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技术有约:金刚铁骨护我坚强内“芯”(水冷系列EP03)
发布日期:2020-10-15
  

本期我们继续来聊聊水冷变频的那些事儿~

面对工业现场纷繁复杂的生产运行环境,要求一颗有着高精尖技术制造的纳米级芯片在空气里飘着粉末、天空中飞着金属颗粒、偶尔还会弥散硫化物酸性腐蚀性气味的环境里,饱受一年四季风雨变幻、冷热寒暑、干湿交替;还要在每秒上千次的开关通断过程中,始终如一、踏踏实实安心工作十年乃至三十年,恐怕对于众多装备而言都是一个不可小觑的严苛挑战。

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任它万千变幻我亦坚强如故

上一篇我们提到,其实复杂的电力电子器件都是由一个个“精密”且“憔悴”的芯片组成。而电子元件的失效,往往受到现场运行环境的诸多因素影响,通过长期作用或瞬态冲击,就可能造成不可恢复的器件失效;进而可能为现场造成灾难性的生产非停损失。

要想让一台由数千个元器件组成的高压变频器产品,保证其长期稳固的运行寿命,历经沧桑而岿然不变。必然,需要在设计之初,就要具备对抗环境温度、湿度、振动,以及温度冲击、粉尘、盐雾的侵蚀与干扰的金刚铁骨。

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将“坚固”与“电子”联姻

当我们重新定义水冷高压变频器产品时,就已不再只是考虑电气性能、控制指标等等与电相关。我们发现,即便是一个“玻璃心”一旦拥有金刚铁骨,也会拥有钢铁侠的性格与坚毅。把“坚固”与“电子”联姻,我们为精密控制的电力电子芯片,赋予了长期抗击恶劣环境而不为所动的金刚之身。

在通用变频器领域,基于快速部署、低成本实现的考量,我们通常会采用塑料外壳的器件、十几根螺栓压接紧固、翅片散热、空气冷却等措施。这样的硬件设施,自然在工业现场里免不了受温度影响而过热,受湿度侵蚀而内部绝缘击穿,周遭环境的振动带来螺栓张紧力疲劳加剧接触热阻增加等等稳定性逐年变差的问题。其结果,就是器件坏了、爆了,设备跳停……

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而面向动辄数百亿投资的石油、化工、水利工程等项目,上万千瓦的压缩机、十几万千瓦的泵类等高价值负载,一旦启用往往就是几十年,常年基本无休的状态。很难想象可以像通用变频器那样说到了十年,可以换个新的来,再或者倒工频运行。单单是一个采购、更换周期(通常需要十个月或更长),以及更换带来的停产成本,恐怕就让众多企业无言以对。

因此,面向重要行业的关键装备应用,10MW级及以上的高压变频器,已不再把功能能否实现作为重点;而是在多少年的周期内能够保证其安全、稳固、耐久的运行,有效控制其中期使用成本,降低设备远期可维护成本,以及实现近30年的使用寿命,才是需要解决的关键问题。

用解决机械的思维解决电气问题

用解决机械耐久性的思维,解决电气设备对抗环境干扰失效的问题。这是我们在跨界领域的新“玩法”。我们参照超高压直流输变电系统,重载电气牵引机车在超大功率逆变回路中的做法,选择陶瓷外壳、铜板双面压接散热的PPI功率器件。使用钢锭铣削、液压机装配,将功率器件安装到一个个承载压力达50~70kN(5~7吨力)的稳固机械框架内。

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从而,极大的降低由于现场振动、温度冲击等可能带来的电气接触疲劳,高压封闭的陶瓷外壳抵御外部湿度、粉尘、危害气体的侵入。通过水冷双面散热结构稳定温度场,为“芯片”构建一个安全、稳定、坚固、耐久的运行环境,确保其稳定运行以十年计。

一个是塑料外壳,十几根螺栓;一个是陶瓷外壳,5吨压接的不锈钢框架。您觉得哪个会更安全、可靠、更耐用呢?

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