至R×10kΩ，主要原因为R×11kΩ挡以下万能表设备内部电池电压不满足检测要求，难以准确做出判断。同时对逆变侧IGBT模块进行检测过程中检测方法与整流侧检测方法存在差异性。需要运维人员特别注意的一点是，检测工作完成后，完好的IGBT模块栅极应进行短路放电处理，避免因栅极间存在剩余电流导致模块非正常导通，进而导致故障排除后送电测试过程中出现损坏。在更换IGBT模块过程中，为避免感应电压对模块造成损伤，维修所用电烙铁必须接地处理。

结语

高压变频器在工厂生产中起到了重要的作用，出现问题就会影响生产。对比分析对高压变频器的3种冷却方式:空调密闭冷却、空水冷冷却及水冷却的原理及特点，认为空水冷冷却方式高效、节能，采用完全机械设计，较空调等电力、电子设备冷却系统而言简单等，从而会被普遍的推广应用。

参考文献

［1］陈坚，康勇．电力电子变换和控制技术．高等教育出版社，2013．

［2］咸庆信．变频器实用电路图集与原理图说．机械工业出版社，2012．

［3］王廷才．变频器原理及应用．机械工业出版社，2018．