1、引言 大家都認(rèn)可的一個不爭的現(xiàn)實(shí)是：任何產(chǎn)品都得在用戶的環(huán)境中使用，而任何產(chǎn)品在使用過程中又都不可能不出現(xiàn)故障甚至是損壞，筆者根據(jù)飛機(jī)的制造理念設(shè)計(jì)、制造高壓變頻器，而飛機(jī)制造的理念用最簡單的兩句話說明就是：一是全天侯，即盡可能廣泛的適應(yīng)環(huán)境；二是即使出現(xiàn)了故障也不能即時修復(fù)，必須能夠帶傷飛回地面。 眾所周知，由于元器件的技術(shù)水平所限，不能直接采用逆變技術(shù)解決高電壓領(lǐng)域的變頻調(diào)速問題，因此，高壓變頻的技術(shù)研究與應(yīng)用一直滯后于高壓交流電動機(jī)的發(fā)展速度。 2、“串聯(lián)疊加”原理的高壓變頻器發(fā)達(dá)過程 最早將變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用到高電壓領(lǐng)域的是“高—低—高”原理的技術(shù)方案，但由于“高—低—高”的技術(shù)方案還存在著一些缺陷。于是在1996年8月14日，世界上首次公開了由中國人在1995年發(fā)明的“串聯(lián)疊加”原理的高壓大功率交流電動機(jī)的變頻調(diào)速裝置（專利號：zl95119585.9）。“串聯(lián)疊加”原理的高壓大功率變頻調(diào)速裝置較好地克服了“高—低—高”方案所存在的缺陷，提出了一種解決了高電壓領(lǐng)域變頻調(diào)速問題的更加理想的途徑。因此，“串聯(lián)疊加”原理的高壓變頻技術(shù)得到了長足的發(fā)展，目前已成為全世界高壓變頻器產(chǎn)品的主流技術(shù)。 盡管傳統(tǒng)的“串聯(lián)疊加”原理的高壓變頻器以其優(yōu)勢目前已經(jīng)成為了全世界高壓變頻器產(chǎn)品的主流產(chǎn)品。但是由于它的發(fā)展歷史還比較短，還是一個有待不斷成熟的新技術(shù)，因此還必然的存在著一些缺陷。 3、傳統(tǒng)的“串聯(lián)疊加”原理的高壓變頻器的缺陷 （1）傳統(tǒng)的“串聯(lián)疊加”原理高壓變頻器的設(shè)備比較復(fù)雜、體積龐大、一般都在5～６m長，對于很多改造項(xiàng)目實(shí)施有一定的困難； （2）高壓大功率機(jī)電設(shè)備的電流大，溫升較高，必須對功率元器件進(jìn)行良好的通風(fēng)散熱。而在我國南方的大部分地區(qū)，夏季的環(huán)境溫度都會在40℃左右，通風(fēng)已起不到散熱的作用；而且通風(fēng)和防塵又是一對很難解決的矛盾。所以傳統(tǒng)的高壓變頻器在高粉塵、高濕度、高氣溫以及有腐蝕性氣體的環(huán)境中不能安全的使用； （3）“串聯(lián)疊加”解決了元器件的耐壓問題，但由于眾多“單元”的疊加使得控制程序的程序量也大大的增加了。大多數(shù)傳統(tǒng)的“串聯(lián)疊加”原理的高壓變頻器都是采用單片機(jī)作為控制程序的核心器件，而單片機(jī)的抗干擾性比較差，使用高壓變頻器的場合又大都是用電情況比較復(fù)雜的“工業(yè)環(huán)境”，干擾比較大；另外單片機(jī)若沒有必要及良好的硬軟件保護(hù)措施也不適合長時間不間斷的運(yùn)行，甚至有“死機(jī)”現(xiàn)象發(fā)生。所以，早期的“串聯(lián)疊加”原理的高壓變頻器，經(jīng)常由于程序紊亂而發(fā)生問題，甚至出現(xiàn)事故； （4）傳統(tǒng)的“串聯(lián)疊加”原理的高壓變頻器，設(shè)備比較復(fù)雜，電纜多，很難做到簡潔化，再加上是綜合性比較強(qiáng)的高技術(shù)產(chǎn)品，所以很難實(shí)現(xiàn)由用戶自我進(jìn)行的“現(xiàn)場維護(hù)”； （5）大多數(shù)傳統(tǒng)的“串聯(lián)疊加”原理的高壓變頻器采用的都是pwm技術(shù)，一般有2.5khz左右的載頻，開關(guān)器件igbt的開關(guān)頻率較高，因此功耗和溫升也就都比較高，igbt的壽命自然也就會比較短；另外，這個2.5khz左右的載頻和它的再生諧波，對于電動機(jī)來說本身就是“諧波”，所以當(dāng)?shù)凸β蔬\(yùn)行它們所占的分量比較大時，就有了“低頻發(fā)熱”現(xiàn)象的發(fā)生。只是因?yàn)樗鼈兊摹爸C波”次數(shù)太高，一般的測試手段無法檢測到，將傳統(tǒng)高壓變頻器的“超高次”諧波掩蓋了。 （6）因?yàn)榇?lián)疊加”原理的高壓變頻器的操作比較復(fù)雜，事故率也就比較高。作者通過對十幾起事故的處理和事故原因的分析發(fā)現(xiàn)，除一些早期產(chǎn)品是因?yàn)樵O(shè)計(jì)和制造不太成熟以外，絕大部分的事故是由于操作期間的誤操作或電腦以及器件的誤動作而導(dǎo)致的，因此“防誤操作”也是給高壓變頻器制造提出的一個新課題。 （7）當(dāng)高壓變頻器在運(yùn)行中出現(xiàn)故障時，絕大多數(shù)產(chǎn)品采取的應(yīng)急措施是“旁路直合供電，工頻運(yùn)行”。但是很多場合特別是為風(fēng)機(jī)安裝的高壓變頻器，不宜采取“旁路直合供電，工頻運(yùn)行”，因?yàn)椤芭月分焙瞎╇姡ゎl運(yùn)行”會使風(fēng)量突然增大，造成諸如鍋爐正壓保護(hù)甚至風(fēng)機(jī)飛車等事故的發(fā)生。 所以，在推薦和選用高壓變頻器的時候，一定不要僅僅考核其業(yè)績的多少，業(yè)績的多與少并不能真實(shí)的反映生產(chǎn)廠的產(chǎn)品技術(shù)水平。一定要對上述的“缺陷”采取有效的解決措施。 4、ts-hvaf系列高壓變頻器的技術(shù)突破 山東點(diǎn)石節(jié)能科技開發(fā)有限公司在引進(jìn)的基礎(chǔ)上自主開發(fā)成功的ts-hvaf系列高壓變頻器，實(shí)現(xiàn)了高壓變頻器產(chǎn)品的重大技術(shù)突破，克服了傳統(tǒng)的高壓變頻器存在的缺陷： 4.1 極大的拓展了高壓變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域 眾所周知，高壓大功率機(jī)電設(shè)備的電流大，溫升較高，必須對功率元器件進(jìn)行良好的通風(fēng)散熱。而在我國南方的大部分地區(qū)，夏季的環(huán)境溫度都會在40℃左右，通風(fēng)已起不到散熱的作用；再加上功率單元發(fā)熱量的積累，半導(dǎo)體開關(guān)器件周圍的溫度至少會達(dá)到50℃以上，也就是說：到了夏季高壓變頻器的半導(dǎo)體開關(guān)器件事實(shí)上是在“老化”的環(huán)境中運(yùn)行的，運(yùn)行風(fēng)險很高，使用壽命也會大受影響。 而且通風(fēng)和防塵又是一對很難解決的矛盾，能夠使用高壓變頻器的有很多又都是高粉塵環(huán)境，比如鋼鐵廠、發(fā)電廠和礦山等等。盡管配電室里面的粉塵不是很大，但通風(fēng)會將外面的粉塵大量的吸進(jìn)室內(nèi)和設(shè)備里。 目前絕大多數(shù)的高壓變頻器的生產(chǎn)廠家都在回避這個問題，而用戶又不可能十分清楚這些事情，就只知道看看業(yè)績有多少和有沒有相關(guān)場合的業(yè)績，致使很多高壓變頻器在“惡劣”的環(huán)境中“忍辱負(fù)重”的工作著。這對于高壓變頻器的運(yùn)行安全是存在著很大隱患的。 ts-hvaf/r型高壓變頻器，采用了全密閉熱交換技術(shù)（專利申請?zhí)枺?00410080498.3和200620012395.8），不與外界環(huán)境直接進(jìn)行空氣交流，徹底克服了傳統(tǒng)高壓變頻器在高溫、高濕、高腐蝕性氣體、高粉塵、防爆等環(huán)境中不能安全使用的缺陷。更重要的是：由于使用的是制冷型熱交換器，可以將高壓變頻器功率單元柜內(nèi)的溫度控制在電子元器件特別是半導(dǎo)體的最佳工作溫度范圍，在這個溫度下電子元器件運(yùn)行的更安全，過載能力能得到了充分的發(fā)揮，使用壽命也大大延長，極大的提高了高壓變頻器的品質(zhì)。 由于采用的是“中央”形式的熱交換器，熱交換器的受熱器安裝在高壓變頻器功率單元柜的“外部”，這樣就很好的解決了“冷凝水”的問題，熱交換器的使用還可以將由于高壓變頻器功率單元柜密封不完全而進(jìn)入柜內(nèi)空氣中的少量水份“吸”出去。 4.2 抗干擾能力大大提高，控制程序最穩(wěn)定 ts-hvaf系列高壓變頻器在其中央控制系統(tǒng)中成功的用可編程門陣列大規(guī)模集成電路（fpga）取代了傳統(tǒng)的高壓變頻器中的單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了“軟件問題硬件處理”，將全部的控制程序固化在“大規(guī)模集成電路”這個“硬件”里面。在任何情況下—包括上位機(jī)和中央控制系統(tǒng)掉電或損壞，也不會出現(xiàn)程序紊亂、死機(jī)等現(xiàn)象，高壓變頻器仍可以在原工況狀態(tài)下繼續(xù)安全運(yùn)行。同時還極大的提高了抗干擾能力，使設(shè)備的運(yùn)行更加安全、穩(wěn)定和可靠。用“硬件”作為控制程序核心器件的高壓變頻器，在用戶現(xiàn)場經(jīng)過長時間的運(yùn)行，從未出現(xiàn)過操作反應(yīng)遲緩、“死機(jī)”和程序紊亂的現(xiàn)象。由于目前相關(guān)技術(shù)水平的限制，fpga還無法直接與工控機(jī)通訊，所以在ts-hvaf高壓變頻器的中央控制系統(tǒng)中使用了plc，雖然高壓變頻器的制造成本增加了數(shù)千元，但是ts-hvaf型高壓變頻器卻因此而成為了目前世界上“最安全、最可靠”的高壓變頻器。 4.3 運(yùn)行更加安全、可靠，實(shí)現(xiàn)小故障可以安全運(yùn)行 由于控制程序的穩(wěn)定可靠，使得ts-hvaf型高壓變頻器可以在傳統(tǒng)高壓變頻器的基礎(chǔ)上增加切分和疊加單元的個數(shù)：6kv的每相切分為8個疊加單元，10kv的每相切分為12個疊加單元。并配以“波形連續(xù)變換”技術(shù)，一旦個別功率單元出現(xiàn)故障，輸出電壓的損失比較小，仍能夠維持較高功率的運(yùn)行，即6kv的可以在46hz及以下頻率繼續(xù)安全運(yùn)行，10kv的可以在47hz及以下頻率繼續(xù)安全運(yùn)行。這就是說，ts-hvaf型高壓變頻器即便出現(xiàn)一些故障，也基本能夠滿足一般用戶的正常使用，而不必立即進(jìn)行維修。 這就是“飛機(jī)制造的理念”：出現(xiàn)故障無須立即進(jìn)行維修，可以“帶傷”飛回機(jī)場—即等到用戶可以停機(jī)時再進(jìn)行維修。 4.4 開關(guān)器件的負(fù)荷及能耗最低，使用壽命最長 由于切分和疊加單元數(shù)的增加，使得ts-hvaf系列高壓變頻器可以用脈動直流疊加原理（最高頻率50hz）取代傳統(tǒng)的pwm（一般有2.5khz左右的載頻）技術(shù)。這樣不僅大大減少了輸出的諧波，更主要的是大大降低了開關(guān)器件的開關(guān)頻率和負(fù)荷，減少了開關(guān)器件的能耗，即使加裝了“中央空調(diào)”，ts-hvaf系列高壓變頻器的功耗也不會高于傳統(tǒng)的高壓變頻器。不僅使ts-hvaf系列高壓變頻器的運(yùn)行更加安全可靠，同時還延長了開關(guān)器件（igbt）的使用壽命。 由于沒有了2.5khz左右的載頻，ts-hvaf系列高壓變頻器還有效的克服了“低頻發(fā)熱”現(xiàn)象的發(fā)生。 4.5 整機(jī)最簡捷，大故障可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場維護(hù) 由于“串聯(lián)疊加”原理高壓變頻器的技術(shù)比較復(fù)雜，器件和功率單元比較多。所以高壓變頻器的售后服務(wù)和運(yùn)行中的較大維護(hù)一直由生產(chǎn)廠家承擔(dān)，即便經(jīng)過培訓(xùn)，在很長的時間內(nèi)用戶自己的維護(hù)人員也還是不能有把握地進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)。 盡管各個生產(chǎn)廠家在銷售時都有售后服務(wù)和運(yùn)行維護(hù)的承諾，但想想看：一個制造廠要負(fù)責(zé)全國各地用戶的維修，中國那么大，從接到需要維修的通知到派人到用戶現(xiàn)場，從檢查出故障部位到發(fā)備件，從備件運(yùn)抵現(xiàn)場到維修完成再進(jìn)行調(diào)試，是不是能夠在幾天內(nèi)完成的？什么樣的售后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)能夠保證全國各地用戶的維修需要？又有哪個廠家能夠建立如此龐大的售后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)？ 山東點(diǎn)石節(jié)能科技開發(fā)有限公司對售后服務(wù)水平的理解是：“最好的售后服務(wù)，就是用戶根本不需要廠家來售后服務(wù)”。而“用戶不需要廠家來售后服務(wù)”并不是廠家不服務(wù)，而是要通過改善設(shè)備的技術(shù)水平和“最好的服務(wù)”使用戶自己的維護(hù)人員經(jīng)過培訓(xùn)能夠真正的進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)和維修。 而要達(dá)到用戶自己的維護(hù)人員能夠真正地進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)和維修的目的，產(chǎn)品就必須實(shí)現(xiàn)如下的功能： （1）必須實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的模塊化和故障點(diǎn)的集中，而且整機(jī)布局必須簡捷、清晰以方便用戶維修人員的維修，因?yàn)橛脩舻木S修人員僅僅經(jīng)過培訓(xùn)還是不能夠進(jìn)行很復(fù)雜的維修； （2）必須有清晰的故障引導(dǎo)系統(tǒng)，因?yàn)橛脩舻木S修人員經(jīng)過簡單培訓(xùn)還不能很好地判斷故障； （3）出現(xiàn)一般性的故障，必須能夠“帶傷”繼續(xù)運(yùn)行，一直安全運(yùn)行到用戶能夠停機(jī)時，再進(jìn)行維修。 ts-hvaf型高壓變頻器的柜內(nèi)主電路無電線、電纜，極大的減少了接線電阻和可能的故障點(diǎn)，整機(jī)布局簡捷、清晰，大大提高了高壓變頻器整機(jī)的可靠性。整機(jī)單元化，更換一個功率單元只需勞動7個螺絲，10min內(nèi)即可完成，在故障引導(dǎo)系統(tǒng)的提示下，完全可以實(shí)現(xiàn)用戶的現(xiàn)場自我維護(hù)和檢修。 4.6 產(chǎn)品的出廠檢驗(yàn)最有效 ts-hvaf型高壓變頻器唯一實(shí)現(xiàn)了整機(jī)運(yùn)輸，不僅大大縮短了現(xiàn)場安裝、調(diào)試的時間，將因安裝、調(diào)試造成的停產(chǎn)損失降到最低；更重要的是高壓變頻器在生產(chǎn)廠所作的全部調(diào)試和檢驗(yàn)更加真實(shí)、可靠和有效。 4.7 最完善的防誤操作系統(tǒng)，唯一可以進(jìn)行防誤操作驗(yàn)收的高壓變頻器 根據(jù)用戶提出的要求以及現(xiàn)場使用的實(shí)際情況，ts-hvaf型高壓變頻器可以設(shè)置比較完善的防誤操作系統(tǒng)，保證最大限度的避免由于操作人員誤操作而發(fā)生故障的可能。ts-hvaf型高壓變頻器，是目前唯一可以按照用戶的要求簽定“防誤操作協(xié)議”，并在設(shè)備驗(yàn)收時進(jìn)行防誤操作試驗(yàn)的高壓變頻器產(chǎn)品。 5、典型應(yīng)用實(shí)例 2005年4月，我公司為武漢晨鳴集團(tuán)長江提水廠安裝了一臺6kv、630kva的高壓變頻器，還在調(diào)試驗(yàn)收期間該集團(tuán)就開始宣傳這次變頻改造的節(jié)電效果了,經(jīng)過改造，不僅被控水泵的節(jié)電效果十分明顯，而且還節(jié)省了由于水庫灌滿后反向長江回送水的電費(fèi)和水費(fèi)，并且延長了設(shè)備的使用周期，節(jié)省了設(shè)備的保養(yǎng)費(fèi)用。他們預(yù)計(jì)每天的節(jié)電在2000kw·h以上。這臺高壓變頻器自2005年4月29日通過用戶驗(yàn)收至今運(yùn)行正常。經(jīng)過驗(yàn)收期間對用戶的簡單培訓(xùn)，這臺高壓變頻器還成為了第一臺由用戶自行維護(hù)維修的高壓變頻器。 2006年山西省北方銅業(yè)集團(tuán)進(jìn)行高壓變頻改造時，由于配電室的現(xiàn)有面積所限，取消了原招投標(biāo)計(jì)劃而直接購買了我公司的一臺ts-hvaf-6/630s高壓變頻器。這臺高壓變頻器以其小巧精美、操作簡便受到了用戶上下的一致好評。當(dāng)?shù)孛旱V集團(tuán)的機(jī)電專家現(xiàn)場考察后當(dāng)場決定：采用我公司的ts-hvaf高壓變頻器在煤礦主巷通風(fēng)上進(jìn)行高壓變頻的試點(diǎn)改造。 在無錫市東方環(huán)境工程研究所承攬的山東通禹集團(tuán)鋼廠除塵風(fēng)機(jī)改造工程中,由于安裝環(huán)境的粉塵比較大，不能采用簡單的通風(fēng)散熱方式。如果采取室內(nèi)循環(huán)散熱方式，需另外投資安裝熱交換器,運(yùn)行費(fèi)用也會增加。經(jīng)過用戶與無錫市東方環(huán)境工程研究所的共同考察和研究,采用了我公司的ts-hvaf/sr高壓變頻器。這臺高壓變頻器的使用地點(diǎn)在山東省禹城市通禹集團(tuán)鋼廠。 6、結(jié)束語 ts-hvaf系列和ts-hvaf/r型高壓變頻器的研制成功，可以說是高壓變頻調(diào)速領(lǐng)域的一次革命，極大地提高了高壓變頻器使用的可靠性、安全性，適用性，最大限度地滿足了用戶的需求，使高壓變頻器能夠在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用，對促進(jìn)高壓大功率電機(jī)的變頻調(diào)速改造，必將起到積極的促進(jìn)作用。 使用高壓變頻器調(diào)整工況時的便利和明顯的節(jié)能效果,得到了廣大用戶的認(rèn)可；而高壓變頻器的廣闊的市場前景,也引起了投資人的廣泛的興趣，高壓變頻器這個兩年前被稱為“皇冠上的明珠”的高科技產(chǎn)品,已經(jīng)率先打破了“外國的月亮比中國圓”的那種似乎已經(jīng)司空見慣了的產(chǎn)品格局。這一切都是和投資人的巨大投入、眾多“高壓人”的辛勤努力分不開的,同時也離不開媒體、協(xié)會給予這個事業(yè)的真誠的關(guān)注、鼓勵和支持。 當(dāng)然國產(chǎn)的“高壓”事業(yè)還面臨著很多的困難和困惑，市場的開發(fā)和競爭還比較混亂和無序，這一切都有待于努力和改善。在此代表點(diǎn)石公司和投資人提出三點(diǎn)建議： （1）在自愿的基礎(chǔ)上成立“高壓變頻器生產(chǎn)廠家自助組織”，保護(hù)生產(chǎn)廠商共同的利益和市場； （2）向全國的廣大用戶宣布：“組織”內(nèi)成員單位的市場開發(fā)和售后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)資源共享，互利互惠，提高整體的競爭能力； （3）“組織”內(nèi)成員單位的技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)資源共享，互利互惠，共同進(jìn)步，永遠(yuǎn)保持國產(chǎn)高壓變頻器在技術(shù)上的領(lǐng)先地位。