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纖維實現控制和通信。研製的樣機爲額定輸出電壓6KV的變頻器。其原理是電網電壓經過二次側多重化的隔離變壓器降壓後給功率單元供電，功率單元爲三相輸入、單相輸出的交－直－交PWM電壓源型變頻器結構。也就是將相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成丫聯結結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。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6KV的變頻器，每相由5個額定電壓爲690V的功率單元串聯而成，輸出相電壓最高可達3450V，線電壓可達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構成的三相輸入、單相輸出的PWM變頻器，輸出0-690V可調電壓和0-120Hz可調頻率，功率單元都從一個微處理器構成的中央控制器接受命令。命令經由光導纖維傳送，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諧波電流，因而，基波電流基本上是正弦波，功率因數在整個負荷變化範圍內可保持在0.95以上。控制電路全部是模板式結構。每個模板有三個通道，控制對應三相的五個功率單元，模板都插在一個光纜槽板上，經光導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。主控制器爲多處理器結構，包括微處理機板和電源介面板，分別執行不同的控制功能。 2、專案的社會經濟意義 針對落後的大中型電機驅動系統，研製高中壓變頻器，其意義在於具有巨大的節能效果，有巨大的市場容量，有巨大的産業化前景和巨大的經濟效益（高中壓變頻器在風機泵類負載上的應用，一年半的節電費用，就可以收回設備投資）；同時，開發高中壓變頻器涉及到的DSP控制，現場匯流排，電力電子等技術對産業化發展，具有極強的輻射和關聯效應。 3、本企業實施專案的優勢和風險 本企業實施專案的優勢： 本專案的承擔企業是有限責任公司，由民營科技型企業、市屬研究所和對科技行業負責協調服務的仲介部門共同組成的多種經濟成份參股的企業，符合瀋陽市政府和市科委重點支援的企業政策。 專案技術先進，創新程度高，屬國際先進水平，是國內首次對IGBT（IGCT）高中壓變頻器進行研製、開發。公司有強大的技術力量做保證，有高級工程師、碩士15名，有10人長期從事電子技術專案的研製和現場應用，積累了豐富的經驗。 管理上的可靠保證。本公司管理人員素質高，年輕化，富有朝氣，開拓創新意識強，能力出衆，全部爲大學本科以上。企業的組織管理、生産經營實行了全新的現代化管理制度，在國內交流電氣傳動領域有較大的市場份額。 本專案的合作研製單位是東北大學資訊科學與工程學院電氣工程系，該系有多名國內著名的變頻調速理論專家，寫作出版了大量變頻調速類大專院校教材及"電氣自動化新技術叢書"中的交流調速類圖書，是我國電氣傳動界的權威理論家。 本專案的研製負責人滿永奎博士從事交流傳動研究與開發多年，97年初第二次出國前任東北大學電氣工程系主任，先後曾在英國三所大學和一家公司從事過研究和開發工作，著書《通用變頻器及其應用》爲全國電氣自動化新技術叢書中銷量最大的一本(全系列爲三十多本)。具有兩項專利，三十多篇論文，組織過多項科研的研究和産品開發，主講過六門課程，在該領域有二十年的研究與開發經歷。組織開發的電腦全數位控制變頻器已經成功地應用于丹東汽車製造廠，瀋陽飛機製造公司，水電部水電六局等20多家用戶；開發的智慧型煤粉倉料位元探測系統成功地應用於清河發電廠和遼寧發電廠；開發的新型電車控制系統已在英國35人載客模型車上運行；開發的包括DSP控制，變頻器逆變的風力發電系統在英國萊斯特大學實驗室運行。滿永奎博士無論是在電機理論．交流傳動系統．電力電子方面，還是在數位控制、DSP應用、表面安裝技術方面等，都有很深的造詣；還曾在英國一家公司任過部門經理，具有參預國外開放型市場經濟競爭的親身經歷，具有組織與管理能力。 本企業實施專案的風險： 目前高壓變頻調速器的廣大市場和日漸成熟的技術已被國內外該領域的部分廠家關注，在半年至一年內成功研製出該産品將佔有巨大的市場份額和取得較大的利潤空間；如研製進程較慢，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 總體目標： 計劃投資額480萬元，專案完成時達到設計定型及批量生産，實現年生産能力100套本産品，産值1億元，淨利潤2500萬元，企業資産規模達2000萬元，企業人員總數157人、新增就業人數120人。 經濟目標： 專案執行前二年，累計實現工業增加值720萬元，銷售收入720萬元，淨利潤215萬元；專案執行第三年，累計實現工業産值2400萬元，銷售收入2400萬元，淨利潤600萬元；專案執行第四年，實現年工業産值1億元，銷售收入1億元，淨利潤2500萬元。 質量指標： 達到IEEE519標準。 技術指標： 功率範圍：400KW－7500KW 2300VAC－7200VAC 設計：多重化的脈寬調製 輸入：額定輸出功率時爲＋10％，－5％， 降額輸出時可達 ＋10％／－30％ 輸出：脈寬調製正弦波，0－7200VAC 輸入功率因數：在20％－100％負載下均能達到0.95 輸入電源：無相序敏感 頻率精度：所有因數下（±0.5％） 調速範圍：0－100％連續的（依應用而定） 過載：標準110％一分鐘，150％（可選擇） 加速時間：0.1－3200秒，可調節（依負載而定） 減速時間：0.1－3200秒，可調節（依負載而定） 輸出頻率：0－50／60HZ，用戶可選到120HZ 防護等級：空冷爲NEMA－1，水冷的爲NEMA－12 環境溫度：攝氏0－40度；有更高溫度要求可以特殊設計。 海拔：平均海拔1000米以下，再高需特殊設計。 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： 計劃在18個月內完成樣機製作及調試，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: 系統設計；電路板設計；訂購所有微電子器件；光纖信號傳輸試驗；電路板製作；高壓變頻器應用現場考查；系統仿真分析；櫃體設計；結構設計；部分程式設計；部分器件購置；其他器件市場調查，準備訂貨。 第一階段驗收標準： a)電路原理圖，電路板圖，結構設計圖，櫃體尺寸圖； b)對購買的所有微電子器件上帳、入庫； c)光纖信號傳輸試驗結果。 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試，所有器件定貨，主回路安裝，櫃體加工。 第二階段驗收標準： 電路板製成，單元試驗通過（試驗資料由乙方提供）， 加工與組裝完畢； 系統仿真分析結果。 第三階段：聯機調試 包括實驗現場調試和應用現場調試（甲方負責乙方人員以外的現場調試的人員費用和運輸費用） 第三階段驗收標準： 現場運行 全部圖紙 程式清單 器件清單 2004年4月~2004年7月，完成設備現場安裝調試，達到技術指標，控制系統試運行，現場跟蹤服務，進行技術培訓。 2004年8月，鑒定材料準備，專案鑒定。 二、專案執行企業情況 1、專案執行企業基本情況 瀋陽三義自動控制有限責任公司成立於2001年3月，註冊資金290萬元人民幣，位於瀋陽市沈河區東濱河路162號。公司由瀋陽三義電氣有限責任公司、瀋陽市自動化儀錶研究所、瀋陽科學技術總院三家聯合組成，其中職工個人持股占53.4％、國有股占46.6％。 2、企業人員及開發能力論述 公司主要管理人員簡介：公司董事長兼總經理聶森，自動控制專業本科學歷、經濟專業研究生學歷，從事自動控制專業技術工作六年、自動控制企業經營、管理六年，1998年榮獲"瀋陽市股份制企業十大優秀青年廠長（經理）"稱號。2000年獲"瀋陽市沈河區勞動模範"稱號。 公司副董事長、副總經理蔣興家，兼任瀋陽市自動化儀錶研究所所長、清華大學核子物理專業畢業； 公司副總經理董雅東女士，兼任遼寧省民營企業協會副理事長，大學學歷。曾獲瀋陽市優秀科技工作者、中國民協"敬業樂群"等獎勵。 公司現有人員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，均爲大學以上文化；技術開發人員4名，生産人員14名，銷售人員8名。 新産品開發能力情況：企業每年技術開發投入40萬元，占企業年銷售收入4％。 科研開發隊伍：均有碩士以上學位、平均年齡38歲，有10年以上産品設計，現場自動控制裝置安裝調試經驗。 專案技術負責人：許建甯，碩士、高級工程師、自動控制專業，15年變頻調速系統設計、成套應用經驗，發表10多篇論文，曾接受美國某高壓變頻調速器公司技術培訓，並設計、安裝多套進口高壓變頻調速設備，擔任本公司技術部主任職務。 3、企業財務經濟 公司每年完成銷售額1040萬元，年贏利150萬元。 4、企業管理情況 專案承擔企業是經工商、稅務、行業主管部門嚴格審查，依據有限責任公司的有關法規，於2001年3月正式成立的，産權明晰。股東有三家；瀋陽三義電氣有限責任公司，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%、瀋陽科學技術總院，占投資比例的2.6%。管理機構建全。公司按有限責任公司章程規範運作，實行董事會領導下的總經理負責制、全員聘任制。 瀋陽三義自動控制有限責任公司內部管理機構的設置： 企業獲獎：瀋陽百強科技企業、東北三省優秀民營企業。 5、企業發展思路 專案研製起一年內，主要進行産品的工業設計完善，完成産品ISO9002質量認證；專案研製第二年，達到銷售收入720萬元，淨利潤215萬元；3年內，達到銷售收入2400萬元，淨利潤600萬元，專案執行第四年，實現年銷售收入1億元，淨利潤2500萬元；爭取在3-4年內，不斷進行資本運作，擴大企業市場份額，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，國內一流的高壓變頻器製造公司。 三、專案的技術可行性和成熟性分析 1、專案的技術創新性論述 （1）、變頻調速的基本原理 非同步電動機的同步轉速，即旋轉磁場的轉速爲n1=60f1/ np 式中n1--同步轉速(r/min) f1--定子頻率(Hz) np--磁極對數。 而非同步電動機的軸轉速爲n= n1 (1-s)= 60f1/ np(1-s) 式中s-非同步電動機的轉差率，s= (n1-n)/ n1 改變非同步電動機的供電頻率，可以改變其同頻轉速，實現調速運行。 對非同步電動機進行調速控制時，希望電動機的主磁通保持額定值不變。磁通太弱，鐵心利用不充分，同樣的轉子電流下，電磁轉矩小，電動機的負載能力下降；磁通太強，則處於過勵磁狀態，使勵磁電流過大，這就限制了定子電流的負載分量，爲使電動機不過熱，負載能力也要下降。非同步電動機的氣隙磁通（主磁通）是定、轉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。 由電機理論知道，三相非同步電動機定子每相電動勢的有效值爲 E1=4.44f1N1фm 式中 E1-定子每相由氣隙磁通感應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；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進行適當的控制，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速 這是考慮從基頻（電動機額定頻率f1N）向下調速的情況。爲了保持電動機的負載能力，應保持氣隙主磁通фm不變，這就要求降低供電頻率的同時降低感應電動勢，保持E1/＝常數，即保持電動勢與頻率之比爲常數進行控制。這種控制又稱爲恒磁通變頻調速，屬於恒轉矩調速方式。 但是，E1難於直接檢測和直接控制。當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頻率的比值爲常數， |
