高压变频器项目可行性研究报告书

高压变频器项目可行性研究报告目录第1章研究项目概述1.1立项的背景和意义近几年，我国高压变频器市场正处于一个高速增长的时期，高压变频器在电力、冶金、石油化工、供水、水泥、采矿等行业得到了越来越广泛的应用。据统计，在过去的几年内中国高压变频器的市场保持着年均40%以上的复合增长率，这个速度己经远远超过了近几年GDP的平均增长水平。

随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

以前的高压变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。近年来，发展起来的一些新型器件将改变这一现状，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高，可以达到0.96以上。已广泛应用于治金、化工、水泥、机械制造、发电等各个领域。1.2研究方法本报告所涉及的产品范围为可调输出频率的高压交流电机驱动装置，包含相关的零配件，不含采用同类技术的伺服产品。

电压等级范围：﹥1000V

如：3kV/6kV/10kV等

。按国际惯例和我国国家标准对电压等级的划分，对供电电压≥10kV时称高压，1kV～10kV时称中压。我们习惯上也把额定电压为6kV或3kV的电机称为“高压电机”。由于相应额定电压1～10kV的变频器有着共同的特征，因此，在本报告中我们把驱动1～10kV交流电动机的变频器通称为高压变频器本次研究通过大量调查研究，收集了大量样本，获取了大量真实有效的一手数据，从而全面、深入地分析中国高压变频器行业的市场规模、市场划分、市场份额、行业应用、技术发展趋势、主要厂商状况等问题。第2章市场环境分析2.1相关政策分析国家的升级战略中，让企业进行智能化、工业化相结合的改进升级，是中国企业更好提升和发展的一条重要途径。2015年10月，中德政府在第三轮磋商后发表《中德合作行动纲要》，宣布两国将开展“工业4.0”合作，该领域的合作有望成为中德未来产业合作的新方向。从全球范围来看，当前工业互联网得到了多个国家重视——国际上工业互联网的代表是美国的先进制造战略，和德国的工业4.0。通过互联网、大数据、云计算、宽带网络等技术，通过接入传感器，实现对物理设备的信息感知、网络通信、远程控制和协作。早前有消息表示，美国GE公司提出工业互联网的概念，投资10亿美元提高效率。而德国工业4.0德国将工业分为机械化、电气化、数字化、智能制造四阶段。国内情况来看，十八大报告提出四化协同、两化深度融合的方向。而“中国制造2025”更被认为将拉开工业互联网序幕。有分析指出，在未来20年中，中国工业互联网发展至少可带来3万亿美元左右的GDP增量。应用工业互联网后，企业的效率会提高大约20%，成本可以下降20%，节能减排可以下降10%左右。分析认为，行业内将出现两条显著的高速成长主线。一是高端智能装备加速成长，如工业机器人、自动化装配线、自动化仓储设备等，第二条主线是本土自动化龙头。“中国制造2025”是中国制造“三步走”战略的第一步。作为未来国家级重大战略的组成部分，工业自动化被认为将是其中一个具备中长期高景气度的分支。工业自动化设备属于智能装备的范畴，是“十二五”期间国家重点扶持发展的战略性新兴产业(2010年10月《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》)。在未来五年里，伴随着人口红利消失和原材料、能源成本的上涨，中国制造业将经历由粗放型、低附加值模式向集约型、高附加值模式的转变。作为高端制造业的“基石”，工业自动化装备面临着传统产业改造提升、新兴产业发展需求双重机遇。其中，行业内将出现两条显著的高速成长主线。一是高端智能装备加速成长——前期渗透率已经较高的数控机床、过程自动化系统、变频器等产品增速在明显放缓，而随着低端劳动力成本加速上行、产业升级进入白热阶段，“替代人工”属性更强、前期渗透率较低的高端智能装备，如工业机器人、自动化装配线、自动化仓储设备等，有望越过产品导入期、进入高速成长期，未来5年保持年均20-30%的快速增长。第二条高速成长主线是本土自动化龙头有望崛起。受益于国家支持国产化率提升的政策意图、关键零部件的突破，掌握核心技术、研发能力强劲的国内自动化装备企业有望加快进口替代的速度，实现超过行业平均的高速成长。2015年1月1日开始正式实施《新环保法》，对电力行业等多个领域提出了更高的节能环保要求。目前，《新环保法》已经实施近一年，对电力行业的影响不言而喻。变频器依托提高功率因数、传动效率、改善工艺等节能优势，拓展电力市场，已经逐渐成为火电厂“标配”。统计结果显示，电厂用电大部分都是风机、水泵耗掉的，高压变频器的使用可使得该类负载平均节电30%，甚至有些电厂达到了节能40%～50%的高水平。按节能30%计算，大概3年就能收回成本，而一台高压变频器的寿命达20年以上，在此后的十几年内，可以想象收益之大。专家认为，高压变频调速系统将成为当前工业节能推广的首要产品。2.2上游产业分析2.2.1功率器件高压变频器的上游产业主要是电力电子器件行业，主要包括功率器件、变压器、电量传感器、电解电容、连接器、PCB板、周边设备等器件。近些年变频器产业的高速发展导致对电力电子器件需求的激增，06年年底至07年上半年甚至一度出现IGBT严重缺货的状况，国家近年也出台政策鼓励国产电力电子器件的发展。变频技术的发展始终与电力电子元器件的发展密不可分，从大功率二极管到晶闸管器件，再从IGBT到IGCT，每一次功率器件的飞跃都会带动变频器技术的发展。上世纪80年代早期，美国RCA公司和GE

公司推出新的IGBT

功率器件之后，就在低压变频领域产生了一次革命。大功率高压变频器之所以技术较复杂，其成本价格也相当高昂，是因为高压变频器必须采用数量庞大的功率器件以串并联的方式构成整流电路和逆变电路。

可用于高压变频的电力电子器件有IGBT、IGCT、GTO、SGCT、SCR、GTR

等，各种功率器件性能比较如下所列。

1）IGBT：

目前最高水平为6.5kV/600A

和1.7kV/3.6kA，实际应用中以1.7kV以下最为成熟，其优点是电压控制、驱动简单、开关频率高、开关损耗小，可实现短路保护；缺点是导通（压降）损耗稍高、封装热阻大、损坏后可能产生开路。

2）IGCT：新型器件，目前最高水平为6.5kV/4kA，实验室水平电压等级达10kV，其优点是电压/电流控制、开关频率较高、开关损耗小、导通损耗低；缺点是驱动较复杂，目前应用尚不太成熟、价格高。

3）IEGT：IEGT(InjectionEnhancedGateTransistor)是耐压达4kV以上的IGBT系列电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点，以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性，使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。综上比较，IEGT具有导通压降低、工作频率高、电压型门极驱动、安全工作区宽、易于串联使用等优点。从功率等级和电压等级上来讲，IGCT、IEGT与IGBT的定位远不相同，IGCT及IEGT主要应用在高压大容量的场合，IGBT应用在低压高频小容量场合。IGCT、IEGT开关频率都很高，在500-1000Hz之间，虽然远不及IGBT高，但在很多场合已经足够。IGCT是电流脉冲驱动，驱动功率比较大，但其门极驱动电路集成在IGCT内，对外只有门极驱动供电接口和用于传输触发信号和反馈状态的光纤，驱动体积小且简易。IEGT是电压驱动型器件，驱动功率与IGBT差不多。IGCT是晶闸管的复合管，可直接串联，因此不必过多考虑均压措施。而IGBT在串联使用时应考虑均压措施。IGCT与IEGT导通和关断损耗都很低，尤其是IGCT，如果不计驱动功率，同电压等级的IGCT损耗要比IGBT更低。对于IGCT和IEGT来说，4.5kV/3kA是较常用的规格，其容量和电压等级要远比IGBT大得多，更适合应用在大功率FACTS装置及大功率传动装置中。现阶段，国内IGBT市场主要被欧美、日本企业所垄断。由于IGBT对于技术要求较高，IGBT的厂商比较集中，主要包括欧洲厂商Infineon、Semikron、ST、美国厂商Tyco、IR、Fairchild、IXYS、APT；日本厂商Fuji、Toshiba、Mitsubishi。

国产高压变频器使用的IGBT模块主要是Infineon（EUPEC），西门子、ABB等外资高压变频器厂商主要使用自有品牌的IGBT模块。变频器中IGBT的成本大概会占到总成本的8-12%，低压变频器中IGBT所占的成本比例高于高压变频器。2.2.2变压器由于高压电机是重要的被控对象，要求变频调速系统相当可靠，也就对整流变压器的可靠性提出了很高的要求，这类变压器在电磁计算和结构设计中，有许多与普通变压器不同之处，与其它整流变压器相比，也有不少特殊的地方。所以，生产移相整流变压器这一产品的门坎较高，目前国内市场主要集中在北京新华都、四川眉山西格玛电气、天津佳诺电气、佛山伊戈尔电业等4-5家变压器厂家。

由于高压变频器的拓扑结构目前呈多样化，整流变压器在结构上有较大差异，以西门子（Robincon）技术为代表的功率单元串联多电平技术，采用整流变压器将多个低压模块叠加（串联）而形成高压输出；ABB的ACS5000系列是三电平结构，36脉波的整流变压器共有6个移相组，每个移相组为一个变频单元供电；以AB为代表的18脉波整流逆变技术，不同于Robincon和ABB，其需要整流变压器采用三分裂形式。

由于各变频器厂家技术和安装方式的不同，整流变压器在结构上有较大差异，分别有以下几种；

(1)以西门子（原Robincon）为代表的整流变压器采用两种结构形式。小容量采用立式结构，变压器设计紧凑、占空小、工艺性好、机械强度高、散热好、过载能力强。大容量采用常规的卧式，便于制造和安装使用。(2)北京利德华福电气技术有限公司的整流变压器采用常规的卧式结构。有集中的端子板，布置在变压器的左侧或右侧，便于接线。各移相组采用沿边三角形移相，角内封角线用nzb型纸包电磁线。

(3)以广东明阳龙源电力电子有限公司和湖北三环发展股份有限公司为代表的几家变频器厂家，在变压器结构上与北京利德华福电气技术有限公司的整流变压器基本类似，只是在变压器上增设了挡风板。

(4)东方日立（成都）电控设备有限公司的变压器移相组封角线采用耐高温150℃、耐压7500v的电缆，挡风板设置在上部三分之一处。

(5)日本东芝公司的变压器采用方线圈结构，以减小宽度方向尺寸，底部配置小车轮，便于现场安装移动。各移相组的接线用端子集中布置在变压器的左或右边。

(6)ABB和AB公司配套用的12脉波和18脉波整流变压器。

(7)对整流变压器附件的要求

。一般对于整流变压器附件的要求为配风机和温控器，温度传感器多采用Pt100探头，该探头埋设在变压器的最热点，通过它向温控器或温控箱传递温度信号，温控器三相巡显温度。温控器设置3个控制点，分别起动风机、过温报警、超温跳闸功能。有厂家要求埋设带有常闭触点的温度开关，直接通过温度开关提供温度信号控制变频器的运行和停止。12脉波和18脉波的变压器基本带有不同防护等级的外壳，可与变频器分开放置。

在高压变频器的成本结构中，变压器是成本最高的部件之一，近年来也有不少研究人员和厂商研究不用变压器的高压变频器，如成都佳灵的IGBT直接串联高压变频器，但目前技术还不成熟。

移相整流变压器还有很多课题需要进一步理论研究，如漏磁场、温度场、谐波含量、二次阻抗、更大容量的产品冷却散热方式、多种移相方式、多种结构方式等。目前这类产品的发展趋势是向单台大容量如6000kVA以上，不同的使用场合如高海拔、湿热地区、海洋平台、以及电源频率为60Hz的国家等。2.2.3电量传感器

在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是保护昂贵的大功率晶体管。由于霍尔电流传感器的响应时间短于1μs，因此，出现过载短路时，在晶体管未达到极限温度之前即可切断电源，使晶体管得到可靠的保护。

电量传感器在工业控制、汽车、电力、铁路、电信、智能楼宇等领域有着广泛的应用，其中在工业控制领域主要用于UPS电源、变频器等行业。电量传感器市场主要竞争者有LEM莱姆电子、Honeywell霍尼韦尔、日本Tamura、绵阳维博电子等公司，其中在变频器中应用最多的是LEM莱姆电子、Honeywell霍尼韦尔、日本Tamura、ABB、甲神、南京中旭等品牌。电量传感器的技术发展趋势：

集成化、微型化、元件化；低功耗乃至无源化；高精度、强抗干扰、高可靠；宽频、高速；智能化、网络化，随着网络技术的发展和标准的统一，现在要求带现场总线接口的智能电量传感器越来越多。2.2.4电容器

电解电容在计算机、手机、汽车和消费电子等领域有着非常广泛的应用，而在变频器中，铝电解电容也是不可或缺的元器件，电解电容在变频器中主要起到滤波作用和耦合作用。变频器用的电解电容主要有日立、Nichicon、EPCOS、南通海立、红宝石、CDE、江海电容、江浩电子等品牌。

目前单元串联式多电平变频器中普遍采用铝电解电容作为滤波电容。由于电解电容的额定电压不高，其标称电压通常不超过500V，在实际使用中经常需要2组或3组电容串联以满足直流母线电压的要求，这时还需要均压电阻。在电容器串联使用时，电容器的漏电流成为一个非常重要的指标，较小的漏电流有助于减少均压电阻的功率，降低损耗和成本。电解电容存在的主要问题是寿命随着运行温度的上升衰减相对较快，在设计时要特别考虑温度问题。其优点是价格相对便宜，技术成熟。传统的高压变频装置中直流支撑、滤波电容器几乎全部采用铝电解电容器，主要是考虑铝电解电容器优良的容量体积比特性，及相对低廉的价格。伴随着新型金属化薄膜技术的成熟及成本的降低，基于金属化膜技术，适用于中、高压变流装置的直流支撑、滤波电容器产品（以下简称金属化电容器）已经逐步开始应用于高压变频器。

薄膜电容电压较高，单个电容可达几千伏，一般不需要串联，在直流母线电压较高的场合应用有一定优势。小容量的薄膜电容一般采用干式，大容量的采用油浸或充气式。作为逆变器直流环节滤波用的薄膜电容一般采用金属化安全膜，具有自愈功能，寿命较长而且耐高温，缺点是价格较贵，体积比同容量电解电容大不少。薄膜电容对长期过电压比较敏感，会导致寿命下降，在设计时要保证足够的电压裕量。国外先进的电容器及变频器制造厂家已经提出并应用了确定支撑电容量范围、依据提供电流能力进行合理选配支撑电容器的方法，将变频器使用支撑容量较铝电解电容器减少，来解决金属化电容器的不足。

第3章国内外研究开发现状与趋势3.1概述目前，在国内高压大功率变频器厂家，在150家左右。随着技术研究的进一步深入，在理论上和功能上国产高压变频器已经可以与进口变频器相比肩，但是受工艺技术的限制，与进口产品的差距还是比较明显。这些状况主要表现在如下几个方面：

（1）国外各大品牌的产品正加紧占领国内市场，并加快了本地化的步伐。

（2）具有研发能力和产业化规模的逐年增加。

（3）国产高压变频器的功率也越做越大。

（4）国内高压变频器的技术标准还有待规范。

（5）变频器中使用的功率半导体关键器件IGBT完全依赖进口，而且相当长时间内还会依赖进口。

（6）与发达国家的技术差距在缩小，具有自主知识产权的产品正应用在国民经济中。

（7）已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障旁路等功能的变频器。3.2高压变频调速技术发展历程

高压变频器是在低压变频器已成功应用的基础上发展起来的。高压变频器可分为交-交变频器、同步电机高压变频器和异步电机高压变频器。

3.2.1交-交大功率高压变频器

上世纪80年代中期，我国冶金企业引进了几套同步电机矢量控制的交-交变频调速系统，而后冶金部自动化研究院、天津电气传动研究所等单位相继自行研制开发了交-交变频调速系统，主要应用于大型钢铁厂的轧机主传动，以取代直流调速系统。这不仅有明显的经济效益，而且锻炼了队伍，鼓舞了人心，开辟了我国高压变频器研究开发的先河。由于交-交变频器谐波污染严重，功率因数低等缺点需要增加滤波装置，无功补偿装置等，增加了设备的投资；同时也由于可控电力电子器件的发展，它有逐步被交-直-交高压变频器取代的趋势。

3.2.2同步电机交-直-交高压变频器

上世纪80年代宝钢引进了10kV/48MW高炉鼓风机，同时从日本东芝公司引进了交-直-交自控式同步电机变频调速起动装置，装置容量为1。2MW。此后，天津电气传动研究所为宝钢研制了一台同等容量的变频起动装置，1995年通过了机械工业部的鉴定。

凡口铅锌矿为和长沙矿山研究院、冶金部自动化研究院、清华大学等单位合作，于1995年经过两年的努力，自行研制出我国第一台用于调速节能运行的同步电机直接高压变频调速装置，1997年10月在凡口矿的6kV、800kW的矿井通风机上投入生产运行，经过半年多的连续的生产运行，达到了原定的各项技术指标，通过了部级鉴定。

此后冶金部自动化研究院与ALSTOM公司合作，采用进口硬件，通过他们自已组态编制软件研制开发了高压直接变频全数字大型同步电机软起动控制系统。系统的主要设备由光纤触发的10kV电流型变频器、32位处理器变频起动控制及同期并网调整系统、旋转励磁系统和运行监控系统等组成。于1998年在昆明钢铁公司2*30MW的6号高炉鼓风机上成功的投入运行。

由于同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源频率下也能运行，因此，在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力，能作出更快的动态响应。由于交流同步电机在可靠性与维护量、功率因数、电机尺寸与转动惯量、控制精度、弱磁比等方面有其自身的优势，对于大容量电机，世界各国已基本趋向于使用同步电机。比如工业应用上大功率空气压缩机、水泵、煤炭与有色金属行业中的大功率提升机和钢厂大容量轧钢机等均采用同步电机驱动。

现在国内已经投入应用的同步电机变频器，大部分采用的是交交变频，和交直交变频器相比，缺点：驱动晶闸管复杂；输出频率范围低，只能达到电网频率得1/3运行；功率因数低，谐波污染严重。在一些控制场合交交变频器的原理制约了它高速上的应用不能实现和动态响应慢的缺点。

近几年，国内的主要厂家都在研发基于单元串联多电平技术的同步电机矢量控制高压变频器，利德华福、合康亿盛、荣信等厂商都已有成功应用案例，为单元串联多电平高压变频器打开了一片新市场。目前日立公司在这方面的技术比较先进，他们掌握了将无速度传感器矢量控制应用于单元串联多电平高压变频器的技术，该产品在国内已有成功应用案例。

3.2.3异步电机交-直-交高压变频器早在1984年莫斯科电力科学研究院研制开发成功6kV、10kV的电流型直接高压变频器，它采用SCR串联，模拟电路控制，用于发电厂等风机、水泵的调速运行，这是世界上最先出现的直接高压变频器。后来，一些独联体国家也生产这种高压变频器。我国某些发电厂引进了这种高压变频器。辽宁电力电子公司本溪高频电源设备总厂开发了类似的采用SCR串联的1250kW电流型高压变频器，由于电力电子器件和控制技术的落后而未能推广。随着电力电子器件和控制技术、微电子技术的发展，ROCKWELL

AB公司开发成功GTO串联的1557系列电流型高压变频器，我国有的企业引进了这种高压变频器。AB公司在此基础上，经过改进，采用SGCT和CSI-PWM控制技术，开发成功PoerwFlex7000系列电流型高压型变频器，在我国的发电厂等行业的风机、水泵上应用已达数百台。（1）功率单元串联型高压变频器在此期间，美国ROBICON公司开发成功功率单元串联的高压变频器，他们称这种多电平的高压变频器为完美无谐波变频器，由于它谐波含量低、功率因数高等优点，使之在我国的市场上占据了一定的优势。但由于它所用元器件多而带来一些故障，后经改进，如采取冗余等技术使其可靠性有了较大提高，在我国的销售量也超过百台。由于这种高压变频器所具有的优点，我国一些单位也相继开发了这种拓扑结构的高压变频器，如北京凯奇总公司、北京先行新机电公司等，之后利德华福、冶金自动化研究院、山东风光公司、北京合康亿盛公司等也都相继开发了这种拓扑结构的高压变频器。目前该技术已成为我国高压变频器应用最广泛的技术。

（2）二极管箝位三电平高压变频器几乎在相同的时期里，SIEMENS、ABB、GE等公司相继开发成功中点箝位的三电平高压变频器，其拓扑结构一样，只是他们所用的功率元器件不同，如SIEMENS采用IGBT，ABB采用IGCT。这种拓扑结构的高压变频器在我国的市场上也销售较好。GE公司的采用IGCT功率元件的AFE结构的三电平6kV变频器在本钢的3×7500kW的7机架连轧机的主传动上得到应用。我国的一些高校和厂家也进行了这种拓扑结构的研究和开发，中山明阳电器有限公司的IGCT三电平高压变频器已在风机上得到应用。

（3）电容箝位四电平高压变频器ALSTOM公司的电容箝位的多电平高压变频器，如VDM系列四电平变频器以其高性能指标而在我国太钢、宝新不锈钢厂、天津无缝钢厂等的轧机主传动上得到应用。（4）直接串联IGBT高压变频器

成都佳灵电气制造有限公司自主研制开发、拥有自主知识产权的直接串联IGBT高压变频器，并申请了多项专利。这种拓扑结构类似于低压变频器的拓扑结构，只是功率元件由单个IGBT改换为几只IGBT的串联所取代。据了解，他们的这种高压变频器的销售也已超过百台。

（5）电压型高-低-高式高压变频器调速系统

除上述直接高压变频器外，高-低-高式高压变频器不应该被遗忘。在功率元件耐压受到限制时期，高-低-高式高压变频器得到了应用。以往，无论是进口的还是国产的高-低-高式高压变频器都是采用电流型变频器，因为电流型变频器的输出电压波形是正弦波，但电流型变频器存在的可靠性不高，功率因数低等问题，加之它需要有输入输出变压器，人们把它看成是落后的技术。1998年，国家经贸委下达的高压变频器技术创新项目，长沙矿山研究院和韶关冶炼厂合作，采用电压型变频器构成的高-低-高式高压变频器。这是我国第一台这种型式的高压变频器，自1999年8月在韶关冶炼厂烟化炉的6kV、500kW的风机投入运行至今，一直运行正常、良好，被国家经贸委的一位领导称之为运行可靠、经济实用的高压变频调速系统。3.3高压变频器技术分类及比较目前世界上的高压变频器不象低压变频器一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。目前，世界上对高压电动机变频调速技术的研究非常活跃，高压变频器的种类层出不穷，主要存在以下几种技术类型。

按照中间环节有无直流部分，可分为交交变频器和交直交变频器；按照直流部分的性质，可分为电流型和电压型变频器；按照有无中间低压回路，可分为高高变频器和高低高变频器；按照输出电平数，可分为两电平、三电平、五电平及多电平变频器；按照电压等级和用途，可分为通用变频器和高压变频器；按照嵌位方式，可分为二极管嵌位型和电容嵌位型变频器等等。根据有无直流环节而将高压变频器分为两大类：1）无直流环节的变频器，即交—交变频器；

2）有直流环节的变频器称为交—直—交变频器，其中直流环节采用大电感以平抑电流脉动的变频器称为电流源型变频器；直流环节采用大电容以抑制电压波动的变频器则称为电压源型变频器。

表3.1高压变频技术分类与比较表3.1高压变频技术分类与比较a）负载换向式（晶闸管）变频器（LCI）；b）采用自关断器件（GTO或SGCT）的变频器。电压源型变频器则可以分为：

a）功率器件串联二电平直接高压变频器；b）采用IGCT或HV－IGBT的三电平变频器；

c）采用LV－IGBT的单元串联多电平变频器。电流源型在低压变频器的发展中已然被淘汰，但在高压变频器中电流源型有一个非常重要的优势就是采用此结构对器件要求不高，同时可实现大容量应用，如西气东输项目中采用的功率达2万kW的西门子变频器就是采用电流源型，而电压源型就很难做到，而且电流源型也更易控制，所以电流源型在大容量领域还有一定的发展空间，但是在电压源型能够覆盖的容量范围中，将慢慢趋于淘汰。电压源型又分成三电平、五电平、多电平，他们针对不同的应用各具优势，三电平变频器结构简练，控制性能好；多电平变频器谐波小，对电机要求低，相信在未来一段时间他们将并存。传统的交交变频器采用晶闸管自然换流方式，工作稳定，可靠。交交变频的最高输出频率是电网频率的1/3-1/2，在大功率低频范围有很大的优势。交交变频没有直流环节，变频效率高，主回路简单，不含直流电路及滤波部分，与电源之间无功功率处理以及有功功率回馈容易。虽然大功率交交变频器得到了普遍的应用，但因其功率因数低，高次谐波多，输出频率低，变化范围窄，使用元件数量多使之应用受到了一定的限制。它在传统大功率电机调速系统中应用较多。

矩阵式变频器是一种新型交交直接变频器，由九个直接接于三相输入和输出之间的开关阵组成。矩阵变换器没有中间直流环节，输出由三个电平组成，谐波含量比较小；其功率电路简单、紧凑，并可输出频率、幅值及相位可控的正弦负载电压；矩阵变换器的输入功率因数可控，可在四象限工作。虽然矩阵变换器有很多优点，但是在其换流过程中不允许存在两个开关同时导通的或者关断的现象，实现起来比较困难。矩阵变换器最大输出电压能力低，器件承受电压高也是此类变换器一个很大缺点。它在风电励磁电源中有所应用。

矩阵级联型高压变频器，采用3×2矩阵变换单元相互串联而成，实现了高电压的输出，具有与H桥级联型高压变频器相似的特点，同时又具备矩阵、交-交变换器的四象限运行能力。哈尔滨九洲电气股份有限公司提出了一种将矩阵变换器引入H联型高压变频器的新方法，舍弃了直流环节和串、并联电解电容器组，实现了交-形式的直接变换，因此大大延长了变频器的使用寿命，体积也可以减小许多。

交直交变频器比较常见，由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。整流器为二极管三相桥式不控整流器或大功率晶体管组成的全控整流器，逆变器是大功率晶体管组成的三相桥式电路，其作用正好与整流器相反，它是将恒定的直流电交换为可调电压，可调频率的交流电。中间滤波环节是用电容器或电抗器对整流后的电压或电流进行滤波。

交直交变频器按中间直流滤波环节的不同，又可以分为电压型和电流型两种，由于控制方法和硬件设计等各种因素，电压型逆变器应用比较广泛。它在工业自动化领域的变频器（采用变压变频VVVF控制等）和IT、供电领域的不间断电源（即UPS，采用恒压恒频CVCF控制）都有应用。3.4我国高压变频器技术应用现状目前我国主流的高压变频器产品主要有三种类型：功率单元串联多电平型、中性点钳位三电平型、电流源型（CSI-PWM和LCI），其中单元串联多电平型变频器占据通用型高压变频器7成以上份额；三电平型变频器是专用型高压变频器的绝对主流；而8000KW以上的超大功率场合仍然用电流源型高压变频器。

3.4.1功率单元串联多电平技术

（1）起源美国西屋电气公司于1986年5月申请了专利号为4674024的美国专利。该发明提出了由独立的标准低压功率单元串联形成的高压逆变系统。西屋公司的发明解决了变频器要求高压输出而器件耐压不够的矛盾，避免了常规器件直接串联时存在的均压问题，奠定了单元串联多电平变频器的基础。

美国罗宾康公司于1994年3月申请了专利号为5625545的美国专利。该发明提出了输入采用多重化移相变压器和输出采用多电平移相式

PWM

的单元串联多电平方案，1998

年

5

月，罗宾康公司又提出了中心点偏移式功率单元旁路的方法。罗宾康公司的贡献是：率先引入多重化移相变压器和多电平移相式PWM等概念，解决了输入谐波，输出谐波，dV/dt，共模电压和可靠性等问题，于1994年推出了目前获得大面积推广的全球第一台单元串联式多电平高压变频器，对这种技术方案的推广起了很大的促进作用。

（2）现状单元串联式多电平变频器采用多个功率单元串联的方法来实现高压输出。其输出通常采用多电平移相式PWM，以实现较低的输出电压谐波，较小的dV/dt和共模电压。输入通常采用多重化隔离变压器以达到抑制输入谐波的目的。由于单元串联式多电平变频器的输入、输出波形好，对电网的谐波污染小，输出适用普通电动机，近几年发展迅速，逐渐成为高压变频调速的主流方案。近年来，该技术在全球范围内发展迅速，国内也涌现了一些基于该技术方案的高压变频器生产厂家，产业化成绩十分显著。

我国高压电动机多为6kV和10kV等级，目前，三电平变频器受到器件耐压的限制，尚难以实现这个等级的直接高压输出，而单元串联式的输出电压能够达到10kV甚至更高，而且单元串连结构决定了这类变频器容易实现模块化设计，适合大批量生产，形成产业化。所以在我国得到广泛应用，尤其在风机水泵等节能领域，该技术方案几乎已经形成垄断的态势。在海上平台电潜泵(ESP)驱动应用及船用动力驱动也得到了广泛的应用。目前通用型高压变频器是单元串联多电平型变频器的约占7成以上，国内以利德华福为代表的高压变频器厂家有不下二十家，基本都采用这种电路结构。

功率单元旁路方案大大提高了单元串联式多电平变频器的可靠性，从很大程度上弥补了元器件个数多导致可靠性降低的问题。单元串联结构决定了这类变频器很容易实现模块化设计，适合大批量生产，形成产业化规模。

本类高频变频器具有如下优点:

a）不会对电网造成有影响的谐波干扰，例如其6kV变频器整流为30脉冲，可基本消除25次及其以下的谐波，而且可使功率因数达到0。95以上。b）输出电流电压波形好，可与标准的鼠笼型电机配用，不需要降额使用，不因dV/dt增加电机绝缘强度。

c）采用多重化PWM技术，输出为11电平，输出波形好，不会引起电机的转矩脉动。

这类变频器又被称为完美无谐波变频器。优点很明显，但缺点也很突出：a）所用元器件多，因而出现故障的可能性增多。

b）串联元件主要以IGBT、GTO和IGCT等为主，因而这种类型变频器属于电压型，只能实现能量的单向流动，不能将电能反馈电网，采用AFE功率单元能量回馈技术可以解决此问题，但成本较高。（3）趋势

单元串联式多电平变频器的主电路拓扑和总体控制策略已基本成熟，出于对可靠性，寿命，成本，控制性能等几方面的要求，在以下几个方面是未来的发展方向。

a）冗余设计

高压变频器使用场合的重要性决定了其对可靠性有很高的要求。冗余设计可以弥补多电平变频器元件数量较多所产生的可靠性问题，大大提高其MTBF。冗余设计包括主回路的冗余设计和控制系统的冗余设计。主回路的冗余设计主要采用功率单元旁路技术和采用多台变频器给多相电机供电的方式。功率单元旁路技术已经比较成熟并得到广泛应用。考虑到大部分电机为三相电机，在超容量应用领域，采用多台变频器并联的技术方案会有一定优势，在扩大容量的同时还能实现冗余设计。b）无速度传感器矢量控制

无速度传感器矢量控制技术能在基本不增加硬件成本的情况下，大大提高变频器的性能，拓展变频器的应用领域。即使用在风机水泵等稳态和动态要求相对较低的负载场合，无速度传感器矢量控制具有的转矩限幅，快速转速跟踪再起动等功能有效地防止加速过程的过电流跳机和减速过程中的过电压跳机和其它不正常的停机现象，对于保证变频器的可靠运行有非常重要的意义。单元串联式多电平高压变频器由于输出电压电流波形比较理想，相对低压变频器而言，实现无速度传感器矢量控制的难度有所降低。电机参数不准和时变是影响无速度传感器矢量控制性能的重要因素，要求控制算法中尽量避开敏感的参数或增加电机参数在线辨识和控制系统参数修正功能，以提高系统的鲁棒性。

c）高耐压功率器件应用

目前，单元串联式多电平高压变频器基本采用低压

IGBT(1700V

以下)作为主要功率器件，功率单元的额定输出交流电压通常在750V以下，因而导致变频器所用元器件数量多于其它类型的变频器。现在也有公司采用3300V的IGBT作为功率器件。以后也可能考虑采用IGCT等耐压更高的功率器件，以简化主电路结构，提高可靠性。当然，采用高耐压器件后带来的整体成本增加和由于串联单元个数减少引起的波形质量下降必须综合考虑。

d）大容量化

随着应用领域的扩展和相关技术及工艺的进步，高压变频器容量逐步增大。冷却问题随着容量的增大变得十分重要。在大容量领域，水冷技术是比较合适的选择，国外水冷技术的变频器输出电流可达到1400A。水冷技术对结构设计和热设计提出了很高的要求，同时对基础制造业也提出了挑战，国内目前制造水冷变频器的主要瓶颈在于水冷变压器和水冷散热器，连接件等配套工业。水冷高压变频器的水循环系统比较复杂，冷却介质一般采用纯净水加一定比例的防冻剂，如乙二醇。水循环系统必须有温度，压力，流量，导电率的监测和控制，需要安装去离子装置和水位调节储水罐等附件。水冷方式的优点是散热效果好，噪音小，缺点是成本高，维护复杂。

目前国际范围内690V等级空冷功率单元成熟产品的最大电流为600A左右。在某些大容量应用领域，也可以采用多绕组电动机，用多台变频器分别供电，协调控制，以达到扩展容量和冗余设计的目的。

e）能量回馈功能

常规的单元串联式多电平变频器采用二极管整流，能量无法向电网回馈，导致变频器制动能力非常弱，只能应用于风机，水泵等负载，应用范围受到很大限制。罗宾康公司2000年8月申请了美国专利，采用AFE功率单元实现单元串联式多电平变频器的四象限运行，

而且输入功率因数可调。这种结构的缺点是成本较高，PWM整流产生的损耗会引起系统效率下降。也可采用在输入二极管整流器处反并联可控硅逆变桥的方式实现能量回馈，采用这种方案成本相对较低，缺点是可靠性不高。

f）高速电动机应用

高速直接电驱动时不需要增速器，具有效率高，维护简单，可靠性好等优点，越来越受到重视，代替传统的电机加增速器方式，特别在天然气管道输送行业有很好的应用前景。采用高速电动机驱动要求变频器能输出较高的频率，譬如300Hz，这对高压变频器的诸多方面，比如电压环的采样频率，PWM

调制技术，高输出频率下的波形失真，逆变电路的损耗等提出了一些新课题。

g）多电平PWM

目前单元串联式多电平变频器基本采用SPWM，通过参考电压波和三角载波比较的方法实现PWM控制，可注入三次谐波进行马鞍形调制以提高输出电压。具体实现时采用大规模可编程逻辑器件或其它方式。国际上有很多学者参照二电平和三电平空间电压矢量控制的方法研究多电平变频器的空间电压矢量控制方法，取得一定进展。当电平数较多时，由于算法过于复杂，目前在实际产品中还没有应用。

也有采用所谓的"堆波"技术，利用多个脉宽不同的矩形波进行输出波形叠加，但在实际产品应用中存在每个功率单元出力不均衡，输入谐波抵消效果不理想，低频输出时部分单元由于二极管长时间续流运行导致直流母线过电压等缺点。

也有采用不同电压等级的功率单元串联，经过组合，在相同个数功率单元的前提下实现更多电平的输出，目前仅停留于理论阶段，现实意义不大。

3.4.2中性点钳位三电平技术日本长冈科技大学的A.Nabae等人于1980年在IAS年会上首次提出三电平逆变器，又称中点箝位式（Neutral

Point

Clamped）逆变器。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。在PWM电压源型变频器中，当输出电压较高时，为了避免器件串联引起的静态和动态均压问题，同时降低输出谐波及dV/dt的影响，逆变器部分可以采用中性点钳位的三电平方式。逆变器的功率器件可采用高压IGBT或IGCT，图6是中性点钳位三电平PWM高压变频器的结构示意图。ABB公司生产的ACS1000系列变频器为采用新型功率器件—集成门极换流晶闸管IGCT的三电平变频器，输出电压等级有2.2kV、3.3kV和4.16kV。西门子公司采用高压IGBT器件，生产了与此类似的变频器SIMOVERT

MV中性点钳位三电平PWM高(中)压变频器除具有SPWM变频调速的各种优点外，还有其它优点：

a)

能有效地解决电力电子器件耐压不高的问题，它的每个主管承受的关断电压仅为直流环节电压的一半。

b)

变频器输出的多级电压阶梯波形减少了dv/dt对电机绝缘的冲击，对于普通三相高压电机来说，做一些绝缘加固即可;此外，dv/dt的减小，对变压器绕组、电力电缆和其它电力设备的影响都有所减小。

c)

三电平拓扑结构的单桥能输出三种电平线(相)电压，有更多的阶梯使之更接近于正弦波，使输出波形的失真度减小，谐波减少。

d)

在同样的谐波含量下，开关频率下降了一半，因此开关损耗也降低了一半，所以通过降低调制频率来提高整个系统的效率。

e)

三电平逆变器的结构简单，体积小，成本低，使用功率器件数量最少(12只)，避免了器件的串联，提高了装置的可靠性指标。

三电平电压源型高压变频器以其独具的结构简洁，高性能及四象限控制方便，布置灵活等特点在高性能应用领域如冶金轧机，卷曲机，矿井提升机等领域独占鳌头。3.4.3电流源型交直交高压变频器

这种类型的变频器为电流源型变频器，采用大电感作为中间直流滤波环节。整流电路一般采用晶闸管作为功率元件，根据电源电压的不同，每一个桥臂需由晶闸管串联，而逆变器则可采用晶闸管或GTO、SGCT等功率元件串联。图5是功率器件串联二电平电流型高(中)压变频器的结构示意图。美国罗克韦尔(A-B)公司生产的中压变频器Bulletin1557系列，其电路结构为交一直一交电流源型，采用功率器件GTO串联的两电平逆变器。其控制方式采用无速度传感器直接矢量控制，电机转矩可快速变化而不影响磁通，综合了脉宽调制和电流源结构的优点，其运行效果近似直流传动装置。在Bulletin1557系列的基础上，A-B公司又推出了Powerflew7000系统，用新型功率器件—对称门极换流晶闸管SGCT代替原先的GTO，使驱动和吸收电路简化，系统效率提高，6kV系统每个桥臂采用三只耐压为6500V的SGCT串联。Powerflex7000系统产品具有如下特点:

a)

电流源变频器的优点是易于控制电流，便于实现能量回馈和四象限运行;缺点是变频器的性能与电机的参数有关，不易实现多电机联动，通用性差，电流的谐波成分大，污染和损耗较大，且共模电压高，对电机的绝缘有影响。

b)

Powerflex7000系统变频器采用功率器件串联的二电平逆变方案，结构简单，使用的功率器件少，但器件串联带来均压问题，且二电平输出的dv/dt会对电机的绝缘造成危害，要求提高电机的绝缘等级;且谐波成分大，需要专门设计输出滤波器，才能供电机使用。

c)

输入端采用可控器件实现PWM整流，在方便地实现能量回馈和四象限运行同时也使网侧谐波增大，需加进线电抗器滤波才能满足电网的要求，增加了成本。常见的电流源型高压变频器有美国Rockwell公司(A-B)Bulletin1557型电流型(采用GTO直接串联共18只)和PowerFlexTM7000系列电流型(采用6.5kV，6只SGCT器件)变频器；美国ROSS-HILL(罗斯希尔)公司VFD型电流型高压变频器；意大利ANSALDO(安萨尔多)公司SHCOVERT(H)高压电流源变频器；国产电流源高压变频调速器未见成熟的工业产品。3.4.4负载换相LCI技术负载换相式LCI(Load

Commutated

Inverter)属于电流源型变频器，负载为同步电机，变频器工作原理与输出滤波器换相式电流源型变频器有些类似晶闸管的关断主要靠同步电机定子交流反电势自然完成，不需要强迫换相，逆变器晶闸管的换流与整流桥晶闸管的换流极其相似。变频器的输出频率一般不是独立调节的，而是依靠转子位置检测器得到的转子位置信号按一定顺序周期性地触发逆变器中相应的晶闸管，LCI这种“自控式”功能，保证变频器的输出频率和电机转速始终保持同步，不存在失步和振荡现象。同步电机在整个调速范围内都必须提供超前的功率因数，以保证逆变器晶闸管的正常换相。电机必须有足够的漏电感，以限制晶闸管的di/dt，电机也要能够承受变频器输出的谐波电流，除了需要特殊的同步电机之外，LCI应用是较为成功的。尤其是在一些超大容量的传动系统中，因为LCI无须强迫换流电路，结构简单，在大容量时只有晶闸管能够提供所需的电压和电流耐量，从电机角度来说，同步电机在大容量时，相对异步电机也有不少优势。

LCI的主要优点是：直流转动特性；功率无限制；对电网无短路加载现象；可以四象限运行；包括弱磁部分调速范围可达1:50；即使在低负载率下也有高的效率；免维护（无电刷、无熔断器）；对电机绝缘无损害，电缆长度无限制。

LCI的主要缺点是：低速下须采用断流换向；功率因数与转速有关；过载能力差，1.5～2倍。适用于高速无齿轮传动离心泵（锅炉给水泵）、压缩机、高炉风机、船舶主传动以及同步发电机的起动等场合。

目前负载换相式LCI技术主要应用在超大功率场合，即大约8000KW以上的功率，用可控硅构成的LCI（负载换流逆变器）电流源型变频器仍旧是主流产品，在冶金、铁路牵引、船舶推进、大型输气管线、LNG压缩等行业有大量应用，例如在西气东输、南水北调等国家大型工程中就有较多应用。截止到2006年年底，西门子公司LCI超大容量变频器在国内已有113套应用，主要应用在钢铁行业。

总的来说，不同公司的产品在市场上有不同的定位，技术有不同的特点，某一个产品要做到面面俱到是不现实的。几乎没有一种技术是无懈可击的，很多技术之间相互制约。例如，产品要做得简单，元器件容量就大，开发成本就高。所以同样是高压变频器，不同产品价格会有很大差别。这与变频器内部的核心技术有很大关系。选型时应根据供电电网及拖动对象的特点来定，不必一味追求某种指标。如起重设备、机车牵引、船舶主传动要选用可四象限运行的变频器；对于轧钢机则要选择动态响应能力好和过载能力强的变频器；对于低速运行的设备可选用交—交变频器；而对于高速运行的设备则可选用负载换流加同步电机的方式，或者选用电流源型变频器。单元串联多电平变频器只能用在风机水泵调速节能的场合。3.5高压变频器技术发展趋势20世纪末，交流电动机变频调速技术以电力电子功率变换技术、微电子控制技术为核心得到了惊人的发展，展望21世纪，变频调速技术将会有更大发展。

3.5.1功率器件IGBT变频器已成为20世纪90年代变频调速技术的主流，在21世纪初相当长的一段时间内仍将是电气传动领域的主导变频器。现阶段，IGBT、IGCT、SGCT仍将扮演着主要的角色，SCR、GTO将会退出变频器市场。就变频器发展依靠的微电子、电力电子、控制三大技术来说，微电子技术、控制技术目前发展已经非常成熟，主要是电力电子技术即功率器件的发展将给变频器的发展带来很大的影响，如目前采用的IGBT、IGCT、IEGT等，这些功率器件的耐压值以及价格的变化将对高压变频器厂商对技术类型的选择产生较大的影响。

在21世纪，IPM及智能化变频器将会有很大的发展。功率变换、驱动、检测、控制、保护等功能的集成化促成了功率器件及变频器的智能化，实现高效节能、多功能、高性能、高附加值，同时将研究开发新电力电子器件IGCT、IEGT（集成发射式门极晶闸管Integrated

Emit

Gate

Thyristor）、GaAs（砷化镓）、SiC（碳化硅复合器件）、光控IGBT及超导功率器件等新功能变频器。更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变频器中。3.5.2功率器件基于双PWM能量回馈的绿色变频电路是变频调速技术的发展趋势，即整流部分也采用电力电子自关断器件构成，并对其进行PWM控制。一方面使交流输入电流波形为正弦，且功率因数为1；另一方面实现能量向电网回馈，保证变频器四象限运行。除此之外，PWM整流电路还有助于减小直流环节滤波电容的容量，随着电力半导体器件性能的不断提高和价格的不断下降，这种结构会得到广泛地推广和应用。

高压变频器将向着直接器件高压和多重叠加（器件串联和单元串联）两个方向发展。

随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术及电机控制理论的发展，人们对功率变换规律更进一步的认识，以后会出现更新、更好的新型电路拓扑结构，特别是近年来“电力电子积木”pebb(power

electronics

building

block)技术的兴起，使多个功率器件的集成化和低成本化逐步成为可能，也为多电平变换电路拓扑的发展提供了有力的技术支持，从而引起中高压功率变换技术的更大发展。

3.5.3全面实现数字化和自动化现在变频装置几乎已全面实现了数字化控制，目前参数自设定技术；过程自优化技术；故障自诊断技术等已成为高压变频器的标准技术配置，但控制技术的微电子数字化仍是今后的发展趋势。变频装置的数字化技术是从20世纪80年代中期开始逐步发展到16位、32位微处理器，目前普遍采用DSP

，未来32位MCU、DSP及ASIC等器件将得到普遍应用。元件的高性能和小型化，使变频装置实现了控制的高精度；采用DSP和ASIC实现了快速运算和高精度控制，可以得到良好的电流波形使变频器的噪音大幅度降低；应用微电子技术和ASIC技术，装置的元器件数量得以大幅度减少，从而使变频装置的可靠性大幅度提高。

在控制系统全数字化的情况下，由于改变软件即可改变控制模式和参数，这就大大提高了系统的通用性和灵活性，简化了系统的硬件结构，并可采用一些基于现代控制理论的控制算法来提高系统的性能。

随着现代通信技术、远程控制技术、总线技术和自动化技术的发展，全数字方式是未来发展的必然趋势。

3.5.4控制技术无速度传感器的矢量控制、磁通控制和直接转矩控制等技术的应用将趋于成熟。

高压变频器的控制方式和低压变频器的控制方式相类似，目前高压变频器通常采用的控制方式有:V/F控制、无速度传感器矢量控制、空间电压矢量控制、直接转矩控制。

矢量控制依然是高性能交流电机调速系统的主流控制策略。它所包涵的关键技术有：控制理论和方法，如PWM技术，磁通的观测，速度辩识，无速度传感器控制；电机铁损补偿，参数辩识，参数变化的补偿；主电路使用新型电力半导体器件，提高开关频率，改善电压或电流波形，同时使用微电子技术所提供的DSP、CPU、ASIC等。

3.5.5PWM及多电平技术消除机械和电磁噪音的最佳方法并不是盲目地提高工作频率，随机PWM技术可以提供一种新途径。由于PWM逆变器的开关损耗随着功率和频率的增加而迅速增加，因此，在高频化和大功率方面还有大量工作。目前提高开关频率的一个方法是采用谐波技术及在此基础上发展起来的软开关技术。在大功率装置方面，除尽量采用优化PWM模式外，多电平逆变器也越来越受人们的重视，此时开关损耗问题转化为多管串联的均压问题。

PWM控制技术一般可分为三大类，即正弦PWM、优化PWM及随机PWM，从实现方法上来看，大致有模似式和数字式两种，而数字式中又包括硬件、软件或查表等几种实现方式，从控制特性来看主要可分为两种：开环式（电压或磁通控制型）和闭环式（电流或磁通控制型）。

随着计算机技术的不断进步，数字化PWM已逐步取代模拟式PWM，成为电力电子装置共用的核心技术。交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于PWM技术的不断进步。目前广泛应用的是在规则采样PWM的基础上发展起来的准优化PWM法，即三次谐波叠加法和电压空间矢量PWM法，这两种方法具有计算简单、实时控制容易的特点。3.5.6大功率、小型化、轻型化

目前6000kw以上的大容量、超大容量高压变频器几乎被西门子、ABB、AB等国外厂商垄断，但是随着我国高压变频器技术的不断成熟，利德华福、广州智光等国产厂商正在逐渐进入大功率产品市场并逐步取代进口大功率变频器产品。

怎样减少器件的数量、减少器件的重量和体积，从而使高压变频器变得更轻、更小，也将是高压变频器厂商的一个重要课题。

3.5.7相关配套行业正朝着专业化，规模化发展

目前我国高压变频器相关配套行业正朝着专业化，规模化发展，社会分工将更加明显。

变压器、高压柜、电抗电阻、电容、电线电缆等配套产品在国内都有专业的配套厂商，只有IGBT等核心部件还主要依赖进口，但国家已加大了这方面的投入，功率器件的国产化也将为期不远。3.6本章小结总的来说，通过上述分析，中高压变频技术应用会越来越广泛，其发展也会呈现出多种趋势，但在未来5年这样一个较短的时期内，我国高压变频器技术和产品发展将主要呈现以下四大趋势：

（1）功率单元串联多电平技术依然是市场的主流。目前，采用功率单元串联多电平技术的高压变频器国内市场份额已经超过三分之二，包括利德华福、东方日立、合康亿盛、山东风光等国产高压变频器生产厂商绝大部分采用的都是这种技术。

（2）向大功率方向发展。大功率变频器市场份额前些年基本掌握在国外厂商手中，随着国内企业技术水平的提高，国产变频器产品的功率也随之逐步提高。

（3）随着高压变频技术的成熟，将大幅拓展工艺控制对于变频调速的需求。如应用于轧钢机、矿井提升机、风力发电、电气机车牵引系统等工业领域和高端军事领域等，进一步拓展了高压变频调速技术的应用领域。

（4）运用无速度传感器矢量控制技术将单元串联多电平高压变频器应用于同步电机，将是国内厂商的下一步研发方向之一。第4章高压变频器行业应用分析4.1电力行业4.1.1电力行业应用情况在电力行业经过几年的推广，已经有50%左右的设备应用了高压变频器，电力行业的高压变频器的改造还需要4-5年的时间。

在电力行业高压变频器的应用要求首要的是稳定性要能保证，在电力行业用电安全稳定是很重要的；其次才是调速节能效率。一般来讲，使用高压变频器后风机运行效率将提高20—30％，两年即可以收回改造投资费用。

目前已经以300MW的机组为例，适用于进行变频节能应用的有如图表4-1所示。在这些设备中，应用高压变频器最多的为引风机，其次是凝结泵和送风机。表4-1电力行业高压变频器主要应用设备大致是按照功率的高低和对稳定性要求从低到高，排列这些设别的应用比例高低顺序。

在1600kW以上产品中，高压变频器约60%集中应用引风机，其次是给水泵，循环泵，凝结泵，一次风机，分别占15%，10%，8%，7%。表4-1电力行业高压变频器主要应用设备高压变频技术在1995年取得实质性进展后，开始在工业领域中得到实际应用。2000年以后，高压变频技术在国内电力行业中广泛应用，开始形成市场规模，成为电气传动领域新的增长点。出于机组安全和技术实现等方面的考虑，国内较早的应用高压变频技术主要是在锅炉送风机的调速方面。随后开始在节能潜力好、应用前景好、技术实现容易的引风机系统中应用。至此，高压变频技术打开了——电力行业，正在中国蓬勃发展的能源行业市场。

统计数据显示：从2001年开始，电力行业的高压变频应用主要集中在引风机系统；在该专业设备的应用超过电力行业总体应用的42％，占有很高的比重。而且，呈现逐年递增的势态。通过对引风机应用情况的统计还显示：高压变频在引风机上的应用开始向300MW以上机组，大功率、超大功率的产品应用方面发展。这充分说明，市场对高压变频技术的安全、可靠性已经认可，并且充分认识到了该技术在对引风系统进行工艺改变的同时，所能带来的巨大节能效益。因此，在引风机应用中呈现大功率、超大功率产品应用的趋势。

由于凝结泵变频改造早先主要见诸于200MW以下机组的低压变频节能改造项目应用，因此，变频技术在凝结水系统中的应用不存在应用方面的技术门槛。当高压变频技术走向成熟之时，凝结泵方面的节能改造同样受到用户的青睐和认可。市场的开发和应用与高压变频在引风机上的应用几乎同步推进。但是，由于市场容量和应用推广等诸多因素的原因；应用情况并没有引风机明显。透过近几年电力行业高压变频应用情况的统计分析，可以看出：在电力行业有诸多设备具有变频应用前景和空间。可进行变频改造的设备有16类之多，但是其中广泛推广、被众多用户所接受的还主要集中在引风机和凝结泵两类设备上。高压变频在电力行业的应用，具有鲜明的应用技术特征。在产品本身技术成熟的同时，其应用空间和前景有赖于系统成套应用技术的成熟和发展。高压大功率产品在引风机上的应用，则得益于变频调速技术在引风系统中的应用和完整解决方案等方面的成熟和被广泛认可。而在其它专业设备的应用方面，可以应用大功率产品却没有被广泛推广应用的原因；还主要是集中在系统成套应用技术的整体解决、系统安全性等方面，而不在是因为高压变频技术本身。也正是在专业设备应用方面的技术门槛，才使得众多用户和设备提供商望而却步。

一份关于高压变频在给水泵上应用情况的统计结果显示：并非所有上变频的给水泵设备和机组都节能，而是只有其中一部分应用效果良好。这说明，要么此前的项目论证和评估出现了偏差；要么是给水泵采用变频技术后，在系统上没能提供完整的、适合的解决方案，导致有设备却没效果，没能充分发挥好其节能降耗的作用。藉此，也正好印证了提供全面节能服务、成套技术解决方案的重要性。

对电力行业机组主辅机设备的变频技术适用性研究表明：每台机组当中主要有七类设备可以实现变频应用。以一台300MW机组为例，适用于进行变频节能应用的设备统计情况如下表所示。这些设备的节能降耗是发电机组主辅机实施节能的主要途径，成为一个系统工程；是对整个机组运行优化、实现经济性运行的系统项目，而不再是单台设备改造的问题。

通过对电力行业应用情况的调查、分析还发现：目前高压变频技术在电力行业的应用主要还是集中在200MW以下（含200MW）的机组主辅机设备当中，而在这类机组中，给水泵、循环泵系统的应用，具有良好的应用空间和发展前景；同时具有功率大、数量多的特点。在200MW以上机组中，变频技术应用具有广阔的开发潜力和拓展前景。其中，凝结泵的变频应用主要集中在200MW以上的原因是200MW以下的机组凝结泵多数采用低压大功率电机所致。4.1.2电力行业应用前景据发电企业的统计结果显示，厂用电大部分都是风机、水泵耗掉的，使用高压变频器以后可以一般能节电30%，甚至有些电厂达到了节能40%-50%的高水平。按节能30%计算，大概3年便能收回投资，而一台高压变频器的寿命有20年以上，在此后的十几年内，收益之巨大是不言而喻的。专家认为，高压变频调速系统将会成为当前工业节能推广的首要产品。电力行业作为高压变频销售的主要市场之一，具有广阔的发展前景和潜在节能空间。通过深挖潜能，开展系统服务的方式，对整个机组进行变频节能项目的改造，有利于实现用户节能降耗、优化机组运行、提高机组运行效率的综合经济目标。充分体现高压变频技术在系统应用中的技术优势和节能潜力，拓展未知领域，体现增值技术服务的价值。目前，国家电力建设掀起的新一轮建设热潮，其主力机组已由先前的300MW，升级为600MW甚至100万千瓦的超超临界机组类型。而高压变频技术在被电力行业所认可之后，开始朝着深入、广泛、标准配置等方面推进，成为电厂降低厂用电，优化机组运行结构，提高企业竞争力的一种必然举措。4.2钢铁行业4.2.1钢铁行业应用情况我国在交交变频器的研制方面有较大的优势，在钢铁行业的应用受到了用户的一致认可，主要是应用于钢铁行业的初轧机和热连轧机，但在高性能的冷轧机应用时就有很大的限制。但由于交交变频器相对三电平电压源型变频器自身谐波大，性能和功率因数差等因素，在国外，它越来越多的被三电平电压源型变频器取代。不过，在我国，由于其性能价格比不错而且较适应于国情，还会在一段时期内有一定的市场空间。

单元串联多电平高压变频器在钢铁行业比较多的是高炉和转炉的除尘风机、高炉鼓风机、锅炉的给水泵，此外还有烧结主排风机、烧结余热风机和制氧机、冷轧氢气加压机、泥浆泵、引风机、出垢泵、传送带、离心进料泵和循环水泵等风机水泵类应用。

高炉的主要外围设备有热风炉、除尘设备和水渣处理设备。一般每座高炉有3—4座热风炉，其中一座为向高炉送热风状态，一座为蓄热状态，一座为燃烧加热状态，某些钢铁厂会有一座备用热风炉，每台热风炉需配备1台鼓风机。部分钢铁厂的热风炉鼓风机采用直接

由汽轮机带动大型鼓风机的方式，更多的钢铁厂已经改造为高压电动机带动鼓风机了。除尘设备中包括装料除尘风机和出铁除尘风机，由于出铁除尘风机的调速范围特别大，目前出铁除尘风机大量采用了变频调速。一般每台高炉至少配备2台除尘风机，配备3—4台冲渣给水泵。表4-2为钢铁设备高压变频器应用需求表。（1）除尘风机上的应用

表4-2钢铁设备高压变频器应用需求表除尘风机分为除尘阶段和非除尘阶段，在两个不同阶段所需要的风量不同，所以变频器采用了高速和低速两种运行方式。根据现场调试确定了在不同阶段下的运行频率，即高速阶段（45Hz）和低速阶段（25Hz表4-2钢铁设备高压变频器应用需求表（2）冷凝泵上的应用

冷循环水泵采用5台560KW

6KV高压电机并联供水，主要提供轧钢用水。

变频调速装置的主要功能是根据供水管网水压要求，对水泵电机转速进行速度调节，达到恒压供水的目的。高压水泵电机若采用工频运行时，根据用水量的大小变化，采用调节回流水阀门开度可调节供水压力。

（3）罗茨鼓风机上的应用

风机出口的管道振动大、噪声大；另外，就目前风机送风量能力远超生产能力，为保生产只能把多余的通过回流管道接到风机进口去；其次是因出口的烟气要比入口高出一倍以上。根据生产情况，风机运行30HZ左右就能满足了生产工艺要求；运行转速在额定转速的60%左右。改造后罗茨风机的进风口、出风口温度下降明显6～8℃，风机油温与轴温下降7～14℃。另外变频改造后节能下过显著，与原有的工频驱动方式相比，风机效率稳定在理想的范围内，电动机能耗大大降低，节约电量可达30％。4.2.2钢铁行业应用前景在冶金钢铁行业，如大型风机、水泵等这些大型用电设备数量虽然不多，只占20％左右，但其用电量却占到80％。通常风机、泵类等平方根转矩。设备使用变频调速技术以后，效率可提高30％左右。此外，应用变频调速技术还可以提高电机的功率因数（一般可达0．98），减少设备的维修量，延长设备的使用寿命，减少事故停车给生产带来的重大损失。冶金行业对高压变频器改造需求很大，现在尚有很多设备如风机水泵还有很大的改造空间，有色金属冶炼也有大量设备亟待改造，高压变频器在冶金行业前景广阔。4.3矿山行业4.3.1矿山行业应用状况

高压变频器在采矿行业主要应用于矿井排水泵、主排风扇、介质泵、砂泵站水隔离浆体泵、矿石粉碎机、提升机、矿井通风机、空气压缩机、皮带机、挖掘机等。

（1）带式输送机

在煤矿等矿山中，输送带电动机多为直接启动，大部分时间开采的矿物不能满度其输送能力，输送带上的的矿物量不足，浪费了大量电能。在配置了高压变频器对电动机进行变频调速之后，输出带输送机按实际需要功率出力，电动机转速比工频速度适当减低，就可以使输送带运行速度与井下矿物开采量相匹配，同时降低了运行运行电压和电流，减小电能消耗。（2）砂泵站水隔离浆体泵

矿石开采分为露天开采和地下平巷开采两种，铁矿开采也不例外。开采出来铁矿石的首先经过破碎，体积小的颗粒进入球磨机，再经过螺旋分级机、细筛机、磁选和过滤机设备等，最后提出所需的精矿粉，作为高炉炼铁的原料。每级分出来的废矿最终进入浓缩池，成为最终尾矿，经过砂泵站的水隔离设备排到即不污染环境又能在将来将尾矿回收利用的储存地点。

4.3.2矿山行业应用前景矿山行业目前也是高压变频器市场的重要增长点，随着矿山开采的安全要求越来越被重视，矿山的变频改造将会加快步伐，目前矿山还有很大的潜力可以挖掘。矿山的主风扇、输送机等装置都是大功率的机械，节能空间大，随着国家政策的调整，安全保障要求的提高，矿山行业的利润势必有所下降，节能也是其降低成本的一个重要渠道。从安全和降低成本上，都将促进矿山行业高压变频器的推广，矿山行业在未来几年内都将保持高速的增长。4.4水泥行业4.4.1水泥行业应用状况高压变频器在水泥建材行业主要应用于粉末循环引风机、水泥粉磨站收尘风机、高温风机、粉碎机、原料磨风机、窑头/窑尾排风机、压力送风机、窑炉引风机。日产5000T的水泥生产线需要配备摇头排风机两台、窑尾排风机两台、煤磨排风机3台、高温风机1台、循环风机1台、煤磨除尘风机3台，共11台辅机，总功率10000KW左右。需配置11台高压变频器。在水泥的生产中，风机大马拉小车现象严重，同时由于工况、产量的变化，系统所需求的风量也随之变化，大部分风机采用传统做法，即调节进、出风口阀门的开度来实现，而该方法是以增加风阻、牺牲风机的效率来达到要求的，损耗严重。电动机负载电耗就占本钱近30％，而拖动风机用的高压电动机在电机中占有很大的比重，对于一条水泥生产线其中有25%～30%的电能是用于拖动各种类型风机上，风机电动机特别利用变频调速技术改变设备的运行速度，以调节风量的大小，可以既满足生产要求，又达到节约电能，同时减少因调节挡板而造成挡板和管道的磨损及经常停机检验所造成的经济损失，高压风机电动机的变频调速是降耗增效的主要措施。需要指出的是，对新型干法水泥生产线的6个工艺位置的高压风机，即：生料磨循环风机、煤磨循环风机、窑头排风机、窑尾高温风机、窑尾排风机、水泥磨循环风机进行高压变频调速节能改造，将使企业改善工艺，进步调速精度，使生产线设备利用率得到保证，降低设备运行与维护用度，延长电机等设备使用寿命，获得明显的经济效益和社会效益。（1）

收尘风机

在物料的粉磨工艺流程中，

电动机通过减速机带动磨盘转动，物料从下料口落到磨盘中央，在离心力的作用下向磨盘边缘移动并受到磨辊的碾压，粉碎后的物料离开磨盘，被高速向上的气流带至与立磨一体的分离器，粗粉经分离器后返回到磨盘上，重新粉磨；细粉则随气流出磨，在系统的收尘装置中收集下来。

粉磨站的生产任务繁重，生产线基本在满负荷甚至超负荷运行，水泥生产量基本在120－130t/h，在最大负荷下，变频器运行频率约为37.5Hz，输入电流（从变频器网侧吸收）约为28A。对比相同工况下的另外一条生产线，在产量基本相同情况下，没有变频改造的收尘风机运行电流约为44A，从比较情况来看，经变频改造的收尘风机节能效果非常明显。

（2）高温风机

高温风机由于“塌料”导致的过负荷是由于在旋窑水泥生产线生产过程中的预热器管壁上的粉尘粘附到一定厚度时就会坍塌脱落，造成管道内粉尘浓度增大，阻力增加，负压升高，使排风机负荷增加。此外，如果垂直烟道或预热器内在清洁皮或有物料塌料时，同样也会造成气流波动，使排风管内气流紊乱，造成高温风机过负荷停机，该现象的频繁出现对高温风机电动机造成损坏。在实际使用过程中的“塌料”现象，会不定期的导致电机运行电流在极短的时间内超出正常电流的数倍，如使用一般厂家的通用型高压变频器会导致变频器运行过程中频繁跳机，直接影响高温风机与生产线的正常运行。

进行过高压变频器改造后，高压变频器采用矢量控制算法，对其输出电流进行实时、快速的精确控制（传统的VVVF控制中，不对输出电流进行控制，输出电流的测量仅用于显示和保护）。在控制算法中对最大输出电流进行限制，因而不会因负载的波动导致变频器过流停机。成功解决了因为塌料引起的剧烈负载波动问题，大大降低了由于高温风机停运对生产造成的影响，降低电机设备故障率，取得节能、增效的巨大效益。（3）立磨风机

立磨风机在水泥厂的工作时间长，功率大，在2000t/d的旋窑生产线上立磨排风机电动机功率为1400KW/10KV，有效功率为840KW左右，无功为450KVAR左右。节能空间巨大，下表为经过高压变频器改造前后的数据比较：变频改造后运行数据对照表。表4-3变频改造后运行数据对照表经过变频改造后不但能节约大量电能，还能有效降低噪音。对工作环境改善有很好的效果。表4-3变频改造后运行数据对照表

（4）罗茨风机我国的大多数2KT/D以下水泥厂在立窑上配备有160~220KW罗茨风机（产量较大的生产线立窑上配套使用的风机功率更大），传统的风量控制方法是依靠放风阀进行调节。由于罗茨风机的风量较为恒定，而煅烧时根据窑内情况需要随时调节风量，当窑内需要减少风量时，是通过放风阀放走多余的风量，造成严重的能源浪费。水泥立窑煅烧熟料所耗的电能中，罗茨鼓风机的电能消耗占60%左右，随着电价的调整（整体上是上升趋势），电费在水泥生产中所占生产成本的比重将越来越高。因此降低鼓风机的能源消耗成为提高企业经济效益的重要环节。工艺要求风量随窑内条件进行调节，调节风机的鼓风量，对罗茨风机可由变频器改变风机的供电电源频率来进行无级调速来调节风量，给变频器的应用与节能留下较大的空间。实践中也证明确实如此：重庆地维水泥有限