中壓變頻技術(shù)動態(tài)與市場展望 2011-05-23 17:21:29來源: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)達國家已經(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。這是因為中壓大功率（315kW以上）的交流調(diào)速系統(tǒng)無論是在性能上，還是在價格上都優(yōu)于直流系統(tǒng)。中壓變頻技術(shù)泛指3kV、6kV、10kV三個電壓等級領(lǐng)域的變頻技術(shù)。為實現(xiàn)對中壓大功率交流電動機的變頻調(diào)速，人們提出了多種拓撲結(jié)構(gòu)，比較實用并已產(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)速大容量的電動機負載。因其主電路開關(guān)器件處于自然關(guān)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(shù)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。 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—交變頻電路實質(zhì)上就是可逆整流線路，因此在直流可逆?zhèn)鲃又械挠协h(huán)流、無環(huán)流等控制技術(shù)都可以采用。交—交變頻利用電網(wǎng)電壓來換流，因此它的輸出電壓是由電網(wǎng)電壓

中壓變頻技術(shù)動態(tài)與市場展望

圖1ACS1000型變頻器主電路圖

若干段“拼湊”起來的，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，故需要無功補償和濾波裝置，使得總的造價提高。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。

22交—直—交變頻

在中壓變頻領(lǐng)域交—直—交變頻有多種拓撲結(jié)構(gòu)，如中—低—中方式，其實質(zhì)上還是低壓變頻，只不過是從電網(wǎng)和電動機兩端來看是高壓。因其存在著中間低壓環(huán)節(jié)，故有著電流大、結(jié)構(gòu)復雜、效率低、可靠性差等缺點。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，德國西門子、英國西枝來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，在今后的發(fā)展中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(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、無降壓與升壓變壓器等特點，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，在不要求四象限運行時有著較廣泛的應(yīng)用前景。而三電平控制由于具有以下特點，將成為今后變頻技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。

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,由于每一個開關(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，使得輸出波形失真度減少，因此諧波大為減少。

3）多級電壓階梯波減少了du/dt,使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(guān)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。

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