国内高压大功率变频器的技术发展与进步

国内高压大功率变频器的技术发展与进步

崔　杨

（东方日立电控设备有限公司，四川，成都，610000）

党中央目前大力提倡和谐社会、可持续性发展观以及节能减排，极大地扭转了以耗能加污染换取经济发展的不利局面，工业领域的耗能大户们开始积极寻找节能减排的新技术、新产品，拉动了节能市场。这样一来，使我国的节能型高压大功率变频器在技术层面及应用层面都获得了飞速发展的机会。

一、国内节能市场对高压变频器主回路拓扑选择的影响

我国很早就已经开始从国外引进大容量变频器，如冶金行业使用的轧机用交流变频器等。由于早期大容量变频器的成本太高，直到20世纪80年代末，才在国内一些示范性工程之中利用世行贷款，引进了很少的大容量变频器进行节能改造，当时大多使用在城市给水。那时候比较成熟的产品是电流源型变频器，还处于使用可控硅或者GTO作为主回路的开关器件的阶段。当时国内自主研发的技术是斩波内馈调速技术，它利用控制滑差功率的原理进行电动机调速，可以降低变流器的容量以及器件的耐压，使变流器部分的成本降低。但是该技术不能应用于一般的老、旧电动机，离不开对现有的电动机电气结构及机械结构进行改造的环节，或者需要更换一台专用电动机，这就大大地阻碍了斩波内馈调速技术在国内的推广应用。

由于我国电网电压偏高，电动机大多数是6kV和10kV的等级，对于使用可控硅和GTO的电流源型变频器，需要进行器件串联，对器件的参数匹配、主回路静、动态均压等提出了严格的要求。除了串联方案之外，另一个解决方法就是使用变压器升压或降压。上述这些不足之处造成了变频器的成本上升，可靠性下降；此外电流源型变频器的输入、输出谐波都非常高，输入功率因数又偏低，需要额外资金进行谐波和功因的治理；而且当时的技术还需要使用特制且昂贵的进口变频电机支持高压大功率变频器工作，这样一来，成本问题成为长期阻碍我国在节能领域之中应用高压大功率变频器的主要原因。

20世纪90年代初，随着新型开关器件IGBT的成熟，以及计算机技术的进步，一种新型的逆变器主回路拓扑出现了——移相变压器技术加功率单元级联化多电平技术。该主回路简称为级联式多电平拓扑，它使用了输入、输出波形重组技术，谐波降低到国际、国内标准允许值之内，而功率因数可以高达0.95以上。由于移相变压器的隔离作用，使级联拓扑根本不需要动态均压，只需根据电网及电动机的需要，调整级联的数量，达到高压输出的效果，直接驱动老、旧电动机。它的拓扑看似非常复杂，其实功率单元可以设计成标准件，而且可以进行互换，所以特别适合在国内的工厂生产线上进行简单地大批量地生产。

正是因为采用级联式多电平技术变频器的这些优点，特别适合于我国节能市场及生产能力的国情，从20世纪90年代中期起，国内有三家公司几乎同时开始进行研制；通过近十年的努力，国内已有近30家公司可以提供这一类产品，变频器的价格从3元/瓦以上下降到0.8元/瓦以下，市场出现了年销售量几千台的局面，这充分说明高压大功率变频器技术在我国有了长足的发展。

在近十年之中，使用了电流源型技术、斩波内馈调速技术、IGBT直接串联两电平技术、三电平技术、级联式多电平技术的6kV和10kV高压大功率变频器，在国内市场上进行了非常充分的技术竞争、性能竞争和价格竞争，最后采用级联式多电平技术的产品，占据了目前国内节能型高压大功率变频器市场80％以上的份额，而且从2007年之后，首次出现了国产高压大功率变频器在国内市场的份额超过进口产品的大好局面。

二、国内高压大功率变频器主要功能的发展

我国已经成为实际上生产和使用高压大功率变频器的大国，为了适应我国特有的工业应用环境，在近十年的发展过程中，通过国内各个厂家的辛勤探索、开发，级联式变频器的功能有了非常大的增强。这些进步大多数是国内厂家靠自己的研发团队自行开发、创新的结果，并且形成了一大批专利成果。

（一）人机界面

国内所有厂家都使用汉字来开发人机界面，使用触摸屏以及专门的软件显示节能控制过程，使高压大功率变频器的推广使用变得非常方便，在这方面的效果远远优于所有进口品牌。

（二）适应电网的功能

国内电网的品质相对国外发达国家来说较差，主要反映在“晃电”方面。这是由于大机组启动过程以及雷击等原因造成的瞬时电网跌落，本质上属于电压暂降。这种电压暂降可能会持续2秒至5秒以上，幅度可以跌落至65％以下甚至更低，国外一些品牌的产品不能够适应这种环境，容易停机跳闸。现在国内厂家开发的高压大功率变频器，大部分可以经受住这些电网“晃电”的考验而不会轻易停机跳闸，此性能一般都要优于进口品牌。国内一些先进厂家的产品允许电网跌落幅度在20％以下，时间可以持续9秒以上。

另一个方面是直接连接10kV电网及驱动10kV电动机的能力，由于国外很少在10kV电网之下驱动10kV电动机，所以当时国外厂商没有10kV的电压源型变频器的产品，这既为高压大功率变频器的国产化提供了一个“天然屏障”和短暂的开发时机，同时又对国内的各个研发团队提出了挑战。2003年，国内的一些厂家先后研制出10kV直接高压的级联式变频器，并且应用到了市场，目前一半以上的10kV直接高压的电压源型变频器产品来自国产，这也是国内变频器业者共同的骄傲。

（三）保护功能

国内初期的高压大功率变频器产品的保护设计，仅仅考虑了变频器自身不能受到永久性的损害，往往忽略了用户的运行状态。现在的高压大功率变频器的保护首先是考虑用户的最大利益——尽量不停机，而采用冗余等设计手段，在遇到故障时可以智能处理现场，如自动减速、降额运行是各个厂家大量使用的方法。国内一些先进的厂家可以做到当故障消失之后，变频器自动恢复原来的工况。

（四）充电控制

级联式变频器属于电压源型变流器，它的直流环节靠一组电解电容来支撑，启动时刻充电电流的控制是保证电解电容器寿命的关键。某些进口品牌早期没有做好软充电的设计，因而造成变频器多次损坏的事故发生。目前国内各个公司都解决了电解电容器软充电的问题。

变频器本身是一个优良的软启动器，启动电动机时可以实现无电网冲击，但是级联式变频器在“上电”的瞬间，其移相变压器的励磁电流峰值，在瞬间可以接近十倍的额定电流。虽然浪涌周期远远短于电动机的直接启动时间，但是变频器的容量越大，该浪涌电流对用户开关设备和电网的冲击越不能忽略。现在国内一些先进厂家已经彻底解决了这个问题，使高压大功率变频器本身开机启动的励磁电流可以控制在非常小的安全范围之内。

（五）快速降速

一些特殊的工况需要变频器频繁地升降速，为了满足降速时处于发电状态的电动机不会出现危害变频器的状况，国内很多厂家采用了能耗制动，或者能量回馈等不同的技术手段来解决这一问题，取得了好的效果。

（六）同步并网投切技术

一些应用场合需要将正在使用变频器拖动的电动机投切到由工频电网来拖动运行，而且要求投切的全过程不能造成对电网、负载的冲击。这对高电压的变频器来说是比较难的，但是国内已有厂家研发出能够同期并网投切的高压大功率变频器，产品已经提供到市场。

（七）低dV/dT技术

交流电动机设计之初，是按照正弦波电压源来驱动工作的，虽然级联式高压大功率变频器的输出电压属准正弦波，其输出之中每一个阶梯的幅度被控制在1000V之内，但是在阶梯的第一个上升瞬间，如果这个小于1000V的台阶变化过快，仍然会对电动机定子线圈造成一定的应力冲击。国内一些技术先进的公司可以很好地控制这个上升速率，保护电动机免受冲击应力的危害，使改造项目之中的老、旧电动机可以长期安全工作。

（八）力矩的提升

矢量控制技术已经被大量应用在国产高压大功率变频器之中，可使一些对力矩要求敏感的工况可以满足使用变频驱动，如压缩机、皮带机、挤压机等负载。目前国内先进厂家的高压大功率变频器产品，最大可以提供额定的200％瞬时力矩，而不会出现跳闸停机的情况。

（九）容量的提升

5年前，由于技术及材料的限制，国产的高压大功率变频器的实际产品容量在3000kVA之内，当时更大容量的产品理所当然地全部被国外厂家所垄断，甚至有些质量不高的电流源型变频器也在国内占有市场。经过国内各个研发团队的努力，目前国产产品已经达到了15 000kVA/10kV和9000kVA/6kV的水平，远远超过了国外专家对国内高压大功率变频器容量的发展速度预计，而且打破了20世纪末专家们预测使用IGBT技术的高压大功率变频器容量上限在10kVA极限的论点。

三、在质量方面的进步

（一）MTBF

如何提高高压大功率变频器的MTBF、减少故障率，是摆在每一个国内变频器生产厂家面前的大问题。国内已经出现过进口变频器跳闸引起用户的巨大损失，使变频器几年节能也不能补偿回来的事件。国内有的厂家由于没有解决好这个关键问题，而从市场上“消失”了。可靠性是一个永远不能回避的问题。一些国内先进厂家学习国内外的先进经验，从设计阶段就开始考虑故障问题及解决方案，在材料选型、材料购买以及制造装配工艺、现场安装调试等各个环节，抓可靠性工作，已经使MTBF真正达到了两年半以上的水平。

（二）EMC

电磁兼容是变频器高质量运行的另一个难题，除了让工作在3.3V的控制系统能够在工业现场“生存”之外，高压大功率变频器本身的主回路在不停地高速切换大电流产生的脉冲强干扰是主要需解决的问题。国内变频器生产厂家在信号处理、布局、布线、布板及先进材料使用等方面做了大量的工作，使高压大功率变频器克服了上述的干扰，而能够“安心”工作。

四、对未来高压大功率变频器的技术发展预测

当前虽然级联式多电平技术在高压大功率变频器产品应用之中“拔得头筹”，但是由于其“天然”的缺陷是电路较复杂，因此对提高可靠性和降低成本产生了不利因素。但这只是相对的劣势，也可视为是对采用该技术的各个厂家施加的技术进步压力。在没有出现一个能够完全替代级联式多电平技术的新拓扑出现之前，该技术仍然会是我国的主流技术。

现在业界正在期盼一种新的拓扑技术出现，替代当前的级联式拓扑技术，一些人将新拓扑的出现寄希望于更高耐压器件的出现，笔者认为这是一个误区。因为更高耐压器件的出现，仅仅适用于三电平等“更老”的拓扑，而三电平技术的输出电压台阶数量远远不能与级联式多电平技术相比拟，所以仍然需要滤波器治理输出的谐波；而且只有使用“背靠背”的三电平方案才能解决输入的谐波问题，这就使可靠性、成本问题不可能在使用了更高耐压器件的三电平技术上得到好的解决。我们期盼会有更好的新拓扑取代目前的级联式多电平拓扑。

随着技术的不断进步，新材料的不断出现，高压大功率变频器会在以下几个方面继续进步：

（一）进一步提高可靠性

高压大功率变频器的节能效果是非常明显的，但是“容量越大，责任越大”，尤其在一些关键的工位如果出现故障停机，会给用户造成过高的损失，可能变频器几年的节能效果就在一刻之间化为乌有。此外维护的周期以及维护的时间也要求有严格的限定，使变频器充分发挥其节能的效果。

（二）拓宽应用领域及提升智能化水平

由于有了更加先进的控制算法，高压大功率变频器产品已经跳出了风机、泵类负载的限制，逐渐在皮带机、挤压机，粉碎机、提升机等对力矩有特殊要求的领域内，取得了应用成绩，将来会出现更加成熟的不同专业的专用机型。为了方便不同用户的不同需要，更多的变频器会带上专家系统，为用户一揽子解决现场的需求，并且会更多地通过因特网在变频器、用户和厂家之间建立起联系渠道，及时地诊断、解决现场的运行问题。

（三）进一步提升容量

15kW以上的变频器，目前仍然是晶闸管、GTO技术的天下，一般拓扑形式仍然是电流源型，冷却方法是水冷。将来使用IGBT的级联式多电平技术预计可能突破20kW的容量范围，在采用了热管技术及功率单元并联技术之后，仍然可以使用可靠性较高的风冷方式，使级联式多电平技术在大容量领域内更加具有竞争性。

进口产品为了能够占据国内高压大功率变频器市场的一席之地，那些著名的厂商纷纷采取合资、合作等本地化的方式，降低成本提高竞争力；同时他们也在积极修改设计，以适应中国的这“一方水土”。国内和国外厂商相互间的竞争，会带来一个百花齐放、百家争鸣的大好局面，推动我国的高压变频器技术及应用向更高、更强、更好的方向发展。