中压变频技术动态与市场展望.docx

中压变频技术动态与市场展望中东变频技术动态与市场展望摘要：介绍中压变频的主流技术，第述r中压变频的主潦器件及主流结构，就功率母线在中压变频器中的应用，探讨了应用于中压变频器的功率母线发展的方向。关键词：中压变频；主流器件；主流结构：功率母线【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,并在如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册现,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（31.5kW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潦系统。中压变频技术泛指3kV、6kkIOkY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，比较实用并已艺品化的中压变频涔，按其主接线可分为交一交变频和交一直一交变须两大类。而交一直一交变频又可分为中一低一中方式、中一低方式及中一中方式。按中间直流沌波环节的不同，在交一直一交变频领域中乂可分为生流海型、三电平PWM电压源型（也称NetUraIPointCIamPed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，尤其是砌I大容量GTO、IGBT,IGCT落件的成功开发，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2?1交一交变频交一交变频是早期中压变频的主要形式，其工作原理决定r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毂。因其主电路开关器件处于自然关断状态，不存在强迫换潦问题，所以第一代电力电子器件一一幽蛆: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。三相桥式交一交变频电路的每一相为反并联的可逆整流线路，只要控制值型按正弦规律变化，就可以得到近似正弦的输出波形.由丁交一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,交一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里图IKS1.oOo型型舞主电路图若干段“拼凑”起来的，般最高输出频率只能是电网频率的1/3以下。交一交变频在其主接线中需要大量的晶制管，故结构史杂，维护工作量较大，并因采用移相控制方式，功率因数较低，般仅仃060.7,而I1.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。因交一交变嫉采用的技术比较落后，谐波成分大、功率因数低及调速范闹不宽等自身的原因，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.2?2交一直一交变频在中压变频貌域交一直一交变频有多种拓扑结构，如中一低一中方式，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质。因其存在着中间低压环节，故有着电流大、结构发杂、效率低、可独性差等缺点。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。由丁其发展较早，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。随若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，中一低一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。而直接中质变频方式，闪没仃中间的低压环节，结构上有着广阔的发展前景。以IGCT为主电路器件的ACS1.OoO型中一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代替传统的快速驰器，其开断速度为传统快熔的100O倍，其逆变罂也是三电平电路。由丁采用IGCT,使该种结构的变频器的性能得以大幅度提高，IGCT在目前中压直接变领领域是最具有创新性和广阔发展前景的电力电子器件。交一直一交变频中的中一中方式，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百次谐波，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，在不要求四型限运行时有若较广泛的应用前景。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、-Ud2,0）,线（相）电压有更多的阶梯来摸拟正弦波，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dudt,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3X3X3=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篁达的自由度，可得到很好的输出波形。3中压变频技术动态3?1多单元串联中用变频技术国际上具有研制生.产新型大功率中压变频装置能力的均是各大知名电气公司，诸如美国AB公司、罗槟康(ROBIcoN)公司和日本宝芝公司等,并有抢占我国中年变频港市场的趋势。近年来，国内外一些公司都在研制新型“无电网污染”的高压变频器。据报道，这类变频装置具有高功率因数、高效率、无谐波污染、无需专用电机等优点，在技术上以达到国际先进水平，其三相系统生电路结构如图2所示。三相高压电经移相变用器，由其副边每相的5个二次线圈将电压分别移相12°供给5个功率单元，各功率单元电路如图3所示。为常规交一直一交电压型逆变器，输入侧为三相全桥二:极管整流,中间为电容泄波环节，输出侧为IGBT单相全控形式。即在.B两点之间得到PWM波形,5个功率单元相校加即可输出离电压正弦波给交流感应电动机。例如每个功率堆元承受电压为690V,5个单元串联后相电压为3450V,对应线电压为6000V.该装置在系统设计上采用了多项先进技术。图3大功率逆变器单元主电路结构图组2三相系统主电路结构图1）逆变器直流侧通过曲折变压器移相实现30脉波整流,理论上29次以下的谐波电流都可以消除，使装置的谐波抑制能力大大加强，使电网侧电压与电流之间几乎无相移，因此功率因数可以接近丁1.2）采用IGBT作为主电路的开关器件,可以提高开关频率，以减小电流和转距的脉动。3）全数字化光纤控制技术的应用,控制柔性和可拳性大大提高。4）多级PWM输出波形生成技术，单元逆变桥输出PWM波形以及5级移相登加后得到的变频器输出电压呈现电平台阶梯形逐级错开的理想状态，实现了高痂量的功率输出，大大减少了输出电压的du/dt对电机绕组的冲击，在这种PWM控制方法下，器件开关频率是电机绕组的等效开关频率的IO倍，以较小的器件开关损耗实现了较高的电机运行性能”5）功率单元标准模块化JGBT驱动电路智能化,并在功率单元电路设计中应用了功率母线技术。系统有着完善的检测及保护功能,并具有与PC机现场总线的标准接口,采用键盘操作和大屏幕液晶汉显界面。3?2主流器件中印变频技术主电路拓扑结构是随着电力电子冷件的发展而不断发展的，早期产品应用的晶闸管潜件已处于逐步被淘汰的趋势。GTO具有高电压、大电流的发展潜力，但骅动（关断）电路复杂，影响可靠性，J3结特性很软，耐压很低的P-N结，若GTO未处于导通状态就连续对G-K所在的J3结施加强的负门极脉冲是很危险的，因此在应用中GTO状态识别和逻辑保护是卜分全要的。而采用内部MoS结构关断的GT0,因工艺更杂，目前未髓实现大功率化。为实现可关断MOS结构的GTO.已开发研制出把MOS结构置于GTO外面来协助关断的IGCT.IGCT适用于大电流（100OA以上）、低须率（100oHZ以下）的应用，由于其从研制生产到应用的一系列技术受到专利的保护，在推广应用和器件竞争中未能完全取代GToIGBT作为第三代电力电子器件，因其工作电压较低，在多电平级联式变频装置中有其广阔的发展前景。其作为主电路器件的中压变频装置具有改善输出电流波形，减少谐波对电网的污染及减少系统和电动机的电应力。IEGT是最为裙新的电力电子器件，其吸取了IGBT和GTO两者的优点,称为“注入增强栅晶体管”，它是在沟槽型IGBT基础上，把部分沟道同P区相联使发射极区注入增强，使得IEGT具有高电压大电流和高的工作频率，使其更适合于高电压大功率、高频率的变频装置。目前，应用在中压大功率变频貌域的电力电子器件，已形成GT0、IGCT、IGBT、IEGT相互竞争不断创新的局面，在大功率（100OkW）,低频率（100OIIz）的传动领域，如电力牵引机车领域GT0、IGCT有着独特的优势，而在高载波频率、高斩波频率下IGBT、IEGT有着广阔的发展前景，在现阶段中压大功率变频领域将由这四种电力电子器件构成其主流器件。3?3主流结构目前就中压大功率变频器的主流结构为中一中方式及其派生的形式.1）电压源型中一中变频器电压源型中一中变频图由整流落和逆变器两部分组成，在逆变冷的直流他并仃大电容，用来缓冲无功功率，当要求输出电压高普通PWM电压源型变频器时，可采用：电平PWM方式，以避免器件串联的动态均压问题，同时降中风变频技术动态与市场展望低输出谐波和dudt0三电平PWM方式整流电路采用二极管，逆变部分功率潜件采用GT0、IGBT或IGeT。每个桥构虽由4个功率罂件串联，但是不存在同时导通和关断以及由此引起的动态均压问题。由于输出相电压电平数增加到/3个，每个电平的幅值下降，且提高了谐波消除算法的自由度，可使输出波形比二电平PWM变频器有了较大的提高，输出du/d1.也有所减少,若输入也采用对称的PWM结构，可以做到系统功率因数可调，输入谐波也很低，且可四象限运行。为减少输出谐波和转距脉动，希望有较高的开关频率，但会导致变频器损耗增加，效率下降。三电平变频器输出若不设蟋蟹，般需要特殊电动机，若使用普通电动机应降额应用。2）电流源型中一中变频器电流源型变频器的最大优点是电能可以回馈到电网，其结构决定由其构成的交流调速系统可实现四象限运行。由于输入恻采用桥式品闸管整流电路，输入电流的谐波较高，功率因数低，且随着系统转速的下降而降低，另外，电流源型变频器还会产生较大的共模电压，若不采用隔离变压器，其共模电压会影响电动机的绝缘。装置的输出电潦谐波也较高，会引起电动机的额外发热和转矩脉动，从而影响系统的动态指标。由于联动功率、均压电路等固定损耗较大，系统效率会随着负载的降低而卜.降。采用GTO作为逆变部分功率器件，可以通过PRY开关模式来实现消除谐波电流，但系统受到GTO开关频率上限的限制，一般控制在几白HZ左右，若整流电路采用GTO作电流PWM控制，可以得到较低的输入电流谐波和较高的输出功率因数，但会使系统结构兔杂和成本增加。电流源型的发展稍晚于电压源型，在主电路方面电流源型与电压源型比较有三大差别。逆变器的直流侧采用大电感1.作为注波元件，即直流电路具有较大的阻抗，由于1.的作用，三相整j靖交流侧的输入电流为1200方波电流,同样三相逆变桥交流侧输出电流为120。方波的电流。由于1.的作用，能有效地抑制故障电流的上升率实现较理想的保护特性.没有与逆变桥反向并联的反馈二极管桥，这里整流桥和逆变桥的电潦方向始终不变，传动系统能量的再生可以通过整潦桥和逆变桥的直流电压同时反向，聘能量返送交流电网，因此可快速实现四彖限运行，适用于频繁加减速和频繁启动的负载场合。逆变桥依靠逆变桥内的电容器和负载电i的谐振来换诫,简化了主电路。3?4功率单元中联及多电平方式在中一中变频沿的主电路结构中，若采用若干个低压PWM变频功率第元串联的方式实现直接高层，单元串联的数量