用于高海拔地区的级联型高压变频器设计方法与流程

本发明主要涉及变频技术领域，特指一种用于高海拔地区的级联型高压变频器设计方法。

背景技术：

变频调速是目前工业领域电拖系统节能重要一环，大功率风机、水泵采用变频调速运行方案可降低能耗最高达30%以上。目前级联型高压变频器则借助其谐波含量低，功率因数高，可直接驱动普通高压电机等诸多优势在国内高压变频调速市场取得市场主流地位。

根据jb/t7573-94《高原环境条件下电子产品通用技术条件》，高原具有较恶劣的自然气候条件，其中对户内型电气设备有较大影响的条件有：

（1）空气压力或空气密度较低；

（2）空气绝对湿度较小。

其中高原环境对变频器及其零部件的主要影响有：

（1）外绝缘强度的降低；

（2）局部放电电压降低，电晕起始电压降低，电晕腐蚀严重；

（3）空气开关、中继、接触器等低压电器灭弧性能降低；

（4）散热能力降低，温升增加；

（5）电工绝缘材料的物理和化学性能的变化，塑料制品中增塑剂挥发加速，密封容器产生膨胀、变形、易损坏。

我国地势西高东低，然而国内外高压电气设备标准普遍规定产品使用海拔为1000m及以下，无法满足青藏、内蒙、西北等高海拔地区应用需求。普通级联型高压变频设备是按照低于海拔1000m标准设计的。当海拔升高时，空气密度降低，引起外绝缘强度降低、局部放电电压降低、灭弧性能降低、散热能力降低、绝缘材料的物化性能变化等诸多问题，威胁设备运行安全。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种提高高压变频器高海拔环境适应能力且设计工作量少的用于高海拔地区的级联型高压变频器设计方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种用于高海拔地区的级联型高压变频器设计方法，从以下一个方面或多个方面进行设计，以使高压变频器适用于高海拔环境；包括以下方面：

1）加强外绝缘；

1.1）采取加大空气间隙及爬距的方式加强外绝缘；

1.2）高压变频器的低压电器则在选型时选择额定电压至少高出实际电路电压一个等级的产品，以保障绝缘强度；

1.3）高压变频器的高压电器则在选型时选择额定电压至少高出实际电路电压一个等级的产品或者使用高原型产品，以保障绝缘强度；

2）高压变频器中的避雷器采用高海拔避雷器，并对其内部工频放电值和保护值进行修正，以适用于高海拔环境；

3）高压变频器低压回路中采用的空气开关或接触器的额定电压值大于低压回路的工作电压等级，以便于在高海拔环境下可靠分断；

4）对高压变频器中的移相变压器、功率单元模块和开关电源采用降容使用方法，以保证正常散热以及温升。

作为上述技术方案的进一步改进：

在1.1）中，在海拔处于1000～4000m时，需要的电气间隙分别如下：

高压电路电压10kv，电气间隙实际取值时应≥182.4mm；

中间环节电路电压≤1000v，电气间隙实际取值时应≥10.8mm；

低压配电电路电压≤380v，电气间隙实际取值应≥4.05mm。

在1.2）中，低压电器包括空气开关、中继、接触器、按钮、指示灯、接线端子和电连接器，均使用额定电压690vac或660vac的型号，其中实际工作电压为220vac或380vac或24vdc。

在1.2）中，低压控制变压器采用固体绝缘材料，其绝缘耐压性能是否满足要求主要由其引出线及接线端子的间距决定，当选用220v变压器时的间距应≥8mm，当选用690v变压器时的间距应≥12mm。

在1.2）中，开关电源、电路板、控制器和触摸屏，由于其内部电压等级极低，相应的外绝缘裕量较大，满足高海拔环境要求。

在步骤1.3）中，通过降低高压变频器中移相变压器二次绕组额定电压方式来调低功率单元模块额定直流电压，同时采用增加模块级联数的方式保持额定输出电压，提高模块绝缘性能裕量。

在步骤1.3）中，通过增加绝缘件垫块方式提升平原型绝缘子的相对地间距以提高外绝缘水平。

在步骤1.3）中，高压变频器中功率模块的内部的二极管、igbt及支持电容的接线端子间距均大于12mm，满足dc800v电路在4000m海拔对电气间隙的要求。

在4）中，移相变压器和功率单元模块在1000m海拔以上时，每100m降容0.5%，在4000m时需降容15%。

在4）中，开关电源、控制变压器的选型裕量需超过50%。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的用于高海拔地区的级联型高压变频器设计方法，从加大空气间隙及爬距、电器电压等级以及选型等方面加强外绝缘、以及采用降容方法对温升散热进行考虑，从而适用于高海拔地区环境，而且不需要对各部件进行定制，可以选用市场上供应较为丰富的标准型产品，据此设计的产品满足高原应用需求的同时，对通用型级联变频器的继承性较好，有效减少设计开发工作量，降低采购、制造、维保难度。

附图说明

图1为本发明中变频器的拓扑结构图。

图2为本发明中功率单元电路图。

图3为本发明中功率单元输出电压示意图。

图4为本发明中高压变频器输出电压波形图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1至图3所示，本实施例的用于高海拔地区的级联型高压变频器设计方法，从以下一个方面或多个方面进行设计，以使高压变频器适用于高海拔环境（1000m～4000m）；包括以下方面：

1）加强外绝缘；

1.1）采取加大空气间隙及爬距的方式加强外绝缘；

1.2）高压变频器的低压电器则在选型时选择额定电压至少高出实际电路电压一个等级的产品，以保障绝缘强度；

1.3）高压变频器的高压电器则在选型时选择额定电压至少高出实际电路电压一个等级的产品或者使用高原型产品，以保障绝缘强度；

2）高压变频器中的避雷器采用高海拔避雷器，并对其内部工频放电值和保护值进行修正，以适用于高海拔环境；

3）高压变频器低压回路中采用的空气开关或接触器的额定电压值大于低压回路的工作电压等级，以便于在高海拔环境下可靠分断；

4）对高压变频器中的移相变压器、功率单元模块和开关电源采用降容使用方法，以保证正常散热以及温升。

本发明的用于高海拔地区的级联型高压变频器设计方法，从加大空气间隙及爬距、电器电压等级以及选型等方面加强外绝缘、以及采用降容方法对温升散热进行考虑，从而适用于高海拔地区环境，而且不需要对各部件进行定制，可以选用市场上供应较为丰富的标准型产品，据此设计的产品满足高原应用需求的同时，对通用型级联变频器的继承性较好，有效减少设计开发工作量，降低采购、制造、维保难度。

下面结合一具体实施例对本发明的方法做进一步说明：

对于常规的级联变频器装置，包括功率单元、移相变压器、控制器、旁路柜等主要零部件及通风加热照明装置等辅件，主要从以下四个方面进行高海拔适应性调整：

1）外绝缘

外绝缘强化的主要方法有：

1.1、加大空气间隙及爬距；

采取加大空气间隙及爬距的方式加强外绝缘，在海拔4000m时，需要的电气间隙分别如下：

——高压电路电压10kv，电气间隙实际取值时应≥182.4mm；

——中间环节电路电压≤1000v，电气间隙实际取值时应≥10.8mm；

——低压配电电路电压≤380v，电气间隙应≥4.05mm；

如果按gb12668.501-2013的表10确定的爬电距离小于上述方法所修正得到的电气间隙，则应当将爬电距离增大到该电气间隙。

整体结构采用加大空气间隙及爬距的方法进行了重新设计。

1.2、选择高一档的电压等级。

低压电器则在选型时选择额定电压至少高出实际电路电压一个等级的产品，以保障绝缘强度。

市面常见的空气开关、中继、接触器、按钮和指示灯及接线端子、电连接器等低压电器均使用额定电压690vac或660vac的型号，实际工作电压为220vac/380vac/24vdc，其外绝缘可以满足高海拔环境的使用要求；

低压控制变压器一般采用固体绝缘材料，其绝缘耐压性能是否满足高原要求主要由其引出线及接线端子的间距决定，选用的220v变压器间距大于等于8mm，690v变压器间距大于等于12mm。

开关电源、电路板、控制器、触摸屏等低压集成部件，一般情况下由于其内部电压等级极低，相应的外绝缘裕量较大，无需特殊考虑。

高压零部件（高压接触器、绝缘子、电压测量元件等）使用高原型产品或选择高一档的电压等级。

1.3、使用高原型产品；

高压接触器选用高原型产品，其在三个方面做了特殊处理：

——爬电距离做了特殊处理，真空管的相间距比10kv的大；尺寸比非高原型的尺寸要大；

——考虑高海拔降容使用，真空管本身通电电流相对普通630a接触器放大了20%余量；

——接触器的绝缘框架做了特殊处理。

绝缘子选用高原型产品，相间距、爬电、绝缘方面做了特殊处理，提高了外绝缘水平，抑或通过增加绝缘件垫块等方式提升相对地间距以使用普通平原型产品。

电压测量元件使用分压电路板进行分压取样，电路板相间及相对地间隙满足4000m海拔要求，若采用电压互感器，亦须定制高原型产品。

移相变压器由供应商进行相应设计调整。

电缆绝缘性能不依赖空气绝缘，无需特殊考虑。

功率模块内部主要的电力电子器件包括二极管、igbt及支持电容的接线端子间距均大于12mm，满足dc800v电路在4000m海拔对电气间隙的要求。

内部母线、铜排等设计时需注意相应加大间隙或采用绝缘材料包绕、填充方式加强绝缘。

通过降低移相变压器二次绕组额定电压方式调低功率单元模块额定直流电压至800vdc，同时采用增加模块级联数至9级联的方式保持装置的额定输出电压，提高模块绝缘性能裕量。

当然，外绝缘强度也可以通过加装绝缘护板、绝缘垫块、绝缘材料包绕、浇铸等方式加强。

2）局放与电晕

高海拔低气压使避雷器内腔气压降低，导致工频放电电压降低，因此选用高海拔型避雷器，其内部工频放电值、保护值做了修正。

采用高海拔型移相变压器，加强绝缘材料的耐电晕性能。

对于高压电气设备，在设计中避免金属件出现尖角、截面突变等，同时加强绝缘材料的耐电晕性能。

3）空气灭弧性能

变频器低压回路的工作电压等级为220vac/380vac/24vdc，选用空开额定电压值为690vac，其额定分断能力达6ka至10ka，远高于低压回路短路电流，可以在高原环境下可靠分断。

在变频器中中间继电器一般用于开关量信号的隔离，不用于负载的分断操作，无需特别考虑其分断能力。

在变频器中低压回路使用的接触器选用较大电流等级的型号，以获得增强的分断能力，保证可靠分断，同时根据接触器的电寿命曲线适当选型，保障接触器电寿命满足装置整体生命周期的需求。

4）散热与温升

空气压力或空气密度的降低引起空气介质冷却效应的降低。对于以自然对流、强迫通风或空气散热器为主要散热方式的电工产品，由于散热能力的下降，温升增加。在海拔至5000m范围内，每升高1000m，即平均气压每降低7.7～10.5kpa，温升增加3%～10%。

a)静止电器的温升随海拔升高的增高率，每100m一般在0.4k以内，但对高发热电器，如电炉、电阻器、电焊机等电器，温升随海拔升高的增高率，每100m达到2k以上。

b)干式强迫风冷型电力变压器的温升，随海拔的增加率每100m，其额定温升的1.0%。

针对变频器系统，主要考虑高损耗零部件（移相变压器和功率单元模块）。采用降容使用的方法，在1000m以上，每100m约降容0.5%，4000m海拔需降容15%。

开关电源等低压热源同样降容15%使用，一般开关电源、控制变压器等低压电源设备选型裕量超过50%。

电缆、铜排等自然冷却型载流件高海拔温升增高率低于变压器等高发热电器，这部分载流件随整机降容以获得裕量。

如图1至图3所示，级联型变频器采用多个独立的低压功率单元串联实现高压输出，包含移相变压器和功率单元两大部分。通过调整变压器变比适应不同的网压，调整功率单元的串联数改变装置的最高输出电压。图1为6级联变频器拓扑结构图。

移相变压器采用多重化设计，将网侧的高压变换成二次侧的多组低电压，二次侧绕组在绕制时采用延边三角形接法，相互之间形成固定相位差，产生多脉冲整流方式，使得变压器二次侧各绕组（功率单元的输入）谐波电流相互抵消，不反映到高压侧，从而有效改善电网的电流波形，基本上消除了变频器对电网的谐波污染。

变压器各二次绕组相互独立，并单独为一个功率单元供电，所以每个功率单元的主回路相对对立，并且工作在低电压状态。各功率单元之间的相对电压，由变压器二次绕组的绝缘承担，功率单元之间不存在串联均压问题。

其中功率单元是高压变频器实现变压变频输出的基本单元，整台变频器的变压变频功能是通过单个功率单元实现的，每个功率单元相当一台交-直-交电压型单相低压变频器。

典型的功率单元拓扑型式为h桥二电平功率单元，整流侧用二极管三相全桥不可控全波整流，中间采用大容量电容滤波和储能，输出侧为4只igbt组成的h桥，提供单相等幅的交流pwm波形输出电压。功率单元电路结构如图2。

以6kv6级联变频器为例：单个功率单元输出额定电压为580v。每相由6个相同功率单元串联就可以得到3480v的单相电压，三相星型连接对应的线电压为6000v。三相共有18个功率单元，连接图如图3所示。

变频器的总输出电压由各功率单元的输出电压串联叠加而得到，虽然每个单元输出的都是等幅pwm电压波形，但各单元输出相互之间有确定的相位偏移，串联叠加以后，在变频器输出侧得到的是正弦阶梯状pwm波形，如图4所示。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。