現(xiàn)在，變頻技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家己經(jīng)成熟，隨著新的電力電子器件的不斷出現(xiàn)，新的變頻技術(shù)層出不窮，使其得到了更廣泛的推廣應(yīng)用。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，尤其是高壓大容量絕緣柵雙極晶體管IGBT、集成門(mén)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、變頻器的現(xiàn)狀1.1變頻器的市場(chǎng)情況我國(guó)50%一60%的發(fā)電量用于交流電動(dòng)機(jī)，而容量在3巧kw以上，額定電壓一般為3一10kV的電動(dòng)機(jī)占電動(dòng)機(jī)總裝機(jī)容量的40%一50%。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)。世界上各大知名的電氣公司，如西門(mén)子、ABB、AB、AEG、東芝等，都在這一領(lǐng)域展開(kāi)激烈的競(jìng)爭(zhēng)，投入大量的人力、物力和財(cái)力，開(kāi)發(fā)研制高性能的產(chǎn)品，以搶占我國(guó)中壓大功率變頻器的市場(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6q%一70%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)目前全國(guó)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(mǎi)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?chē)?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。1.2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)。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)用最為普遍。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)、安全區(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。2、變頻器的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向2.1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、一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。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3x3X3=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。2.2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)器件的額定安全工作區(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)電纜絞線是最常用的傳統(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，可以最大限度地降低互感，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。迭層功率母線是基于電磁場(chǎng)理論，把連線做成扁平截面，在同樣的截面下，做得越薄越寬，它的寄生電感越小，相鄰導(dǎo)線內(nèi)流過(guò)相反的電流，其磁場(chǎng)抵消，也可使寄生電感減小。迭層功率母線是以又薄又寬的銅排形式迭放在一起，各層之間用很薄的高絕緣強(qiáng)度的材料熱壓成一體，整個(gè)母線極之間的距離均勻一致，以減少互感，各層銅排都在所需要的端子位置處同其他層可靠絕緣地引出，使所具有不同電位的端子表露在同一平面上，以便于把主電路中的所有器件與之相連。這種整體的迭層功率母線結(jié)構(gòu)，可承受數(shù)百千克的切應(yīng)力，其導(dǎo)電極之間可承受數(shù)千伏的電壓。使用迭層功率母線將IGBT和整流管等模塊、散熱器、電容器及柵極驅(qū)動(dòng)電路組合在一起，迭層功率母線與器件之間的連接是用不同的端子和插接件等來(lái)完成的，使相連接的接觸表面與母線之間的接觸電阻非常小，也使得寄生電感成數(shù)量級(jí)地減小，從而使Ldi/dt的過(guò)電壓應(yīng)力降至最低，保證電力電子裝置工作在最佳狀態(tài)。2.3微機(jī)控制和人工智能技術(shù)采用微機(jī)控制技術(shù)可以對(duì)變頻器進(jìn)行控制和保護(hù)。在控制方面：(1)計(jì)算確定開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)刻，使逆變器按調(diào)制策略輸出要求的電壓。(2)通過(guò)不同的編碼實(shí)現(xiàn)多種傳動(dòng)調(diào)速功能。如各種頻率的設(shè)定和執(zhí)行、啟動(dòng)、運(yùn)行方式選擇、轉(zhuǎn)矩控制設(shè)定與運(yùn)行、加減速設(shè)計(jì)與運(yùn)行、制動(dòng)方式設(shè)定和執(zhí)行等。(3)通過(guò)接口電路、外部傳感器、微機(jī)構(gòu)成調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)。在保護(hù)方面，在外部傳感器及工/0電路配合下，構(gòu)成完善的檢測(cè)保護(hù)系統(tǒng)，可完成多種自診斷保護(hù)方案。保護(hù)功能包括：(1)主電路、控制電路的欠壓、過(guò)電壓保護(hù)；(2)輸出電流的欠電流、過(guò)電流保護(hù)；(3)電動(dòng)機(jī)或逆變器的過(guò)載保護(hù)；(4)制動(dòng)電阻的過(guò)熱保護(hù)；(5)失速保護(hù)。采用人工智能技術(shù)對(duì)變頻器進(jìn)行故障診斷，構(gòu)成故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)由監(jiān)控、檢測(cè)、知識(shí)庫(kù)(故障模式知識(shí)庫(kù)或故障診斷專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù))、推理機(jī)構(gòu)、人機(jī)對(duì)話接口和數(shù)據(jù)庫(kù)組成，不僅在故障發(fā)生后能準(zhǔn)確指出故障性質(zhì)、部位，且在故障發(fā)生前也能預(yù)測(cè)發(fā)生故障的可能性。在變頻器啟動(dòng)前對(duì)診斷系統(tǒng)本身及變頻器主電路(包括電源)、控制系統(tǒng)等進(jìn)行一次診斷清查隱患。若發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象則調(diào)用知識(shí)庫(kù)推理、判斷故障原因并顯示不能開(kāi)機(jī)，如無(wú)故障則顯示可以開(kāi)機(jī)。開(kāi)機(jī)后，實(shí)時(shí)檢測(cè)診斷。工作時(shí)對(duì)各檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)查詢，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并不斷刷新。若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)越限，則認(rèn)為可能發(fā)生故障，立即定向追蹤。若幾次檢查結(jié)果相同，說(shuō)明確實(shí)出了故障，于是調(diào)用知識(shí)庫(kù)進(jìn)行分析推理，確定是何種故障及其部位，顯示出來(lái)，嚴(yán)重時(shí)則發(fā)出停機(jī)指令。2.4其它各種技術(shù)近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些公司都在研制新型“無(wú)電網(wǎng)污染”的高壓變頻器。據(jù)報(bào)道，這類變頻裝置具有高功率因數(shù)、高效率、無(wú)諧波污染、無(wú)需專用電機(jī)等優(yōu)點(diǎn)，采用了多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)：(1)在變頻器的逆變器直流側(cè)通過(guò)曲折變壓器移相實(shí)現(xiàn)30“脈波整流，使裝置的諧波抑制能力大大加強(qiáng)，使電網(wǎng)側(cè)電壓與電流之間幾乎無(wú)相移，因此功率因數(shù)可以接近于1。(2)將全數(shù)字化光纖控制技術(shù)應(yīng)用于變頻器，使其控制柔性和可靠性大大提高。(3)功率單元標(biāo)準(zhǔn)模塊化、IGBT驅(qū)動(dòng)電路智能化。