中压变频技术动态与市场展望 2011-05-23 17:21:29来源:互联网
1引言

交流变频调速技术发展至今已有30多年的历史。由低压变频器构成的交流调速系统,因其技术上的不断创新,使系统在性能上不断地完善,并在电气传动领域挑战直流调速系统，已得到了广泛的应用。现在，中压变频技术在发达国家已经成熟，随着新的电力电子器件的不断出现，新的变换技术层出不穷，使得其得到更加广泛的推广应用。中压大功率调速领域采用交流变频调速已是其发展的趋势。这是因为中压大功率（315kW以上）的交流调速系统无论是在性能上，还是在价格上都优于直流系统。中压变频技术泛指3kV、6kV、10kV三个电压等级领域的变频技术。为实现对中压大功率交流电动机的变频调速，人们提出了多种拓扑结构，比较实用并已产品化的中压变频器，按其主接线可分为交—交变频和交—直—交变频两大类。而交—直—交变频又可分为中—低—中方式、中—低方式及中—中方式。按中间直流滤波环节的不同，在交—直—交变频领域中又可分为电流源型、三电平PWM电压源型（也称NeturalPointClamped中点嵌位）、单元串联多电平PWM电压源型。中压变频技术的迅速发展是建立在电力电子技术的创新、电力电子器件及材料的开发及器件制造工艺水平提高基础之上的，尤其是高压大容量GTO、IGBT、IGCT器件的成功开发，使中压大功率变频技术得以迅速发展，性能日益完善。

2中压变频技术

21交—交变频

交—交变频是早期中压变频的主要形式，其工作原理决定了它只能工作在低频率（20Hz以下），适应于低转速大容量的电动机负载。因其主电路开关器件处于自然关断状态，不存在强迫换流问题，所以第一代电力电子器件——晶闸管就能完全满足它的要求。由于其技术成熟，在国内开发研制也最多，目前在国内仍有一定的市场。 三相桥式交—交变频电路的每一相为反并联的可逆整流线路，只要控制信号按正弦规律变化，就可以得到近似正弦的输出波形。由于交—交变频电路实质上就是可逆整流线路，因此在直流可逆传动中的有环流、无环流等控制技术都可以采用。交—交变频利用电网电压来换流，因此它的输出电压是由电网电压

中压变频技术动态与市场展望


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图1ACS1000型变频器主电路图

若干段“拼凑”起来的，一般最高输出频率只能是电网频率的1/3以下。

交—交变频在其主接线中需要大量的晶闸管，故结构复杂，维护工作量较大，并因采用移相控制方式，功率因数较低，一般仅有0.6～0.7，而且谐波成分大，故需要无功补偿和滤波装置，使得总的造价提高。因交—交变频采用的技术比较落后，谐波成分大、功率因数低及调速范围不宽等自身的原因，在其发展中面临着新技术的挑战，在中压大功率交流变频领域有被淘汰的趋势。

22交—直—交变频

在中压变频领域交—直—交变频有多种拓扑结构，如中—低—中方式，其实质上还是低压变频，只不过是从电网和电动机两端来看是高压。因其存在着中间低压环节，故有着电流大、结构复杂、效率低、可靠性差等缺点。该方式是中压变频技术发展中的一种由低压变频向中压变频过渡的方式。由于其发展较早，技术也比较成熟，所以目前仍有广泛的应用，德国西门子、英国西枝来克公司的中压变频以此种技术为主。随着中压变频技术的发展，特别是新的大功率可关断器件的研制成功，中—低—中方式由于其自身的缺点，在今后的发展中有被逐步淘汰的趋势。而直接中压变频方式，因没有中间的低压环节，结构上有着广阔的发展前景。

以IGCT为主电路器件的ACS1000型中—中变频器的主电路如图1所示。从图中可以看到IGCT既不串联也不并联，并用两只IGCT代替传统的快速熔断器，其开断速度为传统快熔的1000倍，其逆变器也是三电平电路。由于采用IGCT，使该种结构的变频器的性能得以大幅度提高，IGCT在目前中压直接变频领域是最具有创新性和广阔发展前景的电力电子器件。

交—直—交变频中的中—中方式，虽然具有损耗小、无降压与升压变压器等特点，但由于其产生大量的高次谐波，在应用中受到一定的限制。单元串联多电平形式，由于它在谐波、效率和功率因数等方面的优势，在不要求四象限运行时有着较广泛的应用前景。而三电平控制由于具有以下特点，将成为今后变频技术发展的主要趋势。

1）采用三电平拓扑能有效地解决电力电子器件耐压不高的问题,由于每一个开关器件承受的关断电压仅为直流侧电压的一半,因此它适用于高电压大功率。

2）三电平拓扑单个桥能输出三种电平(＋Ud/2、－Ud/2、0)，线（相）电压有更多的阶梯来模拟正弦波，使得输出波形失真度减少，因此谐波大为减少。

3）多级电压阶梯波减少了du/dt,使对电机绕组绝缘冲击减小。

4）三电平PWM方法把第一组谐波分布带移至2倍开关频率的频带区,利用电机绕组电感能较好地抑制高次谐波对电机的影响。

5）三电平拓扑能产生3×3×3=27种空间电压矢量,较二电平大大增加,矢量的增多带来谐波消除算法的自由度,可得到很好的输出波形。