變頻器的現(xiàn)狀及其未來的技術(shù)發(fā)展方向

變頻技術(shù)的迅速發(fā)展是建立在電力電子技術(shù)的創(chuàng)新、電力電子器件及材料的開發(fā)及器件制造工藝水平提高基礎(chǔ)之上的，尤其是高壓大容量絕緣柵雙極晶體管IGBT、集成門極換流晶閘管工IGCT器件的成功開發(fā)，使大功率變頻技術(shù)得以迅速發(fā)展，性能日益完善。目前市場(chǎng)上新型變頻器品牌繁多，各有千秋。通過分析發(fā)現(xiàn)，這類變頻器有許多共同點(diǎn)。下面對(duì)變頻器的現(xiàn)狀及其未來的技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行分析介紹。 

1.變頻器的市場(chǎng)情況： 

我國(guó)50%～60%的發(fā)電量用于交流電動(dòng)機(jī)，而容量在3kw以上，額定電壓一般為3～10kV的電動(dòng)機(jī)占電動(dòng)機(jī)總裝機(jī)容量的40%～50%。由于我國(guó)中壓變頻技術(shù)仍沒有形成產(chǎn)業(yè)化，落后于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，因此這部分電動(dòng)機(jī)在負(fù)載工況變化時(shí)，缺少經(jīng)濟(jì)可靠的調(diào)速手段，每天都在浪費(fèi)著大量的電能，因此國(guó)內(nèi)潛在著巨大的中壓大功率變頻器市場(chǎng)。國(guó)家計(jì)委預(yù)計(jì)在今后十五年內(nèi)，使我國(guó)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(guó)的高壓變頻器市場(chǎng)具有其特殊性，包括：(1)行業(yè)性很強(qiáng)，主要集中在冶金、電力、供水、石油、化工、煤炭等行業(yè)。在工業(yè)用電中石油、煤炭等能源行業(yè)耗電占22.34%；化工占14.73%；冶金占14.18%；機(jī)械建材占10.96%；供水占10.53%。(2)目前全國(guó)各行業(yè)中，只有少數(shù)企業(yè)的高壓電機(jī)使用了調(diào)速方式，市場(chǎng)空白點(diǎn)多。(3)高壓變頻器屬投資類設(shè)備，主要用于節(jié)能和改善生產(chǎn)工藝。用戶是否購(gòu)買此類設(shè)備與政府的政策導(dǎo)向關(guān)系很大。如政府推廣力度較大，市場(chǎng)啟動(dòng)會(huì)快一些，反之則慢。另一方面市場(chǎng)還受國(guó)際、國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)大環(huán)境的影響以及國(guó)內(nèi)某些行業(yè)的整體經(jīng)濟(jì)效益好壞的影響。因此在未來市場(chǎng)發(fā)展過程中仍存在著一些不確定的因素。(4)海外公司的知名品牌產(chǎn)品大舉進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)的可能性較大，各方應(yīng)有所準(zhǔn)備。 

2.變頻器的變頻技術(shù)的現(xiàn)狀 

交一交變頻是早期變頻的主要形式，適應(yīng)于低轉(zhuǎn)速大容量的電動(dòng)機(jī)負(fù)載。其主電路開關(guān)器件處于自然關(guān)斷狀態(tài)，不存在強(qiáng)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(shù)成熟，在國(guó)內(nèi)開發(fā)研制也最多，目前在國(guó)內(nèi)仍有一定的市場(chǎng)。交一交變頻在其主接線中需要大量的晶閘管，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)工作量較大，并因采用移相控制方式，功率因數(shù)較低，一般僅有0.6～0.7，而且諧波成分大，需要無功補(bǔ)償和濾波裝置，使得總的造價(jià)提高。 

交一直一交變頻采用了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如中一低一中方式，其實(shí)質(zhì)上還是低壓變頻，只不過從電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)兩端來看是高壓。由于其存在著中間低壓環(huán)節(jié)，所以具有電流大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低、可靠性差等缺點(diǎn)。由于其發(fā)展較早，技術(shù)也比較成熟，所以目前仍廣泛應(yīng)用。隨著中壓變頻技術(shù)的發(fā)展，特別是新型大功率可關(guān)斷器件的研制成功，中一低一中方式具有被逐步淘汰的趨勢(shì)。而直接中壓變頻方式，因沒有中間的低壓環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)上有著廣闊的發(fā)展前景。

變頻器的逆變器普遍采用大功率場(chǎng)效應(yīng)管MOSET、大功率晶體管GTR、可關(guān)斷晶閘管GTO等的自關(guān)斷元件，其中GTR應(yīng)用最為普遍。但是在調(diào)制策略發(fā)展和要求逆變器輸出諧波分量更小的情況下，必須提高開關(guān)頻率，為此，GTR滿足不了這個(gè)要求，于是開發(fā)出了一種新元件IGBT。IGBT的全稱是絕緣柵雙極晶體管，是一種把MOSET與GTR巧妙結(jié)合在一起的電壓型雙極/M05復(fù)合器件，IGBT具有輸入阻抗高、開關(guān)速度快、元件損耗小、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)功率小、極限溫度高、熱阻小、飽和壓降和電阻低、電流容量大、抗浪涌能力強(qiáng)、安全區(qū)寬、并聯(lián)容易、穩(wěn)定可靠及模塊化等一系列優(yōu)點(diǎn)，是一種極理想的開關(guān)元件。目前，電流2400A、電壓3300V、開關(guān)頻率40kHz的IGBT已在小、中、大功率范圍內(nèi)使用。IGBT不僅用于500V以下低壓變頻器，還可以用于IOOOV以上高壓變頻器以驅(qū)動(dòng)高壓電動(dòng)機(jī)。此類中壓、高壓變頻器采用多電平逆變器輸出高壓，也可用變壓器降壓～低壓變頻器一變壓器升壓的方式。由于IGBT具有性能特好的優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)近十年內(nèi)不會(huì)被新開發(fā)的元件所取代。 

變頻器的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向 

1.單元串聯(lián)多電平技術(shù) 

單元串聯(lián)多電平形式在諧波、效率和功率因數(shù)等方面存在著優(yōu)勢(shì)，在不要求四象限運(yùn)行時(shí)有著較廣泛的應(yīng)用前景。其中三電平控制具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括：(1)采用三電平拓?fù)淠苡行У亟鉀Q電力電子器件耐壓不高的問題，適用于高電壓大功率。(2)三電平拓?fù)鋯蝹�(gè)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，使輸出波形失真度減少，諧波大大減少。(3)多級(jí)電壓階梯波減少了du/dt，使得對(duì)電機(jī)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(guān)頻率的頻帶區(qū)，利用電機(jī)繞組電感能較好地抑制高次諧波對(duì)電機(jī)的影響。采用三電平PWM方法，每個(gè)功率單元的IGBT開關(guān)頻率為600Hz，若每相5個(gè)功率單元串聯(lián)時(shí)，等效的輸出相電壓開關(guān)頻率為6kHz，可以降低開關(guān)損耗，提高變頻器效率，這種變頻器可適用于任何普通的高壓電動(dòng)機(jī)，且不必降額使用。雖然采用這種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)使器件的數(shù)量增加，但由于驅(qū)動(dòng)功率下降，開關(guān)頻率較低且不必采用均壓電路，使系統(tǒng)在效率方面仍有較大的優(yōu)勢(shì)，一般可達(dá)97%。并且，由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，所有功率單元可以互換，維修也比較方便。(5)三電平拓?fù)淠墚a(chǎn)生3*3*3=27種空間電壓矢量，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.功率母線技術(shù)&n