1、引言 大家都認可的一個不爭的現實是：任何產品都得在用戶的環境中使用，而任何產品在使用過程中又都不可能不出現故障甚至是損壞，筆者根據飛機的制造理念設計、制造高壓變頻器，而飛機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環境；二是即使出現了故障也不能即時修復，必須能夠帶傷飛回地面。 眾所周知，由于元器件的技術水平所限，不能直接采用逆變技術解決高電壓領域的變頻調速問題，因此，高壓變頻的技術研究與應用一直滯后于高壓交流電動機的發展速度。 2、“串聯疊加”原理的高壓變頻器發達過程 最早將變頻調速技術應用到高電壓領域的是“高—低—高”原理的技術方案，但由于“高—低—高”的技術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年發明的“串聯疊加”原理的高壓大功率交流電動機的變頻調速裝置（專利號：zl95119585.9）。“串聯疊加”原理的高壓大功率變頻調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域變頻調速問題的更加理想的途徑。因此，“串聯疊加”原理的高壓變頻技術得到了長足的發展，目前已成為全世界高壓變頻器產品的主流技術。 盡管傳統的“串聯疊加”原理的高壓變頻器以其優勢目前已經成為了全世界高壓變頻器產品的主流產品。但是由于它的發展歷史還比較短，還是一個有待不斷成熟的新技術，因此還必然的存在著一些缺陷。 3、傳統的“串聯疊加”原理的高壓變頻器的缺陷 （1）傳統的“串聯疊加”原理高壓變頻器的設備比較復雜、體積龐大、一般都在5～６m長，對于很多改造項目實施有一定的困難； （2）高壓大功率機電設備的電流大，溫升較高，必須對功率元器件進行良好的通風散熱。而在我國南方的大部分地區，夏季的環境溫度都會在40℃左右，通風已起不到散熱的作用；而且通風和防塵又是一對很難解決的矛盾。所以傳統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境中不能安全的使用； （3）“串聯疊加”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。大多數傳統的“串聯疊加”原理的高壓變頻器都是采用單片機作為控制程序的核心器件，而單片機的抗干擾性比較差，使用高壓變頻器的場合又大都是用電情況比較復雜的“工業環境”，干擾比較大；另外單片機若沒有必要及良好的硬軟件保護措施也不適合長時間不間斷的運行，甚至有“死機”現象發生。所以，早期的“串聯疊加”原理的高壓變頻器，經常由于程序紊亂而發生問題，甚至出現事故； （4）傳統的“串聯疊加”原理的高壓變頻器，設備比較復雜，電纜多，很難做到簡潔化，再加上是綜合性比較強的高技術產品，所以很難實現由用戶自我進行的“現場維護”； （5）大多數傳統的“串聯疊加”原理的高壓變頻器采用的都是pwm技術，一般有2.5khz左右的載頻，開關器件igbt的開關頻率較高，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，對于電動機來說本身就是“諧波”，所以當低功率運行它們所占的分量比較大時，就有了“低頻發熱”現象的發生。只是因為它們的“諧波”次數太高，一般的測試手段無法檢測到，將傳統高壓變頻器的“超高次”諧波掩蓋了。 （6）因為串聯疊加”原理的高壓變頻器的操作比較復雜，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現，除一些早期產品是因為設計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）當高壓變頻器在運行中出現故障時，絕大多數產品采取的應急措施是“旁路直合供電，工頻運行”。但是很多場合特別是為風機安裝的高壓變頻器，不宜采取“旁路直合供電，工頻運行”，因為“旁路直合供電，工頻運行”會使風量突然增大，造成諸如鍋爐正壓保護甚至風機飛車等事故的發生。 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績的多少，業績的多與少并不能真實的反映生產廠的產品技術水平。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突破 山東點石節能科技開發有限公司在引進的基礎上自主開發成功的ts-hvaf系列高壓變頻器，實現了高壓變頻器產品的重大技術突破，克服了傳統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用領域 眾所周知，高壓大功率機電設備的電流大，溫升較高，必須對功率元器件進行良好的通風散熱。而在我國南方的大部分地區，夏季的環境溫度都會在40℃左右，通風已起不到散熱的作用；再加上功率單元發熱量的積累，半導體開關器件周圍的溫度至少會達到50℃以上，也就是說：到了夏季高壓變頻器的半導體開關器件事實上是在“老化”的環境中運行的，運行風險很高，使用壽命也會大受影響。 而且通風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境，比如鋼鐵廠、發電廠和礦山等等。盡管配電室里面的粉塵不是很大，但通風會將外面的粉塵大量的吸進室內和設備里。 目前絕大多數的高壓變頻器的生產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，就只知道看看業績有多少和有沒有相關場合的業績，致使很多高壓變頻器在“惡劣”的環境中“忍辱負重”的工作著。這對于高壓變頻器的運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（專利申請號：200410080498.3和200620012395.8），不與外界環境直接進行空氣交流，徹底克服了傳統高壓變頻器在高溫、高濕、高腐蝕性氣體、高粉塵、防爆等環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的溫度控制在電子元器件特別是半導體的最佳工作溫度范圍，在這個溫度下電子元器件運行的更安全，過載能力能得到了充分的發揮，使用壽命也大大延長，極大的提高了高壓變頻器的品質。 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入柜內空氣中的少量水份“吸”出去。 4.2 抗干擾能力大大提高，控制程序最穩定 ts-hvaf系列高壓變頻器在其中央控制系統中成功的用可編程門陣列大規模集成電路（fpga）取代了傳統的高壓變頻器中的單片機，實現了“軟件問題硬件處理”，將全部的控制程序固化在“大規模集成電路”這個“硬件”里面。在任何情況下—包括上位機和中央控制系統掉電或損壞，也不會出現程序紊亂、死機等現象，高壓變頻器仍可以在原工況狀態下繼續安全運行。同時還極大的提高了抗干擾能力，使設備的運行更加安全、穩定和可靠。用“硬件”作為控制程序核心器件的高壓變頻器，在用戶現場經過長時間的運行，從未出現過操作反應遲緩、“死機”和程序紊亂的現象。由于目前相關技術水平的限制，fpga還無法直接與工控機通訊，所以在ts-hvaf高壓變頻器的中央控制系統中使用了plc，雖然高壓變頻器的制造成本增加了數千元，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 運行更加安全、可靠，實現小故障可以安全運行 由于控制程序的穩定可靠，使得ts-hvaf型高壓變頻器可以在傳統高壓變頻器的基礎上增加切分和疊加單元的個數：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“波形連續變換”技術，一旦個別功率單元出現故障，輸出電壓的損失比較小，仍能夠維持較高功率的運行，即6kv的可以在46hz及以下頻率繼續安全運行，10kv的可以在47hz及以下頻率繼續安全運行。這就是說，ts-hvaf型高壓變頻器即便出現一些故障，也基本能夠滿足一般用戶的正常使用，而不必立即進行維修。 這就是“飛機制造的理念”：出現故障無須立即進行維修，可以“帶傷”飛回機場—即等到用戶可以停機時再進行維修。 4.4 開關器件的負荷及能耗最低，使用壽命最長 由于切分和疊加單元數的增加，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）取代傳統的pwm（一般有2.5khz左右的載頻）技術。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器件的開關頻率和負荷，減少了開關器件的能耗，即使加裝了“中央空調”，ts-hvaf系列高壓變頻器的功耗也不會高于傳統的高壓變頻器。不僅使ts-hvaf系列高壓變頻器的運行更加安全可靠，同時還延長了開關器件（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“低頻發熱”現象的發生。 4.5 整機最簡捷，大故障可以實現現場維護 由于“串聯疊加”原理高壓變頻器的技術比較復雜，器件和功率單元比較多。所以高壓變頻器的售后服務和運行中的較大維護一直由生產廠家承擔，即便經過培訓，在很長的時間內用戶自己的維護人員也還是不能有把握地進行現場維護。 盡管各個生產廠家在銷售時都有售后服務和運行維護的承諾，但想想看：一個制造廠要負責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場，從檢查出故障部位到發備件，從備件運抵現場到維修完成再進行調試，是不是能夠在幾天內完成的？什么樣的售后服務網絡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網絡？ 山東點石節能科技開發有限公司對售后服務水平的理解是：“最好的售后服務，就是用戶根本不需要廠家來售后服務”。而“用戶不需要廠家來售后服務”并不是廠家不服務，而是要通過改善設備的技術水平和“最好的服務”使用戶自己的維護人員經過培訓能夠真正的進行現場維護和維修。 而要達到用戶自己的維護人員能夠真正地進行現場維護和維修的目的，產品就必須實現如下的功能： （1）必須實現產品的模塊化和故障點的集中，而且整機布局必須簡捷、清晰以方便用戶維修人員的維修，因為用戶的維修人員僅僅經過培訓還是不能夠進行很復雜的維修； （2）必須有清晰的故障引導系統，因為用戶的維修人員經過簡單培訓還不能很好地判斷故障； （3）出現一般性的故障，必須能夠“帶傷”繼續運行，一直安全運行到用戶能夠停機時，再進行維修。 ts-hvaf型高壓變頻器的柜內主電路無電線、電纜，極大的減少了接線電阻和可能的故障點，整機布局簡捷、清晰，大大提高了高壓變頻器整機的可靠性。整機單元化，更換一個功率單元只需勞動7個螺絲，10min內即可完成，在故障引導系統的提示下，完全可以實現用戶的現場自我維護和檢修。 4.6 產品的出廠檢驗最有效 ts-hvaf型高壓變頻器唯一實現了整機運輸，不僅大大縮短了現場安裝、調試的時間，將因安裝、調試造成的停產損失降到最低；更重要的是高壓變頻器在生產廠所作的全部調試和檢驗更加真實、可靠和有效。 4.7 最完善的防誤操作系統，唯一可以進行防誤操作驗收的高壓變頻器 根據用戶提出的要求以及現場使用的實際情況，ts-hvaf型高壓變頻器可以設置比較完善的防誤操作系統，保證最大限度的避免由于操作人員誤操作而發生故障的可能。ts-hvaf型高壓變頻器，是目前唯一可以按照用戶的要求簽定“防誤操作協議”，并在設備驗收時進行防誤操作試驗的高壓變頻器產品。 5、典型應用實例 2005年4月，我公司為武漢晨鳴集團長江提水廠安裝了一臺6kv、630kva的高壓變頻器，還在調試驗收期間該集團就開始宣傳這次變頻改造的節電效果了,經過改造，不僅被控水泵的節電效果十分明顯，而且還節省了由于水庫灌滿后反向長江回送水的電費和水費，并且延長了設備的使用周期，節省了設備的保養費用。他們預計每天的節電在2000kw·h以上。這臺高壓變頻器自2005年4月29日通過用戶驗收至今運行正常。經過驗收期間對用戶的簡單培訓，這臺高壓變頻器還成為了第一臺由用戶自行維護維修的高壓變頻器。 2006年山西省北方銅業集團進行高壓變頻改造時，由于配電室的現有面積所限，取消了原招投標計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。當地煤礦集團的機電專家現場考察后當場決定：采用我公司的ts-hvaf高壓變頻器在煤礦主巷通風上進行高壓變頻的試點改造。 在無錫市東方環境工程研究所承攬的山東通禹集團鋼廠除塵風機改造工程中,由于安裝環境的粉塵比較大，不能采用簡單的通風散熱方式。如果采取室內循環散熱方式，需另外投資安裝熱交換器,運行費用也會增加。經過用戶與無錫市東方環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在山東省禹城市通禹集團鋼廠。 6、結束語 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速領域的一次革命，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域得到應用，對促進高壓大功率電機的變頻調速改造，必將起到積極的促進作用。 使用高壓變頻器調整工況時的便利和明顯的節能效果,得到了廣大用戶的認可；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”的高科技產品,已經率先打破了“外國的月亮比中國圓”的那種似乎已經司空見慣了的產品格局。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、協會給予這個事業的真誠的關注、鼓勵和支持。 當然國產的“高壓”事業還面臨著很多的困難和困惑，市場的開發和競爭還比較混亂和無序，這一切都有待于努力和改善。在此代表點石公司和投資人提出三點建議： （1）在自愿的基礎上成立“高壓變頻器生產廠家自助組織”，保護生產廠商共同的利益和市場； （2）向全國的廣大用戶宣布：“組織”內成員單位的市場開發和售后服務網絡資源共享，互利互惠，提高整體的競爭能力； （3）“組織”內成員單位的技術和知識產權資源共享，互利互惠，共同進步，永遠保持國產高壓變頻器在技術上的領先地位。