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高壓變頻器工作原理,技術特點及市場前景

高壓變頻器工作原理

　　高壓變頻器（在國外稱中壓變頻器）自上個世紀九十年代中期開始在國內推廣，經過十年的發展，今天已經普遍為市場所接受，估計今年的市場容量在10億到20億元人民幣之間。本文將從產品技術和市場兩方面分析高壓變頻器的特點。

    高壓變頻器是一種串聯疊加性高壓變頻器，即采用多臺單相三電平逆變器串聯連接，輸出可變頻變壓的高壓交流電。按照電機學的基本原理，電機的轉速滿足如下的關系式：n=（1一s）60f/p=n。×（1一s）（P：電機極對數；f：電機運行頻率;s:滑差）從式中看出，電機的同步轉速n。正比于電機的運行頻率（n。=60fp），由于滑差s一般情況下比較小（0-0．05），電機的實際轉速n約等于電機的同步轉速n。，所以調節了電機的供電頻率f，就能改變電機的實際轉速。電機的滑差s和負載有關，負載越大則滑差增加，所以電機的實際轉速還會隨負載的增加而略有下降。 
    變頻器本身由變壓器柜、功率柜、控制柜三部分組成。三相高壓電經高壓開關柜進入，經輸入降壓、移相給功率單元柜內的功率單元供電，功率單元分為三組，一組為一相，每相的功率單元的輸出首尾相串。主控制柜中的控制單元通過光纖時對功率柜中的每一功率單元進行整流、逆變控制與檢測，這樣根據實際需要通過操作界面進行頻率的給定，控制單元把控制信息發送到功率單元進行相應得整流、逆變調整，輸出滿足負荷需求的電壓等級。

高壓變頻器的產品和技術特點

　　上世紀八十年代到九十年代初，高壓電機要實現調速，主要采用三種方式：（1）液力耦合器方式。即在電機和負載之間串入一個液力耦合裝置，通過液面的高低調節電機和負載之間耦合力的大小，實現負載的速度調節；（2）串級調速。串級調速必須采用繞線式異步電動機，將轉子繞組的一部分能量通過整流、逆變再送回到電網，這樣相當于調節了轉子的內阻，從而改變了電動機的滑差；由于轉子的電壓和電網的電壓一般不相等，所以向電網逆變需要一臺變壓器，為了節省這臺變壓器，現在國內市場應用中普遍采用內饋電機的形式，即在定子上再做一個三相的輔助繞組，專門接受轉子的反饋能量，輔助繞組也參與做功，這樣主繞組從電網吸收的能量就會減少，達到調速節能的目的。（3）高低方式。由于當時高壓變頻技術沒有解決，就采用一臺變壓器，先把電網電壓降低，然后采用一臺低壓的變頻器實現變頻；對于電機，則有兩種辦法，一種辦法是采用低壓電機；另一種辦法，則是繼續采用原來的高壓電機，需要在變頻器和電機之間增加一臺升壓變壓器。

　　上述三種方式，發展到目前都是比較成熟的技術。液力耦合器和串級調速的調速精度都比較差，調速范圍較小，維護工作量大，液力耦合器的效率相比變頻調速還有一定的差距，所以這兩項技術競爭力已經不強了。至于高低方式，能夠達到比較好的調速效果，但是相比真正的高壓變頻器，還有如下缺點：效率低，諧波大，對電機的要求比較嚴格，功率較大時（500KW以上），可靠性較低。高低方式的主要優勢在于成本較低。

目前，主流的高壓變頻器產品主要有三種類型：

(1) 電流源型。

　　電流源型逆變部分采用SGCT直接串聯解決耐壓問題，直流部分用電抗器儲存能量，目前的技術水平可以做到7.2KV輸出電壓，所以適應國內大部分電壓為6KV這一現狀。電流源型變頻器輸入側的功率因數比較低，電抗器的發熱量較大，效率比電壓源型變頻器低，由于采用電流控制，輸出濾波器的設計比較麻煩，而兩電平變頻器的共模電壓和諧波、dv/dt問題較突出，所以對電機的要求較高。雖然電流源型變頻器有可回饋能量的優點，但是需要回饋能量的負載畢竟不是太多，尤其是通用型的變頻器，所以電流源型變頻器的市場競爭能力已經逐漸變弱。

(2) 功率單元串聯多電平型。

　　此變頻器采用多個低壓的功率單元串聯實現高壓，輸入側的降壓變壓器采用移相方式，可有效消除對電網的諧波污染，輸出側采用多電平正弦PWM技術，可適用于任何電壓的普通電機，另外，在某個功率單元出現故障時，可自動退出系統，而其余的功率單元可繼續保持電機的運行，減少停機時造成的損失。系統采用模塊化設計，可迅速替換故障模塊。由此可見，單元串聯多電平型變頻器的市場競爭力是很明顯的。

(3) 三電平型。

　　三電平型變頻器采用鉗位電路，解決了兩只功率器件的串聯的問題，并使相電壓輸出具有三個電平。三電平逆變器的主回路結構環節少，雖然為電壓源型結構，但易于實現能量回饋。三電平變頻器在國內市場遇到的最大難題是電壓問題，其最大輸出電壓達不到6KV，所以往往需要用變通的方法，要么改變電機的電壓，要么在輸出側加升壓變壓器。這一弱點限制了它的應用。

　　目前，雖然有人提出了其他不同的高壓變頻器解決方案，但大都不具有明顯的可行性，或者說不具有將上述三種主流變頻器結構取而代之的潛力。隨著高壓變頻器成本的進一步降低，在中等功率市場，高低型變頻器將會退出競爭，而只關注于較小功率的場合。對于單元串聯多電平型變頻器，主要缺點是變流環節復雜，功率元器件數目多，體積略大一些，但是，在其他的方式不能解決國內應用的需要，高壓器件應用的可靠性還不是太高的情況下，其競爭優勢在最近的一段時期內，可能還是無法替代的。三電平型變頻器由于輸出電壓不高的問題，主要的應用范圍應該是在一些特種領域，如軋鋼機、輪船驅動、機車牽引、提升機等等，這些領域的電機都是特殊定制的，電壓可以不是標準電壓。在一定的功率水平，三電平型變頻器取代傳統的交交變頻器是技術發展的趨勢。三電平變頻器的更大發展有待于更高耐壓的功率器件的出現和現有產品可靠性的進一步提高。在超大功率場合，即大約8000KW以上的功率，用可控硅構成的LCI（負載換流逆變器）電流源型變頻器仍舊是主角。由于上述的技術特征，通用型高壓變頻器目前是單元串聯多電平型變頻器占多數，約7成以上。目前國內以利德華福為代表的高壓變頻器廠家有不下二十家，基本都采用這種電路結構。

高壓變頻器的市場特點

　　(1) 市場普遍接受。如果在5年以前推廣高壓變頻器，一般還要給用戶講解其原理，為什么要使用它。但是現在，經過眾多廠家的共同努力，和市場使用效果的宣傳，用戶已經普遍接受高壓變頻器，只是在眾多廠家中選擇誰的問題。

　　(2) 業績很重要。高壓變頻器一般功率較大，都使用在非常關鍵的部位。所以用戶對產品的可靠性是最關心的。考查可靠性的最好辦法，就是去已經使用的用戶那里去了解情況，這樣的用戶越多，說服力就越強.

　　(3) 服務的重要性不容忽視。高壓變頻器是大功率的電子設備，在使用中，總會遇到一些問題，高壓變頻器工作的場合又非常關鍵，因此，對用戶的及時服務是非常重要的。服務是維持用戶關系的非常重要的方面。如果服務不到位，或者像有些國外廠家，服務和備件的價格較高，都會影響用戶的選擇。

　　(4) 現場的適應性非常重要。一般的高壓變頻器開發廠家，在自己的實驗室里，都很難完全模仿用戶現場的情況，所以，產品設計的靈活性怎么樣，到了現場遇到問題能否盡快解決，都是非常重要的。由于耗電量大，負載又非常重要，用戶往往不希望設備較長時間的試運行，所以，產品設計不嚴謹，一旦遇到問題，就非常難以解決。近年來，許多廠家的產品裹足不前，就是這個原因。

　　(5) 價格進一步下降。由于激烈的競爭，以及后來者為了奪取業績而不得已采用的低價策略，高壓變頻器的價格下降很快，在某些項目上，一些競爭廠家報出的價格甚至低于成本價。 隨著技術的進步，高壓變頻器除了在已有的市場上繼續擴大規模外，還將進一步擴展應用的領域，對于很多負載，還需要解決變頻器的工程應用上的問題。總之，高壓變頻器正在迎來發展的黃金時期。