高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

1、引言

通常，我們把用來驅(qū)動(dòng)1kV以上交流電動(dòng)機(jī)的中、大容量變頻器稱為高壓變頻器。按照國際慣例和我國國家標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)供電電壓大于或等于10kV時(shí)稱高壓，小于10kV時(shí)稱中壓。因此，相應(yīng)額定電壓1～10kV的變頻器應(yīng)分別稱為中壓變頻器和高壓變頻器。但考慮到在這一電壓范圍內(nèi)的變頻器有著共同的特征，且我們習(xí)慣上也把額定電壓為3kV或6kV的電動(dòng)機(jī)稱為“高壓電機(jī)”，因此，為簡化敘述起見，本文也稱之為“高壓變頻器”。

截止2006年底，我國發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘恳淹黄?億kW，為5.08億kW。其中火電裝機(jī)約占80%，為4億kW左右。全國年發(fā)電量已突破2萬億kWh。而我國的能源利用率卻平均比發(fā)達(dá)國家低20%左右！

全國電動(dòng)機(jī)裝機(jī)總?cè)萘恳堰_(dá)4億多kW，年耗電量達(dá)12000億kWh，占全國總用電量的60%，占工業(yè)用電量的80%；其中風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)的裝機(jī)總?cè)萘恳殉�過2億kW，年耗電量達(dá)8000億kWh，占全國總用電量的40%左右。70%以上的風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)應(yīng)調(diào)速運(yùn)行，而至今僅有約5%左右調(diào)速運(yùn)行。

若按風(fēng)機(jī)、水泵和壓縮機(jī)總裝機(jī)容量的50%進(jìn)行調(diào)速節(jié)能改造，則可改造容量達(dá)1億kW，其中40%為中高壓電機(jī)，容量占60%。若按電機(jī)平均出力為60%，年運(yùn)行4000h，平均節(jié)電率為20～30%（平均25%）計(jì)算，則年節(jié)電潛力為600億kWh！整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的節(jié)電潛力約為1000億kWh，改造和更新預(yù)計(jì)需投入2000～3000億元人民幣。

根據(jù)國家節(jié)能計(jì)劃，我國每年應(yīng)節(jié)約和少用能源7000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，通過基本建設(shè)項(xiàng)目及技術(shù)改造措施，每年可形成約3000萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的節(jié)能能力，而每形成一噸標(biāo)準(zhǔn)煤的節(jié)能能力需投資2000元（約為開發(fā)等量能源費(fèi)用的三分之一），則每年需節(jié)能投資600億元，“十五”期間共需3000億元人民幣，“十一五”期間將更多。

由于我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,發(fā)電裝機(jī)仍以高速發(fā)展。但電力運(yùn)行的一些主要指標(biāo)和裝備指標(biāo)與發(fā)達(dá)國家相比仍有很大差距我國火電機(jī)組的平均煤耗為400gkWh,比發(fā)達(dá)國家高出約70～100gkWh;發(fā)達(dá)國家發(fā)電廠的廠用電率為3.7%～6%,而我國的廠用電率為4.7%～10.5%,加之線損,我國送到用戶的電能要比發(fā)達(dá)國家多耗電9.5%,相當(dāng)于22000MW裝機(jī)容量,即22個(gè)百萬大廠的年發(fā)電量。因此,我國的節(jié)能形勢十分嚴(yán)峻！

2、變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

變頻調(diào)速技術(shù)涉及到電力、電子、電工、信息與控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，以變頻調(diào)速為代表的近代交流調(diào)速技術(shù)有了飛速的發(fā)展。交流變頻調(diào)速傳動(dòng)克服了直流電機(jī)的缺點(diǎn)，發(fā)揮了交流電機(jī)本身固有的優(yōu)點(diǎn)（結(jié)構(gòu)簡單、堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)可靠、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等），并且很好地解決了交流電機(jī)調(diào)速性能先天不足的問題。交流變頻調(diào)速技術(shù)以其卓越的調(diào)速性能、顯著的節(jié)電效果以及在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的廣泛適用性，而被公認(rèn)為是一種最有前途的交流調(diào)速方式，代表了電氣傳動(dòng)發(fā)展的主流方向。變頻調(diào)速技術(shù)為節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量提供了至關(guān)重要的手段。變頻調(diào)速理論已形成較為完整的科學(xué)體系，成為一門相對獨(dú)立的學(xué)科。

20世紀(jì)是電力電子變頻技術(shù)由誕生到發(fā)展的一個(gè)全盛時(shí)代。最初的交流變頻調(diào)速理論誕生于20世紀(jì)20年代，直到60年代，由于電力電子器件的發(fā)展，才促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)向?qū)嵱梅较虬l(fā)展。70年代席卷工業(yè)發(fā)達(dá)國家的石油危機(jī)，促使他們投入大量的人力、物力、財(cái)力去研究高效率的變頻器，使變頻調(diào)速技術(shù)有了很大發(fā)展并得到推廣應(yīng)用。80年代，變頻調(diào)速已產(chǎn)品化，性能也不斷提高，發(fā)揮了交流調(diào)速的優(yōu)越性，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)各部門，并且部分取代了直流調(diào)速。進(jìn)入90年代，由于新型電力電子器件如IGBT（絕緣柵雙極型晶體管Insolated Gate Bipolar Transistor）、IGCT（集成門極換流型晶閘管Integrated Gate Commutated Thyristor）等的發(fā)展及性能的提高、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，如由16位機(jī)發(fā)展到32位機(jī)以及DSP（數(shù)字信號處理器Digital Signal Processor）的誕生和發(fā)展（如磁場定向矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制）等原因，極大地提高了變頻調(diào)速的技術(shù)性能，促進(jìn)了變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，使變頻器在調(diào)速范圍、驅(qū)動(dòng)能力、調(diào)速精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、輸出性能、功率因數(shù)、運(yùn)行效率及使用的方便性等方面大大超過了其它常規(guī)交流調(diào)速方式，其性能指標(biāo)亦已超過了直流調(diào)速系統(tǒng)，達(dá)到取代直流調(diào)速系統(tǒng)的地步。目前，交流變頻調(diào)速以其優(yōu)異的性能而深受各行業(yè)的普遍歡迎，在電力、軋鋼、造紙、化工、水泥、煤炭、紡織、鐵路、食品、船舶、機(jī)床等傳統(tǒng)工業(yè)的改造中和航天航空等高新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用中無不看到變頻調(diào)速技術(shù)的蹤影，變頻調(diào)速技術(shù)取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

變頻調(diào)速技術(shù)的現(xiàn)狀具有以下特點(diǎn)：

（1）在功率器件方面，近年來高電壓、大電流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。
（2）在微電子技術(shù)方面，16位、32位高速微處理器以及DSP和ASIC（專用集成電路Application Specific IC）技術(shù)的快速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)變頻器高精度、多功能化提供了硬件手段。
（3）在控制理論方面，矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、智能控制等新的控制理論為研制高性能變頻器的發(fā)展提供了相關(guān)理論基礎(chǔ)。
（4）在產(chǎn)品化生產(chǎn)方面，基礎(chǔ)工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，促進(jìn)了變頻器相關(guān)配套件的社會化、專業(yè)化生產(chǎn)。

3、國內(nèi)外高壓變頻器的分類、比較和應(yīng)用情況

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