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,通過液麵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,這樣相當於調節了轉子的內阻,從而改變了電動機的滑差;由於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台變壓器,為了節省這台變壓器,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。由於當時高壓變頻技術沒有解決,就采用一台變壓器,先把電網電壓降低,然後采用一台低壓的變頻器實現變頻;對於電機,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台升壓變壓器。

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,調速範圍較小,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。至於高低方式,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於成本較低。

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,由於采用電流控製,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汙染,輸出側采用多電平正弦PWM技術,可適用於任何電壓的普通電機,另外,在某個功率單元出現故障時,可自動退出係統,而其餘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。係統采用模塊化設計,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,解決了兩隻功率器件的串聯的問題,並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,所以往往需要采用變通的方法,要麽改變電機的電壓,要麽在輸出側加升壓變壓器。這一弱點限製了它的應用。

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,而隻關注於較小功率的場合。

由於上述的技術特征,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。 

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