一、項(xiàng)目背景
核工業(yè)西南物理研究院建于1965年，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;是我國磁約束核聚變領(lǐng)域唯一獲得過國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)的單位;為我國核聚變能源開發(fā)事業(yè)做出了重要貢獻(xiàn)，在國際上享有較高的聲譽(yù)。
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)具有偏濾器位形的托卡馬克裝置。2009年在HL-2A裝置上首次實(shí)現(xiàn)了偏濾器位形下高約束模式運(yùn)行，這是我國磁約束聚變實(shí)驗(yàn)研究史上具有里程碑意義的重大進(jìn)展，標(biāo)志著我國磁約束聚變能源開發(fā)研究綜合實(shí)力與水平得到了極大的提高。
為保證環(huán)流器二號(hào)裝置(HL-2M)能量的充足供應(yīng)，機(jī)組采取機(jī)械儲(chǔ)能、脈沖放電工作方式。利用合康提供的HIVERT-Y6/1200(6kV/10000kW)高壓水冷變頻調(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。
二、總體方案
在國內(nèi)此種負(fù)載用途應(yīng)用屬于首例，我公司非常重視，從研發(fā)到生產(chǎn)特別成立專項(xiàng)小組來完成這具有重要意義的項(xiàng)目，拿出公司最強(qiáng)的技術(shù)力量來確保此項(xiàng)任務(wù)的圓滿完成。
根據(jù)技術(shù)參數(shù)，選用HIVERT-Y6/1200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)。
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。
1、HIVERT-Y系列變頻裝置主電路圖
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。右圖為6kV(六單元)、變頻器系列的電壓疊加示意圖。
右圖為六個(gè)690VAC功率單元串聯(lián)時(shí)，每個(gè)功率單元輸出的電壓波形及其串聯(lián)后輸出的相電壓波形示意圖，可以得到6～0～-6共13個(gè)不同的電壓等級(jí)。增加電壓等級(jí)的同時(shí)，每個(gè)等級(jí)的電壓值大為降低，從而減小了dv/dt對(duì)電機(jī)絕緣的破壞，并大大削弱了輸出電壓的諧波含量。
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?？刂破饔扇龎K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。
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。綜合考慮現(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。
風(fēng)路循環(huán)為：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。
水路循環(huán)為：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)。
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。從右往左排列，如A相從右到左分別為A1、A2、A3、A4、A5、A6(如下圖(左)所示)。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(如上圖(右)所示)，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)。內(nèi)水循環(huán)裝置如下圖所示。
4、上位控制系統(tǒng)
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。
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。
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)。
三、項(xiàng)目進(jìn)展
2014年4月29日，核工業(yè)西南物理研究院供電所李華俊書記，聚變所王海兵高級(jí)工程師蒞臨合康變頻進(jìn)行參觀指導(dǎo)，與合康變頻各位專家就中國環(huán)流器二號(hào)(HL-2M)項(xiàng)目高壓水冷變頻調(diào)速裝置進(jìn)行了技術(shù)交流。針對(duì)有速度傳感矢量控制原理與實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)控制流程(恒流啟動(dòng)加速、轉(zhuǎn)速保持等待、脈沖放電轉(zhuǎn)速跟蹤、系統(tǒng)再加速)與控制方式、啟動(dòng)與運(yùn)行過程保護(hù)與聯(lián)鎖、水冷功率單元技術(shù)特性與性能指標(biāo)、電氣控制系統(tǒng)原理與可靠性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)等幾方面的內(nèi)容進(jìn)行了討論。兩位專家還參觀了公司單元組裝、整機(jī)裝配、產(chǎn)品測試等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
2014年10月6日，核工業(yè)西南物理研究院宣偉民、李華俊、胡浩天、王海兵、徐麗榮等五位專家蒞臨合康變頻，對(duì)合康6kV/10000kW高壓水冷變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備出廠性能驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)。 核工業(yè)西南物理研究院專家對(duì)HIVERT-Y6/1200(6kV/10000kW)高壓水冷變頻調(diào)速系統(tǒng)予以了充分肯定。
此項(xiàng)目將于近期發(fā)貨并安裝調(diào)試，目前在國內(nèi)高壓水冷變頻調(diào)速系統(tǒng)在磁約束核聚變實(shí)驗(yàn)裝置脈沖發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用尚屬首例;合康變頻將全力以赴，努力為祖國的科研事業(yè)盡綿薄之力。
（轉(zhuǎn)載）
