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高压变频器详细介绍

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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。
高压变频器的种类繁多,其分类方法也多种多样。按着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;按着直流部分的性质,可分为电流型和电压型变频器;按着有无中间低压回路,可分为高高变频器和高低高变频器;按着输出电平数,可分为两电平、三电平、五电平及多电平变频器;按着电压等级和用途,可分为通用变频器和高压变频器;按着嵌位方式,可分为二极管嵌位型和电容嵌位型变频器等等。

电流型

由于在变频器的直流环节采用了电感元件而得名,其优点是具有四象限运行能力,能很方便地实现电机的制动功能。缺点是需要对逆变桥进行强迫换流,装置结构复杂,调整较为困难。另外,由于电网侧采用可控硅移相整流,故输入电流谐波较大,容量大时对电网会有一定的影响。

高压型

由于在变频器的直流环节采用了电容元件而得名,随着技术的进步,高压变频器可以实现四象限运行,也能实现矢量控制,已经成为当前传动系统调速的主流产品。

高低高型

采用升降压的办法,将低压或通用变频器应用在中、高压环境中而得名。原理是通过降压变压器,将电网电压降到低压变频器额定或允许的电压输入范围内,经变频器的变换形成频率和幅度都可变的交流电,再经过升压变压器变换成电机所需要的电压等级。
这种方式,由于采用标准的低压变频器,配合降压,升压变压器,故可以任意匹配电网及电动机的电压等级,容量小的时候(<500KW)改造成本较直接高压变频器低。缺点是升降压变压器体积大,比较笨重,频率范围易受变压器的影响,还有就是由于引入了变压器使得系统效率比较低。
一般高低高变频器可分为电流型和电压型两种。

高电流型

电路拓扑结构如图1所示,在低压变频器的直流环节由于采用了电感元件而得名。输入侧采用可控硅移相控制整流,控制电动机的电流,输出侧为强迫换流方式,控制电动机的频率和相位。能够实现电机的四象限运行。

高电压型

前段引入降压变压器,将电网降压,然后连接低压变频器。低压变频器输入侧可采用可控硅移相控制整流,也可以采用二极管三相桥直接整流,中间直流部分采用电容平波并储能。逆变或变流电路常采用 IGBT元件,通过SPWM变换,即可得到频率和幅度都可变的交流电,再经升压变压器变换成电机所需要的电压等级。需要指出的是,在变流电路至升压变压器之间还需要置入正弦波滤波器(F),否则升压变压器会因输入谐波或dv/dt过大而发热,或破坏绕组的绝缘。该正弦波滤波器成本很高,一般相当于低压变频器的1/3到1/2的价格。

高高变频

高高变频器无需升降压变压器,功率器件在电网与电动机之间直接构建变换器。由于功率器件耐压问题难于解决,目前最直接的做法是采用器件串联的办法来提高电压等级,其缺点是需要解决器件均压和缓冲难题,技术复杂,难度大。但这种变频器由于没有升降压变压器,故其效率较高低高方式的高,而且结构比较紧凑。

高高电流

它采用GTO,SCR或IGCT元件串联的办法实现直接的高压变频,电压可达10KV。由于直流环节使用了电感元件,其对电流不够敏感,因此不容易发生过流故障,逆变器工作也很可靠,保护性能良好。其输入侧采用可控硅相控整流,输入电流谐波较大。变频装置容量大时要考虑对电网的污染和对通信电子设备的干扰问题。均压和缓冲电路,技术复杂,成本高。由于器件较多,装置体积大,调整和维修都比较困难。逆变桥采用强迫换流,发热量也比较大,需要解决器件的散热问题。其优点在于具有四象限运行能力,可以制动。
需要特别说明的是,该类变频器由于较低的输入功率因数和较高的输入输出谐波,故需要在其输入输出侧安装高压自愈电容。

高高电压

电路结构采用IGBT 直接串联技术,也叫直接器件串联型高压变频器。其在直流环节使用高压电容进行滤波和储能,输出电压可达13.8KV,其优点是可以采用较低耐压的功率器件,串联桥臂上的所有IGBT作用相同,能够实现互为备用,或者进行冗余设计。缺点是电平数较低,仅为两电平,输出电压dV/dt也较大,需要采用特种电动机或加装共模电压滤波器和高压正弦波滤波器,其成本会增加许多。由于它与低压变频器有着一样的拓扑结构,因此它像低压变频器一样具有四象限运行功能,也可以实现矢量控制。
这种变频器同样需要解决器件的均压问题,一般需特殊设计驱动电路和缓冲电路。对于IGBT驱动电路的延时也有极其苛刻的要求。一旦IGBT的开通、关闭的时间不一致,或者上升、下降沿的斜率相差太悬殊,均会造成功率器件的损坏.

嵌位型

钳位型变频器一般可分为二极管钳位型和电容钳位型。
二极管型
它既可以实现二极管中点嵌位,也可以实现三电平或更多电平的输出,其技术难度较直接器件串联型变频器低。由于直流环节采用了电容元件,因此它仍属于电压型变频器。这种变频器需要设置输入变压器,它的作用是隔离与星角变换,能够实现12脉冲整流,并提供中间嵌位零电平。通过辅助二极管将IGBT等功率器件强行嵌位于中间零电平上,从而使IGBT两端不会因过压而烧毁,又实现了多电平的输出。
这种变频器结构,输出可以不安装正弦波滤波器。但是由于采用了变压器,成本上有所增加。
电容型
它采用同桥臂增设悬浮电容的办法实现了功率器件的嵌位,这种变频器应用的比较少。

行业特点

变频器是一种使电动机变速运行进而达到节能效果的设备,习惯上把额定电压在3kV到10kV之间的电动机称为高压电机,因此一般把针对3kV至10kV高电压环境下运行的电动机而开发的变频器称为高压变频器。与低压变频器相比,高压变频器适用于大功率风电、水泵的变频调速,可以收到显著的节能效果。
随着节能环保需求的增加以及装备升级改造步伐的加快,中国高压变频器行业呈现稳步增长态势,市场规模从2005年的11亿元增至2011年的63亿元,年复合增长率达到35.4%;在变频器中的比重也从2006年的12.9%增至2011年的22.8%。2012年随着下游行业变频化率的提升,高压变频器市场增长速度有望达到34.92%。中国高压变频器行业主要有以下几个运行特点

国产现状

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,目前国内最大的应用做到了20000KW。
④ 国内高压变频器的技术标准还有待规范。
⑤ 与高压变频器相配套的产业很不发达。
⑥ 生产工艺一般,可以满足变频器产品的技术要求,价格相对低廉。
⑦ 变频器中使用的功率半导体关键器件完全依赖进口,而且相当长时间内还会依赖进口。
⑧ 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。
⑨ 已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障再恢复等功能的变频器。
⑩ 部分厂家已经开发出四象限运行的高压变频器。
11矢量控制的高压变频器也已经在应用。

国外现状

国外各大品牌的变频器生产商,均形成了系列化的产品,其控制系统也已实现全数字化。几乎所有的产品均具有矢量控制功能,完善的工艺水平也是国外品牌的一大特点。在发达国家,只要有电机的场合,就会同时有变频器的存在。其现阶段发展情况主要表现如下:
① 技术开发起步早,并具有相当大的产业化规模。
② 能够提供特大功率的变频器,已超过10000KW。
③ 变频调速产品的技术标准比较完备。
④ 与变频器相关的配套产业及行业初具规模。
⑤ 能够生产变频器中的功率器件,如IGBT、IGCT、SGCT等。
⑥ 高压变频器在各个行业中被广泛应用,并取得了显著的经济效益。
⑦ 产品国际化,当地化加剧。
⑧ 新技术,新工艺层出不穷,并被大量的、快速的应用于产品中。

未来态势

交流变频调速技术是强弱电混合,机电一体的综合技术,既要处理巨大电能的转换(整流、逆变),又要处理信息的收集、变换和传输,因此它必定会分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题,后者要解决的软硬件控制问题。因此,未来高压变频调速技术也将在这两方面得到发展,其主要表现为:
① 高压变频器将朝着大功率,小型化,轻型化的方向发展。
② 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。
③ 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。
④ 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。
⑤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。
⑥ 全面实现数字化和自动化:参数自设定技术;过程自优化技术;故障自诊断技术。
⑦ 应用32位MCU、DSP及ASIC等器件,实现变频器的高精度,多功能。
⑧ 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。[1] 

发展趋势

随着本土高压变频器得到更多的用户的认可,本土品牌凭借良好的性价比优势正在逐步扩大在国内的市场份额。
品牌:国外品牌多为综合自动化供应商,拥有多种自动化产品的品牌关联效应。这种关联效应还体现在譬如渠道等其他资源的共享上。因此这种“品牌推广”对于该品牌的产品销售有很好的推动作用。而本土品牌在自动化产品结构上相对比较单一,更多的是“产品推广”的营销策略,因此有一定劣势。但是随着本土品牌在市场的逐渐历练成熟,“产品推广”的营销策略也正在向“品牌推广”转变。
另外,国外品牌也实施积极的市场策略,ABB的ACS2000系列可能就是应对国内企业风机 泵 压缩机等市场的。对于本土品牌,在电气传动领域,平方转矩或曰恒功率负载一直是其进入市场的切入点,也是传动领域的低端市场
技术:技术已经不成为进入这一行业的壁垒,而稳定性及产品性能则逐渐成为各个厂商面临的主要技术问题。国外品牌由于产品技术相对成熟,行业应用经验也相对丰富,因此在故障率,元器件质量、以及超大功率产品上用户相对比较满意。但是随着本土品牌的不断发展,这一差距也在逐步缩小。
价格:毋庸置疑,价格优势是本土品牌的巨大优势。这种优势是短期内不会改变的。而这一特点也迎合了金融危机后,用户要求性价比,注重减少项目成本的需求。
资金:由于高压变频器的单价较高,收款周期都较长,资金的充裕性成为关键的竞争力之一,在这一点上,国外品牌压力较小。通过发展,本土品牌也已积累了一定的资金实力,部分国内厂商已经拥有较充足的资金应对资金流问题以及进行产品的研发与升级。另外,广州智光、哈尔滨九洲、合康亿盛等本土品牌陆续上市,也表明这一行业如低压变频一样会出现更多资本运作。国内厂商逐步度过发展期,开始寻求资本运作,以期提升企业规模效应。
纵观国内外品牌,技术竞争,营销竞争已经进入白热化,但是随着各品牌针对的目标市场逐渐细化,市场竞争不止表现为价格,也是品牌竞争,脱离制造环节,转向前端的品牌及研发设计,后端的渠道及服务,也是这一领域可行的商业模式。
同时,如何提高管理水平,严格成本控制,优化资金流,人才引进等逐渐成为各品牌之间竞争的核心内容。这种“软实力”的竞争将在未来更加激烈。

典型故障

故障现象:变频器在加速、减速或正常运行时出现过电流跳闸。
首先应区分是由于负载原因,还是变频器的原因引起的。如果是变频器的故障,可通过历史记录查询在跳闸时的电流,超过了变频器的额定电流或电子热继电器的设定值,而三相电压和电流是平衡的,则应考虑是否有过载或突变,如电机堵转等。在负载惯性较大时,可适当延长加速时间,此过程对变频器本身并无损坏。若跳闸时的电流,在变频器的额定电流或在电子热继电器的设定范围内,可判断是IPM模块或相关部分发生故障。首先可以通过测量变频器的主回路输出端子U、V、W, 分别与直流侧的P、N端子之间的正反向电阻,来判断IPM模块是否损坏。如模块未损坏,则是驱动电路出了故障。如果减速时IPM模块过流或变频器对地短路跳闸,一般是逆变器的上半桥的模块或其驱动电路故障;而加速时IPM模块过流,则是下半桥的模块或其驱动电路部分故障,发生这些故障的原因,多是由于外部灰尘进入变频器内部或环境潮湿引起。

应用领域

电力:引风机、送风机、一次风机、吸尘风机、增压风机、排粉机、给水泵、循环水泵、凝结水泵、渣浆泵
冶金:除尘风机、通风机、泥浆泵、除垢泵
石化:注水泵、电潜泵、输油泵、管道泵、排风机、压缩机、除垢泵
水务:供水泵、取水泵
环保:污水泵、净化泵、清水泵
水泥:窑炉引风机、压力送风机、冷却器吸尘机、生料碾磨机、供气风机、冷却器排风机、分选器风机、主吸尘风机
造纸:打浆机
制药:清洗泵、一次风机、二次风机
采矿:排水泵、排风扇、介质泵、渣浆泵
市场发展

高压变频器行业下游可谓是冰火两重天。从下游高压变频器市场规模增速看,好的行业是水化工增幅达到10%,化工行业增幅达到7%,石化行业增幅达到6%、石油行业增幅达到6%,增速不好的的行业有冶金、建材、矿山、电力,分别萎缩7%、8%、9%、12%。
尽管,整个高压变频器市场没有出现持续的爆发式的增长,但我国变频器品牌已经涵盖了几乎所有领域,而且相对国际品牌有信价比优势。内资高压变频器的市场占比已经超过55%.从企业排名看,合康变频增长13.2%,市场占比13%,已经跻身行业首位的位置;利德华福市场占比12%、西门子占比11%、ABB占比9%、东方日立占比5%.国电四维发展速度较快,2012年增长44%,行业占比接近5%.
纵观近些年整个高压变频器市场,其价格的底线到了。内资企业价格战几乎不可能,外企还有很大利润空间。外资品牌至少还具有10%的空间,西门子、abb、东芝三菱,可能有特价,但不会全面降价。他们都通过代工或是其他品牌做,但是仍然价格高。

 
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