變頻器的現狀及其未來的技術發展（zhǎn）

    1、變頻器（qì）的現狀

    1.1變頻器的市場情況

   我國50%～60%的發電量用於交流電動機，而容量在3kw以（yǐ）上，額定電壓一般（bān）為（wéi）3～10kV的（de）電動機占電動機總裝機容（róng）量的40%～50%。由（yóu）於我國中壓變頻技（jì）術仍（réng）沒有形成產業化，落後於國外發達國家，因此（cǐ）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（měi）天都在浪費著大量（liàng）的電能，因此國內潛在著巨大的中壓（yā）大功率變頻器市場。國家計委預計（jì）在今後（hòu）十五（wǔ）年內（nèi），使我國變頻器總需求的投資額在500億元以上，而其中60%～70%是（shì）中壓大功率變頻器。我國的高壓變（biàn）頻器市場具有其（qí）特（tè）殊性，包括：（1）行業性很強，主要集中在冶金（jīn）、電力、供水、石油、化工、煤炭等行業。在（zài）工業用電中石油（yóu）、煤炭等能源行業耗電占（zhàn）22.34%；化工（gōng）占14.73%；冶金占14.18%；機械建材占10.96%；供水占10.53%。（2）目前國內各行業中（zhōng），隻有少數企業的高壓電機使用了（le）調速方式，市場空白點多。（3）高壓變頻器屬投資類（lèi）設備（bèi），主要用於（yú）節能和改善生（shēng）產工藝。用戶是否購買此類設備與政府的政策導（dǎo）向關係很大。如（rú）政（zhèng）府（fǔ）推廣力度（dù）較大，市場啟（qǐ）動會快一些，反之則慢。另一方麵市場還（hái）受國際、國內經濟大環境的影響以及國內某些行業的整體經濟（jì）效益好壞的（de）影響（xiǎng）。因此在（zài）未（wèi）來（lái）市場發展過（guò）程（chéng）中（zhōng）仍存在著（zhe）一些不確定的因素。（4）海外公司的（de）知名品牌產品大舉進入我國市場的可能性（xìng）較大，各方應有所準備（bèi）。

    1.2變頻器的變頻技術的現狀

   交一交變頻是早期變（biàn）頻的主（zhǔ）要形式，適應於低轉速大容量（liàng）的電動機負載。其（qí）主電路開關器件處於自然關斷狀態，不存在強迫換流問題，所以**代電力電子器（qì）件—晶（jīng）閘管就能完全滿足它的要求。由於其技術成熟，在國內開發研製也*多，目前（qián）在國內仍有一定的市場（chǎng）。交一交變頻（pín）在其主接線中（zhōng）需（xū）要大量（liàng）的晶閘管，結構複雜，維護工作量（liàng）較（jiào）大，並因（yīn）采用移相控製方式，功（gōng）率因（yīn）數較低，一般（bān）僅有0.6～0.7，而且（qiě）諧（xié）波成分大，需（xū）要無功補償和濾波裝置，使得總（zǒng）的造價提高（gāo）。
　　
   交一直一交變頻采用了多種（zhǒng）拓撲結構，如中一低一中方（fāng）式，其實質上還是低壓變頻，隻（zhī）不過從電網和（hé）電動機兩端來看是高壓。由於其存在著中間低壓（yā）環節，所以具有電流大、結構複雜、效率低、可靠（kào）性差（chà）等缺點。由於其發展較早，技術也比較成熟，所以目前仍廣泛應用。隨（suí）著中壓變（biàn）頻技（jì）術的發展，特別是新型大功率可關（guān）斷器件的研製成功，中一低（dī）一中方式具有被逐步（bù）淘汰的趨勢。而直接中壓變頻方式，因沒有中間（jiān）的低壓環節，結構上有著廣（guǎng）闊的發展前景。
　　
   變頻器的逆變器普遍采用大功率場效應（yīng）管MOSET、大功率晶體管GTR、可關斷（duàn）晶閘管GTO等的自關斷元件，其（qí）中GTR應用*為普遍。但是（shì）在調製策略（luè）發展和要求逆變器輸出諧波分量更小的（de）情況下，必須（xū）提高開（kāi）關頻率，為此，GTR滿足不了這個要求，於是開發出了一種新元件IGBT。IGBT的全稱是（shì）絕緣柵雙極晶（jīng）體管，是一種把MOSET與GTR巧妙結合在一起的電壓型雙極/M05複合器件，IGBT具有（yǒu）輸入阻抗高、開關（guān）速度快、元（yuán）件（jiàn）損（sǔn）耗小、驅動電路簡單（dān）、驅動功率（lǜ）小、極限溫度高、熱阻小、飽和壓降和電阻低、電流容量大、抗浪湧能力強、**區寬、並聯容易、穩定可靠及模塊化等一係列優點，是一種極理想的開關元件。目前，電流2400A、電壓3300V、開關頻率（lǜ）40kHz的IGBT已在小、中、大功率範圍內使用。IGBT不僅用於500V以下低（dī）壓（yā）變頻器，還可（kě）以用於IOOOV以上高壓變頻器以驅動高壓電動機。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（yā）器降壓～低壓變頻器一變壓器升壓的方式。由於IGBT具有性能特好的（de）優勢，預計近十年內不會被新（xīn）開發的元件所取代。

    2、變頻器的技術發展動向

    2.1單元串（chuàn）聯多電平技（jì）術

   單元串聯多電平形式在諧波、效（xiào）率和（hé）功率因（yīn）數等方麵存在著優勢，在不要求四象限運行時有著較廣泛的應用前景。其中三電平控製具有許多優點，包括：（1）采（cǎi）用三電平拓撲能有效（xiào）地解決電力電子器件耐壓（yā）不高的問題（tí），適用（yòng）於高電壓大功率。（2）三電平拓撲單個橋能（néng）輸出三種電平（+ud/2、-ud/2、0），線（相）電壓（yā）有更多的（de）階梯來模擬正弦波，使輸出波形失真度減少，諧波大大減（jiǎn）少。（3）多級電壓階梯波減少了du/dt，使得對電機繞組絕緣衝擊減小。（4）三（sān）電平PWM方法把**組諧波分布帶移至2倍開關頻（pín）率的頻帶區，利用電機繞組電感能（néng）較好地抑製高次（cì）諧波對電機的（de）影響。采用三電平PWM方法，每個功率單元的（de）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，可以降低開關損耗，提高變頻器效率，這種變頻器可適用於任何普（pǔ）通的高壓電動機，且不（bú）必降額使用。雖然采用這種主電路拓撲（pū）結構（gòu）會使器件的（de）數量增加，但（dàn）由於驅動功率下降，開關頻率較低且不必采用均（jun1）壓電路，使係統在效率方麵仍有較大的優勢，一般可（kě）達97%。並且，由於采用模塊化結構，所有功率（lǜ）單元可以互換，維修也比較方便。（5）三（sān）電（diàn）平拓撲（pū）能（néng）產生3＊3＊3=27種空間電壓矢（shǐ）量，可以帶來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

   在電力電子技術及應用裝置（zhì）向高頻化發展的今天，係統中特別（bié）是連（lián）接線（xiàn）的寄生參數產生巨大的電應力，己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（de）器件之間的直流母線上的（de）寄生電感在通（tōng）常的硬開關逆變器中，由於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並超（chāo）過器件的額定**工作區而損壞，限製了（le）開（kāi）關工（gōng）作頻率的提（tí）高。功率母線按其（qí）結構包括：
   
（1）電纜絞線是*常用的傳統功率母線，價（jià）廉（lián）簡易，但在IGBT逆變（biàn）器中，由於電纜線（xiàn）的自感大，與圓截麵（miàn）導線相比，扁平母線的自感隻有圓導線的1/3一（yī）1/2，而所占的體積隻有它的1/10一1/2。
   
（2）印刷電路板母線主要用於小電流逆變器，但當母線直流電流達到150A時，要求電路板的複銅層很厚，造價太高（gāo），另外用來連接多層導（dǎo）線板（bǎn）的穿孔不（bú）但占據較大的空間，而且（qiě）會影響整機的可靠性。

（3）裸銅板母線（xiàn）（平麵並（bìng）行母線）是一種工業上廣（guǎng）泛應用的IGBT模塊饋（kuì）電係統的傳統（tǒng）母線（xiàn）形式，其缺點是並行母線的互（hù）感較大。

（4）支架（jià）式母線如果將正直流母線銅板放置在負直流母線板上方，中間用一（yī）層薄絕緣材料隔開的方法來（lái）製作母（mǔ）線（xiàn），由（yóu）於磁場的相互抵消，可以*大（dà）限（xiàn）度地降低互感，但其（qí）工藝複（fù）雜，不宜規模化生產。
　　
   基於上述幾種（zhǒng）功率母線都存在著不同的缺點，為此開發（fā）出了迭層功率母線。迭層功率母線是基於電磁場理論，把連線做成扁平截麵，在同樣的截麵（miàn）下，做得越薄越寬，它的寄生（shēng）電感越小（xiǎo），相鄰導線內流過相反（fǎn）的電流，其磁場抵消，也可使寄生電感減小。迭層功率（lǜ）母線是以又薄又寬的（de）銅排形式迭放在一起，各層之間用很薄的高絕緣強度的（de）材料（liào）熱壓成一體，整（zhěng）個母線極之間（jiān）的距離均勻一致，以減少互感，各層銅排都在所需要（yào）的端子位置（zhì）處同其他層可（kě）靠絕緣地（dì）引出，使（shǐ）所具有不同電位的（de）端子表露在同一平麵上，以便於把主電路中的所有器件與（yǔ）之相連。這種整體的迭層功率母線結構，可承受數百千克的切應力，其導（dǎo）電極之間可承受數千伏的電壓。使用迭（dié）層功率母線將IGBT和整流管等模塊、散熱器、電容器（qì）及柵（shān）極驅動電路組合在一（yī）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，使相連（lián）接的接觸表麵與母線之間（jiān）的（de）接觸電阻非常小，也使得寄生電感（gǎn）成數量級地（dì）減小，從而使Ldi/dt的過（guò）電壓應力降（jiàng）至*低，保證電力電子裝置工作在*佳（jiā）狀態。

    2.3微機控（kòng）製和人（rén）工智能技術

   采用微機控製技術可以對（duì）變（biàn）頻器進行控製（zhì）和保護。在控製方麵：（1）計算確定開關元件的開通和關（guān）斷時刻，使逆變器按調製（zhì）策略（luè）輸出要求的電壓。（2）通過不同的（de）編（biān）碼實現多種傳動調速功能。如各（gè）種頻率的設定和執行、啟動、運行方式選擇、轉矩控製設（shè）定與運行、加減速（sù）設計與運行、製動方式設（shè）定和執行等。（3）通過（guò）接（jiē）口電路、外部傳感器、微機構成調速傳動係統。在保護（hù）方麵，在（zài）外部傳感器及I/0電路配合下，構成完善的檢測保護（hù）係統，可完成多種自診斷保護方案。保護功能包括：（1）主電路、控製電路的欠壓、過（guò）電壓保護；（2）輸出電流的欠電流、過電流保護；（3）電動機或逆變器（qì）的過載保護；（4）製動電阻的過熱保護；（5）失速保護。
　　
   采用人工智能技術對變頻器進行故障診斷（duàn），構成故障診斷係統，該（gāi）係（xì）統由監（jiān）控、檢測、知識（shí）庫（故障模式知識庫或故障診斷專家係統知識庫）、推理機構、人機對話（huà）接口和數據庫組成，不僅在（zài）故障發生後（hòu）能準（zhǔn）確指出故障性質、部位（wèi），且在故（gù）障發生（shēng）前（qián）也能預測（cè）發生（shēng）故障（zhàng）的可能性。在（zài）變頻器啟動（dòng）前對診斷係統本身及變頻器主電路（lù）（包括電源）、控製係（xì）統等進行一次診斷清查隱（yǐn）患。若發現故障現象則調用知識庫推理、判斷故障（zhàng）原因並顯示不能開機，如無故障則顯示可（kě）以開機。開機後，實時檢（jiǎn）測診斷。工作時對各檢測點進行（háng）循環查詢，存儲數（shù）據並不斷刷新。若發現數據越限，則認為可能發生故障，立即定向追蹤。若（ruò）幾次檢查結果相同，說明確實出了故障，於是調用知識庫進行分（fèn）析推理，確定是何種故障及其部位，顯示出來，嚴重時則發出停（tíng）機指令。

    2.4其它各種（zhǒng）技術

   近（jìn）年來，國內外一些公（gōng）司都在研製新型“無電（diàn）網汙（wū）染”的高壓變頻器（qì）。據報道，這類變頻（pín）裝置（zhì）具有高功率因數、高效（xiào）率、無諧波汙染、無需專用電機等優點，采用了多項先進技術：

（1）在變（biàn）頻器的逆（nì）變器直（zhí）流側通過曲折變（biàn）壓器移相實現30“脈波整流，使裝置的諧（xié）波抑製能力大（dà）大加強，使電網側電壓與（yǔ）電流（liú）之間幾乎無相移，因此功率因數可以接（jiē）近於1。

（2）將全數字化光纖控製技術應用於（yú）變頻（pín）器，使其控製（zhì）柔性和可靠性大大提高。
   
（3）功率單元標準模塊化、IGBT驅動電路智能化。