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什么是高壓變頻器原理

作者: 時間:2011-07-22 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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(nèi)推廣,經(jīng)過十年的發(fā)展,今天已經(jīng)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(chǎn)品技術(shù)和市場兩方面分析高壓變頻器的特點。

一、高壓變頻器的產(chǎn)品和技術(shù)特點 上世紀八十年代到九十年代初,高壓電機要實現(xiàn)調(diào)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(diào)節(jié)電機和負載之間耦合力的大小,實現(xiàn)負載的速度調(diào)節(jié);

(2)串級調(diào)速。串級調(diào)速必須采用繞線式異步電動機,將轉(zhuǎn)子繞組的一部分能量通過整流、逆變再送回到電網(wǎng),這樣相當(dāng)于調(diào)節(jié)了轉(zhuǎn)子的內(nèi)阻,從而改變了電動機的滑差;由于轉(zhuǎn)子的電壓和電網(wǎng)的電壓一般不相等,所以向電網(wǎng)逆變需要一臺變壓器,為了節(jié)省這臺變壓器,現(xiàn)在國內(nèi)市場應(yīng)用中普遍采用內(nèi)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(zhuǎn)子的反饋能量,輔助繞組也參與做功,這樣主繞組從電網(wǎng)吸收的能量就會減少,達到調(diào)速節(jié)能的目的。

(3)高低方式。由于當(dāng)時高壓變頻技術(shù)沒有解決,就采用一臺變壓器,先把電網(wǎng)電壓降低,然后采用一臺低壓的變頻器實現(xiàn)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(xù)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(fā)展到目前都是比較成熟的技術(shù)。液力耦合器和串級調(diào)速的調(diào)速精度都比較差,調(diào)速范圍較小,維護工作量大,液力耦合器的效率相比變頻調(diào)速還有一定的差距,所以這兩項技術(shù)競爭力已經(jīng)不強了。至于高低方式,能夠達到比較好的調(diào)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(yōu)勢在于成本較低。

目前,主流的高壓變頻器產(chǎn)品主要有三種類型:

(1) 電流源型。如圖1。電流源型逆變部分采用SGCT直接串聯(lián)解決耐壓問題,直流部分用電抗器儲存能量,目前的技術(shù)水平可以做到7.2KV輸出電壓,所以適應(yīng)國內(nèi)大部分電壓為6KV這一現(xiàn)狀。電流源型變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)比較低,電抗器的發(fā)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(shè)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(yōu)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(jīng)逐漸變?nèi)酢?

(2) 功率單元串聯(lián)多電平型。如圖2。此變頻器采用多個低壓的功率單元串聯(lián)實現(xiàn)高壓,輸入側(cè)的降壓變壓器采用移相方式,可有效消除對電網(wǎng)的諧波污染,輸出側(cè)采用多電平正弦PWM技術(shù),可適用于任何電壓的普通電機,另外,在某個功率單元出現(xiàn)故障時,可自動退出系統(tǒng),而其余的功率單元可繼續(xù)保持電機的運行,減少停機時造成的損失。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,可迅速替換故障模塊。由此可見,單元串聯(lián)多電平型變頻器的市場競爭力是很明顯的。

(3) 三電平型。如圖3。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(lián)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(jié)構(gòu)環(huán)節(jié)少,雖然為電壓源型結(jié)構(gòu),但易于實現(xiàn)能量回饋。三電平變頻器在國內(nèi)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(cè)加升壓變壓器。這一弱點限制了它的應(yīng)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(jié)構(gòu)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(guān)注于較小功率的場合。對于單元串聯(lián)多電平型變頻器,主要缺點是變流環(huán)節(jié)復(fù)雜,功率元器件數(shù)目多,體積略大一些,但是,在其他的方式不能解決國內(nèi)應(yīng)用的需要,高壓器件應(yīng)用的可靠性還不是太高的情況下,其競爭優(yōu)勢在最近的一段時期內(nèi),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(yīng)用范圍應(yīng)該是在一些特種領(lǐng)域,如軋鋼機、輪船驅(qū)動、機車牽引、提升機等等,這些領(lǐng)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(tǒng)的交交變頻器是技術(shù)發(fā)展的趨勢。三電平變頻器的更大發(fā)展有待于更高耐壓的功率器件的出現(xiàn)和現(xiàn)有產(chǎn)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(gòu)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(shù)特征,通用型高壓變頻器目前是單元串聯(lián)多電平型變頻器占多數(shù),約7成以上。目前國內(nèi)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(jié)構(gòu)。

二、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(xiàn)在,經(jīng)過眾多廠家的共同努力,和市場使用效果的宣傳,用戶已經(jīng)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(yè)績很重要。高壓變頻器一般功率較大,都使用在非常關(guān)鍵的部位。所以用戶對產(chǎn)品的可靠性是最關(guān)心的??疾榭煽啃缘淖詈棉k法,就是去已經(jīng)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(wù)的重要性不容忽視。高壓變頻器是大功率的電子設(shè)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(guān)鍵,因此,對用戶的及時服務(wù)是非常重要的。服務(wù)是維持用戶關(guān)系的非常重要的方面。如果服務(wù)不到位,或者像有些國外廠家,服務(wù)和備件的價格較高,都會影響用戶的選擇。

(4) 現(xiàn)場的適應(yīng)性非常重要。一般的高壓變頻器開發(fā)廠家,在自己的實驗室里,都很難完全模仿用戶現(xiàn)場的情況,所以,產(chǎn)品設(shè)計的靈活性怎么樣,到了現(xiàn)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(shè)備較長時間的試運行,所以,產(chǎn)品設(shè)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(chǎn)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(yè)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(shù)的進步,高壓變頻器除了在已有的市場上繼續(xù)擴大規(guī)模外,還將進一步擴展應(yīng)用的領(lǐng)域,對于很多負載,還需要解決變頻器的工程應(yīng)用上的問題。



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