浅析高压变频器现状及发展趋

1、浅析高压变频器现状及发展趋势2009/11/10/09:20来源：中国传动网慧聪机械工业网变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变 换为另一频率的电能控制装置。随着现代电力电子技术和微电子技术的迅猛发展， 高压大功率变频调速装置不断地成熟起来，原来一直难于解决的高压问题，近年 来通过器件串联或单元串联得到了很好的解决。其应用的领域和范围也越来越为 广范，这使得高效、合理地利用能源（尤其是电能）成为了可能。电机是国民经 济中主要的耗电大户，高压大功率的更为突出，而这些设备大部分都有节能的潜 力。大力发展高压大功率变频调速技术，将是时代赋予我们的一项神圣使命，而 这一使命也将具有深远的意义

2、。通常，我们把用来驱动1kV以上交流电动机的中、大容量变频器称为高压变 频器。按照国际惯例和我国国家标准，当供电电压大于或等于10kV时称高压， 小于10kV时称中压。因此，相应额定电压110kV的变频器应分别称为中压变 频器和高压变频器。但考虑到在这一电压范围内的变频器有着共同的特征，且我 们习惯上也把额定电压为3kV或6kV的电动机称为“高压电机”，因此，为简化 叙述起见，本文也称之为“高压变频器”。截止2006年底，我国发电装机总容量已突破5亿kW，为5.08亿kW。其中 火电装机约占80%，为4亿kW左右。全国年发电量已突破2万亿kWh。而我国的 能源利用率却平均比发达国家低20%左右

3、！全国电动机装机总容量已达4亿多kW，年耗电量达12000亿kWh，占全国总 用电量的60%，占工业用电量的80%;其中风机、水泵、压缩机的装机总容量已超 过2亿kW，年耗电量达8000亿kWh，占全国总用电量的40%左右。70%以上的风 机、水泵、压缩机应调速运行，而至今仅有约5%左右调速运行。若按风机、水泵和压缩机总装机容量的50%进行调速节能改造，则可改造容 量达1亿kW，其中40%为中高压电机，容量占60%。若按电机平均出力为60%， 年运行4000h，平均节电率为2030% （平均25%）计算，则年节电潜力为600 亿kWh!整个电机系统的节电潜力约为1000亿kWh，改造和更新预计

4、需投入 20003000亿元人民币。根据国家节能计划，我国每年应节约和少用能源7000万吨标准煤，通过基本建 设项目及技术改造措施，每年可形成约3000万吨标准煤的节能能力，而每形成 一吨标准煤的节能能力需投资2000元（约为开发等量能源费用的三分之一）， 则每年需节能投资600亿元，“十五”期间共需3000亿元人民币，“十一五” 期间将更多。由于我国经济的高速发展，发电装机仍以高速发展。但电力运行的一些主要 指标和装备指标与发达国家相比仍有很大差距我国火电机组的平均煤耗为 400gkWh,比发达国家高出约70100gkWh;发达国家发电厂的厂用电率为3.7%6%,而我国的厂用电率为4.7%1

5、0.5%,加之线损，我国送到用户的电能要比发达 国家多耗电9.5%，相当于22000MW装机容量，即22个百万大厂的年发电量。因此, 我国的节能形势十分严峻！变频调速技术的发展历史及现状变频调速技术涉及到电力、电子、电工、信息与控制等多个学科领域。随着 电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的发展，以变频调速为代表的近代交 流调速技术有了飞速的发展。交流变频调速传动克服了直流电机的缺点，发挥了 交流电机本身固有的优点（结构简单、坚固耐用、经济可靠、动态响应好等）， 并且很好地解决了交流电机调速性能先天不足的问题。交流变频调速技术以其卓 越的调速性能、显著的节电效果以及在国民经济各领域的广泛适用

6、性，而被公认 为是一种最有前途的交流调速方式，代表了电气传动发展的主流方向。变频调速 技术为节能降耗、改善控制性能、提高产品的产量和质量提供了至关重要的手段。 变频调速理论已形成较为完整的科学体系，成为一门相对独立的学科。20世纪是电力电子变频技术由诞生到发展的一个全盛时代。最初的交流变 频调速理论诞生于20世纪20年代，直到60年代，由于电力电子器件的发展， 才促进了变频调速技术向实用方向发展。70年代席卷工业发达国家的石油危机， 促使他们投入大量的人力、物力、财力去研究高效率的变频器，使变频调速技术 有了很大发展并得到推广应用。80年代，变频调速已产品化，性能也不断提高， 发挥了交流调速的

7、优越性，广泛地应用于工业各部门，并且部分取代了直流调速。 进入90年代，由于新型电力电子器件如IGBT （绝缘栅双极型品体管 InsolatedGateBipolarTransistor）、IGCT （集成门极换流型品闸管 IntegratedGateCommutatedThyristor ）等的发展及性能的提高、计算机技术的 发展，如由16位机发展到32位机以及DSP （数字信号处理器 DigitalSignalProcessor）的诞生和发展（如磁场定向矢量控制、直接转矩控制） 等原因，极大地提高了变频调速的技术性能，促进了变频调速技术的发展，使变 频器在调速范围、驱动能力、调速精度、动态

8、响应、输出性能、功率因数、运行 效率及使用的方便性等方面大大超过了其它常规交流调速方式，其性能指标亦已 超过了直流调速系统，达到取代直流调速系统的地步。目前，交流变频调速以其 优异的性能而深受各行业的普遍欢迎，在电力、轧钢、造纸、化工、水泥、煤炭、 纺织、铁路、食品、船舶、机床等传统工业的改造中和航天航空等高新技术的发 展应用中无不看到变频调速技术的踪影，变频调速技术取得了显著的经济效益。变频调速技术的现状具有以下特点：（1）在功率器件方面，近年来高电压、大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT 等器件的生产以及并联、串联技术的应用，使高电压、大功率变频器产品的生产 及应用成为现实。（2）在

9、微电子技术方面，16位、32位高速微处理器以及DSP和ASIC （专 用集成电路ApplicationSpecificIC ）技术的快速发展，为实现变频器高精度、 多功能化提供了硬件手段。在控制理论方面，矢量控制、磁通控制、转矩控制、智能控制等新的 控制理论为研制高性能变频器的发展提供了相关理论基础。在产品化生产方面，基础工业和各种制造业的高速发展，促进了变频 器相关配套件的社会化、专业化生产。国内外高压变频器的分类、比较和应用情况目前世界上的高压变频器不象低压变频器那样具有成熟的一致性的主电路 拓扑结构，而是限于功率器件的电压耐量和高压使用条件的矛盾，国内外各变频 器生产厂商，采用不同的功率

10、器件和不同的主电路拓扑结构，以适应不同的电压 等级和各种拖动设备的要求，因而在各项性能指标和适用范围上也各有差异。一般来讲，在高压供电而功率器件耐压能力有限的情况下，可采用将功率器 件串联的方法来解决。但是功率器件在串联使用时，因为各器件的动态电阻和极 间电容不同，而存在静态均压和动态均压问题。如果采用与器件并联R和RC的 均压措施，会使电路复杂，损耗增加；同时，器件的串联对驱动电路的要求也大 大提高，要尽量做到串联器件同时导通和关断，否则由于各器件开断时间不一致， 承受电压不均，会导致器件损坏甚至整个装置崩溃。谐波问题是所有变频器的共同问题，尤其在高压大功率变频调速中更为突出。 谐波会污染电

11、网，殃及同一电网上的其它用电设备，甚至影响电力系统的正常运 行;谐波也会干扰通讯和控制系统，严重时会使通讯中断、系统瘫痪;谐波电流还 会使电动机损耗增加，因而发热增加，效率及功率因数下降，以至不得不“降额” 使用。还有效率问题，变频调速装置的容量愈大，调速系统的效率问题也就愈加重 要。采用不同的主电路拓扑结构，使用的功率器件的种类和数量的多少，以及变 压器、滤波器等的使用，都会影响系统的效率。为了提高系统效率，必须设法尽 量减少功率开关器件和变频调速装置的损耗。可靠性和冗余设计问题：一般的高压大功率拖动系统都要求很高的系统可靠性， 尤其是国民经济的重要部门如电力、能源、冶金、矿山和石化等行业，

12、一旦设备 出现故障，将会造成人民生命财产的巨大损失。因此高压变频装置设计中是否便 于采用冗余设计及旁路控制功能也是至关重要的。根据高压变频器有无直流环节，可以分为交一交变频器和交一直一交变频器; 根据直流环节滤波元件的性质又可以分为电流源型变频器和电压源型变频器；电 流源型变频器又可以分为负载换流式品闸管变频器(LCI)和采用自关断器件(GTO、 SGCT)的电流源型变频器；电压源型变频器则可以分为：功率器件串联二电平直接高压变频器；采用HV-IGBT、IGCT的多电平电压源变频器;（3）采用LV-IGBT的单元串联多重化电压源变频器等上世纪未以前，高压大功率变频器都采用国外进口品牌。如美国洛

13、克韦尔（AB） 公司的PowerFlexTM7000高压变频器，是采用SGCT功率器件串联的交一直一交 电流源型变频器，与电动机的特性有关，调试比较困难;并且dudt较大，对电机 的绝缘影响较大。是进入我国火电厂节能改造工程最早的产品。美国罗宾康 （ROBICON）公司的单元串联多电平变频器，采用低压IGBT功率器件，号称完美 无谐波变频器。也是进入我国较早，且使用最多的产品。它的优点是电压电流波 形好，谐波含量小，对电动机影响小。欧洲ABB公司的ACS1000高压变频器，是采用IGCT器件的三电平变频器，最高 电压到4.16kV。若用在我国6kV高压电动机上，要进行星一三角改接，不利于 进行

14、工频旁路切换（切换前要先进行三角一星形改接），所以限制了它在我国火 电厂的使用。目前在我国发电厂使用量很少。德国西门子公司的SIMOVERTMV系列高压变频器，6kV电压可做到2000kW。 它实际上采用的是高一低一高方式。其核心的逆变器是采用高压IGBT器件的三 电平变频器，输出电压为2.3kV，通过一个“集成升压滤波器”将电压升到6kV， 并兼有滤波作用。也是进入我国较早的产品，目前使用量已超过200台套。法国阿尔斯通公司的ALSPACDM6000系列高压变频器，是采用IGBT器件的飞 跨电容四电平变频器，可四象限运行，输出波形较好，谐波含量和dvdt较小 （dvdt500dvdt）。在冶

15、金、矿山使用较多，在我国电厂使用很少。国外产品的共性是质量好，可靠性高，但价格也很高，且对我国电网的适应 能力差，用户界面差（未汉化），售后服务响应差。备品备件供应差，且价格昂 贵。以上因素给国内用户带来很大的不便。进入新世纪以来，国产高压变频器企业迅速崛起，并以惊人的速度占领市场。 北京利德华福公司的高压变频器销售业绩，到2006年6月份已突破600台套。 还有成都东方日立（原东方凯奇）公司，北京合康亿盛公司、山东新风光公司、 成都佳灵公司、中山明扬公司、哈尔滨九洲公司、广州智光公司、上海科达公司、 深圳的微能科技和康沃公司等也都先后进入这个领域，并且必然会有更多的企业 加入进来。这将对我国

16、高压变频器品牌占领国内市场起到积极的作用。并为我国 创建节约型社会送来强劲的东风。国产品牌在可靠性和生产工艺上正在迎头赶上，其最大的优势是适合中国国情和 用户的需要，可以进行特殊设计，用户界面友好，操作方便，价格便宜。最主要 的是良好的售前售后服务和备品备件的提供，以及操作维护人员的培训工作，更 是国外品牌的产品所无法比拟的。在上世纪未，用户是唯进口品牌是论，根本不考虑国产品牌，而现在情况正 好反过来了，许多用户主动要求选用国产品牌，而不要进口品牌。国外的高压变 频器生产公司为了占领中国市场，也都纷纷在国内设立组装厂，象进线变压器等 也由国内配套厂提供，产品的设计也越来越适应中国用户的要求，价

17、格也有所下 降。国内的产品大多数米用单兀串联多电平电路，也有少数米用三电平电路和功 率器件直接串联二电平电路的。对于我国目前以节能为目的的用户来说，单元串 联多电平电路，在性能上还是占有一定优势的。随着使用领域的扩大，还有待于 开发出性能更好的产品来。成都佳灵电气公司经过多年研制，解决了功率器件IGBT的直接串联技术问 题，使真正无输入、输出变压器的直接高压变频器成为现实。这不但大大提高了 变频器的效率，并大大减小了变频器的体积和重量。采用抗共模电压技术以取消 输入变压器，采用了输出滤波器和优化的PWM波形，大大降低了谐波含量，可使 总谐波含量(THD)降低到2%以下。采用二电平逆变，使电路结

18、构和控制简单， 缩小了体积，降低了成本。广东明阳龙源电力电子有限公司开发的三电平电压源型高压变频装置主要 应用于电厂、水厂、钢厂、矿山、冶金、化工、石油等工业领域的高压电动机节 能驱动，控制风机、水泵、轧钢机等设备的节能运行，应用效果显著。该公司生 产的ML-VERT-S系列高压变频器采用二极管中点箝位三电平电压源逆变器构成 主电路，开关器件在国内最先使用ABB公司先进的大功率集成门极换相晶体闸流 管(IGCT)串联技术，满足国内6kV电动机直接“高一高”方式驱动的要求。目前国内投运的高压变频器已接近3000套，分别为：罗宾康公司450套西门子公司300套罗克韦尔(AB)公司200套ABB公司

19、160套利德华福公司650套东方日立公司480套中山明阳龙源公司180套哈尔滨九洲公司120套成都佳灵公司80套山东新风光60套上海科达公司50套广州智光公司40套湖北三环公司16套（14）其他公司品牌约200套左右高压变频调速中的关键控制技术及其发展（1）矢量控制技术1971年西门子公司提出的矢量变换控制是一种新的控制思想和控制理论。 其基本思想是把交流电机模拟成直流电机进行控制。它是以转子磁场定向，采用 矢量变换的方法实现交流电动机的转速和磁链控制的完全解耦。迄今为止，矢量 控制技术已经获得了长足的发展。（2）无速度传感器矢量控制技术近年来高性能异步电机调速系统得到广泛的应用，而速度传感器

20、的安装、维 护以及低速性能等方面的问题，影响了异步电机调速系统的简便性、廉价性和可 靠性。无速度传感器异步电机的控制已越来越受到人们的关注和重视。无速度传感器矢量控制变频器既具有矢量控制高性能的优点，又具有通用变 频器没有速度传感器的长处，但是，在进行矢量控制时如何获得速度信号是无速 度传感器矢量控制的技术关键。无速度传感器控制系统获得速度信号的方法是用 直接计算、参数辩识、状态估计、间接测量等手段，根据电机定子较易测量的定 子电压、电流计算出与速度有关的量，从而得到转子速度，并将其用于速度反馈 系统之中。常用的方法有：利用电机的基本方程式（静态和动态）导出速度的方 程式进行计算。根据模型参考

21、自适应控制的理论，选择合适的参考模型和可调整 模型，利用自适应算法辩识出速度，利用电机的齿谐波电势计算速度等。从1983年提出无速度传感器矢量控制策略以来，一直受到学术界和产业界 的高度重视，日立、安川电机等公司于1987年分别发表了研究成果，并相继推 出了产品。目前，无速度传感器矢量控制变频器的调速范围为1：50左右，个别 厂商有1：75甚至更高的产品。（3）直接转矩控制技术直接转矩控制技术（简称DTC），是近10年继矢量控制技术之后发展起来 的又一种新型的高性能交流变频调速技术。实际上，由于转子磁链难以准确观测， 系统特性受电机参数的影响比较大，而且矢量变换比较复杂，存在着某些理论与 实践不符的情形。1985年，德国的M.Depenblock首次提出DTC的理论。它直接在定子坐标系 下分析交流