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合康變頻，大功率風(fēng)水冷高壓變頻器，脈沖發(fā)電機(jī)組，核工業(yè)
- 摘要：本文介紹了工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所應(yīng)用合康變頻提供的高壓風(fēng)水冷變頻調(diào)速系統(tǒng)拖動(dòng)8500kW電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速的案例，采用高壓變頻器可以滿足不同工況下脈沖發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)、放電跟蹤和再加速要求。并根據(jù)中央控制系統(tǒng)指令進(jìn)行自動(dòng)控制，滿足磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)裝置中的中國環(huán)流器二號(hào)M（HL－2M）能量的充足供應(yīng)，確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。
引言
核工業(yè)西南物理研究院建于20世紀(jì)60年代中期，隸屬中國核工業(yè)集團(tuán)公司，是我國最早從事核聚變能源開發(fā)的專業(yè)研究院。中國環(huán)流器二號(hào)A（HL－2A）是核工業(yè)西南物理研究院與德國馬克斯?普朗克等離子體物理研究所(IPP)科技合作建設(shè)而成的磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，是我國第一個(gè)具有先進(jìn)偏濾器位形的非圓截面的托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)研究裝置。
中國環(huán)流器二號(hào)M（HL－2M）是HL-2A的改造升級(jí)裝置。HL-2M裝置的建造目的是研究未來聚變堆相關(guān)物理及其關(guān)鍵技術(shù)。為保證環(huán)流器二號(hào)裝置（HL-2M）能量的充足供應(yīng)，采用脈沖發(fā)電機(jī)作為供電電源，機(jī)組采取機(jī)械儲(chǔ)能、脈沖放電工作方式。運(yùn)用合康提供的HIVERT-Y6/1200（6kV/10000kW）高壓風(fēng)水冷變頻調(diào)速系統(tǒng)拖動(dòng)8500kW電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，以滿足不同工況下脈沖發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)、放電跟蹤和再加速要求，并根據(jù)中央控制系統(tǒng)指令進(jìn)行自動(dòng)控制。
核工業(yè)脈沖發(fā)電機(jī)組工藝簡介及要求
脈沖發(fā)電機(jī)是一種慣性儲(chǔ)能技術(shù)，慣性儲(chǔ)能是依靠物體運(yùn)動(dòng)來存儲(chǔ)能量的方式，存儲(chǔ)在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪或機(jī)械中的能量為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。一般使用較小功率的拖動(dòng)機(jī)構(gòu)，以相對(duì)長的時(shí)間把一定質(zhì)量的轉(zhuǎn)子或飛輪慢慢地加速使其轉(zhuǎn)動(dòng)起來從而存儲(chǔ)足夠的動(dòng)能，根據(jù)需要利用其轉(zhuǎn)動(dòng)慣性脈沖地驅(qū)動(dòng)負(fù)載設(shè)備，把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶拍堋?/p>
300MVA脈沖發(fā)電機(jī)組由8500kW繞線異步電動(dòng)機(jī)及300MVA脈沖發(fā)電機(jī)組成為一同軸系聯(lián)軸器連接，機(jī)組飛輪力矩為7300t.m2。 8500kW電動(dòng)機(jī)作為機(jī)組的拖動(dòng)電機(jī)，基本參數(shù)為6000V、991A，轉(zhuǎn)子開路電壓2498V、轉(zhuǎn)子額定電流2062A。
圖1 脈沖發(fā)電機(jī)
風(fēng)水冷高壓變頻器技術(shù)總體方案
根據(jù)電機(jī)參數(shù)，選用HIVERT-Y6/1200（6kV/10000kW）高壓變頻裝置，額定輸出電流為1200A，適配電機(jī)功率為10000kW。由手車斷路器式自動(dòng)旁路柜、啟動(dòng)柜、主變壓器柜、功率單元柜、控制柜、水循環(huán)系統(tǒng)、接線柜等幾部分組成。該項(xiàng)目結(jié)合脈沖發(fā)電機(jī)組的工況特性，融入了全數(shù)字矢量控制、IGBT并聯(lián)設(shè)計(jì)、疊層母排技術(shù)、單元制動(dòng)功能、水冷散熱方式等多項(xiàng)高端技術(shù)。
1.變頻裝置主電路圖
1.1 一次回路及保護(hù)
HIVERT系列高壓水冷變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關(guān)元件為IGBT，功率單元采用串聯(lián)，疊波升壓，充分利用高壓變頻器的成熟技術(shù)，具有很高的可靠性。
隔離變壓器為三相干式整流變壓器，風(fēng)水冷。變壓器原邊輸入可為任意電壓，Y接；副邊繞組數(shù)量依變頻器電壓等級(jí)及結(jié)構(gòu)而定，6kV系列為18個(gè)，延邊三角形接法，為每個(gè)功率單元提供三相電源輸入。為了最大限度抑制輸入側(cè)諧波含量，同一相的副邊繞組通過延邊三角形接法移相，繞組間的相位差由下式計(jì)算：
移相角度 = 60°/ 每相單元數(shù)量
由于為功率單元提供電源的變壓器副邊繞組間有一定的相位差，從而消除了大部分由單個(gè)功率單元所引起的諧波電流，所以HIVERT變頻器輸入電流的總諧波含量（THD）遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)5%的要求，并且能保持接近1的輸入功率因數(shù)。三相輸出Y接，得到驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需的可變頻三相高壓電源。
圖2 一次回路及保護(hù)
1.2 二次回路及控制
控制系統(tǒng)由控制器，IO板和人機(jī)界面組成。控制器由三塊光纖板，一塊信號(hào)板，一塊主控板和一塊電源板組成。各部分之間的聯(lián)系如下圖HIVERT變頻器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示。
圖3 HIVERT變頻器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.變壓器柜
高壓水冷變頻器采用干式移相隔離變壓器。絕緣等級(jí)為H級(jí)。額定容量為12500kVA。
3.功率單元柜
6kV變頻器每相6個(gè)功率單元串聯(lián)，單元采用前側(cè)排列方式。同相的6個(gè)單元由銅排或電纜串聯(lián)并且三相的第一個(gè)單元短接成Y接中心點(diǎn)，三相的第六個(gè)單元即為變頻器的三相高壓輸出。功率單元額定電壓690V，變頻器的額定輸入/輸出電壓為6kV。正面右側(cè)為二次控制室，安裝有控制器、電源開關(guān)等，用戶二次接線端子也布置在控制室內(nèi)。
功率單元采用水冷設(shè)計(jì)，安裝在導(dǎo)軌上，由兩個(gè)M8的螺釘與導(dǎo)軌固定。單元柜后側(cè)為水循環(huán)管路，把功率單元內(nèi)產(chǎn)生的熱量帶到水-水熱交換器，由外水循環(huán)系統(tǒng)將內(nèi)水熱量帶走。柜門內(nèi)側(cè)裝有行程開關(guān)，用于柜門連鎖，柜門打開時(shí)將發(fā)出告警。
3.1單元柜水冷循環(huán)系統(tǒng)
水冷分內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩部分。內(nèi)循環(huán)部分，變頻器功率單元采用水冷板散熱，去離子水通過管道進(jìn)入水冷板，將IGBT等功率元件熱量傳遞給去離子水后，由去離子水帶走，進(jìn)入水-水熱交換器，水-水熱交換器通過和外循環(huán)水換熱，把熱量由外循環(huán)水帶走，冷水進(jìn)入單元水冷板繼續(xù)循環(huán)。
4.冷卻方式
據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況、投資、運(yùn)營、可靠性及維護(hù)成本，采用風(fēng)-水冷卻系統(tǒng)方案。
4.1 風(fēng)路循環(huán)
冷卻變頻器后的熱空氣由風(fēng)機(jī)從柜頂導(dǎo)出，通過風(fēng)道循環(huán)至換熱器，換熱器中通有冷卻水，從而使空氣得以冷卻降溫，冷卻降溫后的空氣再次進(jìn)入變頻器對(duì)變頻器進(jìn)行冷卻，如此進(jìn)行循環(huán)冷卻。
圖4 風(fēng)路循環(huán)
4.2水路循環(huán)
溫度較低的冷卻水由換熱器下部進(jìn)入換熱器，與循環(huán)空氣換熱后，由換熱器上部流出。被加熱后的冷卻水流至冷卻塔等冷卻設(shè)備進(jìn)行冷卻，經(jīng)冷卻降溫的冷卻水經(jīng)水泵再次進(jìn)入換熱器對(duì)循環(huán)空氣進(jìn)行冷卻，如此循環(huán)。
圖5 水路循環(huán)
5.電控系統(tǒng)組成
系統(tǒng)由整流變壓器、功率單元柜、水冷控制系統(tǒng)、PLC控制柜、工控機(jī)、監(jiān)控畫面組成。PLC柜主要采集變頻器的開關(guān)量信號(hào)、模擬量信號(hào)，開關(guān)柜的電能信號(hào)、水冷控制系統(tǒng)的流量、溫度等信號(hào)，通過監(jiān)控畫面顯示并達(dá)到遠(yuǎn)程控制目的。系統(tǒng)框圖如下：
圖6 電控系統(tǒng)框圖
變頻器主控PLC控制總的調(diào)速任務(wù)，包括變頻器的調(diào)速控制及與機(jī)組邏輯控制PLC系統(tǒng)（西門子416系統(tǒng)）的通訊。變頻裝置與機(jī)組邏輯控制PLC系統(tǒng)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊方式。變頻器主控PLC可接收機(jī)組邏輯控制PLC系統(tǒng)的中控指令、中控投入、中控解除、變頻投入、變頻不投入、停止加速、機(jī)組預(yù)放電等；變頻器主控PLC發(fā)給機(jī)組邏輯控制PLC系統(tǒng)的信號(hào)有：機(jī)組加速中，機(jī)組加速到位、動(dòng)態(tài)回令（機(jī)組預(yù)防電條件滿足）、變頻器事故綜合、滑差提電極到預(yù)定位、靜態(tài)回令、機(jī)組加速，接受滑差PLC的電極位置（預(yù)定位、低位、高位）、速度到達(dá)等信號(hào)。
6.上位控制系統(tǒng)
項(xiàng)目中上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，選用工控機(jī)與PLC進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊；利用WINCC組態(tài)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)多畫面監(jiān)控，以達(dá)到監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的目的。監(jiān)控畫面主要包括：主界面、報(bào)警歸檔頁面、數(shù)據(jù)歸檔頁面、3個(gè)機(jī)組頁面、以及各個(gè)變頻器的數(shù)據(jù)曲線頁面等。
圖7 西南核工業(yè)上位監(jiān)控系統(tǒng)
1.變頻器與PLC控制系統(tǒng)通訊：變頻器與PLC控制系統(tǒng)之間物理通訊為485通訊，通訊協(xié)議為Modbus/RTU協(xié)議，可選Profibus協(xié)議。
2.自動(dòng)控制系統(tǒng)：設(shè)備監(jiān)控核心采用西門子S7系列可編程控制器，結(jié)合現(xiàn)場傳感器和設(shè)備控制接口實(shí)現(xiàn)電機(jī)及附屬設(shè)備的邏輯控制和運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，并采用PLC冗余系統(tǒng)，自動(dòng)切換。PLC系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集高壓變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)控制變頻器運(yùn)行。
3.在線監(jiān)控系統(tǒng)：采用大屏幕真彩液晶顯示器；按照雙機(jī)冗余互為備用模式設(shè)計(jì)，置專業(yè)工業(yè)控制組態(tài)軟件實(shí)時(shí)顯示運(yùn)行工況參數(shù)，動(dòng)態(tài)顯示工藝流程圖形和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。
圖8 上位控制系統(tǒng)圖
7.設(shè)備優(yōu)勢
該項(xiàng)目結(jié)合脈沖發(fā)電機(jī)組的工況特性，融入了全數(shù)字矢量控制、IGBT并聯(lián)設(shè)計(jì)、疊層母排技術(shù)、單元制動(dòng)功能、水冷散熱方式等多項(xiàng)高端技術(shù)。
設(shè)備具備如下優(yōu)勢：
1.全數(shù)字矢量控制，系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)；電流環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)簡單，并能獲得較好的電流跟蹤性能。速度環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，能有效地限制動(dòng)態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量，加快響應(yīng)速度。
2.IGBT并聯(lián)設(shè)計(jì)，采用了選進(jìn)的并聯(lián)均流技術(shù)，有效提高了電流密度，具有均勻熱分布、靈活布局以及較高電氣性能等優(yōu)勢。
3.疊層母排技術(shù)，以更低的電壓降實(shí)現(xiàn)高電流承載能力，容易散熱冷卻, 溫升更小，可有效減少內(nèi)部雜散電感減少內(nèi)部寄生電感；降低尖峰電壓，保護(hù)IGBT。
4.單元制動(dòng)功能，有效解決變頻器在減速運(yùn)行或者對(duì)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，因電機(jī)反饋給變頻器能量引起的單元母線過壓問題。
5.全封閉式水循環(huán)散熱方式，提高了散熱效率，變頻器溫升小，溫度恒定，有利于設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行；體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)更緊湊。
總結(jié)
2016年4月，在現(xiàn)場工作人員的努力下，合康變頻大功率風(fēng)水冷高壓變頻器首次成功拖動(dòng)現(xiàn)場脈沖發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，運(yùn)行狀況良好。該變頻器在從0Hz升速的過程中加速時(shí)間保持穩(wěn)定，并且符合現(xiàn)場要求，獲得了核工業(yè)西南物理研究院聚變科學(xué)所領(lǐng)導(dǎo)的高度肯定。
參考資料：
[1]李珂，脈沖發(fā)電機(jī)型電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其仿真研究，華中科技大學(xué)，2007
[2]彭建飛 宣偉民 王海兵，HL-2A裝置大功率電動(dòng)飛輪脈沖發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)過程分析和建模，中國核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告，2011
[3] 合康變頻，HIVERT通用高壓變頻器用戶手冊(cè)，北京合康億盛變頻科技股份有限公司，2012
作者簡介：
潘越(1992.2) 北京合康億盛變頻科技股份有限公司 電氣工程師
