我国变频技术的现状与发展方向

我国变频技术的现状与发展方向

摘要：本文简略介绍了国内变频器的发展、国内变频器技术的现状和发展趋势，从而得出了应用于变频器的各种技术的发展方向。关键词：变频器；单元串联多电平；微机控制

近年来，交流变频调速技术在我国有了突飞猛进的发展，变频调速在调速范围、调速精度、动态响应、低速转矩、通讯功能、智能控制、节约电能、提高功率因数、提高工作效率、使用方便等方面优异的性能，是其他的交流调速方式无法比拟的。变频器以体积小、重量轻、通用性强、适用范围广、保护功能完善、可靠性高、操作简便等优点，深受钢铁、冶金、矿山、石化、医药、食品、纺织、印染、机械、电力、建材、造纸等行业的欢迎，使用变频器后经济效益和社会效益非常显著。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315kw以上，额定电压一般为3～10 kv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。世界上各大知名的电气公司，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）海外公司的知名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—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，所以第一代电力电子器件——晶闸管就能完全满足它的要求。由于其技术成熟，在国内开发研制也最多，目前在国内仍有一定的市场。交—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—直—交变频采用了多种拓扑结构，如中—低—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—低—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应用最为普遍。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/mos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2 400 a、电压3 300 v、开关频率40 khz的igbt已在小、中、大功率范围内使用。igbt 不仅用于500 v以下低压变频器，还可以用于1 000 v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→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、-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方法把第一组谐波分布带移至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600 hz，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6 khz，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，已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）电缆绞线是最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1/3～1/2，而所占的体积只有它的1/10～1/2。（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150 a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，可以最大限度地降低互感，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，