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變頻器的現(xiàn)狀及其未來的技術發(fā)展方向

作者：admin  來源：本站  發(fā)表時間：2013/3/23 9:23:16  點擊：3139

變頻技術的迅速發(fā)展是建立在電力電子技術的創(chuàng)新、電力電子器件及材料的開發(fā)及器件制造工藝水平提高基礎之上的，尤其是高壓大容量絕緣柵雙極晶體管IGBT、集成門極換流晶閘管工IGCT器件的成功開發(fā)，使大功率變頻技術得以迅速發(fā)展，性能日益完善。目前市場上新型變頻器品牌繁多，各有千秋。通過分析發(fā)現(xiàn)，這類變頻器有許多共同點。下面對變頻器的現(xiàn)狀及其未來的技術發(fā)展方向進行分析介紹。 

1.變頻器的市場情況： 

我國50%～60%的發(fā)電量用于交流電動機，而容量在3kw以上，額定電壓一般為3～10kV的電動機占電動機總裝機容量的40%～50%。由于我國中壓變頻技術仍沒有形成產(chǎn)業(yè)化，落后于國外發(fā)達國家，因此這部分電動機在負載工況變化時，缺少經(jīng)濟可靠的調(diào)速手段，每天都在浪費著大量的電能，因此國內(nèi)潛在著巨大的中壓大功率變頻器市場。國家計委預計在今后十五年內(nèi)，使我國變頻器總需求的投資額在500億元以上，而其中60%～70%是中壓大功率變頻器。我國的高壓變頻器市場具有其特殊性，包括：(1)行業(yè)性很強，主要集中在冶金、電力、供水、石油、化工、煤炭等行業(yè)。在工業(yè)用電中石油、煤炭等能源行業(yè)耗電占22.34%；化工占14.73%；冶金占14.18%；機械建材占10.96%；供水占10.53%。(2)目前全國各行業(yè)中，只有少數(shù)企業(yè)的高壓電機使用了調(diào)速方式，市場空白點多。(3)高壓變頻器屬投資類設備，主要用于節(jié)能和改善生產(chǎn)工藝。用戶是否購買此類設備與政府的政策導向關系很大。如政府推廣力度較大，市場啟動會快一些，反之則慢。另一方面市場還受國際、國內(nèi)經(jīng)濟大環(huán)境的影響以及國內(nèi)某些行業(yè)的整體經(jīng)濟效益好壞的影響。因此在未來市場發(fā)展過程中仍存在著一些不確定的因素。(4)海外公司的知名品牌產(chǎn)品大舉進入我國市場的可能性較大，各方應有所準備。 

2.變頻器的變頻技術的現(xiàn)狀 

交一交變頻是早期變頻的主要形式，適應于低轉(zhuǎn)速大容量的電動機負載。其主電路開關器件處于自然關斷狀態(tài)，不存在強迫換流問題，所以第一代電力電子器件—晶閘管就能完全滿足它的要求。由于其技術成熟，在國內(nèi)開發(fā)研制也最多，目前在國內(nèi)仍有一定的市場。交一交變頻在其主接線中需要大量的晶閘管，結(jié)構復雜，維護工作量較大，并因采用移相控制方式，功率因數(shù)較低，一般僅有0.6～0.7，而且諧波成分大，需要無功補償和濾波裝置，使得總的造價提高。 

交一直一交變頻采用了多種拓撲結(jié)構，如中一低一中方式，其實質(zhì)上還是低壓變頻，只不過從電網(wǎng)和電動機兩端來看是高壓。由于其存在著中間低壓環(huán)節(jié)，所以具有電流大、結(jié)構復雜、效率低、可靠性差等缺點。由于其發(fā)展較早，技術也比較成熟，所以目前仍廣泛應用。隨著中壓變頻技術的發(fā)展，特別是新型大功率可關斷器件的研制成功，中一低一中方式具有被逐步淘汰的趨勢。而直接中壓變頻方式，因沒有中間的低壓環(huán)節(jié)，結(jié)構上有著廣闊的發(fā)展前景。

變頻器的逆變器普遍采用大功率場效應管MOSET、大功率晶體管GTR、可關斷晶閘管GTO等的自關斷元件，其中GTR應用最為普遍。但是在調(diào)制策略發(fā)展和要求逆變器輸出諧波分量更小的情況下，必須提高開關頻率，為此，GTR滿足不了這個要求，于是開發(fā)出了一種新元件IGBT。IGBT的全稱是絕緣柵雙極晶體管，是一種把MOSET與GTR巧妙結(jié)合在一起的電壓型雙極/M05復合器件，IGBT具有輸入阻抗高、開關速度快、元件損耗小、驅(qū)動電路簡單、驅(qū)動功率小、極限溫度高、熱阻小、飽和壓降和電阻低、電流容量大、抗浪涌能力強、安全區(qū)寬、并聯(lián)容易、穩(wěn)定可靠及模塊化等一系列優(yōu)點，是一種極理想的開關元件。目前，電流2400A、電壓3300V、開關頻率40kHz的IGBT已在小、中、大功率范圍內(nèi)使用。IGBT不僅用于500V以下低壓變頻器，還可以用于IOOOV以上高壓變頻器以驅(qū)動高壓電動機。此類中壓、高壓變頻器采用多電平逆變器輸出高壓，也可用變壓器降壓～低壓變頻器一變壓器升壓的方式。由于IGBT具有性能特好的優(yōu)勢，預計近十年內(nèi)不會被新開發(fā)的元件所取代。 

變頻器的技術發(fā)展動向 

1.單元串聯(lián)多電平技術 

單元串聯(lián)多電平形式在諧波、效率和功率因數(shù)等方面存在著優(yōu)勢，在不要求四象限運行時有著較廣泛的應用前景。其中三電平控制具有許多優(yōu)點，包括：(1)采用三電平拓撲能有效地解決電力電子器件耐壓不高的問題，適用于高電壓大功率。(2)三電平拓撲單個橋能輸出三種電平(+ud/2、-ud/2、0)，線(相)電壓有更多的階梯來模擬正弦波，使輸出波形失真度減少，諧波大大減少。(3)多級電壓階梯波減少了du/dt，使得對電機繞組絕緣沖擊減小。(4)三電平PWM方法把第一組諧波分布帶移至2倍開關頻率的頻帶區(qū)，利用電機繞組電感能較好地抑制高次諧波對電機的影響。采用三電平PWM方法，每個功率單元的IGBT開關頻率為600Hz，若每相5個功率單元串聯(lián)時，等效的輸出相電壓開關頻率為6kHz，可以降低開關損耗，提高變頻器效率，這種變頻器可適用于任何普通的高壓電動機，且不必降額使用。雖然采用這種主電路拓撲結(jié)構會使器件的數(shù)量增加，但由于驅(qū)動功率下降，開關頻率較低且不必采用均壓電路，使系統(tǒng)在效率方面仍有較大的優(yōu)勢，一般可達97%。并且，由于采用模塊化結(jié)構，所有功率單元可以互換，維修也比較方便。(5)三電平拓撲能產(chǎn)生3*3*3=27種空間電壓矢量，可以帶來諧波消除算法的自由度，可以得到很好的輸出波形。 

2.功率母線技術

在電力電子技術及應用裝置向高頻化發(fā)展的今天，系統(tǒng)中特別是連接線的寄生參數(shù)產(chǎn)生巨大的電應力，己成為威脅電力電子裝置可靠性的重要因素。從直流儲能電容至逆變器的器件之間的直流母線上的寄生電感在通常的硬開關逆變器中，由于瞬時切換時的過電壓，會使器件過熱，甚至有時使逆變器失控并超過器件的額定安全工作區(qū)而損壞，限制了開關工作頻率的提高。功率母線按其結(jié)構包括： 

(1)電纜絞線是最常用的傳統(tǒng)功率母線，價廉簡易，但在IGBT逆變器中，由于電纜線的自感大，與圓截面導線相比，扁平母線的自感只有圓導線的1/3一1/2，而所占的體積只有它的1/10一1/2。

(2)印刷電路板母線主要用于小電流逆變器，但當母線直流電流達到150A時，要求電路板的復銅層很厚，造價太高，另外用來連接多層導線板的穿孔不但占據(jù)較大的空間，而且會影響整機的可靠性。

(3)裸銅板母線(平面并行母線)是一種工業(yè)上廣泛應用的IGBT模塊饋電系統(tǒng)的傳統(tǒng)母線形式，其缺點是并行母線的互感較大。

(4)支架式母線如果將正直流母線銅板放置在負直流母線板上方，中間用一層薄絕緣材料隔開的方法來制作母線，由于磁場的相互抵消，可以最大限度地降低互感，但其工藝復雜，不宜規(guī)模化生產(chǎn)。

基于上述幾種功率母線都存在著不同的缺點，為此開發(fā)出了迭層功率母線。迭層功率母線是基于電磁場理論，把連線做成扁平截面，在同樣的截面下，做得越薄越寬，它的寄生電感越小，相鄰導線內(nèi)流過相反的電流，其磁場抵消，也可使寄生電感減小。迭層功率母線是以又薄又寬的銅排形式迭放在一起，各層之間用很薄的高絕緣強度的材料熱壓成一體，整個母線極之間的距離均勻一致，以減少互感，各層銅排都在所需要的端子位置處同其他層可靠絕緣地引出，使所具有不同電位的端子表露在同一平面上，以便于把主電路中的所有器件與之相連。這種整體的迭層功率母線結(jié)構，可承受數(shù)百千克的切應力，其導電極之間可承受數(shù)千伏的電壓。使用迭層功率母線將IGBT和整流管等模塊、散熱器、電容器及柵極驅(qū)動電路組合在一起，迭層功率母線與器件之間的連接是用不同的端子和插接件等來完成的，使相連接的接觸表面與母線之間的接觸電阻非常小，也使得寄生電感成數(shù)量級地減小，從而使Ldi/dt的過電壓應力降至最低，保證電力電子裝置工作在最佳狀態(tài)。

3.微機控制和人工智能技術

采用微機控制技術可以對變頻器進行控制和保護。在控制方面：

(1)計算確定開關元件的開通和關斷時刻，使逆變器按調(diào)制策略輸出要求的電壓。

(2)通過不同的編碼實現(xiàn)多種傳動調(diào)速功能。如各種頻率的設定和執(zhí)行、啟動、運行方式選擇、轉(zhuǎn)矩控制設定與運行、加減速設計與運行、制動方式設定和執(zhí)行等。

(3)通過接口電路、外部傳感器、微機構成調(diào)速傳動系統(tǒng)。在保護方面，在外部傳感器及I/0電路配合下，構成完善的檢測保護系統(tǒng)，可完成多種自診斷保護方案。保護功能包括：(1)主電路、控制電路的欠壓、過電壓保護；(2)輸出電流的欠電流、過電流保護；(3)電動機或逆變器的過載保護；(4)制動電阻的過熱保護；(5)失速保護。

采用人工智能技術對變頻器進行故障診斷，構成故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)由監(jiān)控、檢測、知識庫(故障模式知識庫或故障診斷專家系統(tǒng)知識庫)、推理機構、人機對話接口和數(shù)據(jù)庫組成，不僅在故障發(fā)生后能準確指出故障性質(zhì)、部位，且在故障發(fā)生前也能預測發(fā)生故障的可能性。在變頻器啟動前對診斷系統(tǒng)本身及變頻器主電路(包括電源)、控制系統(tǒng)等進行一次診斷清查隱患。若發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象則調(diào)用知識庫推理、判斷故障原因并顯示不能開機，如無故障則顯示可以開機。開機后，實時檢測診斷。工作時對各檢測點進行循環(huán)查詢，存儲數(shù)據(jù)并不斷刷新。若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)越限，則認為可能發(fā)生故障，立即定向追蹤。若幾次檢查結(jié)果相同，說明確實出了故障，于是調(diào)用知識庫進行分析推理，確定是何種故障及其部位，顯示出來，嚴重時則發(fā)出停機指令。

4.其它各種技術

近年來，國內(nèi)外一些公司都在研制新型“無電網(wǎng)污染”的高壓變頻器。據(jù)報道，這類變頻裝置具有高功率因數(shù)、高效率、無諧波污染、無需專用電機等優(yōu)點，采用了多項先進技術：(1)在變頻器的逆變器直流側(cè)通過曲折變壓器移相實現(xiàn)30“脈波整流，使裝置的諧波抑制能力大大加強，使電網(wǎng)側(cè)電壓與電流之間幾乎無相移，因此功率因數(shù)可以接近于1。；(2)將全數(shù)字化光纖控制技術應用于變頻器，使其控制柔性和可靠性大大提高。(3)功率單元標準模塊化、IGBT驅(qū)動電路智能化。

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