新型的IGBT(IGCT)高中壓變頻器
| 一、總論 1、專案概述 本專案研製的大功率IGBT（ICBT）變頻器是採用幾個低壓PWM功率單元串接組成的中、高壓變頻器，由一個多繞組的隔離變壓器供電，一高速微處理器和光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)控制和通信。研製的樣機(jī)爲(wèi)額定輸出電壓6KV的變頻器。其原理是電網(wǎng)電壓經(jīng)過二次側(cè)多重化的隔離變壓器降壓後給功率單元供電，功率單元爲(wèi)三相輸入、單相輸出的交－直－交PWM電壓源型變頻器結(jié)構(gòu)。也就是將相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成丫聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機(jī)。每個功率單元分別由輸入變壓器的一組二次繞組供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。對地有5KV的耐壓。對於額定輸出電壓爲(wèi)6KV的變頻器，每相由5個額定電壓爲(wèi)690V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達(dá)3450V，線電壓可達(dá)6KV左右，每個功率單元承受全部的輸出電流，但只提供1／5的相電壓和1／15的輸出功率。每個功率單元都是一個採用IGBT構(gòu)成的三相輸入、單相輸出的PWM變頻器，輸出0-690V可調(diào)電壓和0-120Hz可調(diào)頻率，功率單元都從一個微處理器構(gòu)成的中央控制器接受命令。命令經(jīng)由光導(dǎo)纖維傳送，以維持5KV的絕緣並保證良好的抗干擾性和可靠性。給功率單元供電的變壓器二次線圈在繞制時相互之間存在一個小的相位差，這可以消除各單元産生的大多數(shù)諧波電流，因而，基波電流基本上是正弦波，功率因數(shù)在整個負(fù)荷變化範(fàn)圍內(nèi)可保持在0.95以上?？刂齐娐啡渴悄０迨浇Y(jié)構(gòu)。每個模板有三個通道，控制對應(yīng)三相的五個功率單元，模板都插在一個光纜槽板上，經(jīng)光導(dǎo)纖維從主控器接受信號。光纜槽板最多可插6個模板。對於6000V的變頻器，有5個就夠了。光纜槽板上的晶體振蕩器用來産生三角波信號，分5路饋送到5組功率單元，每組相差36度。主控制器爲(wèi)多處理器結(jié)構(gòu)，包括微處理機(jī)板和電源介面板，分別執(zhí)行不同的控制功能。 2、專案的社會經(jīng)濟(jì)意義 針對落後的大中型電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，研製高中壓變頻器，其意義在於具有巨大的節(jié)能效果，有巨大的市場容量，有巨大的産業(yè)化前景和巨大的經(jīng)濟(jì)效益（高中壓變頻器在風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載上的應(yīng)用，一年半的節(jié)電費(fèi)用，就可以收回設(shè)備投資）；同時，開發(fā)高中壓變頻器涉及到的DSP控制，現(xiàn)場匯流排，電力電子等技術(shù)對産業(yè)化發(fā)展，具有極強(qiáng)的輻射和關(guān)聯(lián)效應(yīng)。 3、本企業(yè)實(shí)施專案的優(yōu)勢和風(fēng)險 本企業(yè)實(shí)施專案的優(yōu)勢： 本專案的承擔(dān)企業(yè)是有限責(zé)任公司，由民營科技型企業(yè)、市屬研究所和對科技行業(yè)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)服務(wù)的仲介部門共同組成的多種經(jīng)濟(jì)成份參股的企業(yè)，符合瀋陽市政府和市科委重點(diǎn)支援的企業(yè)政策。 專案技術(shù)先進(jìn)，創(chuàng)新程度高，屬國際先進(jìn)水平，是國內(nèi)首次對IGBT（IGCT）高中壓變頻器進(jìn)行研製、開發(fā)。公司有強(qiáng)大的技術(shù)力量做保證，有高級工程師、碩士15名，有10人長期從事電子技術(shù)專案的研製和現(xiàn)場應(yīng)用，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。 管理上的可靠保證。本公司管理人員素質(zhì)高，年輕化，富有朝氣，開拓創(chuàng)新意識強(qiáng)，能力出衆(zhòng)，全部爲(wèi)大學(xué)本科以上。企業(yè)的組織管理、生産經(jīng)營實(shí)行了全新的現(xiàn)代化管理制度，在國內(nèi)交流電氣傳動領(lǐng)域有較大的市場份額。 本專案的合作研製單位是東北大學(xué)資訊科學(xué)與工程學(xué)院電氣工程系，該系有多名國內(nèi)著名的變頻調(diào)速理論專家，寫作出版了大量變頻調(diào)速類大專院校教材及"電氣自動化新技術(shù)叢書"中的交流調(diào)速類圖書，是我國電氣傳動界的權(quán)威理論家。 本專案的研製負(fù)責(zé)人滿永奎博士從事交流傳動研究與開發(fā)多年，97年初第二次出國前任東北大學(xué)電氣工程系主任，先後曾在英國三所大學(xué)和一家公司從事過研究和開發(fā)工作，著書《通用變頻器及其應(yīng)用》爲(wèi)全國電氣自動化新技術(shù)叢書中銷量******的一本(全系列爲(wèi)三十多本)。具有兩項(xiàng)專利，三十多篇論文，組織過多項(xiàng)科研的研究和産品開發(fā)，主講過六門課程，在該領(lǐng)域有二十年的研究與開發(fā)經(jīng)歷。組織開發(fā)的電腦全數(shù)位控制變頻器已經(jīng)成功地應(yīng)用于丹東汽車製造廠，瀋陽飛機(jī)製造公司，水電部水電六局等20多家用戶；開發(fā)的智慧型煤粉倉料位元探測系統(tǒng)成功地應(yīng)用於清河發(fā)電廠和遼寧發(fā)電廠；開發(fā)的新型電車控制系統(tǒng)已在英國35人載客模型車上運(yùn)行；開發(fā)的包括DSP控制，變頻器逆變的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在英國萊斯特大學(xué)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行。滿永奎博士無論是在電機(jī)理論．交流傳動系統(tǒng)．電力電子方面，還是在數(shù)位控制、DSP應(yīng)用、表面安裝技術(shù)方面等，都有很深的造詣；還曾在英國一家公司任過部門經(jīng)理，具有參預(yù)國外開放型市場經(jīng)濟(jì)競爭的親身經(jīng)歷，具有組織與管理能力。 本企業(yè)實(shí)施專案的風(fēng)險： 目前高壓變頻調(diào)速器的廣大市場和日漸成熟的技術(shù)已被國內(nèi)外該領(lǐng)域的部分廠家關(guān)注，在半年至一年內(nèi)成功研製出該産品將佔(zhàn)有巨大的市場份額和取得較大的利潤空間；如研製進(jìn)程較慢，效率不高，將有可能失去一定的市場份額並且産品的利潤空間較小。 4、專案計劃目標(biāo) 總體目標(biāo)： 計劃投資額480萬元，專案完成時達(dá)到設(shè)計定型及批量生産，實(shí)現(xiàn)年生産能力100套本産品，産值1億元，淨(jìng)利潤2500萬元，企業(yè)資産規(guī)模達(dá)2000萬元，企業(yè)人員總數(shù)157人、新增就業(yè)人數(shù)120人。 經(jīng)濟(jì)目標(biāo)： 專案執(zhí)行前二年，累計實(shí)現(xiàn)工業(yè)增加值720萬元，銷售收入720萬元，淨(jìng)利潤215萬元；專案執(zhí)行第三年，累計實(shí)現(xiàn)工業(yè)産值2400萬元，銷售收入2400萬元，淨(jìng)利潤600萬元；專案執(zhí)行第四年，實(shí)現(xiàn)年工業(yè)産值1億元，銷售收入1億元，淨(jìng)利潤2500萬元。 質(zhì)量指標(biāo)： 達(dá)到IEEE519標(biāo)準(zhǔn)。 技術(shù)指標(biāo)： 功率範(fàn)圍：400KW－7500KW 2300VAC－7200VAC 設(shè)計：多重化的脈寬調(diào)製 輸入：額定輸出功率時爲(wèi)＋10％，－5％， 降額輸出時可達(dá) ＋10％／－30％ 輸出：脈寬調(diào)製正弦波，0－7200VAC 輸入功率因數(shù)：在20％－100％負(fù)載下均能達(dá)到0.95 輸入電源：無相序敏感 頻率精度：所有因數(shù)下（±0.5％） 調(diào)速範(fàn)圍：0－100％連續(xù)的（依應(yīng)用而定） 過載：標(biāo)準(zhǔn)110％一分鐘，150％（可選擇） 加速時間：0.1－3200秒，可調(diào)節(jié)（依負(fù)載而定） 減速時間：0.1－3200秒，可調(diào)節(jié)（依負(fù)載而定） 輸出頻率：0－50／60HZ，用戶可選到120HZ 防護(hù)等級：空冷爲(wèi)NEMA－1，水冷的爲(wèi)NEMA－12 環(huán)境溫度：攝氏0－40度；有更高溫度要求可以特殊設(shè)計。 海拔：平均海拔1000米以下，再高需特殊設(shè)計。 塵污染：在6.5毫克立方升時小於100微米。 氣體污染：抗電性氯化物和硫化物少於每十億分之四。 專案研製期階段目標(biāo)： 計劃在18個月內(nèi)完成樣機(jī)製作及調(diào)試，分三個階段，時間從2003年4月28日第一批款到位開始。 第一階段: 系統(tǒng)設(shè)計；電路板設(shè)計；訂購所有微電子器件；光纖信號傳輸試驗(yàn)；電路板製作；高壓變頻器應(yīng)用現(xiàn)場考查；系統(tǒng)仿真分析；櫃體設(shè)計；結(jié)構(gòu)設(shè)計；部分程式設(shè)計；部分器件購置；其他器件市場調(diào)查，準(zhǔn)備訂貨。 第一階段驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)： a)電路原理圖，電路板圖，結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，櫃體尺寸圖； b)對購買的所有微電子器件上帳、入庫； c)光纖信號傳輸試驗(yàn)結(jié)果。 第二階段： 電路板到貨，焊接電路板，程式編制，電路板及程式部分調(diào)試，所有器件定貨，主回路安裝，櫃體加工。 第二階段驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)： 電路板製成，單元試驗(yàn)通過（試驗(yàn)資料由乙方提供）， 加工與組裝完畢； 系統(tǒng)仿真分析結(jié)果。 第三階段：聯(lián)機(jī)調(diào)試 包括實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場調(diào)試和應(yīng)用現(xiàn)場調(diào)試（甲方負(fù)責(zé)乙方人員以外的現(xiàn)場調(diào)試的人員費(fèi)用和運(yùn)輸費(fèi)用） 第三階段驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)： 現(xiàn)場運(yùn)行 全部圖紙 程式清單 器件清單 2004年4月~2004年7月，完成設(shè)備現(xiàn)場安裝調(diào)試，達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，控制系統(tǒng)試運(yùn)行，現(xiàn)場跟蹤服務(wù)，進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)。 2004年8月，鑒定材料準(zhǔn)備，專案鑒定。 二、專案執(zhí)行企業(yè)情況 1、專案執(zhí)行企業(yè)基本情況 瀋陽三義自動控制有限責(zé)任公司成立於2001年3月，註冊資金290萬元人民幣，位於瀋陽市沈河區(qū)東濱河路162號。公司由瀋陽三義電氣有限責(zé)任公司、瀋陽市自動化儀錶研究所、瀋陽科學(xué)技術(shù)總院三家聯(lián)合組成，其中職工個人持股占53.4％、國有股占46.6％。 2、企業(yè)人員及開發(fā)能力論述 公司主要管理人員簡介：公司董事長兼總經(jīng)理聶森，自動控制專業(yè)本科學(xué)歷、經(jīng)濟(jì)專業(yè)研究生學(xué)歷，從事自動控制專業(yè)技術(shù)工作六年、自動控制企業(yè)經(jīng)營、管理六年，1998年榮獲"瀋陽市股份制企業(yè)十大優(yōu)秀青年廠長（經(jīng)理）"稱號。2000年獲"瀋陽市沈河區(qū)勞動模範(fàn)"稱號。 公司副董事長、副總經(jīng)理蔣興家，兼任瀋陽市自動化儀錶研究所所長、清華大學(xué)核子物理專業(yè)畢業(yè)； 公司副總經(jīng)理董雅東女士，兼任遼寧省民營企業(yè)協(xié)會副理事長，大學(xué)學(xué)歷。曾獲瀋陽市優(yōu)秀科技工作者、中國民協(xié)"敬業(yè)樂群"等獎勵。 公司現(xiàn)有人員37名、高級高程師、碩士15名；大專以上33名；主要管理人員5名，平均年齡41歲，均爲(wèi)大學(xué)以上文化；技術(shù)開發(fā)人員4名，生産人員14名，銷售人員8名。 新産品開發(fā)能力情況：企業(yè)每年技術(shù)開發(fā)投入40萬元，占企業(yè)年銷售收入4％。 科研開發(fā)隊(duì)伍：均有碩士以上學(xué)位、平均年齡38歲，有10年以上産品設(shè)計，現(xiàn)場自動控制裝置安裝調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。 專案技術(shù)負(fù)責(zé)人：許建甯，碩士、高級工程師、自動控制專業(yè)，15年變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計、成套應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，發(fā)表10多篇論文，曾接受美國某高壓變頻調(diào)速器公司技術(shù)培訓(xùn)，並設(shè)計、安裝多套進(jìn)口高壓變頻調(diào)速設(shè)備，擔(dān)任本公司技術(shù)部主任職務(wù)。 3、企業(yè)財務(wù)經(jīng)濟(jì) 公司每年完成銷售額1040萬元，年贏利150萬元。 4、企業(yè)管理情況 專案承擔(dān)企業(yè)是經(jīng)工商、稅務(wù)、行業(yè)主管部門嚴(yán)格審查，依據(jù)有限責(zé)任公司的有關(guān)法規(guī)，於2001年3月正式成立的，産權(quán)明晰。股東有三家；瀋陽三義電氣有限責(zé)任公司，占投資比例的53.4%、瀋陽市自動化儀錶研究所，占投資比例的44%、瀋陽科學(xué)技術(shù)總院，占投資比例的2.6%。管理機(jī)構(gòu)建全。公司按有限責(zé)任公司章程規(guī)範(fàn)運(yùn)作，實(shí)行董事會領(lǐng)導(dǎo)下的總經(jīng)理負(fù)責(zé)制、全員聘任制。 瀋陽三義自動控制有限責(zé)任公司內(nèi)部管理機(jī)構(gòu)的設(shè)置： 企業(yè)獲獎：瀋陽百強(qiáng)科技企業(yè)、東北三省優(yōu)秀民營企業(yè)。 5、企業(yè)發(fā)展思路 專案研製起一年內(nèi)，主要進(jìn)行産品的工業(yè)設(shè)計完善，完成産品ISO9002質(zhì)量認(rèn)證；專案研製第二年，達(dá)到銷售收入720萬元，淨(jìng)利潤215萬元；3年內(nèi)，達(dá)到銷售收入2400萬元，淨(jìng)利潤600萬元，專案執(zhí)行第四年，實(shí)現(xiàn)年銷售收入1億元，淨(jìng)利潤2500萬元；爭取在3-4年內(nèi)，不斷進(jìn)行資本運(yùn)作，擴(kuò)大企業(yè)市場份額，加大産品科技含量和競爭力，將産品推向國際市場；力爭在科技版塊上市，逐步形成具有國際競爭力的，國內(nèi)一流的高壓變頻器製造公司。 三、專案的技術(shù)可行性和成熟性分析 1、專案的技術(shù)創(chuàng)新性論述 （1）、變頻調(diào)速的基本原理 非同步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速爲(wèi)n1=60f1/ np 式中n1--同步轉(zhuǎn)速(r/min) f1--定子頻率(Hz) np--磁極對數(shù)。 而非同步電動機(jī)的軸轉(zhuǎn)速爲(wèi)n= n1 (1-s)= 60f1/ np(1-s) 式中s-非同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率，s= (n1-n)/ n1 改變非同步電動機(jī)的供電頻率，可以改變其同頻轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)速運(yùn)行。 對非同步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時，希望電動機(jī)的主磁通保持額定值不變。磁通太弱，鐵心利用不充分，同樣的轉(zhuǎn)子電流下，電磁轉(zhuǎn)矩小，電動機(jī)的負(fù)載能力下降；磁通太強(qiáng)，則處於過勵磁狀態(tài)，使勵磁電流過大，這就限制了定子電流的負(fù)載分量，爲(wèi)使電動機(jī)不過熱，負(fù)載能力也要下降。非同步電動機(jī)的氣隙磁通（主磁通）是定、轉(zhuǎn)子合成磁動勢産生的，下面說明怎樣才能使氣隙磁通保持恒定。 由電機(jī)理論知道，三相非同步電動機(jī)定子每相電動勢的有效值爲(wèi) E1=4.44f1N1фm 式中 E1-定子每相由氣隙磁通感應(yīng)的電動勢的方均根值（V）； f1-定子頻率; N1-定子相繞組有效匝數(shù)；фm-每極磁通量 由上式可見，фm的值是由E1和f1共同決定的，對E1和f1進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，就可以使氣隙磁通фm保持額定值不變。下面分兩情況說明： 1、基頻以下的恒磁通變頻調(diào)速 這是考慮從基頻（電動機(jī)額定頻率f1N）向下調(diào)速的情況。爲(wèi)了保持電動機(jī)的負(fù)載能力，應(yīng)保持氣隙主磁通фm不變，這就要求降低供電頻率的同時降低感應(yīng)電動勢，保持E1/＝常數(shù)，即保持電動勢與頻率之比爲(wèi)常數(shù)進(jìn)行控制。這種控制又稱爲(wèi)恒磁通變頻調(diào)速，屬於恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。 但是，E1難於直接檢測和直接控制。當(dāng)E1和f1的值較高時，定子的漏阻抗壓降相對比較小，如忽略不計，則可以近似地保持定子相電壓U1和f1頻率的比值爲(wèi)常數(shù)， |
