中壓變頻技術(shù)動(dòng)態(tài)與市場(chǎng)展望 2011-05-23 17:21:29來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

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1引言

交流變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展至今已有30多年的歷史。由低壓變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng),因其技術(shù)上的不斷創(chuàng)新,使系統(tǒng)在性能上不斷地完善,并在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域挑戰(zhàn)直流調(diào)速系統(tǒng)，已得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，中壓變頻技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)成熟，隨著新的電力電子器件的不斷出現(xiàn)，新的變換技術(shù)層出不窮，使得其得到更加廣泛的推廣應(yīng)用。中壓大功率調(diào)速領(lǐng)域采用交流變頻調(diào)速已是其發(fā)展的趨勢(shì)。這是因?yàn)橹袎捍蠊β剩?15kW以上）的交流調(diào)速系統(tǒng)無(wú)論是在性能上，還是在價(jià)格上都優(yōu)于直流系統(tǒng)。中壓變頻技術(shù)泛指3kV、6kV、10kV三個(gè)電壓等級(jí)領(lǐng)域的變頻技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)中壓大功率交流電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速，人們提出了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，比較實(shí)用并已產(chǎn)品化的中壓變頻器，按其主接線可分為交—交變頻和交—直—交變頻兩大類。而交—直—交變頻又可分為中—低—中方式、中—低方式及中—中方式。按中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，在交—直—交變頻領(lǐng)域中又可分為電流源型、三電平PWM電壓源型（也稱NeturalPointClamped中點(diǎn)嵌位）、單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型。中壓變頻技術(shù)的迅速發(fā)展是建立在電力電子技術(shù)的創(chuàng)新、電力電子器件及材料的開(kāi)發(fā)及器件制造工藝水平提高基礎(chǔ)之上的，尤其是高壓大容量GTO、IGBT、IGCT器件的成功開(kāi)發(fā)，使中壓大功率變頻技術(shù)得以迅速發(fā)展，性能日益完善。

2中壓變頻技術(shù)

21交—交變頻

交—交變頻是早期中壓變頻的主要形式，其工作原理決定了它只能工作在低頻率（20Hz以下），適應(yīng)于低轉(zhuǎn)速大容量的電動(dòng)機(jī)負(fù)載。因其主電路開(kāi)關(guān)器件處于自然關(guān)斷狀態(tài)，不存在強(qiáng)迫換流問(wèn)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(shù)成熟，在國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)研制也最多，目前在國(guó)內(nèi)仍有一定的市場(chǎng)。 三相橋式交—交變頻電路的每一相為反并聯(lián)的可逆整流線路，只要控制信號(hào)按正弦規(guī)律變化，就可以得到近似正弦的輸出波形。由于交—交變頻電路實(shí)質(zhì)上就是可逆整流線路，因此在直流可逆?zhèn)鲃?dòng)中的有環(huán)流、無(wú)環(huán)流等控制技術(shù)都可以采用。交—交變頻利用電網(wǎng)電壓來(lái)?yè)Q流，因此它的輸出電壓是由電網(wǎng)電壓

中壓變頻技術(shù)動(dòng)態(tài)與市場(chǎng)展望

圖1ACS1000型變頻器主電路圖

若干段“拼湊”起來(lái)的，一般最高輸出頻率只能是電網(wǎng)頻率的1/3以下。

交—交變頻在其主接線中需要大量的晶閘管，故結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)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，故需要無(wú)功補(bǔ)償和濾波裝置，使得總的造價(jià)提高。因交—交變頻采用的技術(shù)比較落后，諧波成分大、功率因數(shù)低及調(diào)速范圍不寬等自身的原因，在其發(fā)展中面臨著新技術(shù)的挑戰(zhàn)，在中壓大功率交流變頻領(lǐng)域有被淘汰的趨勢(shì)。

22交—直—交變頻

在中壓變頻領(lǐng)域交—直—交變頻有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如中—低—中方式，其實(shí)質(zhì)上還是低壓變頻，只不過(guò)是從電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)兩端來(lái)看是高壓。因其存在著中間低壓環(huán)節(jié)，故有著電流大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低、可靠性差等缺點(diǎn)。該方式是中壓變頻技術(shù)發(fā)展中的一種由低壓變頻向中壓變頻過(guò)渡的方式。由于其發(fā)展較早，技術(shù)也比較成熟，所以目前仍有廣泛的應(yīng)用，德國(guó)西門(mén)子、英國(guó)西枝來(lái)克公司的中壓變頻以此種技術(shù)為主。隨著中壓變頻技術(shù)的發(fā)展，特別是新的大功率可關(guān)斷器件的研制成功，中—低—中方式由于其自身的缺點(diǎn)，在今后的發(fā)展中有被逐步淘汰的趨勢(shì)。而直接中壓變頻方式，因沒(méi)有中間的低壓環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)上有著廣闊的發(fā)展前景。

以IGCT為主電路器件的ACS1000型中—中變頻器的主電路如圖1所示。從圖中可以看到IGCT既不串聯(lián)也不并聯(lián)，并用兩只IGCT代替?zhèn)鹘y(tǒng)的快速熔斷器，其開(kāi)斷速度為傳統(tǒng)快熔的1000倍，其逆變器也是三電平電路。由于采用IGCT，使該種結(jié)構(gòu)的變頻器的性能得以大幅度提高，IGCT在目前中壓直接變頻領(lǐng)域是最具有創(chuàng)新性和廣闊發(fā)展前景的電力電子器件。

交—直—交變頻中的中—中方式，雖然具有損耗小、無(wú)降壓與升壓變壓器等特點(diǎn)，但由于其產(chǎn)生大量的高次諧波，在應(yīng)用中受到一定的限制。單元串聯(lián)多電平形式，由于它在諧波、效率和功率因數(shù)等方面的優(yōu)勢(shì)，在不要求四象限運(yùn)行時(shí)有著較廣泛的應(yīng)用前景。而三電平控制由于具有以下特點(diǎn)，將成為今后變頻技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。

1）采用三電平拓?fù)淠苡行У亟鉀Q電力電子器件耐壓不高的問(wèn)題,由于每一個(gè)開(kāi)關(guān)器件承受的關(guān)斷電壓僅為直流側(cè)電壓的一半,因此它適用于高電壓大功率。

2）三電平拓?fù)鋯蝹€(gè)橋能輸出三種電平(＋Ud/2、－Ud/2、0)，線（相）電壓有更多的階梯來(lái)模擬正弦波，使得輸出波形失真度減少，因此諧波大為減少。

3）多級(jí)電壓階梯波減少了du/dt,使對(duì)電機(jī)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(kāi)關(guān)頻率的頻帶區(qū),利用電機(jī)繞組電感能較好地抑制高次諧波對(duì)電機(jī)的影響。

5）三電平拓?fù)淠墚a(chǎn)生3×3×3=27種空間電壓矢量,較二電平大大增加,矢量的增多帶來(lái)諧波消除算法的自由度,可得到很好的輸出波形。