高壓變頻器原理
一、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(jí)調(diào)速。串級(jí)調(diào)速必須采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)，將轉(zhuǎn)子繞組的一部分能量通過整流、逆變?cè)偎突氐诫娋W(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(dòng)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(tái)變壓器，為了節(jié)省這臺(tái)變壓器，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(huì)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(tái)變壓器，先把電網(wǎng)電壓降低，然后采用一臺(tái)低壓的變頻器實(shí)現(xiàn)變頻；對(duì)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(tái)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(jí)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(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(shì)在于成本較低。
二、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。如圖1。電流源型逆變部分采用SGCT直接串聯(lián)解決耐壓?jiǎn)栴}，直流部分用電抗器儲(chǔ)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(guó)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(duì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力已經(jīng)逐漸變?nèi)酢?
(2) 功率單元串聯(lián)多電平型。如圖2。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(duì)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(dòng)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力是很明顯的。
(3) 三電平型。如圖3。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(guó)內(nèi)市場(chǎng)遇到的最大難題是電壓?jiǎn)栴}，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(chǎng)，高低型變頻器將會(huì)退出競(jìng)爭(zhēng)，而只關(guān)注于較小功率的場(chǎng)合。對(duì)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(guó)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)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(dòng)、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(shì)。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(chǎng)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(guó)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)。
三、高壓變頻器的市場(chǎng)特點(diǎn)
(1) 市場(chǎng)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(chǎng)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(jī)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(duì)產(chǎn)品的可靠性是最關(guān)心的。考查可靠性的最好辦法，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(huì)遇到一些問題，高壓變頻器工作的場(chǎng)合又非常關(guān)鍵，因此，對(duì)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(guó)外廠家，服務(wù)和備件的價(jià)格較高，都會(huì)影響用戶的選擇。
(4) 現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)的情況，所以，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性怎么樣，到了現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)，以及后來者為了奪取業(yè)績(jī)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(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)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(duì)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。
（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(jí)調(diào)速。串級(jí)調(diào)速必須采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)，將轉(zhuǎn)子繞組的一部分能量通過整流、逆變?cè)偎突氐诫娋W(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(dòng)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(tái)變壓器，為了節(jié)省這臺(tái)變壓器，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(huì)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(tái)變壓器，先把電網(wǎng)電壓降低，然后采用一臺(tái)低壓的變頻器實(shí)現(xiàn)變頻；對(duì)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(tái)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(jí)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(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(shì)在于成本較低。
二、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。如圖1。電流源型逆變部分采用SGCT直接串聯(lián)解決耐壓?jiǎn)栴}，直流部分用電抗器儲(chǔ)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(guó)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(duì)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力已經(jīng)逐漸變?nèi)酢?
(2) 功率單元串聯(lián)多電平型。如圖2。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(duì)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(dòng)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力是很明顯的。
(3) 三電平型。如圖3。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(guó)內(nèi)市場(chǎng)遇到的最大難題是電壓?jiǎn)栴}，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(chǎng)，高低型變頻器將會(huì)退出競(jìng)爭(zhēng)，而只關(guān)注于較小功率的場(chǎng)合。對(duì)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(guó)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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)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(dòng)、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(shì)。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(chǎng)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(guó)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)。
三、高壓變頻器的市場(chǎng)特點(diǎn)
(1) 市場(chǎng)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(chǎng)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(jī)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(duì)產(chǎn)品的可靠性是最關(guān)心的。考查可靠性的最好辦法，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(huì)遇到一些問題，高壓變頻器工作的場(chǎng)合又非常關(guān)鍵，因此，對(duì)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(guó)外廠家，服務(wù)和備件的價(jià)格較高，都會(huì)影響用戶的選擇。
(4) 現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)的情況，所以，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的靈活性怎么樣，到了現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)，以及后來者為了奪取業(yè)績(jī)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(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)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(duì)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。
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