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變頻器未來(lái)發(fā)展
變頻技術(shù)的迅速發(fā)展是建立在電力電子技術(shù)的**、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(kāi)發(fā),使大功率變頻技術(shù)得以迅速發(fā)展,性能日益完善。目前市場(chǎng)上新型變頻器品牌繁多,各有千秋。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn),這類變頻器有許多共同點(diǎn)。下面對(duì)變頻器的現(xiàn)狀及其未來(lái)的技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行分析介紹。
1.變頻器的市場(chǎng)情況:
我國(guó)50%~60%的發(fā)電量用于交流電動(dòng)機(jī),而容量在3kw以上,額定電壓一般為3~10kV的電動(dòng)機(jī)占電動(dòng)機(jī)總裝機(jī)容量的40%~50%。由于我國(guó)中壓變頻技術(shù)仍沒(méi)有形成產(chǎn)業(yè)化,落后于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家,因此這部分電動(dòng)機(jī)在負(fù)載工況變化時(shí),缺少經(jīng)濟(jì)可靠的調(diào)速手段,每天都在浪費(fèi)著大量的電能,因此國(guó)內(nèi)潛在著巨大的中壓大功率變頻器市場(chǎng)。國(guó)家計(jì)委預(yù)計(jì)在今后十五年內(nèi),使我國(guó)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(guó)的高壓變頻器市場(chǎng)具有其特殊性,包括:(1)行業(yè)性很強(qiáng),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(jī)械建材占10.96%;供水占10.53%。(2)目前國(guó)內(nèi)各行業(yè)中,只有少數(shù)企業(yè)的高壓電機(jī)使用了調(diào)速方式,市場(chǎng)空白點(diǎn)多。(3)高壓變頻器屬投資類設(shè)備,主要用于節(jié)能和改善生產(chǎn)工藝。用戶是否購(gòu)買此類設(shè)備與政府的政策導(dǎo)向關(guān)系很大。如政府推廣力度較大,市場(chǎng)啟動(dòng)會(huì)快一些,反之則慢。另一方面市場(chǎng)還受國(guó)際、國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)大環(huán)境的影響以及國(guó)內(nèi)某些行業(yè)的整體經(jīng)濟(jì)效益好壞的影響。因此在未來(lái)市場(chǎng)發(fā)展過(guò)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(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)的可能性較大,各方應(yīng)有所準(zhǔn)備。
2.變頻器的變頻技術(shù)的現(xiàn)狀
交一交變頻是早期變頻的主要形式,適應(yīng)于低轉(zhuǎn)速大容量的電動(dòng)機(jī)負(fù)載。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**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*多,目前在國(guó)內(nèi)仍有一定的市場(chǎng)。交一交變頻在其主接線中需要大量的晶閘管,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,需要無(wú)功補(bǔ)償和濾波裝置,使得總的造價(jià)提高。
交一直一交變頻采用了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如中一低一中方式,其實(shí)質(zhì)上還是低壓變頻,只不過(guò)從電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)兩端來(lái)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(gòu)復(fù)雜、效率低、可靠性差等缺點(diǎn)。由于其發(fā)展較早,技術(shù)也比較成熟,所以目前仍廣泛應(yīng)用。隨著中壓變頻技術(shù)的發(fā)展,特別是新型大功率可關(guān)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(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。
變頻器的逆變器普遍采用大功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSET、大功率晶體管GTR、可關(guān)斷晶閘管GTO等的自關(guān)斷元件,其中GTR應(yīng)用*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(kāi)關(guān)頻率,為此,GTR滿足不了這個(gè)要求,于是開(kāi)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(fù)合器件,IGBT具有輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快、元件損耗小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)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(qiáng)、**區(qū)寬、并聯(lián)容易、穩(wěn)定可靠及模塊化等一系列優(yōu)點(diǎn),是一種極理想的開(kāi)關(guān)元件。目前,電流2400A、電壓3300V、開(kāi)關(guān)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(dòng)高壓電動(dòng)機(jī)。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(shì),預(yù)計(jì)近十年內(nèi)不會(huì)被新開(kāi)發(fā)的元件所取代。
變頻器的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向
1.單元串聯(lián)多電平技術(shù)
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(shì),在不要求四象限運(yùn)行時(shí)有著較廣泛的應(yīng)用前景。其中三電平控制具有許多優(yōu)點(diǎn),包括:(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,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,使輸出波形失真度減少,諧波大大減少。(3)多級(jí)電壓階梯波減少了du/dt,使得對(duì)電機(jī)繞組絕緣沖擊減小。(4)三電平PWM方法把**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。采用三電平PWM方法,每個(gè)功率單元的IGBT開(kāi)關(guān)頻率為600Hz,若每相5個(gè)功率單元串聯(lián)時(shí),等效的輸出相電壓開(kāi)關(guān)頻率為6kHz,可以降低開(kāi)關(guān)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(dòng)機(jī),且不必降額使用。雖然采用這種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)使器件的數(shù)量增加,但由于驅(qū)動(dòng)功率下降,開(kāi)關(guān)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(shì),一般可達(dá)97%。并且,由于采用模塊化結(jié)構(gòu),所有功率單元可以互換,維修也比較方便。(5)三電平拓?fù)淠墚a(chǎn)生3*3*3=27種空間電壓矢量,可以帶來(lái)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(shù)
在電力電子技術(shù)及應(yīng)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(yīng)力,己成為威脅電力電子裝置可靠性的重要因素。從直流儲(chǔ)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(kāi)關(guān)逆變器中,由于瞬時(shí)切換時(shí)的過(guò)電壓,會(huì)使器件過(guò)熱,甚至有時(shí)使逆變器失控并超過(guò)器件的額定**工作區(qū)而損壞,限制了開(kāi)關(guān)工作頻率的提高。功率母線按其結(jié)構(gòu)包括:
(1)電纜絞線是*常用的傳統(tǒng)功率母線,價(jià)廉簡(jiǎn)易,但在IGBT逆變器中,由于電纜線的自感大,與圓截面導(dǎo)線相比,扁平母線的自感只有圓導(dǎo)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(dāng)母線直流電流達(dá)到150A時(shí),要求電路板的復(fù)銅層很厚,造價(jià)太高,另外用來(lái)連接多層導(dǎo)線板的穿孔不但占據(jù)較大的空間,而且會(huì)影響整機(jī)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(yīng)用的IGBT模塊饋電系統(tǒng)的傳統(tǒng)母線形式,其缺點(diǎn)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(fù)直流母線板上方,中間用一層薄絕緣材料隔開(kāi)的方法來(lái)制作母線,由于磁場(chǎng)的相互抵消,可以*大限度地降低互感,但其工藝復(fù)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(diǎn),為此開(kāi)發(fā)出了迭層功率母線。
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