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• 關鍵詞： 合康變頻，大功率風水冷高壓變頻器，脈沖發電機組，核工業
• 摘要：本文介紹了工業西南物理研究院聚變科學所應用合康變頻提供的高壓風水冷變頻調速系統拖動8500kW電機進行變頻調速的案例，采用高壓變頻器可以滿足不同工況下脈沖發電機組的啟動、放電跟蹤和再加速要求。并根據中央控制系統指令進行自動控制，滿足磁約束核聚變實驗裝置中的中國環流器二號M（HL－2M）能量的充足供應，確保實驗的順利進行。

引言

核工業西南物理研究院建于20世紀60年代中期，隸屬中國核工業集團公司，是我國最早從事核聚變能源開發的專業研究院。中國環流器二號A（HL－2A）是核工業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)科技合作建設而成的磁約束核聚變實驗裝置，是我國第一個具有先進偏濾器位形的非圓截面的托卡馬克核聚變實驗研究裝置。

中國環流器二號M（HL－2M）是HL-2A的改造升級裝置。HL-2M裝置的建造目的是研究未來聚變堆相關物理及其關鍵技術。為保證環流器二號裝置（HL-2M）能量的充足供應，采用脈沖發電機作為供電電源，機組采取機械儲能、脈沖放電工作方式。運用合康提供的HIVERT-Y6/1200（6kV/10000kW）高壓風水冷變頻調速系統拖動8500kW電機進行變頻調速，以滿足不同工況下脈沖發電機組的啟動、放電跟蹤和再加速要求，并根據中央控制系統指令進行自動控制。

核工業脈沖發電機組工藝簡介及要求

脈沖發電機是一種慣性儲能技術，慣性儲能是依靠物體運動來存儲能量的方式，存儲在高速旋轉的飛輪或機械中的能量為旋轉機械能。一般使用較小功率的拖動機構，以相對長的時間把一定質量的轉子或飛輪慢慢地加速使其轉動起來從而存儲足夠的動能，根據需要利用其轉動慣性脈沖地驅動負載設備，把機械能轉變為電磁能。

300MVA脈沖發電機組由8500kW繞線異步電動機及300MVA脈沖發電機組成為一同軸系聯軸器連接，機組飛輪力矩為7300t.m2。 8500kW電動機作為機組的拖動電機，基本參數為6000V、991A，轉子開路電壓2498V、轉子額定電流2062A。

圖1  脈沖發電機

風水冷高壓變頻器技術總體方案

根據電機參數，選用HIVERT-Y6/1200（6kV/10000kW）高壓變頻裝置，額定輸出電流為1200A，適配電機功率為10000kW。由手車斷路器式自動旁路柜、啟動柜、主變壓器柜、功率單元柜、控制柜、水循環系統、接線柜等幾部分組成。該項目結合脈沖發電機組的工況特性，融入了全數字矢量控制、IGBT并聯設計、疊層母排技術、單元制動功能、水冷散熱方式等多項高端技術。

1.變頻裝置主電路圖

1.1 一次回路及保護

HIVERT系列高壓水冷變頻器采用交-直-交直接高壓（高-高）方式，主電路開關元件為IGBT，功率單元采用串聯，疊波升壓，充分利用高壓變頻器的成熟技術，具有很高的可靠性。

隔離變壓器為三相干式整流變壓器，風水冷。變壓器原邊輸入可為任意電壓，Y接；副邊繞組數量依變頻器電壓等級及結構而定，6kV系列為18個，延邊三角形接法，為每個功率單元提供三相電源輸入。為了最大限度抑制輸入側諧波含量，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算：

移相角度 =  60°/  每相單元數量

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）遠小于國家標準5%的要求，并且能保持接近1的輸入功率因數。三相輸出Y接，得到驅動電機所需的可變頻三相高壓電源。

圖2  一次回路及保護

1.2 二次回路及控制

控制系統由控制器，IO板和人機界面組成。控制器由三塊光纖板，一塊信號板，一塊主控板和一塊電源板組成。各部分之間的聯系如下圖HIVERT變頻器控制系統結構圖所示。

圖3  HIVERT變頻器控制系統結構圖

2.變壓器柜

高壓水冷變頻器采用干式移相隔離變壓器。絕緣等級為H級。額定容量為12500kVA。

3.功率單元柜

6kV變頻器每相6個功率單元串聯，單元采用前側排列方式。同相的6個單元由銅排或電纜串聯并且三相的第一個單元短接成Y接中心點，三相的第六個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。正面右側為二次控制室，安裝有控制器、電源開關等，用戶二次接線端子也布置在控制室內。

功率單元采用水冷設計，安裝在導軌上，由兩個M8的螺釘與導軌固定。單元柜后側為水循環管路，把功率單元內產生的熱量帶到水-水熱交換器，由外水循環系統將內水熱量帶走。柜門內側裝有行程開關，用于柜門連鎖，柜門打開時將發出告警。

3.1單元柜水冷循環系統

水冷分內循環和外循環兩部分。內循環部分，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，進入水-水熱交換器，水-水熱交換器通過和外循環水換熱，把熱量由外循環水帶走，冷水進入單元水冷板繼續循環。

4.冷卻方式

據現場實際情況、投資、運營、可靠性及維護成本，采用風-水冷卻系統方案。

4.1 風路循環

冷卻變頻器后的熱空氣由風機從柜頂導出，通過風道循環至換熱器，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入變頻器對變頻器進行冷卻，如此進行循環冷卻。

圖4  風路循環

4.2水路循環

溫度較低的冷卻水由換熱器下部進入換熱器，與循環空氣換熱后，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備進行冷卻，經冷卻降溫的冷卻水經水泵再次進入換熱器對循環空氣進行冷卻，如此循環。

圖5  水路循環

5.電控系統組成

系統由整流變壓器、功率單元柜、水冷控制系統、PLC控制柜、工控機、監控畫面組成。PLC柜主要采集變頻器的開關量信號、模擬量信號，開關柜的電能信號、水冷控制系統的流量、溫度等信號，通過監控畫面顯示并達到遠程控制目的。系統框圖如下：

圖6 電控系統框圖

變頻器主控PLC控制總的調速任務，包括變頻器的調速控制及與機組邏輯控制PLC系統（西門子416系統）的通訊。變頻裝置與機組邏輯控制PLC系統采用點對點的通訊方式。變頻器主控PLC可接收機組邏輯控制PLC系統的中控指令、中控投入、中控解除、變頻投入、變頻不投入、停止加速、機組預放電等；變頻器主控PLC發給機組邏輯控制PLC系統的信號有：機組加速中，機組加速到位、動態回令（機組預防電條件滿足）、變頻器事故綜合、滑差提電極到預定位、靜態回令、機組加速，接受滑差PLC的電極位置（預定位、低位、高位）、速度到達等信號。

6.上位控制系統

項目中上位機監控系統，選用工控機與PLC進行網絡通訊；利用WINCC組態監控軟件，實現實時多畫面監控，以達到監控設備運行狀態的目的。監控畫面主要包括：主界面、報警歸檔頁面、數據歸檔頁面、3個機組頁面、以及各個變頻器的數據曲線頁面等。

圖7  西南核工業上位監控系統

1.變頻器與PLC控制系統通訊：變頻器與PLC控制系統之間物理通訊為485通訊，通訊協議為Modbus/RTU協議，可選Profibus協議。

2.自動控制系統：設備監控核心采用西門子S7系列可編程控制器，結合現場傳感器和設備控制接口實現電機及附屬設備的邏輯控制和運行狀態、參數的實時在線監測，并采用PLC冗余系統，自動切換。PLC系統實時采集高壓變頻器的運行狀態，并實時控制變頻器運行。

3.在線監控系統：采用大屏幕真彩液晶顯示器；按照雙機冗余互為備用模式設計，置專業工業控制組態軟件實時顯示運行工況參數，動態顯示工藝流程圖形和設備運行狀態。

圖8  上位控制系統圖

7.設備優勢

該項目結合脈沖發電機組的工況特性，融入了全數字矢量控制、IGBT并聯設計、疊層母排技術、單元制動功能、水冷散熱方式等多項高端技術。

設備具備如下優勢：

1.全數字矢量控制，系統采用轉速、電流雙閉環調速系統；電流環采用PI調節器，實現簡單，并能獲得較好的電流跟蹤性能。速度環采用PI調節器，能有效地限制動態響應的超調量，加快響應速度。

2.IGBT并聯設計，采用了選進的并聯均流技術，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勢。

3.疊層母排技術，以更低的電壓降實現高電流承載能力，容易散熱冷卻, 溫升更小，可有效減少內部雜散電感減少內部寄生電感；降低尖峰電壓，保護IGBT。

4.單元制動功能，有效解決變頻器在減速運行或者對電機進行制動時，因電機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，有利于設備穩定運行；體積小，重量輕，結構更緊湊。

總結

2016年4月，在現場工作人員的努力下，合康變頻大功率風水冷高壓變頻器首次成功拖動現場脈沖發電機組運行，運行狀況良好。該變頻器在從0Hz升速的過程中加速時間保持穩定，并且符合現場要求，獲得了核工業西南物理研究院聚變科學所領導的高度肯定。

參考資料：

[1]李珂，脈沖發電機型電源系統的設計及其仿真研究，華中科技大學，2007

[2]彭建飛 宣偉民 王海兵，HL-2A裝置大功率電動飛輪脈沖發電機組啟動過程分析和建模，中國核科學技術進展報告，2011

[3] 合康變頻，HIVERT通用高壓變頻器用戶手冊，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