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中壓變頻技術動態與市場展望

作者:admin     日期:2018-05-24    點擊數:146

交流變頻調速技術發展至今已有30多年的歷史。由低壓變頻器構成的交流調速系統,因其技術上的不斷創新,使系統在性能上不斷地完善,并在電氣傳動領域挑戰直流調速系統,已得到了廣泛的應用。現在,中壓變頻技術在發達國家已經成熟,隨著新的電力電子器件的不斷出現,新的變換技術層出不窮,使得其得到更加廣泛的推廣應用。中壓大功率調速領域采用交流變頻調速已是其發展的趨勢。這是因為中壓大功率(315kW以上)的交流調速系統無論是在性能上,還是在價格上都優于直流系統。中壓變頻技術泛指3kV、6kV、10kV三個電壓等級領域的變頻技術。為實現對中壓大功率交流電動機的變頻調速,人們提出了多種拓撲結構,比較實用并已產品化的中壓變頻器,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。按中間直流濾波環節的不同,在交—直—交變頻領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)、單元串聯多電平PWM電壓源型。中壓變頻技術的迅速發展是建立在電力電子技術的創新、電力電子器件及材料的開發及器件制造工藝水平提高基礎之上的,尤其是高壓大容量GTO、IGBT、IGCT器件的成功開發,使中壓大功率變頻技術得以迅速發展,性能日益完善。2中壓變頻技術21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),適應于低轉速大容量的電動機負載。因其主電路開關器件處于自然關斷狀態,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。由于其技術成熟,在國內開發研制也最多,目前在國內仍有一定的市場。 三相橋式交—交變頻電路的每一相為反并聯的可逆整流線路,只要控制信號按正弦規律變化,就可以得到近似正弦的輸出波形。由于交—交變頻電路實質上就是可逆整流線路,因此在直流可逆傳動中的有環流、無環流等控制技術都可以采用。交—交變頻利用電網電壓來換流,因此它的輸出電壓是由電網電壓中壓變頻技術動態與市場展望

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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,故結構復雜,維護工作量較大,并因采用移相控制方式,功率因數較低,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—交變頻采用的技術比較落后,諧波成分大、功率因數低及調速范圍不寬等自身的原因,在其發展中面臨著新技術的挑戰,在中壓大功率交流變頻領域有被淘汰的趨勢。22交—直—交變頻    在中壓變頻領域交—直—交變頻有多種拓撲結構,如中—低—中方式,其實質上還是低壓變頻,只不過是從電網和電動機兩端來看是高壓。因其存在著中間低壓環節,故有著電流大、結構復雜、效率低、可靠性差等缺點。該方式是中壓變頻技術發展中的一種由低壓變頻向中壓變頻過渡的方式。由于其發展較早,技術也比較成熟,所以目前仍有廣泛的應用,德國西門子、英國西枝來克公司的中壓變頻以此種技術為主。隨著中壓變頻技術的發展,特別是新的大功率可關斷器件的研制成功,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節,結構上有著廣闊的發展前景。    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既不串聯也不并聯,并用兩只IGCT代替傳統的快速熔斷器,其開斷速度為傳統快熔的1000倍,其逆變器也是三電平電路。由于采用IGCT,使該種結構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域是最具有創新性和廣闊發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,但由于其產生大量的高次諧波,在應用中受到一定的限制。單元串聯多電平形式,由于它在諧波、效率和功率因數等方面的優勢,在不要求四象限運行時有著較廣泛的應用前景。而三電平控制由于具有以下特點,將成為今后變頻技術發展的主要趨勢。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,由于每一個開關器件承受的關斷電壓僅為直流側電壓的一半,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倍開關頻率的頻帶區,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。3中壓變頻技術動態31多單元串聯中壓變頻技術    國際上具有研制生產新型大功率中壓變頻裝置能力的均是各大知名電氣公司,諸如美國AB公司、羅檳康(ROBICON)公司和日本東芝公司等,并有搶占我國中壓變頻器市場的趨勢。近年來,國內外一些公司都在研制新型“無電網污染”的高壓變頻器。據報道,這類變頻裝置具有高功率因數、高效率、無諧波污染、無需專用電機等優點,在技術上以達到國際先進水平,其三相系統主電路結構如圖2所示。三相高壓電經移相變壓器,由其副邊每相的5個二次線圈將電壓分別移相12°供給5個功率單元,各功率單元電路如圖3所示。為常規交—直—交電壓型逆變器,輸入側為三相全橋二極管整流,中間為電容濾波環節,輸出側為IGBT單相全控形式。即在A.B兩點之間得到PWM波形,5個功率單元相疊加即可輸出高電壓正弦波給交流感應電動機。例如每個功率單元承受電壓為690V,5個單元串聯后相電壓為3450V,對應線電壓為6000V。該裝置在系統設計上采用了多項先進技術。

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圖3大功率逆變器單元主電路結構圖

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圖2三相系統主電路結構圖 

1)逆變器直流側通過曲折變壓器移相實現30脈波整流,理論上29次以下的諧波電流都可以消除,使裝置的諧波抑制能力大大加強,使電網側電壓與電流之間幾乎無相移,因此功率因數可以接近于1。

2)采用IGBT作為主電路的開關器件,可以提高開關頻率,以減小電流和轉距的脈動。

3)全數字化光纖控制技術的應用,控制柔性和可靠性大大提高。

4)多級PWM輸出波形生成技術,單元逆變橋輸出PWM波形以及5級移相疊加后得到的變頻器輸出電壓呈現電平臺階梯形逐級錯開的理想狀態,實現了高質量的功率輸出,大大減少了輸出電壓的du/dt對電機繞組的沖擊,在這種PWM控制方法下,器件開關頻率是電機繞組的等效開關頻率的10倍,以較小的器件開關損耗實現了較高的電機運行性能。

5)功率單元標準模塊化,IGBT驅動電路智能化,并在功率單元電路設計中應用了功率母線技術。系統有著完善的檢測及保護功能,并具有與PC機現場總線的標準接口,采用鍵盤操作和大屏幕液晶漢顯界面。

32主流器件    

中壓變頻技術主電路拓撲結構是隨著電力電子器件的發展而不斷發展的,早期產品應用的晶閘管器件已處于逐步被淘汰的趨勢。GTO具有高電壓、大電流的發展潛力,但驅動(關斷)電路復雜,影響可靠性,J3結特性很軟,耐壓很低的P—N結,若GTO未處于導通狀態就連續對G—K所在的J3結施加強的負門極脈沖是很危險的,因此在應用中GTO狀態識別和邏輯保護是十分重要的。而采用內部MOS結構關斷的GTO,因工藝復雜,目前未能實現大功率化。為實現可關斷MOS結構的GTO,已開發研制出把MOS結構置于GTO外面來協助關斷的IGCT。IGCT適用于大電流(1000A以上)、低頻率(1000Hz以下)的應用,由于其從研制生產到應用的一系列技術受到專利的保護,在推廣應用和器件競爭中未能完全取GTO。IGBT作為第三代電力電子器件,因其工作電壓較低,在多電平級聯式變頻裝置中有其廣闊的發展前景。其作為主電路器件的中壓變頻裝置具有改善輸出電流波形,減少諧波對電網的污染及減少系統和電動機的電應力。IEGT是最為嶄新的電力電子器件,其吸取了IGBT和GTO兩者的優點,稱為“注入增強柵晶體管”,它是在溝槽型IGBT基礎上,把部分溝道同P區相聯使發射極區注入增強,使得IEGT具有高電壓大電流和高的工作頻率,使其更適合于高電壓大功率、高頻率的變頻裝置。    

目前,應用在中壓大功率變頻領域的電力電子器件,已形成GTO、IGCT、IGBT、IEGT相互競爭不斷創新的局面,在大功率(1000kW),低頻率(1000Hz)的傳動領域,如電力牽引機車領域GTO、IGCT有著獨特的優勢,而在高載波頻率、高斬波頻率下IGBT、IEGT有著廣闊的發展前景,在現階段中壓大功率變頻領域將由這四種電力電子器件構成其主流器件。

33主流結構   

目前就中壓大功率變頻器的主流結構為中—中方式及其派生的形式。

1)電壓源型中—中變頻器電壓源型中—中變頻器由整流器和逆變器兩部分組成,在逆變器的直流側并有大電容,用來緩沖無功功率,當要求輸出電壓高于普通PWM電壓源型變頻器時,可采用三電平PWM方式,以避免器件串聯的動態均壓問題,同時降低輸出諧波du/dt。三電平PWM方式整流電路采用二極管,逆變部分功率器件采用GTO、IGBT或IGCT。每個橋臂雖由4個功率器件串聯,但是不存在同時導通和關斷以及由此引起的動態均壓問題。由于輸出相電壓電平數增加到了3個,每個電平的幅值下降,且提高了諧波消除算法的自由度,可使輸出波形比二電平PWM變頻器有了較大的提高,輸出du/dt也有所減少。若輸入也采用對稱的PWM結構,可以做到系統功率因數可調,輸入諧波也很低,且可四象限運行。為減少輸出諧波和轉距脈動,希望有較高的開關頻率,但會導致變頻器損耗增加,效率下降。三電平變頻器輸出若不設濾波器,一般需要特殊電動機,若使用普通電動機應降額應用。

2)電流源型中—中變頻器電流源型變頻器的最大優點是電能可以回饋到電網,其結構決定由其構成的交流調速系統可實現四象限運行。由于輸入側采用橋式晶閘管整流電路,輸入電流的諧波較高,功率因數低,且隨著系統轉速的下降而降低,另外,電流源型變頻器還會產生較大的共模電壓,若不采用隔離變壓器,其共模電壓會影響電動機的絕緣。裝置的輸出電流諧波也較高,會引起電動機的額外發熱和轉矩脈動,從而影響系統的動態指標。由于驅動功率、均壓電路等固定損耗較大,系統效率會隨著負載的降低而下降。采用GTO作為逆變部分功率器件,可以通過PWM開關模式來實現消除諧波電流,但系統受到GTO開關頻率上限的限制,一般控制在幾百Hz左右,若整流電路采用GTO作電流PWM控制,可以得到較低的輸入電流諧波和較高的輸出功率因數,但會使系統結構復雜和成本增加。電流源型的發展稍晚于電壓源型,在主電路方面電流源型與電壓源型比較有三大差別。

①逆變器的直流側采用大電感L作為濾波元件,即直流電路具有較大的阻抗,由于L的作用,三相整流橋交流側的輸入電流為120°方波電流,同樣三相逆變橋交流側輸出電流為120°方波的電流。由于L的作用,能有效地抑制故障電流的上升率實現較理想的保護特性。 

②沒有與逆變橋反向并聯的反饋二極管橋,這里整流橋和逆變橋的電流方向始終不變,傳動系統能量的再生可以通過整流橋和逆變橋的直流電壓同時反向,將能量返送交流電網,因此可快速實現四象限運行,適用于頻繁加減速和頻繁啟動的負載場合。

③逆變橋依靠逆變橋內的電容器和負載電感的諧振來換流,簡化了主電路。34功率單元串聯及多電平方式     在中—中變頻器的主電路結構中,若采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓,單元串聯的數量決定輸出電壓的等級,不存在著器件的均壓問題。逆變器部分采用多電平移相式PWM技術,同一相的功率單元輸出相同的基波電壓,但串聯各單元的5對載波(每對含正反向信號)之間互相錯開36°,實現多電平PWM,每個功率單元的IGBT開關頻率為600Hz,若每相5個功率單元串聯時,等效的輸出相電壓開關頻率為6kHz,可以降低開關的損耗,提高變頻器效率,此種結構的變頻器可適用于任何普通的高壓電動機,且不必降額使用。雖然采用這種主電路拓撲結構會使器件的數量增加,但由于驅動功率下降,開關頻率較低且不必采用均壓電路,使系統在效率方面仍有較大的優勢,一般可達97%。由于采用模塊化結構,所有功率單元可以互換,維修也比較方便。但由于采用二極管整流電路,所以能量不能回饋電網,不能實現四象限運行,其應用領域受到一定的限制。 35功率母線技術    在電力電子技術及應用裝置向高頻化發展的今天,系統中特別是連接線的寄生參數產生巨大的電應力,已成為威脅電力電子裝置可靠性的重要因素。從直流儲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關逆變器中,由于瞬時切換時的過電壓,會使器件過熱,甚至有時使逆變器失控并超過器件的額定安全工作區而損壞,限制了開關工作頻率的提高。功率母線按其結構可分為以下幾種:1)電纜絞線電纜絞線是最常用的傳統功率母線,價廉、簡易,但在IGBT逆變器中,由于電纜線的自感大,與園截面導線相比,扁平母線的自感只有園導線的1/3~1/2,而所占的體積只有它的1/10~1/2。2)印刷電路板印刷電路板母線主要用于小電流逆變器,但當母線直流電流達到150A時,要求電路板的復銅層很厚,造價太高,另外用來連接多層導線板的穿孔不但占據較大的空間,而且會影響整機的可靠性。

3)裸銅板母線(平面并行母線)這是一種工業上廣泛應用的IGBT模塊饋電系統的傳統母線形式,其缺點是在于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直流母線板的上方,中間用一層薄絕緣材料隔開的方法來制作母線,由于磁場的相互抵消,可以最大限    度地降低互感,但其工藝復雜,不宜規模化生產。由于上述幾種功率母線都存在著不同的缺點,因此制約大功率變頻器體積的小型化的進程,為此開發研制出迭層功率母線。5)迭層功率母線基于電磁場理論,把連線做成扁平截面,在同樣截面下做得越薄越寬,它的寄生電感越小,相鄰導線內流過相反的電流,其磁場抵消,也可使寄生電感減小,這就促使萌生迭層功率母線的思路。所謂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度的材料熱壓成一體,整個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構,可承受數百kg的切應力,其導電極之間可承受數kV的電壓。使用迭層功率母線將IGBT和整流管等模塊、散熱器、電容器及柵極驅動電路組合在一起,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完成的,以使相連接時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量級地減小,從而使Ldi/dt的過電壓應力降至最低,保證電力電子裝置工作在最佳狀態。4市場分析     我國發電量的50%~60%用于交流電動機,而容量在315kW以上的(其額定電壓一般為3~10kV),電動機占電動機總裝機容量的40%~50%。由于我國中壓變頻技術仍沒有形成產業化,落后于國外發達國家,因此這部分電動機在負載工況變化時,缺少經濟可靠的調速手段,每天都在浪費著大量的電能,因此國內潛在著巨大的中壓大功率變頻器市場。世界上各大知名的電氣公司,如西門子、ABB、AB、AEG、東芝等,都在這一領域展開激烈的競爭,投入大量的人力、物力和財力,開發研制高性能的產品,以搶占我國中壓大功率變頻器的市場。國家計委預計在今后十五年內,我國變頻器總需求的投資額在500億元以上,而其中60%~70%是中壓大功率變頻器。

我國的高壓變頻器市場有其特殊性,其使用環境、用戶特點與國外差別較大,歸納起來有以下幾點:

1)行業性很強,主要集中在冶金、電力、供水、石油、化工、煤炭等行業。在工業用電中石油、煤炭等能源行業耗電占22.34%;化工占14.73%;冶金占14.18%;機械建材占10.96%;供水占10.53%。

2)上述行業中大都為國有控股企業,定購產品涉及動力、計劃、技術改造等部門,購買決策周期長。

3)一次性投資購買設備金額較大,若能采用賣方信貸、租賃、節能效益還款等方式促銷,會使用戶更快接收。

4)各類負載工況差異大,使用經驗相對少。

5)目前全國各行業中,只有少數企業的高壓電機使用了調速方式,市場空白點多。

6)政府行為和市場的不確定性。高壓變頻器屬投資類設備,主要用于節能和改善生產工藝。用戶是否購買此類設備與政府的政策導向關系很大。如政府推廣力度較大,市場啟動會快一些,反之則慢。另一方面市場還受國際、國內經濟大環境的影響及國內用戶(某些行業)整體經濟效益好壞的影響。因此,在未來市場發展過程中仍存在著一些不確定的因素。

7)海外跨國公司知名品牌產品大舉進入我國市場的可能性較大,各方應有所準備。    

我們如果不能在這場競爭中研制開發出自己的創新產品,并形成產業化生產規模,并加大推廣應用力度,那么我們將把國內幾百億元的中壓大功率變頻器市場讓給國外各大電氣公司,其結果是由國外各大電氣公司壟斷我國中壓大功率變頻器技術及市場,那時我國在這一領域的技術和產品將是“萬國型”。因此研制國產中壓大功率變頻器,就必須走產學研聯合創新之路,才能形成產業化的規模。而要從技術創新走向產業成功的路,并沒有一個固定模式和規律讓我們去遵循,而是需要在市場經濟的競爭中穿插、協調,把人的智慧、技術、和社會的資金及產品在市場上的推廣應用的網絡有機地結合,形成技術創新、推廣應用、網絡服務,以此推動國產中壓大功率變頻器走向市場,并占領市場形成全新的規模化的朝陽產業。 


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