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变频器的现状及其未来的技术发展

2019-12-10

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IGBT、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%一60%的发电量用于交流电动机,而容量在3巧kw以上,额定电压一般为3一10kV的电动机占电动机总装机容量的40%一50%。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。世界上各大的电气公司,如西门子、ABB、AB、AEG、东芝等,都在这一领域展开激烈的竞争,投入大量的人力、物力和财力,开发研制高性能的产品,以抢占我国中压大功率变频器的市场。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6q%一70%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)海外公司的品牌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,所以代电力电子器件—晶闸管就能完全满足它的要求。由于其技术成熟,在国内开发研制也更多,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晶闸管,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。

交一直一交变频采用了多种拓扑结构,如中一低一中方式,其实质上还是低压变频,只不过从电网和电动机两端来看是高压。由于其存在着中间低压环节,所以具有电流大、结构复杂、效率低、可靠性差等缺点。由于其发展较早,技术也比较成熟,所以目前仍广泛应用。随着中压变频技术的发展,特别是新型大功率可关断器件的研制成功,中一低一中方式具有被逐步淘汰的趋势。

而直接中压变频方式,因没有中间的低压环节,结构上有着广阔的发展前景。

变频器的逆变器普遍采用大功率场效应管MOSET、大功率晶体管GTR、可关断晶闸管GTO等的自关断元件,其中GTR应用更为普遍。但是在调制策略发展和要求逆变器输出谐波分量更小的情况下,必须提高开关频率,为此,GTR满足不了这个要求,于是开发出了一种新元件IGBT。IGBT的全称是绝缘栅双极晶体管,是一种把MOSET与GTR巧妙结合在一起的电压型双极/M05复合器件,IGBT具有输入阻抗高、开关速度快、元件损耗小、驱动电路简单、驱动功率小、极限温度高、热阻小、饱和压降和电阻低、电流容量大、抗浪涌能力强、安全区宽、并联容易、稳定可靠及模块化等一系列优点,是一种极理想的开关元件。目前,电流2400A、电压3300V、开关频率40kHz的IGBT已在小、中、大功率范围内使用。IGBT不仅用于500V以下低压变频器,还可以用于IOOOV以上高压变频器以驱动高压电动机。此类中压、高压变频器采用多电平逆变器输出高压,也可用变压器降压~低压变频器一变压器升压的方式。由于IGBT具有性能特好的优势,预计近十年内不会被新开发的元件所取代。

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、一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IGBT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3x3X3=27种空间电压矢量,可以带来谐波消除算法的自由度,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:(1)电缆绞线是更常用的传统功率母线,价廉简易,但在IGBT逆变器中,由于电缆线的自感大,与圆截面导线相比,扁平母线的自感只有圆导线的1/3一1/2,而所占的体积只有它的1/10一1/2。(2)印刷电路板母线主要用于小电流逆变器,但当母线直流电流达到150A时,要求电路板的复铜层很厚,造价太高,另外用来连接多层导线板的穿孔不但占据较大的空间,而且会影响整机的可靠性。

(3)裸铜板母线(平面并行母线)是一种工业上广泛应用的IGBT模块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,可以更大限度地降低互感,但其工艺复杂,不宜规模化生产。

基于上述几种功率母线都存在着不同的缺点,为此开发出了迭层功率母线。迭层功率母线是基于电磁场理论,把连线做成扁平截面,在同样的截面下,做得越薄越宽,它的寄生电感越小,相邻导线内流过相反的电流,其磁场抵消,也可使寄生电感减小。迭层功率母线是以又薄又宽的铜排形式迭放在一起,各层之间用很薄的高绝缘强度的材料热压成一体,整个母线极之间的距离均匀一致,以减少互感,各层铜排都在所需要的端子位置处同其他层可靠绝缘地引出,使所具有不同电位的端子表露在同一平面上,以便于把主电路中的所有器件与之相连。这种整体的迭层功率母线结构,可承受数百千克的切应力,其导电极之间可承受数千伏的电压。使用迭层功率母线将IGBT和整流管等模块、散热器、电容器及栅极驱动电路组合在一起,迭层功率母线与器件之间的连接是用不同的端子和插接件等来完成的,使相连接的接触表面与母线之间的接触电阻非常小,也使得寄生电感成数量级地减小,从而使Ldi/dt的过电压应力降至更低,保证电力电子装置工作在更佳状态。

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,在外部传感器及工/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。

采用人工智能技术对变频器进行故障诊断,构成故障诊断系统,该系统由监控、检测、知识库(故障模式知识库或故障诊断专家系统知识库)、推理机构、人机对话接口和数据库组成,不仅在故障发生后能准确指出故障性质、部位,且在故障发生前也能预测发生故障的可能性。在变频器启动前对诊断系统本身及变频器主电路(包括电源)、控制系统等进行一次诊断清查隐患。若发现故障现象则调用知识库推理、判断故障原因并显示不能开机,如无故障则显示可以开机。开机后,实时检测诊断。工作时对各检测点进行循环查询,存储数据并不断刷新。若发现数据越限,则认为可能发生故障,立即定向追踪。若几次检查结果相同,说明确实出了故障,于是调用知识库进行分析推理,确定是何种故障及其部位,显示出来,严重时则发出停机指令。

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。(3)功率单元标准模块化、IGBT驱动电路智能化。

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