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高壓變頻器工作原理,技術(shù)特點(diǎn)及市場前景

高壓變頻器工作原理

　　高壓變頻器（在國外稱中壓變頻器）自上個(gè)世紀(jì)九十年代中期開始在國內(nèi)推廣,，經(jīng)過十年的發(fā)展，今天已經(jīng)普遍為市場所接受,，估計(jì)今年的市場容量在10億到20億元人民幣之間,。本文將從產(chǎn)品技術(shù)和市場兩方面分析高壓變頻器的特點(diǎn)。

    高壓變頻器是一種串聯(lián)疊加性高壓變頻器,，即采用多臺單相三電平逆變器串聯(lián)連接,，輸出可變頻變壓的高壓交流電,。按照電機(jī)學(xué)的基本原理，電機(jī)的轉(zhuǎn)速滿足如下的關(guān)系式：n=（1一s）60f/p=n,?！粒?一s）（P：電機(jī)極對數(shù)；f：電機(jī)運(yùn)行頻率;s:滑差）從式中看出,，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n,。正比于電機(jī)的運(yùn)行頻率（n。=60fp）,，由于滑差s一般情況下比較?。?-0．05），電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n約等于電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n,。,，所以調(diào)節(jié)了電機(jī)的供電頻率f，就能改變電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速,。電機(jī)的滑差s和負(fù)載有關(guān),，負(fù)載越大則滑差增加，所以電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速還會隨負(fù)載的增加而略有下降,。 
    變頻器本身由變壓器柜,、功率柜、控制柜三部分組成,。三相高壓電經(jīng)高壓開關(guān)柜進(jìn)入,，經(jīng)輸入降壓、移相給功率單元柜內(nèi)的功率單元供電,，功率單元分為三組,，一組為一相，每相的功率單元的輸出首尾相串,。主控制柜中的控制單元通過光纖時(shí)對功率柜中的每一功率單元進(jìn)行整流,、逆變控制與檢測，這樣根據(jù)實(shí)際需要通過操作界面進(jìn)行頻率的給定,，控制單元把控制信息發(fā)送到功率單元進(jìn)行相應(yīng)得整流,、逆變調(diào)整，輸出滿足負(fù)荷需求的電壓等級,。

高壓變頻器的產(chǎn)品和技術(shù)特點(diǎn)

　　上世紀(jì)八十年代到九十年代初,，高壓電機(jī)要實(shí)現(xiàn)調(diào)速，主要采用三種方式：（1）液力耦合器方式,。即在電機(jī)和負(fù)載之間串入一個(gè)液力耦合裝置,，通過液面的高低調(diào)節(jié)電機(jī)和負(fù)載之間耦合力的大小，實(shí)現(xiàn)負(fù)載的速度調(diào)節(jié),；（2）串級調(diào)速,。串級調(diào)速必須采用繞線式異步電動機(jī),，將轉(zhuǎn)子繞組的一部分能量通過整流、逆變再送回到電網(wǎng),，這樣相當(dāng)于調(diào)節(jié)了轉(zhuǎn)子的內(nèi)阻,，從而改變了電動機(jī)的滑差；由于轉(zhuǎn)子的電壓和電網(wǎng)的電壓一般不相等,，所以向電網(wǎng)逆變需要一臺變壓器,，為了節(jié)省這臺變壓器，現(xiàn)在國內(nèi)市場應(yīng)用中普遍采用內(nèi)饋電機(jī)的形式,，即在定子上再做一個(gè)三相的輔助繞組,，專門接受轉(zhuǎn)子的反饋能量，輔助繞組也參與做功,，這樣主繞組從電網(wǎng)吸收的能量就會減少,，達(dá)到調(diào)速節(jié)能的目的。（3）高低方式,。由于當(dāng)時(shí)高壓變頻技術(shù)沒有解決,，就采用一臺變壓器，先把電網(wǎng)電壓降低,，然后采用一臺低壓的變頻器實(shí)現(xiàn)變頻,；對于電機(jī)，則有兩種辦法,，一種辦法是采用低壓電機(jī),；另一種辦法，則是繼續(xù)采用原來的高壓電機(jī),，需要在變頻器和電機(jī)之間增加一臺升壓變壓器,。

　　上述三種方式，發(fā)展到目前都是比較成熟的技術(shù),。液力耦合器和串級調(diào)速的調(diào)速精度都比較差，調(diào)速范圍較小,，維護(hù)工作量大,，液力耦合器的效率相比變頻調(diào)速還有一定的差距，所以這兩項(xiàng)技術(shù)競爭力已經(jīng)不強(qiáng)了,。至于高低方式,，能夠達(dá)到比較好的調(diào)速效果，但是相比真正的高壓變頻器,，還有如下缺點(diǎn)：效率低,，諧波大，對電機(jī)的要求比較嚴(yán)格,，功率較大時(shí)（500KW以上）,，可靠性較低,。高低方式的主要優(yōu)勢在于成本較低。

目前,，主流的高壓變頻器產(chǎn)品主要有三種類型：

(1) 電流源型,。

　　電流源型逆變部分采用SGCT直接串聯(lián)解決耐壓問題，直流部分用電抗器儲存能量,，目前的技術(shù)水平可以做到7.2KV輸出電壓,，所以適應(yīng)國內(nèi)大部分電壓為6KV這一現(xiàn)狀。電流源型變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)比較低,，電抗器的發(fā)熱量較大,，效率比電壓源型變頻器低，由于采用電流控制,，輸出濾波器的設(shè)計(jì)比較麻煩,，而兩電平變頻器的共模電壓和諧波、dv/dt問題較突出,，所以對電機(jī)的要求較高,。雖然電流源型變頻器有可回饋能量的優(yōu)點(diǎn)，但是需要回饋能量的負(fù)載畢竟不是太多,，尤其是通用型的變頻器,，所以電流源型變頻器的市場競爭能力已經(jīng)逐漸變?nèi)酢?/span>

(2) 功率單元串聯(lián)多電平型。

　　此變頻器采用多個(gè)低壓的功率單元串聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓,，輸入側(cè)的降壓變壓器采用移相方式,，可有效消除對電網(wǎng)的諧波污染，輸出側(cè)采用多電平正弦PWM技術(shù),，可適用于任何電壓的普通電機(jī),，另外，在某個(gè)功率單元出現(xiàn)故障時(shí),，可自動退出系統(tǒng),，而其余的功率單元可繼續(xù)保持電機(jī)的運(yùn)行，減少停機(jī)時(shí)造成的損失,。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),，可迅速替換故障模塊。由此可見,，單元串聯(lián)多電平型變頻器的市場競爭力是很明顯的,。

(3) 三電平型。

　　三電平型變頻器采用鉗位電路,，解決了兩只功率器件的串聯(lián)的問題,，并使相電壓輸出具有三個(gè)電平。三電平逆變器的主回路結(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)少，雖然為電壓源型結(jié)構(gòu),，但易于實(shí)現(xiàn)能量回饋,。三電平變頻器在國內(nèi)市場遇到的最大難題是電壓問題，其最大輸出電壓達(dá)不到6KV,，所以往往需要用變通的方法,，要么改變電機(jī)的電壓，要么在輸出側(cè)加升壓變壓器,。這一弱點(diǎn)限制了它的應(yīng)用,。

　　目前，雖然有人提出了其他不同的高壓變頻器解決方案,，但大都不具有明顯的可行性,，或者說不具有將上述三種主流變頻器結(jié)構(gòu)取而代之的潛力。隨著高壓變頻器成本的進(jìn)一步降低,，在中等功率市場,，高低型變頻器將會退出競爭，而只關(guān)注于較小功率的場合,。對于單元串聯(lián)多電平型變頻器,，主要缺點(diǎn)是變流環(huán)節(jié)復(fù)雜，功率元器件數(shù)目多,，體積略大一些,，但是，在其他的方式不能解決國內(nèi)應(yīng)用的需要,，高壓器件應(yīng)用的可靠性還不是太高的情況下,，其競爭優(yōu)勢在最近的一段時(shí)期內(nèi)，可能還是無法替代的,。三電平型變頻器由于輸出電壓不高的問題,，主要的應(yīng)用范圍應(yīng)該是在一些特種領(lǐng)域，如軋鋼機(jī),、輪船驅(qū)動,、機(jī)車牽引、提升機(jī)等等,，這些領(lǐng)域的電機(jī)都是特殊定制的,，電壓可以不是標(biāo)準(zhǔn)電壓。在一定的功率水平,，三電平型變頻器取代傳統(tǒng)的交交變頻器是技術(shù)發(fā)展的趨勢。三電平變頻器的更大發(fā)展有待于更高耐壓的功率器件的出現(xiàn)和現(xiàn)有產(chǎn)品可靠性的進(jìn)一步提高,。在超大功率場合,，即大約8000KW以上的功率，用可控硅構(gòu)成的LCI（負(fù)載換流逆變器）電流源型變頻器仍舊是主角。由于上述的技術(shù)特征,，通用型高壓變頻器目前是單元串聯(lián)多電平型變頻器占多數(shù),，約7成以上。目前國內(nèi)以利德華福為代表的高壓變頻器廠家有不下二十家,，基本都采用這種電路結(jié)構(gòu),。

高壓變頻器的市場特點(diǎn)

　　(1) 市場普遍接受。如果在5年以前推廣高壓變頻器,，一般還要給用戶講解其原理,，為什么要使用它。但是現(xiàn)在,，經(jīng)過眾多廠家的共同努力,，和市場使用效果的宣傳，用戶已經(jīng)普遍接受高壓變頻器,，只是在眾多廠家中選擇誰的問題,。

　　(2) 業(yè)績很重要。高壓變頻器一般功率較大,，都使用在非常關(guān)鍵的部位,。所以用戶對產(chǎn)品的可靠性是最關(guān)心的?？疾榭煽啃缘淖詈棉k法,，就是去已經(jīng)使用的用戶那里去了解情況，這樣的用戶越多,，說服力就越強(qiáng).

　　(3) 服務(wù)的重要性不容忽視,。高壓變頻器是大功率的電子設(shè)備，在使用中,，總會遇到一些問題,，高壓變頻器工作的場合又非常關(guān)鍵，因此,，對用戶的及時(shí)服務(wù)是非常重要的,。服務(wù)是維持用戶關(guān)系的非常重要的方面。如果服務(wù)不到位,，或者像有些國外廠家,，服務(wù)和備件的價(jià)格較高，都會影響用戶的選擇,。

　　(4) 現(xiàn)場的適應(yīng)性非常重要,。一般的高壓變頻器開發(fā)廠家，在自己的實(shí)驗(yàn)室里,，都很難完全模仿用戶現(xiàn)場的情況,，所以,，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性怎么樣，到了現(xiàn)場遇到問題能否盡快解決,，都是非常重要的,。由于耗電量大，負(fù)載又非常重要,，用戶往往不希望設(shè)備較長時(shí)間的試運(yùn)行,，所以，產(chǎn)品設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn),，一旦遇到問題,，就非常難以解決。近年來,，許多廠家的產(chǎn)品裹足不前,，就是這個(gè)原因。

　　(5) 價(jià)格進(jìn)一步下降,。由于激烈的競爭,，以及后來者為了奪取業(yè)績而不得已采用的低價(jià)策略，高壓變頻器的價(jià)格下降很快,，在某些項(xiàng)目上,，一些競爭廠家報(bào)出的價(jià)格甚至低于成本價(jià)。 隨著技術(shù)的進(jìn)步,，高壓變頻器除了在已有的市場上繼續(xù)擴(kuò)大規(guī)模外,，還將進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用的領(lǐng)域，對于很多負(fù)載,，還需要解決變頻器的工程應(yīng)用上的問題,。總之,，高壓變頻器正在迎來發(fā)展的黃金時(shí)期,。