变频器的现状及未来的大功率的发展 现在,变频技术在发达国家己经成熟,随着新的电力电子器件的不断出现,新的变频技术层出不穷,使其得到了更广泛的推广应用。变频技术的迅速发展是建立在电力电子技术的创新、电力电子器件及材料的开发及器件制造工艺水平提高基础之上的,尤其是高压大容量绝缘栅双极晶体管、集成门极换流晶闸管工IGCT器件的成功开发,使大功率变频技术得以迅速发展,性能日益完善。目前市场上新型变频器品牌繁多,各有千秋。通过分析发现,这类变频器有许多共同点。下面对变频器的现状及其未来的技术发展方向进行分析介绍。 1、变频器的现状 1.1变频器的市场情况 我国50%~60%的发电量用于交流电动机,而容量在3kw以上,额定电压一般为3~10kV的电动机占电动机总装机容量的40%~50%。由于我国中压变频技术仍没有形成产业化,落后于国外发达国家,因此这部分电动机在负载工况变化时,缺少经济可靠的调速手段,每天都在浪费着大量的电能,因此国内潜在着巨大的中压大功率变频器市场。国家计委预计在今后十五年内,使我国变频器总需求的投资额在500亿元以上,而其中60%~70%是中压大功率变频器。我国的高压变频器市场具有其特殊性,包括:(1)行业性很强,主要集中在冶金、电力、供水、石油、化工、煤炭等行业。在工业用电中石油、煤炭等能源行业耗电占22.34%;化工占14.73%;冶金占14.18%;机械建材占10.96%;供水占10.53%。(2)目前全国各行业中,只有少数企业的高压电机使用了调速方式,市场空白点多。(3)高压变频器属投资类设备,主要用于节能和改善生产工艺。用户是否购买此类设备与政府的政策导向关系很大。如政府推广力度较大,市场启动会快一些,反之则慢。另一方面市场还受国际、国内经济大环境的影响以及国内某些行业的整体经济效益好坏的影响。因此在未来市场发展过程中仍存在着一些不确定的因素。(4)海外公司的xxxx产品大举进入我国市场的可能性较大,各方应有所准备。 1.2变频器的变频技术的现状 交一交变频是早期变频的主要形式,适应于低转速大容量的电动机负载。其主电路开关器件处于自然关断状态,不存在强迫换流问题,所以{dy}代电力电子器件—就能xx满足它的要求。由于其技术成熟,在国内开发研制也最多,目前在国内仍有一定的市场。交一交变频在其主接线中需要大量的,结构复杂,维护工作量较大,并因采用移相控制方式,功率因数较低,一般仅有0.6~0.7,而且谐波成分大,需要无功补偿和滤波装置,使得总的造价提高。 2、变频器的技术发展动向 2.1单元串联多电平技术 单元串联多电平形式在谐波、效率和功率因数等方面存在着优势,在不要求四象限运行时有着较广泛的应用前景。其中三电平控制具有许多优点,包括:(1)采用三电平拓扑能有效地解决电力电子器件耐压不高的问题,适用于高电压大功率。(2)三电平拓扑单个桥能输出三种电平(+ud/2、-ud/2、0),线(相)电压有更多的阶梯来模拟正弦波,使输出波形失真度减少,谐波大大减少。(3)多级电压阶梯波减少了du/dt,使得对电机绕组绝缘冲击减小。(4)三电平PWM方法把{dy}组谐波分布带移至2倍开关频率的频带区,利用电机绕组电感能较好地抑制高次谐波对电机的影响。采用三电平PWM方法,每个功率单元的开关频率为600Hz,若每相5个功率单元串联时,等效的输出相电压开关频率为6kHz,可以降低开关损耗,提高变频器效率,这种变频器可适用于任何普通的高压电动机,且不必降额使用。虽然采用这种主电路拓扑结构会使器件的数量增加,但由于驱动功率下降,开关频率较低且不必采用均压电路,使系统在效率方面仍有较大的优势,一般可达97%。并且,由于采用模块化结构,所有功率单元可以互换,维修也比较方便。(5)三电平拓扑能产生3*3*3=27种空间电压矢量,可以带来谐波xx算法的自由度,可以得到很好的输出波形。 2.2功率母线技术 在电力电子技术及应用装置向高频化发展的今天,系统中特别是连接线的寄生参数产生巨大的电应力,己成为威胁电力电子装置可靠性的重要因素。从直流储能电容至逆变器的器件之间的直流母线上的寄生电感在通常的硬开关逆变器中,由于瞬时切换时的过电压,会使器件过热,甚至有时使逆变器失控并超过器件的额定安全工作区而损坏,限制了开关工作频率的提高。功率母线按其结构包括: (3)裸铜板母线(平面并行母线)是一种工业上广泛应用的馈电系统的传统母线形式,其缺点是并行母线的互感较大。 (4)支架式母线如果将正直流母线铜板放置在负直流母线板上方,中间用一层薄绝缘材料隔开的方法来制作母线,由于磁场的相互抵消,可以{zd0}限度地降低互感,但其工艺复杂,不宜规模化生产。 2.3微机控制和人工智能技术 采用微机控制技术可以对变频器进行控制和保护。在控制方面:(1)计算确定开关元件的开通和关断时刻,使逆变器按调制策略输出要求的电压。(2)通过不同的编码实现多种传动调速功能。如各种频率的设定和执行、启动、运行方式选择、转矩控制设定与运行、加减速设计与运行、制动方式设定和执行等。(3)通过接口电路、外部传感器、微机构成调速传动系统。在保护方面,在外部传感器及I/0电路配合下,构成完善的检测保护系统,可完成多种自诊断保护方案。保护功能包括:(1)主电路、控制电路的欠压、过电压保护;(2)输出电流的欠电流、过电流保护;(3)电动机或逆变器的过载保护;(4)制动电阻的过热保护;(5)失速保护。 2.4其它各种技术 近年来,国内外一些公司都在研制新型“无电网污染”的高压变频器。据报道,这类变频装置具有高功率因数、高效率、无谐波污染、无需专用电机等优点,采用了多项先进技术: (1)在变频器的逆变器直流侧通过曲折变压器移相实现30“脉波整流,使装置的谐波抑制能力大大加强,使电网侧电压与电流之间几乎无相移,因此功率因数可以接近于1。 (2)将全数字化光纤控制技术应用于变频器,使其控制柔性和可靠性大大提高。 |