高壓變頻器應用環境的研究與分析

1 引言

　　隨著高壓變頻器的技術日漸成熟和廣泛應用，高壓變頻器的應用廣度和深度都得到不斷地強化，變頻器在高溫、高濕、高粉塵、強腐蝕、高電磁噪聲、振動等高危險環境條件的節能應用需求日益增多。同時，面對能源形勢和節能降耗的迫切需求，諸多項目的施工周期、工程安全質量、應用空間限制等客觀因素，在不同程度上也制約了高壓變頻節能項目的順利實施和可持續發展目標的實現。

　　針對高壓變頻器應用中產生和帶來的一系列問題，能夠提出一攬子完整的集成化解決方案，并且在變頻器設計和生產中進行整體考慮、全面解決，更好的為高壓變頻節能項目提供技術保障，是當前需要研究的重要課題之一。

2 應用現狀分析

　　解決高壓變頻器的應用運行環境問題，對提高變頻器的運行安全性、穩定可靠性和經濟實用性具有重要的現實意義。針對1600kw及以下高壓變頻器的實際應用現狀進行統計分析，主要具有以下特點：

　　（1）國內在運行的高壓電動機總量中，1600kw以下的高壓電動機數量約占目前全功率電動機產品總量的69％，運用數量大范圍廣。根據當前國家建設節約型社會和可持續發展的要求，絕大部分需要通過增加高壓變頻器進行節能改造，實現節能降耗的目的。其中，需要為設備運行新增房屋建設的占到改造總量的77％以上，只有少數項目可借用已有建筑結構，而且往往受到空間位置等條件的限制無法實施或需要增加項目投入成本。

　　（2）隨著高壓變頻器在水泥、鋼鐵、冶金、礦山、石化、電力等行業的推廣應用，高溫、高粉塵、高濕、高腐蝕、晝夜溫差大等惡劣環境條件，對變頻器安全無故障運行的影響程度越發突出，導致設備停機、影響生產、造成巨大經濟損失的情況日益嚴重。并且，解決好高壓變頻器運行環境問題，在野外作業和特殊工況條件中，運行環境成為必須解決的重要問題之一。據一份美國軍方公布的電氣環境對電子設備安全的評估報告中顯示：在設備故障原因的調查分析中，80%是由于設備運行環境因素所致，其中溫度原因占55%、濕度25%、粉塵影響12%、振動和電磁噪聲13%；由于電路設計和元器件質量問題引發設備故障的只有20%。由此可見，環境對電氣設備安全的影響程度可窺一斑。圖1~圖3所示為環境對變頻器的主要元器件影響。

　　（3）由于高壓變頻器運行過程中，要產生3～4％的熱量損耗。需要提供變頻器運行溫度控制的解決方案，保證變頻器能夠在允許的環境條件下運行。而長期的溫差變化、濕度與粉塵的影響，直接導致電路板電阻、電容等電子器件特性變差，嚴重時導致故障。而電力電子功率器件對溫度的敏感性更高，由于溫度原因直接引起器件不能正常工作。海拔高度、溫度變化等因素，直接需要降額使用，究其本質也是溫度問題。因此，需要對變頻器的運行環境散熱問題特別考慮并加以解決。

　　（4）由于礦山、化工、石油開采、海上平臺等特殊生產環境的條件限制，高壓變頻器的應用需要解決防爆、防腐、防潮、防鹽霧、防高溫暴曬、超低溫運行、整體撬裝運輸等一系列特殊工況條件。尤其是在石油開采、海洋采油平臺等生產場合，全部采用撬體結構；不可能進行永久性房屋施工，因此，在高壓變頻項目的實施中，提供完整全面的集成化技術解決方案就顯得十分必要。做到設備就位即可直接使用，用完起吊即可轉場的目的。

　　綜上分析，解決高壓變頻應用中的環境問題，主要應包括如下幾個方面，并具備相應的如附表所示的技術標準和要求。

3 技術解決方案

　　針對高壓變頻器在應用中需要解決的電氣、冷卻、土建施工、低壓配電等應用環境問題，迫切需要研制出一種集成制冷、制熱、環境控制、消防安全、空間利用、工程力學、撬裝箱體結構、配電等多項專業技術融合的新型產品，從高壓變頻器設計生產時，即從本質上解決變頻器應用所需解決的所有問題。消除環境因素對設備運行安全性、穩定性、可靠性，使用壽命、電力電子器件故障率的直接影響，并且通過控制環境條件，提高的產品運行性能、延緩設備高溫老化的速度，延長使用壽命和平均無故障運行時間。同時，還要移動方便、便于運輸，解決變頻器到現場需要安裝再調試的問題，可以方便地與石油鉆探、開采等設備直接轉運、直接使用。

這種形式的產品既要獨立于普通應用的高壓變頻器，又要和變頻器緊密結合起來。實現多項技術和設備整體安裝實施，研制出適用于現場直接就位使用的整裝結構的變頻器，將可以解決以下幾個方面的問題：

　　（1）技術控制流程和工程水平可控

　　將現場的設備安裝、空間環境等通過流程化生產的方式確定下來。使得產品的運行可靠性受環境影響的因素降到最低，提高系統的運行穩定性。

　　（2）產品質量保障更加可控

　　由于設備出廠前組裝、調試完畢后，即被固化下來。因此，到場就位后，即可上電使用，工程人員成為設備運行和出廠檢驗關口的交付驗證，不再是生產過程的重復而是產品質量保證的延深。

　　（3）項目執行周期更加可控

　　由于采用產品生產將現場的安裝和空間需求在產品制造過程中解決，因此，省卻了現場需要房屋、照明、配電、防水等工程設計、土建施工、工程質量控制、施工安全、項目監理的繁瑣工程問題。

　　（4）項目質量可控

　　由于采取統一的控制流程、技術標準、專業人員，避免了現場項目實施中技術標準、人員水平、項目質量等不確定因素對設備環境和運行穩定可靠性的影響。

　　（5）設備運輸、存儲更加方便節能

　　原來設備需要出廠包裝、到場拆箱，木材浪費且無法再利用，現在整體生產制造，設備外觀既是包裝，又是到場后房屋結構，無需庫房存放、空地露天放置即可。

　　（6）項目施工周期可控

　　變頻器采用戶外整裝結構箱體后，設備能夠做到到場即安裝。只要現場場地位置確定，即可到場卸貨、即安裝完畢。省去設備到場后，還需要組織設備拆箱、轉運、就位等工作周期，設備交付運行的周期縮短2/3。

　　（7）電氣施工簡單

　　戶外變頻器提供的外置高低壓端子接箱，直接與現場接線使用，使得變頻器的施工變得像電動機安裝接線一樣簡單。

　　（8）設備調試周期更短

　　設備到場接線完畢，即可送電調試。不需要再重復設備組裝、檢查等工作。

　　（9）設備空間環境一步到位

　　無需再解決冷卻、除濕、照明、配電、消防、應急照明、應急通風等問題。設備制造出廠即定制解決。

　　實現包裝、儲運的節能，避免設備包裝箱不可再利用造成的浪費。體現環保節能的理念，省去木材的消耗。

4 可行性應用分析

　　戶外整裝結構箱式變頻器（簡稱：戶外箱式變頻器），顧名思義就是將變頻器直接生產安裝在撬裝箱體結構中，并且將多項技術和設備整體安裝實施的一種適用于現場直接就位使用于戶外的新型結構的變頻器形式。

　　戶外箱式變頻器結構的開發成功，解決了高壓變頻器應用過程中的投資成本，提高了系統的適配能力。戶外變頻器的箱體結構將變頻器的防護等級由ip20提高到ip43，完全滿足了變頻器在高粉塵、高溫、危害氣體等惡劣環境條件下的應用，適應野外作業、石油、石化、礦山、水泥等高污染、惡劣環境中使用。

　　同時，戶外箱式變頻器解決了變頻應用環境中需要解決的電氣、冷卻、土建施工、低壓配電等眾多問題一并解決了，并進行整體設計、一體化生產，不再需要現場繁瑣的施工和多專業的配合與協調。更重要的是，箱式變頻器的運用為解決外部問題提供了實現的空間和更為簡捷的手段。將變頻的控制與節能直接整合到箱體內，直接應用于電動機和入口檔板、閥門需要節能改造的設備旁邊，不再需要大面積的變更和施工成本。實現大包工程的實施費用可控，項目投資成本有據可依。

　　戶外箱式變頻器的出現，解決了變頻器到現場需要安裝再調試的問題。目前，通常高壓變頻器都要進行分體運輸，到現場就位后再進行設備組裝、接線調試。這使得設備在生產中進行整機組裝測試，通過多個獨立部門進行實施和工序控制，最后通過品質部進行檢驗出廠的流程控制而言具有不確定性。

　　將工程產品通過整體生產組裝的方式，不僅是簡化了重復的工作，節約人工成本，更重要的是使得產品到達現場后的產品質量更加可控。將原來的產品二次拆裝，調整為工程人員成為產品經過出廠檢驗后，運輸到場交付運行的最后一道檢驗產品質量工序。而不是簡單的產品再組裝、檢查、調試、投運的過程重復。這樣，就將工廠生產過程中的質量控制轉變為切實保證產品現場質量的一道環節。原來，通過設備的拆卸分解運輸，將出廠檢驗的結果在一定程度上阻斷，不能進行100%傳遞，而是通過對現場工程技術人員的培訓、管理來保證的。比高壓電動機安裝還要簡便。現場需要的只是接上高壓電纜、直接使用，解決了變頻器到現場需要安裝再調試的問題。

　　可見，戶外箱體變頻器的出現，為變頻器的應用提供了工程應用的制造平臺，項目的實現不再依托于現場的工程實施，而可以通過生產制造的方式直接提供出來，大大減少了項目實施的周期和實施成本。做到項目可以像產品一樣生產出來，開創了高壓變頻器應用的新型運用模式。集成化程度更高、技術整合和設備契合程度更好、項目實現可控程度由工程實現的35%提高到80%以上，真正做到了過程控制標準化和項目管理標準化。

5 結束語

　　戶外箱式變頻器的研制是高壓變頻器應用技術的集成體現，真正做到了工程產品向制造產品的轉變，實現了過程控制標準化和項目管理標準化。箱式變頻器的整裝結構應用于變頻器本體，是工程應用技術的又一次成功移植和技術創新，在拓寬高壓變頻器的應用領域和應用方向上具有重要的現實意義。