高壓變頻器項(xiàng)目可行性研究報(bào)告書

高壓變頻器項(xiàng)目可行性研究報(bào)告目錄第1章研究項(xiàng)目概述1.1立項(xiàng)的背景和意義近幾年，我國高壓變頻器市場正處于一個(gè)高速增長的時(shí)期，高壓變頻器在電力、冶金、石油化工、供水、水泥、采礦等行業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在過去的幾年內(nèi)中國高壓變頻器的市場保持著年均40%以上的復(fù)合增長率，這個(gè)速度己經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了近幾年GDP的平均增長水平。

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了電氣傳動(dòng)的技術(shù)革命。交流調(diào)速取代直流調(diào)速，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制取代模擬控制已成為發(fā)展趨勢。交流電機(jī)變頻調(diào)速是當(dāng)今節(jié)約電能，改善生產(chǎn)工藝流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，以及改善運(yùn)行環(huán)境的一種主要手段。變頻調(diào)速以其高效率，高功率因數(shù)，以及優(yōu)異的調(diào)速和啟制動(dòng)性能等諸多優(yōu)點(diǎn)而被國內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。

以前的高壓變頻器，由可控硅整流，可控硅逆變等器件構(gòu)成，缺點(diǎn)很多，諧波大，對電網(wǎng)和電機(jī)都有影響。近年來，發(fā)展起來的一些新型器件將改變這一現(xiàn)狀，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它們構(gòu)成的高壓變頻器，性能優(yōu)異，可以實(shí)現(xiàn)PWM逆變，甚至是PWM整流。不僅具有諧波小，功率因數(shù)也有很大程度的提高，可以達(dá)到0.96以上。已廣泛應(yīng)用于治金、化工、水泥、機(jī)械制造、發(fā)電等各個(gè)領(lǐng)域。1.2研究方法本報(bào)告所涉及的產(chǎn)品范圍為可調(diào)輸出頻率的高壓交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，包含相關(guān)的零配件，不含采用同類技術(shù)的伺服產(chǎn)品。

電壓等級范圍：﹥1000V

如：3kV/6kV/10kV等

。按國際慣例和我國國家標(biāo)準(zhǔn)對電壓等級的劃分，對供電電壓≥10kV時(shí)稱高壓，1kV～10kV時(shí)稱中壓。我們習(xí)慣上也把額定電壓為6kV或3kV的電機(jī)稱為“高壓電機(jī)”。由于相應(yīng)額定電壓1～10kV的變頻器有著共同的特征，因此，在本報(bào)告中我們把驅(qū)動(dòng)1～10kV交流電動(dòng)機(jī)的變頻器通稱為高壓變頻器本次研究通過大量調(diào)查研究，收集了大量樣本，獲取了大量真實(shí)有效的一手?jǐn)?shù)據(jù)，從而全面、深入地分析中國高壓變頻器行業(yè)的市場規(guī)模、市場劃分、市場份額、行業(yè)應(yīng)用、技術(shù)發(fā)展趨勢、主要廠商狀況等問題。第2章市場環(huán)境分析2.1相關(guān)政策分析國家的升級戰(zhàn)略中，讓企業(yè)進(jìn)行智能化、工業(yè)化相結(jié)合的改進(jìn)升級，是中國企業(yè)更好提升和發(fā)展的一條重要途徑。2015年10月，中德政府在第三輪磋商后發(fā)表《中德合作行動(dòng)綱要》，宣布兩國將開展“工業(yè)4.0”合作，該領(lǐng)域的合作有望成為中德未來產(chǎn)業(yè)合作的新方向。從全球范圍來看，當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)得到了多個(gè)國家重視——國際上工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的代表是美國的先進(jìn)制造戰(zhàn)略，和德國的工業(yè)4.0。通過互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、寬帶網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，通過接入傳感器，實(shí)現(xiàn)對物理設(shè)備的信息感知、網(wǎng)絡(luò)通信、遠(yuǎn)程控制和協(xié)作。早前有消息表示，美國GE公司提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念，投資10億美元提高效率。而德國工業(yè)4.0德國將工業(yè)分為機(jī)械化、電氣化、數(shù)字化、智能制造四階段。國內(nèi)情況來看，十八大報(bào)告提出四化協(xié)同、兩化深度融合的方向。而“中國制造2025”更被認(rèn)為將拉開工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)序幕。有分析指出，在未來20年中，中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展至少可帶來3萬億美元左右的GDP增量。應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)后，企業(yè)的效率會(huì)提高大約20%，成本可以下降20%，節(jié)能減排可以下降10%左右。分析認(rèn)為，行業(yè)內(nèi)將出現(xiàn)兩條顯著的高速成長主線。一是高端智能裝備加速成長，如工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)化裝配線、自動(dòng)化倉儲(chǔ)設(shè)備等，第二條主線是本土自動(dòng)化龍頭?！爸袊圃?025”是中國制造“三步走”戰(zhàn)略的第一步。作為未來國家級重大戰(zhàn)略的組成部分，工業(yè)自動(dòng)化被認(rèn)為將是其中一個(gè)具備中長期高景氣度的分支。工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備屬于智能裝備的范疇，是“十二五”期間國家重點(diǎn)扶持發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)(2010年10月《國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》)。在未來五年里，伴隨著人口紅利消失和原材料、能源成本的上漲，中國制造業(yè)將經(jīng)歷由粗放型、低附加值模式向集約型、高附加值模式的轉(zhuǎn)變。作為高端制造業(yè)的“基石”，工業(yè)自動(dòng)化裝備面臨著傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造提升、新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求雙重機(jī)遇。其中，行業(yè)內(nèi)將出現(xiàn)兩條顯著的高速成長主線。一是高端智能裝備加速成長——前期滲透率已經(jīng)較高的數(shù)控機(jī)床、過程自動(dòng)化系統(tǒng)、變頻器等產(chǎn)品增速在明顯放緩，而隨著低端勞動(dòng)力成本加速上行、產(chǎn)業(yè)升級進(jìn)入白熱階段，“替代人工”屬性更強(qiáng)、前期滲透率較低的高端智能裝備，如工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)化裝配線、自動(dòng)化倉儲(chǔ)設(shè)備等，有望越過產(chǎn)品導(dǎo)入期、進(jìn)入高速成長期，未來5年保持年均20-30%的快速增長。第二條高速成長主線是本土自動(dòng)化龍頭有望崛起。受益于國家支持國產(chǎn)化率提升的政策意圖、關(guān)鍵零部件的突破，掌握核心技術(shù)、研發(fā)能力強(qiáng)勁的國內(nèi)自動(dòng)化裝備企業(yè)有望加快進(jìn)口替代的速度，實(shí)現(xiàn)超過行業(yè)平均的高速成長。2015年1月1日開始正式實(shí)施《新環(huán)保法》，對電力行業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域提出了更高的節(jié)能環(huán)保要求。目前，《新環(huán)保法》已經(jīng)實(shí)施近一年，對電力行業(yè)的影響不言而喻。變頻器依托提高功率因數(shù)、傳動(dòng)效率、改善工藝等節(jié)能優(yōu)勢，拓展電力市場，已經(jīng)逐漸成為火電廠“標(biāo)配”。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，電廠用電大部分都是風(fēng)機(jī)、水泵耗掉的，高壓變頻器的使用可使得該類負(fù)載平均節(jié)電30%，甚至有些電廠達(dá)到了節(jié)能40%～50%的高水平。按節(jié)能30%計(jì)算，大概3年就能收回成本，而一臺(tái)高壓變頻器的壽命達(dá)20年以上，在此后的十幾年內(nèi)，可以想象收益之大。專家認(rèn)為，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)將成為當(dāng)前工業(yè)節(jié)能推廣的首要產(chǎn)品。2.2上游產(chǎn)業(yè)分析2.2.1功率器件高壓變頻器的上游產(chǎn)業(yè)主要是電力電子器件行業(yè)，主要包括功率器件、變壓器、電量傳感器、電解電容、連接器、PCB板、周邊設(shè)備等器件。近些年變頻器產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展導(dǎo)致對電力電子器件需求的激增，06年年底至07年上半年甚至一度出現(xiàn)IGBT嚴(yán)重缺貨的狀況，國家近年也出臺(tái)政策鼓勵(lì)國產(chǎn)電力電子器件的發(fā)展。變頻技術(shù)的發(fā)展始終與電力電子元器件的發(fā)展密不可分，從大功率二極管到晶閘管器件，再從IGBT到IGCT，每一次功率器件的飛躍都會(huì)帶動(dòng)變頻器技術(shù)的發(fā)展。上世紀(jì)80年代早期，美國RCA公司和GE

公司推出新的IGBT

功率器件之后，就在低壓變頻領(lǐng)域產(chǎn)生了一次革命。大功率高壓變頻器之所以技術(shù)較復(fù)雜，其成本價(jià)格也相當(dāng)高昂，是因?yàn)楦邏鹤冾l器必須采用數(shù)量龐大的功率器件以串并聯(lián)的方式構(gòu)成整流電路和逆變電路。

可用于高壓變頻的電力電子器件有IGBT、IGCT、GTO、SGCT、SCR、GTR

等，各種功率器件性能比較如下所列。

1）IGBT：

目前最高水平為6.5kV/600A

和1.7kV/3.6kA，實(shí)際應(yīng)用中以1.7kV以下最為成熟，其優(yōu)點(diǎn)是電壓控制、驅(qū)動(dòng)簡單、開關(guān)頻率高、開關(guān)損耗小，可實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)；缺點(diǎn)是導(dǎo)通（壓降）損耗稍高、封裝熱阻大、損壞后可能產(chǎn)生開路。

2）IGCT：新型器件，目前最高水平為6.5kV/4kA，實(shí)驗(yàn)室水平電壓等級達(dá)10kV，其優(yōu)點(diǎn)是電壓/電流控制、開關(guān)頻率較高、開關(guān)損耗小、導(dǎo)通損耗低；缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜，目前應(yīng)用尚不太成熟、價(jià)格高。

3）IEGT：IEGT(InjectionEnhancedGateTransistor)是耐壓達(dá)4kV以上的IGBT系列電力電子器件，通過采取增強(qiáng)注入的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了低通態(tài)電壓，使大容量電力電子器件取得了飛躍性的發(fā)展。IEGT具有作為MOS系列電力電子器件的潛在發(fā)展前景，具有低損耗、高速動(dòng)作、高耐壓、有源柵驅(qū)動(dòng)智能化等特點(diǎn)，以及采用溝槽結(jié)構(gòu)和多芯片并聯(lián)而自均流的特性，使其在進(jìn)一步擴(kuò)大電流容量方面頗具潛力。綜上比較，IEGT具有導(dǎo)通壓降低、工作頻率高、電壓型門極驅(qū)動(dòng)、安全工作區(qū)寬、易于串聯(lián)使用等優(yōu)點(diǎn)。從功率等級和電壓等級上來講，IGCT、IEGT與IGBT的定位遠(yuǎn)不相同，IGCT及IEGT主要應(yīng)用在高壓大容量的場合，IGBT應(yīng)用在低壓高頻小容量場合。IGCT、IEGT開關(guān)頻率都很高，在500-1000Hz之間，雖然遠(yuǎn)不及IGBT高，但在很多場合已經(jīng)足夠。IGCT是電流脈沖驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率比較大，但其門極驅(qū)動(dòng)電路集成在IGCT內(nèi)，對外只有門極驅(qū)動(dòng)供電接口和用于傳輸觸發(fā)信號和反饋狀態(tài)的光纖，驅(qū)動(dòng)體積小且簡易。IEGT是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，驅(qū)動(dòng)功率與IGBT差不多。IGCT是晶閘管的復(fù)合管，可直接串聯(lián)，因此不必過多考慮均壓措施。而IGBT在串聯(lián)使用時(shí)應(yīng)考慮均壓措施。IGCT與IEGT導(dǎo)通和關(guān)斷損耗都很低，尤其是IGCT，如果不計(jì)驅(qū)動(dòng)功率，同電壓等級的IGCT損耗要比IGBT更低。對于IGCT和IEGT來說，4.5kV/3kA是較常用的規(guī)格，其容量和電壓等級要遠(yuǎn)比IGBT大得多，更適合應(yīng)用在大功率FACTS裝置及大功率傳動(dòng)裝置中?，F(xiàn)階段，國內(nèi)IGBT市場主要被歐美、日本企業(yè)所壟斷。由于IGBT對于技術(shù)要求較高，IGBT的廠商比較集中，主要包括歐洲廠商Infineon、Semikron、ST、美國廠商Tyco、IR、Fairchild、IXYS、APT；日本廠商Fuji、Toshiba、Mitsubishi。

國產(chǎn)高壓變頻器使用的IGBT模塊主要是Infineon（EUPEC），西門子、ABB等外資高壓變頻器廠商主要使用自有品牌的IGBT模塊。變頻器中IGBT的成本大概會(huì)占到總成本的8-12%，低壓變頻器中IGBT所占的成本比例高于高壓變頻器。2.2.2變壓器由于高壓電機(jī)是重要的被控對象，要求變頻調(diào)速系統(tǒng)相當(dāng)可靠，也就對整流變壓器的可靠性提出了很高的要求，這類變壓器在電磁計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，有許多與普通變壓器不同之處，與其它整流變壓器相比，也有不少特殊的地方。所以，生產(chǎn)移相整流變壓器這一產(chǎn)品的門坎較高，目前國內(nèi)市場主要集中在北京新華都、四川眉山西格瑪電氣、天津佳諾電氣、佛山伊戈?duì)栯姌I(yè)等4-5家變壓器廠家。

由于高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)目前呈多樣化，整流變壓器在結(jié)構(gòu)上有較大差異，以西門子（Robincon）技術(shù)為代表的功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，采用整流變壓器將多個(gè)低壓模塊疊加（串聯(lián)）而形成高壓輸出；ABB的ACS5000系列是三電平結(jié)構(gòu)，36脈波的整流變壓器共有6個(gè)移相組，每個(gè)移相組為一個(gè)變頻單元供電；以AB為代表的18脈波整流逆變技術(shù)，不同于Robincon和ABB，其需要整流變壓器采用三分裂形式。

由于各變頻器廠家技術(shù)和安裝方式的不同，整流變壓器在結(jié)構(gòu)上有較大差異，分別有以下幾種；

(1)以西門子（原Robincon）為代表的整流變壓器采用兩種結(jié)構(gòu)形式。小容量采用立式結(jié)構(gòu)，變壓器設(shè)計(jì)緊湊、占空小、工藝性好、機(jī)械強(qiáng)度高、散熱好、過載能力強(qiáng)。大容量采用常規(guī)的臥式，便于制造和安裝使用。(2)北京利德華福電氣技術(shù)有限公司的整流變壓器采用常規(guī)的臥式結(jié)構(gòu)。有集中的端子板，布置在變壓器的左側(cè)或右側(cè)，便于接線。各移相組采用沿邊三角形移相，角內(nèi)封角線用nzb型紙包電磁線。

(3)以廣東明陽龍?jiān)措娏﹄娮佑邢薰竞秃比h(huán)發(fā)展股份有限公司為代表的幾家變頻器廠家，在變壓器結(jié)構(gòu)上與北京利德華福電氣技術(shù)有限公司的整流變壓器基本類似，只是在變壓器上增設(shè)了擋風(fēng)板。

(4)東方日立（成都）電控設(shè)備有限公司的變壓器移相組封角線采用耐高溫150℃、耐壓7500v的電纜，擋風(fēng)板設(shè)置在上部三分之一處。

(5)日本東芝公司的變壓器采用方線圈結(jié)構(gòu)，以減小寬度方向尺寸，底部配置小車輪，便于現(xiàn)場安裝移動(dòng)。各移相組的接線用端子集中布置在變壓器的左或右邊。

(6)ABB和AB公司配套用的12脈波和18脈波整流變壓器。

(7)對整流變壓器附件的要求

。一般對于整流變壓器附件的要求為配風(fēng)機(jī)和溫控器，溫度傳感器多采用Pt100探頭，該探頭埋設(shè)在變壓器的最熱點(diǎn)，通過它向溫控器或溫控箱傳遞溫度信號，溫控器三相巡顯溫度。溫控器設(shè)置3個(gè)控制點(diǎn)，分別起動(dòng)風(fēng)機(jī)、過溫報(bào)警、超溫跳閘功能。有廠家要求埋設(shè)帶有常閉觸點(diǎn)的溫度開關(guān)，直接通過溫度開關(guān)提供溫度信號控制變頻器的運(yùn)行和停止。12脈波和18脈波的變壓器基本帶有不同防護(hù)等級的外殼，可與變頻器分開放置。

在高壓變頻器的成本結(jié)構(gòu)中，變壓器是成本最高的部件之一，近年來也有不少研究人員和廠商研究不用變壓器的高壓變頻器，如成都佳靈的IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器，但目前技術(shù)還不成熟。

移相整流變壓器還有很多課題需要進(jìn)一步理論研究，如漏磁場、溫度場、諧波含量、二次阻抗、更大容量的產(chǎn)品冷卻散熱方式、多種移相方式、多種結(jié)構(gòu)方式等。目前這類產(chǎn)品的發(fā)展趨勢是向單臺(tái)大容量如6000kVA以上，不同的使用場合如高海拔、濕熱地區(qū)、海洋平臺(tái)、以及電源頻率為60Hz的國家等。2.2.3電量傳感器

在變頻器中，霍爾電流傳感器的主要作用是保護(hù)昂貴的大功率晶體管。由于霍爾電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間短于1μs，因此，出現(xiàn)過載短路時(shí)，在晶體管未達(dá)到極限溫度之前即可切斷電源，使晶體管得到可靠的保護(hù)。

電量傳感器在工業(yè)控制、汽車、電力、鐵路、電信、智能樓宇等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其中在工業(yè)控制領(lǐng)域主要用于UPS電源、變頻器等行業(yè)。電量傳感器市場主要競爭者有LEM萊姆電子、Honeywell霍尼韋爾、日本Tamura、綿陽維博電子等公司，其中在變頻器中應(yīng)用最多的是LEM萊姆電子、Honeywell霍尼韋爾、日本Tamura、ABB、甲神、南京中旭等品牌。電量傳感器的技術(shù)發(fā)展趨勢：

集成化、微型化、元件化；低功耗乃至無源化；高精度、強(qiáng)抗干擾、高可靠；寬頻、高速；智能化、網(wǎng)絡(luò)化，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一，現(xiàn)在要求帶現(xiàn)場總線接口的智能電量傳感器越來越多。2.2.4電容器

電解電容在計(jì)算機(jī)、手機(jī)、汽車和消費(fèi)電子等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，而在變頻器中，鋁電解電容也是不可或缺的元器件，電解電容在變頻器中主要起到濾波作用和耦合作用。變頻器用的電解電容主要有日立、Nichicon、EPCOS、南通海立、紅寶石、CDE、江海電容、江浩電子等品牌。

目前單元串聯(lián)式多電平變頻器中普遍采用鋁電解電容作為濾波電容。由于電解電容的額定電壓不高，其標(biāo)稱電壓通常不超過500V，在實(shí)際使用中經(jīng)常需要2組或3組電容串聯(lián)以滿足直流母線電壓的要求，這時(shí)還需要均壓電阻。在電容器串聯(lián)使用時(shí)，電容器的漏電流成為一個(gè)非常重要的指標(biāo)，較小的漏電流有助于減少均壓電阻的功率，降低損耗和成本。電解電容存在的主要問題是壽命隨著運(yùn)行溫度的上升衰減相對較快，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別考慮溫度問題。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格相對便宜，技術(shù)成熟。傳統(tǒng)的高壓變頻裝置中直流支撐、濾波電容器幾乎全部采用鋁電解電容器，主要是考慮鋁電解電容器優(yōu)良的容量體積比特性，及相對低廉的價(jià)格。伴隨著新型金屬化薄膜技術(shù)的成熟及成本的降低，基于金屬化膜技術(shù)，適用于中、高壓變流裝置的直流支撐、濾波電容器產(chǎn)品（以下簡稱金屬化電容器）已經(jīng)逐步開始應(yīng)用于高壓變頻器。

薄膜電容電壓較高，單個(gè)電容可達(dá)幾千伏，一般不需要串聯(lián)，在直流母線電壓較高的場合應(yīng)用有一定優(yōu)勢。小容量的薄膜電容一般采用干式，大容量的采用油浸或充氣式。作為逆變器直流環(huán)節(jié)濾波用的薄膜電容一般采用金屬化安全膜，具有自愈功能，壽命較長而且耐高溫，缺點(diǎn)是價(jià)格較貴，體積比同容量電解電容大不少。薄膜電容對長期過電壓比較敏感，會(huì)導(dǎo)致壽命下降，在設(shè)計(jì)時(shí)要保證足夠的電壓裕量。國外先進(jìn)的電容器及變頻器制造廠家已經(jīng)提出并應(yīng)用了確定支撐電容量范圍、依據(jù)提供電流能力進(jìn)行合理選配支撐電容器的方法，將變頻器使用支撐容量較鋁電解電容器減少，來解決金屬化電容器的不足。

第3章國內(nèi)外研究開發(fā)現(xiàn)狀與趨勢3.1概述目前，在國內(nèi)高壓大功率變頻器廠家，在150家左右。隨著技術(shù)研究的進(jìn)一步深入，在理論上和功能上國產(chǎn)高壓變頻器已經(jīng)可以與進(jìn)口變頻器相比肩，但是受工藝技術(shù)的限制，與進(jìn)口產(chǎn)品的差距還是比較明顯。這些狀況主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）國外各大品牌的產(chǎn)品正加緊占領(lǐng)國內(nèi)市場，并加快了本地化的步伐。

（2）具有研發(fā)能力和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的逐年增加。

（3）國產(chǎn)高壓變頻器的功率也越做越大。

（4）國內(nèi)高壓變頻器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還有待規(guī)范。

（5）變頻器中使用的功率半導(dǎo)體關(guān)鍵器件IGBT完全依賴進(jìn)口，而且相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)還會(huì)依賴進(jìn)口。

（6）與發(fā)達(dá)國家的技術(shù)差距在縮小，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品正應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)中。

（7）已經(jīng)研制出具有瞬時(shí)掉電再恢復(fù)、故障旁路等功能的變頻器。3.2高壓變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展歷程

高壓變頻器是在低壓變頻器已成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。高壓變頻器可分為交-交變頻器、同步電機(jī)高壓變頻器和異步電機(jī)高壓變頻器。

3.2.1交-交大功率高壓變頻器

上世紀(jì)80年代中期，我國冶金企業(yè)引進(jìn)了幾套同步電機(jī)矢量控制的交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)，而后冶金部自動(dòng)化研究院、天津電氣傳動(dòng)研究所等單位相繼自行研制開發(fā)了交-交變頻調(diào)速系統(tǒng)，主要應(yīng)用于大型鋼鐵廠的軋機(jī)主傳動(dòng)，以取代直流調(diào)速系統(tǒng)。這不僅有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，而且鍛煉了隊(duì)伍，鼓舞了人心，開辟了我國高壓變頻器研究開發(fā)的先河。由于交-交變頻器諧波污染嚴(yán)重，功率因數(shù)低等缺點(diǎn)需要增加濾波裝置，無功補(bǔ)償裝置等，增加了設(shè)備的投資；同時(shí)也由于可控電力電子器件的發(fā)展，它有逐步被交-直-交高壓變頻器取代的趨勢。

3.2.2同步電機(jī)交-直-交高壓變頻器

上世紀(jì)80年代寶鋼引進(jìn)了10kV/48MW高爐鼓風(fēng)機(jī)，同時(shí)從日本東芝公司引進(jìn)了交-直-交自控式同步電機(jī)變頻調(diào)速起動(dòng)裝置，裝置容量為1。2MW。此后，天津電氣傳動(dòng)研究所為寶鋼研制了一臺(tái)同等容量的變頻起動(dòng)裝置，1995年通過了機(jī)械工業(yè)部的鑒定。

凡口鉛鋅礦為和長沙礦山研究院、冶金部自動(dòng)化研究院、清華大學(xué)等單位合作，于1995年經(jīng)過兩年的努力，自行研制出我國第一臺(tái)用于調(diào)速節(jié)能運(yùn)行的同步電機(jī)直接高壓變頻調(diào)速裝置，1997年10月在凡口礦的6kV、800kW的礦井通風(fēng)機(jī)上投入生產(chǎn)運(yùn)行，經(jīng)過半年多的連續(xù)的生產(chǎn)運(yùn)行，達(dá)到了原定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，通過了部級鑒定。

此后冶金部自動(dòng)化研究院與ALSTOM公司合作，采用進(jìn)口硬件，通過他們自已組態(tài)編制軟件研制開發(fā)了高壓直接變頻全數(shù)字大型同步電機(jī)軟起動(dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要設(shè)備由光纖觸發(fā)的10kV電流型變頻器、32位處理器變頻起動(dòng)控制及同期并網(wǎng)調(diào)整系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁系統(tǒng)和運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)等組成。于1998年在昆明鋼鐵公司2*30MW的6號高爐鼓風(fēng)機(jī)上成功的投入運(yùn)行。

由于同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子有獨(dú)立勵(lì)磁，在極低的電源頻率下也能運(yùn)行，因此，在同樣條件下，同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍比異步電動(dòng)機(jī)更寬。異步電動(dòng)機(jī)要靠加大轉(zhuǎn)差才能提高轉(zhuǎn)矩，而同步電機(jī)只須加大功角就能增大轉(zhuǎn)矩，同步電動(dòng)機(jī)比異步電動(dòng)機(jī)對轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)具有更強(qiáng)的承受能力，能作出更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由于交流同步電機(jī)在可靠性與維護(hù)量、功率因數(shù)、電機(jī)尺寸與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、控制精度、弱磁比等方面有其自身的優(yōu)勢，對于大容量電機(jī)，世界各國已基本趨向于使用同步電機(jī)。比如工業(yè)應(yīng)用上大功率空氣壓縮機(jī)、水泵、煤炭與有色金屬行業(yè)中的大功率提升機(jī)和鋼廠大容量軋鋼機(jī)等均采用同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

現(xiàn)在國內(nèi)已經(jīng)投入應(yīng)用的同步電機(jī)變頻器，大部分采用的是交交變頻，和交直交變頻器相比，缺點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)晶閘管復(fù)雜；輸出頻率范圍低，只能達(dá)到電網(wǎng)頻率得1/3運(yùn)行；功率因數(shù)低，諧波污染嚴(yán)重。在一些控制場合交交變頻器的原理制約了它高速上的應(yīng)用不能實(shí)現(xiàn)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的缺點(diǎn)。

近幾年，國內(nèi)的主要廠家都在研發(fā)基于單元串聯(lián)多電平技術(shù)的同步電機(jī)矢量控制高壓變頻器，利德華福、合康億盛、榮信等廠商都已有成功應(yīng)用案例，為單元串聯(lián)多電平高壓變頻器打開了一片新市場。目前日立公司在這方面的技術(shù)比較先進(jìn)，他們掌握了將無速度傳感器矢量控制應(yīng)用于單元串聯(lián)多電平高壓變頻器的技術(shù)，該產(chǎn)品在國內(nèi)已有成功應(yīng)用案例。

3.2.3異步電機(jī)交-直-交高壓變頻器早在1984年莫斯科電力科學(xué)研究院研制開發(fā)成功6kV、10kV的電流型直接高壓變頻器，它采用SCR串聯(lián)，模擬電路控制，用于發(fā)電廠等風(fēng)機(jī)、水泵的調(diào)速運(yùn)行，這是世界上最先出現(xiàn)的直接高壓變頻器。后來，一些獨(dú)聯(lián)體國家也生產(chǎn)這種高壓變頻器。我國某些發(fā)電廠引進(jìn)了這種高壓變頻器。遼寧電力電子公司本溪高頻電源設(shè)備總廠開發(fā)了類似的采用SCR串聯(lián)的1250kW電流型高壓變頻器，由于電力電子器件和控制技術(shù)的落后而未能推廣。隨著電力電子器件和控制技術(shù)、微電子技術(shù)的發(fā)展，ROCKWELL

AB公司開發(fā)成功GTO串聯(lián)的1557系列電流型高壓變頻器，我國有的企業(yè)引進(jìn)了這種高壓變頻器。AB公司在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過改進(jìn)，采用SGCT和CSI-PWM控制技術(shù)，開發(fā)成功PoerwFlex7000系列電流型高壓型變頻器，在我國的發(fā)電廠等行業(yè)的風(fēng)機(jī)、水泵上應(yīng)用已達(dá)數(shù)百臺(tái)。（1）功率單元串聯(lián)型高壓變頻器在此期間，美國ROBICON公司開發(fā)成功功率單元串聯(lián)的高壓變頻器，他們稱這種多電平的高壓變頻器為完美無諧波變頻器，由于它諧波含量低、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，使之在我國的市場上占據(jù)了一定的優(yōu)勢。但由于它所用元器件多而帶來一些故障，后經(jīng)改進(jìn)，如采取冗余等技術(shù)使其可靠性有了較大提高，在我國的銷售量也超過百臺(tái)。由于這種高壓變頻器所具有的優(yōu)點(diǎn)，我國一些單位也相繼開發(fā)了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高壓變頻器，如北京凱奇總公司、北京先行新機(jī)電公司等，之后利德華福、冶金自動(dòng)化研究院、山東風(fēng)光公司、北京合康億盛公司等也都相繼開發(fā)了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高壓變頻器。目前該技術(shù)已成為我國高壓變頻器應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。

（2）二極管箝位三電平高壓變頻器幾乎在相同的時(shí)期里，SIEMENS、ABB、GE等公司相繼開發(fā)成功中點(diǎn)箝位的三電平高壓變頻器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一樣，只是他們所用的功率元器件不同，如SIEMENS采用IGBT，ABB采用IGCT。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高壓變頻器在我國的市場上也銷售較好。GE公司的采用IGCT功率元件的AFE結(jié)構(gòu)的三電平6kV變頻器在本鋼的3×7500kW的7機(jī)架連軋機(jī)的主傳動(dòng)上得到應(yīng)用。我國的一些高校和廠家也進(jìn)行了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究和開發(fā)，中山明陽電器有限公司的IGCT三電平高壓變頻器已在風(fēng)機(jī)上得到應(yīng)用。

（3）電容箝位四電平高壓變頻器ALSTOM公司的電容箝位的多電平高壓變頻器，如VDM系列四電平變頻器以其高性能指標(biāo)而在我國太鋼、寶新不銹鋼廠、天津無縫鋼廠等的軋機(jī)主傳動(dòng)上得到應(yīng)用。（4）直接串聯(lián)IGBT高壓變頻器

成都佳靈電氣制造有限公司自主研制開發(fā)、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的直接串聯(lián)IGBT高壓變頻器，并申請了多項(xiàng)專利。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類似于低壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只是功率元件由單個(gè)IGBT改換為幾只IGBT的串聯(lián)所取代。據(jù)了解，他們的這種高壓變頻器的銷售也已超過百臺(tái)。

（5）電壓型高-低-高式高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)

除上述直接高壓變頻器外，高-低-高式高壓變頻器不應(yīng)該被遺忘。在功率元件耐壓受到限制時(shí)期，高-低-高式高壓變頻器得到了應(yīng)用。以往，無論是進(jìn)口的還是國產(chǎn)的高-低-高式高壓變頻器都是采用電流型變頻器，因?yàn)殡娏餍妥冾l器的輸出電壓波形是正弦波，但電流型變頻器存在的可靠性不高，功率因數(shù)低等問題，加之它需要有輸入輸出變壓器，人們把它看成是落后的技術(shù)。1998年，國家經(jīng)貿(mào)委下達(dá)的高壓變頻器技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目，長沙礦山研究院和韶關(guān)冶煉廠合作，采用電壓型變頻器構(gòu)成的高-低-高式高壓變頻器。這是我國第一臺(tái)這種型式的高壓變頻器，自1999年8月在韶關(guān)冶煉廠煙化爐的6kV、500kW的風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行至今，一直運(yùn)行正常、良好，被國家經(jīng)貿(mào)委的一位領(lǐng)導(dǎo)稱之為運(yùn)行可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)。3.3高壓變頻器技術(shù)分類及比較目前世界上的高壓變頻器不象低壓變頻器一樣具有成熟的一致性的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而是限于功率器件的電壓耐量和高壓使用條件的矛盾，國內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠商，采用不同的功率器件和不同的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的電壓等級和各種拖動(dòng)設(shè)備的要求，因而在各項(xiàng)性能指標(biāo)和適用范圍上也各有差異。目前，世界上對高壓電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的研究非常活躍，高壓變頻器的種類層出不窮，主要存在以下幾種技術(shù)類型。

按照中間環(huán)節(jié)有無直流部分，可分為交交變頻器和交直交變頻器；按照直流部分的性質(zhì)，可分為電流型和電壓型變頻器；按照有無中間低壓回路，可分為高高變頻器和高低高變頻器；按照輸出電平數(shù)，可分為兩電平、三電平、五電平及多電平變頻器；按照電壓等級和用途，可分為通用變頻器和高壓變頻器；按照嵌位方式，可分為二極管嵌位型和電容嵌位型變頻器等等。根據(jù)有無直流環(huán)節(jié)而將高壓變頻器分為兩大類：1）無直流環(huán)節(jié)的變頻器，即交—交變頻器；

2）有直流環(huán)節(jié)的變頻器稱為交—直—交變頻器，其中直流環(huán)節(jié)采用大電感以平抑電流脈動(dòng)的變頻器稱為電流源型變頻器；直流環(huán)節(jié)采用大電容以抑制電壓波動(dòng)的變頻器則稱為電壓源型變頻器。

表3.1高壓變頻技術(shù)分類與比較表3.1高壓變頻技術(shù)分類與比較a）負(fù)載換向式（晶閘管）變頻器（LCI）；b）采用自關(guān)斷器件（GTO或SGCT）的變頻器。電壓源型變頻器則可以分為：

a）功率器件串聯(lián)二電平直接高壓變頻器；b）采用IGCT或HV－IGBT的三電平變頻器；

c）采用LV－IGBT的單元串聯(lián)多電平變頻器。電流源型在低壓變頻器的發(fā)展中已然被淘汰，但在高壓變頻器中電流源型有一個(gè)非常重要的優(yōu)勢就是采用此結(jié)構(gòu)對器件要求不高，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)大容量應(yīng)用，如西氣東輸項(xiàng)目中采用的功率達(dá)2萬kW的西門子變頻器就是采用電流源型，而電壓源型就很難做到，而且電流源型也更易控制，所以電流源型在大容量領(lǐng)域還有一定的發(fā)展空間，但是在電壓源型能夠覆蓋的容量范圍中，將慢慢趨于淘汰。電壓源型又分成三電平、五電平、多電平，他們針對不同的應(yīng)用各具優(yōu)勢，三電平變頻器結(jié)構(gòu)簡練，控制性能好；多電平變頻器諧波小，對電機(jī)要求低，相信在未來一段時(shí)間他們將并存。傳統(tǒng)的交交變頻器采用晶閘管自然換流方式，工作穩(wěn)定，可靠。交交變頻的最高輸出頻率是電網(wǎng)頻率的1/3-1/2，在大功率低頻范圍有很大的優(yōu)勢。交交變頻沒有直流環(huán)節(jié)，變頻效率高，主回路簡單，不含直流電路及濾波部分，與電源之間無功功率處理以及有功功率回饋容易。雖然大功率交交變頻器得到了普遍的應(yīng)用，但因其功率因數(shù)低，高次諧波多，輸出頻率低，變化范圍窄，使用元件數(shù)量多使之應(yīng)用受到了一定的限制。它在傳統(tǒng)大功率電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用較多。

矩陣式變頻器是一種新型交交直接變頻器，由九個(gè)直接接于三相輸入和輸出之間的開關(guān)陣組成。矩陣變換器沒有中間直流環(huán)節(jié)，輸出由三個(gè)電平組成，諧波含量比較?。黄涔β孰娐泛唵?、緊湊，并可輸出頻率、幅值及相位可控的正弦負(fù)載電壓；矩陣變換器的輸入功率因數(shù)可控，可在四象限工作。雖然矩陣變換器有很多優(yōu)點(diǎn)，但是在其換流過程中不允許存在兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通的或者關(guān)斷的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。矩陣變換器最大輸出電壓能力低，器件承受電壓高也是此類變換器一個(gè)很大缺點(diǎn)。它在風(fēng)電勵(lì)磁電源中有所應(yīng)用。

矩陣級聯(lián)型高壓變頻器，采用3×2矩陣變換單元相互串聯(lián)而成，實(shí)現(xiàn)了高電壓的輸出，具有與H橋級聯(lián)型高壓變頻器相似的特點(diǎn)，同時(shí)又具備矩陣、交-交變換器的四象限運(yùn)行能力。哈爾濱九洲電氣股份有限公司提出了一種將矩陣變換器引入H聯(lián)型高壓變頻器的新方法，舍棄了直流環(huán)節(jié)和串、并聯(lián)電解電容器組，實(shí)現(xiàn)了交-形式的直接變換，因此大大延長了變頻器的使用壽命，體積也可以減小許多。

交直交變頻器比較常見，由整流器、濾波系統(tǒng)和逆變器三部分組成。整流器為二極管三相橋式不控整流器或大功率晶體管組成的全控整流器，逆變器是大功率晶體管組成的三相橋式電路，其作用正好與整流器相反，它是將恒定的直流電交換為可調(diào)電壓，可調(diào)頻率的交流電。中間濾波環(huán)節(jié)是用電容器或電抗器對整流后的電壓或電流進(jìn)行濾波。

交直交變頻器按中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，又可以分為電壓型和電流型兩種，由于控制方法和硬件設(shè)計(jì)等各種因素，電壓型逆變器應(yīng)用比較廣泛。它在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的變頻器（采用變壓變頻VVVF控制等）和IT、供電領(lǐng)域的不間斷電源（即UPS，采用恒壓恒頻CVCF控制）都有應(yīng)用。3.4我國高壓變頻器技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀目前我國主流的高壓變頻器產(chǎn)品主要有三種類型：功率單元串聯(lián)多電平型、中性點(diǎn)鉗位三電平型、電流源型（CSI-PWM和LCI），其中單元串聯(lián)多電平型變頻器占據(jù)通用型高壓變頻器7成以上份額；三電平型變頻器是專用型高壓變頻器的絕對主流；而8000KW以上的超大功率場合仍然用電流源型高壓變頻器。

3.4.1功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)

（1）起源美國西屋電氣公司于1986年5月申請了專利號為4674024的美國專利。該發(fā)明提出了由獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)低壓功率單元串聯(lián)形成的高壓逆變系統(tǒng)。西屋公司的發(fā)明解決了變頻器要求高壓輸出而器件耐壓不夠的矛盾，避免了常規(guī)器件直接串聯(lián)時(shí)存在的均壓問題，奠定了單元串聯(lián)多電平變頻器的基礎(chǔ)。

美國羅賓康公司于1994年3月申請了專利號為5625545的美國專利。該發(fā)明提出了輸入采用多重化移相變壓器和輸出采用多電平移相式

PWM

的單元串聯(lián)多電平方案，1998

年

5

月，羅賓康公司又提出了中心點(diǎn)偏移式功率單元旁路的方法。羅賓康公司的貢獻(xiàn)是：率先引入多重化移相變壓器和多電平移相式PWM等概念，解決了輸入諧波，輸出諧波，dV/dt，共模電壓和可靠性等問題，于1994年推出了目前獲得大面積推廣的全球第一臺(tái)單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器，對這種技術(shù)方案的推廣起了很大的促進(jìn)作用。

（2）現(xiàn)狀單元串聯(lián)式多電平變頻器采用多個(gè)功率單元串聯(lián)的方法來實(shí)現(xiàn)高壓輸出。其輸出通常采用多電平移相式PWM，以實(shí)現(xiàn)較低的輸出電壓諧波，較小的dV/dt和共模電壓。輸入通常采用多重化隔離變壓器以達(dá)到抑制輸入諧波的目的。由于單元串聯(lián)式多電平變頻器的輸入、輸出波形好，對電網(wǎng)的諧波污染小，輸出適用普通電動(dòng)機(jī)，近幾年發(fā)展迅速，逐漸成為高壓變頻調(diào)速的主流方案。近年來，該技術(shù)在全球范圍內(nèi)發(fā)展迅速，國內(nèi)也涌現(xiàn)了一些基于該技術(shù)方案的高壓變頻器生產(chǎn)廠家，產(chǎn)業(yè)化成績十分顯著。

我國高壓電動(dòng)機(jī)多為6kV和10kV等級，目前，三電平變頻器受到器件耐壓的限制，尚難以實(shí)現(xiàn)這個(gè)等級的直接高壓輸出，而單元串聯(lián)式的輸出電壓能夠達(dá)到10kV甚至更高，而且單元串連結(jié)構(gòu)決定了這類變頻器容易實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，適合大批量生產(chǎn)，形成產(chǎn)業(yè)化。所以在我國得到廣泛應(yīng)用，尤其在風(fēng)機(jī)水泵等節(jié)能領(lǐng)域，該技術(shù)方案幾乎已經(jīng)形成壟斷的態(tài)勢。在海上平臺(tái)電潛泵(ESP)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用及船用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)也得到了廣泛的應(yīng)用。目前通用型高壓變頻器是單元串聯(lián)多電平型變頻器的約占7成以上，國內(nèi)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(jié)構(gòu)。

功率單元旁路方案大大提高了單元串聯(lián)式多電平變頻器的可靠性，從很大程度上彌補(bǔ)了元器件個(gè)數(shù)多導(dǎo)致可靠性降低的問題。單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了這類變頻器很容易實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，適合大批量生產(chǎn)，形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。

本類高頻變頻器具有如下優(yōu)點(diǎn):

a）不會(huì)對電網(wǎng)造成有影響的諧波干擾，例如其6kV變頻器整流為30脈沖，可基本消除25次及其以下的諧波，而且可使功率因數(shù)達(dá)到0。95以上。b）輸出電流電壓波形好，可與標(biāo)準(zhǔn)的鼠籠型電機(jī)配用，不需要降額使用，不因dV/dt增加電機(jī)絕緣強(qiáng)度。

c）采用多重化PWM技術(shù)，輸出為11電平，輸出波形好，不會(huì)引起電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

這類變頻器又被稱為完美無諧波變頻器。優(yōu)點(diǎn)很明顯，但缺點(diǎn)也很突出：a）所用元器件多，因而出現(xiàn)故障的可能性增多。

b）串聯(lián)元件主要以IGBT、GTO和IGCT等為主，因而這種類型變頻器屬于電壓型，只能實(shí)現(xiàn)能量的單向流動(dòng)，不能將電能反饋電網(wǎng)，采用AFE功率單元能量回饋技術(shù)可以解決此問題，但成本較高。（3）趨勢

單元串聯(lián)式多電平變頻器的主電路拓?fù)浜涂傮w控制策略已基本成熟，出于對可靠性，壽命，成本，控制性能等幾方面的要求，在以下幾個(gè)方面是未來的發(fā)展方向。

a）冗余設(shè)計(jì)

高壓變頻器使用場合的重要性決定了其對可靠性有很高的要求。冗余設(shè)計(jì)可以彌補(bǔ)多電平變頻器元件數(shù)量較多所產(chǎn)生的可靠性問題，大大提高其MTBF。冗余設(shè)計(jì)包括主回路的冗余設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)。主回路的冗余設(shè)計(jì)主要采用功率單元旁路技術(shù)和采用多臺(tái)變頻器給多相電機(jī)供電的方式。功率單元旁路技術(shù)已經(jīng)比較成熟并得到廣泛應(yīng)用。考慮到大部分電機(jī)為三相電機(jī)，在超容量應(yīng)用領(lǐng)域，采用多臺(tái)變頻器并聯(lián)的技術(shù)方案會(huì)有一定優(yōu)勢，在擴(kuò)大容量的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)。b）無速度傳感器矢量控制

無速度傳感器矢量控制技術(shù)能在基本不增加硬件成本的情況下，大大提高變頻器的性能，拓展變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域。即使用在風(fēng)機(jī)水泵等穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)要求相對較低的負(fù)載場合，無速度傳感器矢量控制具有的轉(zhuǎn)矩限幅，快速轉(zhuǎn)速跟蹤再起動(dòng)等功能有效地防止加速過程的過電流跳機(jī)和減速過程中的過電壓跳機(jī)和其它不正常的停機(jī)現(xiàn)象，對于保證變頻器的可靠運(yùn)行有非常重要的意義。單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器由于輸出電壓電流波形比較理想，相對低壓變頻器而言，實(shí)現(xiàn)無速度傳感器矢量控制的難度有所降低。電機(jī)參數(shù)不準(zhǔn)和時(shí)變是影響無速度傳感器矢量控制性能的重要因素，要求控制算法中盡量避開敏感的參數(shù)或增加電機(jī)參數(shù)在線辨識(shí)和控制系統(tǒng)參數(shù)修正功能，以提高系統(tǒng)的魯棒性。

c）高耐壓功率器件應(yīng)用

目前，單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器基本采用低壓

IGBT(1700V

以下)作為主要功率器件，功率單元的額定輸出交流電壓通常在750V以下，因而導(dǎo)致變頻器所用元器件數(shù)量多于其它類型的變頻器?，F(xiàn)在也有公司采用3300V的IGBT作為功率器件。以后也可能考慮采用IGCT等耐壓更高的功率器件，以簡化主電路結(jié)構(gòu)，提高可靠性。當(dāng)然，采用高耐壓器件后帶來的整體成本增加和由于串聯(lián)單元個(gè)數(shù)減少引起的波形質(zhì)量下降必須綜合考慮。

d）大容量化

隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展和相關(guān)技術(shù)及工藝的進(jìn)步，高壓變頻器容量逐步增大。冷卻問題隨著容量的增大變得十分重要。在大容量領(lǐng)域，水冷技術(shù)是比較合適的選擇，國外水冷技術(shù)的變頻器輸出電流可達(dá)到1400A。水冷技術(shù)對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)提出了很高的要求，同時(shí)對基礎(chǔ)制造業(yè)也提出了挑戰(zhàn)，國內(nèi)目前制造水冷變頻器的主要瓶頸在于水冷變壓器和水冷散熱器，連接件等配套工業(yè)。水冷高壓變頻器的水循環(huán)系統(tǒng)比較復(fù)雜，冷卻介質(zhì)一般采用純凈水加一定比例的防凍劑，如乙二醇。水循環(huán)系統(tǒng)必須有溫度，壓力，流量，導(dǎo)電率的監(jiān)測和控制，需要安裝去離子裝置和水位調(diào)節(jié)儲(chǔ)水罐等附件。水冷方式的優(yōu)點(diǎn)是散熱效果好，噪音小，缺點(diǎn)是成本高，維護(hù)復(fù)雜。

目前國際范圍內(nèi)690V等級空冷功率單元成熟產(chǎn)品的最大電流為600A左右。在某些大容量應(yīng)用領(lǐng)域，也可以采用多繞組電動(dòng)機(jī)，用多臺(tái)變頻器分別供電，協(xié)調(diào)控制，以達(dá)到擴(kuò)展容量和冗余設(shè)計(jì)的目的。

e）能量回饋功能

常規(guī)的單元串聯(lián)式多電平變頻器采用二極管整流，能量無法向電網(wǎng)回饋，導(dǎo)致變頻器制動(dòng)能力非常弱，只能應(yīng)用于風(fēng)機(jī)，水泵等負(fù)載，應(yīng)用范圍受到很大限制。羅賓康公司2000年8月申請了美國專利，采用AFE功率單元實(shí)現(xiàn)單元串聯(lián)式多電平變頻器的四象限運(yùn)行，

而且輸入功率因數(shù)可調(diào)。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是成本較高，PWM整流產(chǎn)生的損耗會(huì)引起系統(tǒng)效率下降。也可采用在輸入二極管整流器處反并聯(lián)可控硅逆變橋的方式實(shí)現(xiàn)能量回饋，采用這種方案成本相對較低，缺點(diǎn)是可靠性不高。

f）高速電動(dòng)機(jī)應(yīng)用

高速直接電驅(qū)動(dòng)時(shí)不需要增速器，具有效率高，維護(hù)簡單，可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到重視，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電機(jī)加增速器方式，特別在天然氣管道輸送行業(yè)有很好的應(yīng)用前景。采用高速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)要求變頻器能輸出較高的頻率，譬如300Hz，這對高壓變頻器的諸多方面，比如電壓環(huán)的采樣頻率，PWM

調(diào)制技術(shù)，高輸出頻率下的波形失真，逆變電路的損耗等提出了一些新課題。

g）多電平PWM

目前單元串聯(lián)式多電平變頻器基本采用SPWM，通過參考電壓波和三角載波比較的方法實(shí)現(xiàn)PWM控制，可注入三次諧波進(jìn)行馬鞍形調(diào)制以提高輸出電壓。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)采用大規(guī)模可編程邏輯器件或其它方式。國際上有很多學(xué)者參照二電平和三電平空間電壓矢量控制的方法研究多電平變頻器的空間電壓矢量控制方法，取得一定進(jìn)展。當(dāng)電平數(shù)較多時(shí)，由于算法過于復(fù)雜，目前在實(shí)際產(chǎn)品中還沒有應(yīng)用。

也有采用所謂的"堆波"技術(shù)，利用多個(gè)脈寬不同的矩形波進(jìn)行輸出波形疊加，但在實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用中存在每個(gè)功率單元出力不均衡，輸入諧波抵消效果不理想，低頻輸出時(shí)部分單元由于二極管長時(shí)間續(xù)流運(yùn)行導(dǎo)致直流母線過電壓等缺點(diǎn)。

也有采用不同電壓等級的功率單元串聯(lián)，經(jīng)過組合，在相同個(gè)數(shù)功率單元的前提下實(shí)現(xiàn)更多電平的輸出，目前僅停留于理論階段，現(xiàn)實(shí)意義不大。

3.4.2中性點(diǎn)鉗位三電平技術(shù)日本長岡科技大學(xué)的A.Nabae等人于1980年在IAS年會(huì)上首次提出三電平逆變器，又稱中點(diǎn)箝位式（Neutral

Point

Clamped）逆變器。它的出現(xiàn)為高壓大容量電壓型逆變器的研制開辟了一條新思路。在PWM電壓源型變頻器中，當(dāng)輸出電壓較高時(shí)，為了避免器件串聯(lián)引起的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓問題，同時(shí)降低輸出諧波及dV/dt的影響，逆變器部分可以采用中性點(diǎn)鉗位的三電平方式。逆變器的功率器件可采用高壓IGBT或IGCT，圖6是中性點(diǎn)鉗位三電平PWM高壓變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖。ABB公司生產(chǎn)的ACS1000系列變頻器為采用新型功率器件—集成門極換流晶閘管IGCT的三電平變頻器，輸出電壓等級有2.2kV、3.3kV和4.16kV。西門子公司采用高壓IGBT器件，生產(chǎn)了與此類似的變頻器SIMOVERT

MV中性點(diǎn)鉗位三電平PWM高(中)壓變頻器除具有SPWM變頻調(diào)速的各種優(yōu)點(diǎn)外，還有其它優(yōu)點(diǎn)：

a)

能有效地解決電力電子器件耐壓不高的問題，它的每個(gè)主管承受的關(guān)斷電壓僅為直流環(huán)節(jié)電壓的一半。

b)

變頻器輸出的多級電壓階梯波形減少了dv/dt對電機(jī)絕緣的沖擊，對于普通三相高壓電機(jī)來說，做一些絕緣加固即可;此外，dv/dt的減小，對變壓器繞組、電力電纜和其它電力設(shè)備的影響都有所減小。

c)

三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的單橋能輸出三種電平線(相)電壓，有更多的階梯使之更接近于正弦波，使輸出波形的失真度減小，諧波減少。

d)

在同樣的諧波含量下，開關(guān)頻率下降了一半，因此開關(guān)損耗也降低了一半，所以通過降低調(diào)制頻率來提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。

e)

三電平逆變器的結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，使用功率器件數(shù)量最少(12只)，避免了器件的串聯(lián)，提高了裝置的可靠性指標(biāo)。

三電平電壓源型高壓變頻器以其獨(dú)具的結(jié)構(gòu)簡潔，高性能及四象限控制方便，布置靈活等特點(diǎn)在高性能應(yīng)用領(lǐng)域如冶金軋機(jī)，卷曲機(jī)，礦井提升機(jī)等領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭。3.4.3電流源型交直交高壓變頻器

這種類型的變頻器為電流源型變頻器，采用大電感作為中間直流濾波環(huán)節(jié)。整流電路一般采用晶閘管作為功率元件，根據(jù)電源電壓的不同，每一個(gè)橋臂需由晶閘管串聯(lián)，而逆變器則可采用晶閘管或GTO、SGCT等功率元件串聯(lián)。圖5是功率器件串聯(lián)二電平電流型高(中)壓變頻器的結(jié)構(gòu)示意圖。美國羅克韋爾(A-B)公司生產(chǎn)的中壓變頻器Bulletin1557系列，其電路結(jié)構(gòu)為交一直一交電流源型，采用功率器件GTO串聯(lián)的兩電平逆變器。其控制方式采用無速度傳感器直接矢量控制，電機(jī)轉(zhuǎn)矩可快速變化而不影響磁通，綜合了脈寬調(diào)制和電流源結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，其運(yùn)行效果近似直流傳動(dòng)裝置。在Bulletin1557系列的基礎(chǔ)上，A-B公司又推出了Powerflew7000系統(tǒng)，用新型功率器件—對稱門極換流晶閘管SGCT代替原先的GTO，使驅(qū)動(dòng)和吸收電路簡化，系統(tǒng)效率提高，6kV系統(tǒng)每個(gè)橋臂采用三只耐壓為6500V的SGCT串聯(lián)。Powerflex7000系統(tǒng)產(chǎn)品具有如下特點(diǎn):

a)

電流源變頻器的優(yōu)點(diǎn)是易于控制電流，便于實(shí)現(xiàn)能量回饋和四象限運(yùn)行;缺點(diǎn)是變頻器的性能與電機(jī)的參數(shù)有關(guān)，不易實(shí)現(xiàn)多電機(jī)聯(lián)動(dòng)，通用性差，電流的諧波成分大，污染和損耗較大，且共模電壓高，對電機(jī)的絕緣有影響。

b)

Powerflex7000系統(tǒng)變頻器采用功率器件串聯(lián)的二電平逆變方案，結(jié)構(gòu)簡單，使用的功率器件少，但器件串聯(lián)帶來均壓問題，且二電平輸出的dv/dt會(huì)對電機(jī)的絕緣造成危害，要求提高電機(jī)的絕緣等級;且諧波成分大，需要專門設(shè)計(jì)輸出濾波器，才能供電機(jī)使用。

c)

輸入端采用可控器件實(shí)現(xiàn)PWM整流，在方便地實(shí)現(xiàn)能量回饋和四象限運(yùn)行同時(shí)也使網(wǎng)側(cè)諧波增大，需加進(jìn)線電抗器濾波才能滿足電網(wǎng)的要求，增加了成本。常見的電流源型高壓變頻器有美國Rockwell公司(A-B)Bulletin1557型電流型(采用GTO直接串聯(lián)共18只)和PowerFlexTM7000系列電流型(采用6.5kV，6只SGCT器件)變頻器；美國ROSS-HILL(羅斯希爾)公司VFD型電流型高壓變頻器；意大利ANSALDO(安薩爾多)公司SHCOVERT(H)高壓電流源變頻器；國產(chǎn)電流源高壓變頻調(diào)速器未見成熟的工業(yè)產(chǎn)品。3.4.4負(fù)載換相LCI技術(shù)負(fù)載換相式LCI(Load

Commutated

Inverter)屬于電流源型變頻器，負(fù)載為同步電機(jī)，變頻器工作原理與輸出濾波器換相式電流源型變頻器有些類似晶閘管的關(guān)斷主要靠同步電機(jī)定子交流反電勢自然完成，不需要強(qiáng)迫換相，逆變器晶閘管的換流與整流橋晶閘管的換流極其相似。變頻器的輸出頻率一般不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是依靠轉(zhuǎn)子位置檢測器得到的轉(zhuǎn)子位置信號按一定順序周期性地觸發(fā)逆變器中相應(yīng)的晶閘管，LCI這種“自控式”功能，保證變頻器的輸出頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，不存在失步和振蕩現(xiàn)象。同步電機(jī)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)都必須提供超前的功率因數(shù)，以保證逆變器晶閘管的正常換相。電機(jī)必須有足夠的漏電感，以限制晶閘管的di/dt，電機(jī)也要能夠承受變頻器輸出的諧波電流，除了需要特殊的同步電機(jī)之外，LCI應(yīng)用是較為成功的。尤其是在一些超大容量的傳動(dòng)系統(tǒng)中，因?yàn)長CI無須強(qiáng)迫換流電路，結(jié)構(gòu)簡單，在大容量時(shí)只有晶閘管能夠提供所需的電壓和電流耐量，從電機(jī)角度來說，同步電機(jī)在大容量時(shí)，相對異步電機(jī)也有不少優(yōu)勢。

LCI的主要優(yōu)點(diǎn)是：直流轉(zhuǎn)動(dòng)特性；功率無限制；對電網(wǎng)無短路加載現(xiàn)象；可以四象限運(yùn)行；包括弱磁部分調(diào)速范圍可達(dá)1:50；即使在低負(fù)載率下也有高的效率；免維護(hù)（無電刷、無熔斷器）；對電機(jī)絕緣無損害，電纜長度無限制。

LCI的主要缺點(diǎn)是：低速下須采用斷流換向；功率因數(shù)與轉(zhuǎn)速有關(guān)；過載能力差，1.5～2倍。適用于高速無齒輪傳動(dòng)離心泵（鍋爐給水泵）、壓縮機(jī)、高爐風(fēng)機(jī)、船舶主傳動(dòng)以及同步發(fā)電機(jī)的起動(dòng)等場合。

目前負(fù)載換相式LCI技術(shù)主要應(yīng)用在超大功率場合，即大約8000KW以上的功率，用可控硅構(gòu)成的LCI（負(fù)載換流逆變器）電流源型變頻器仍舊是主流產(chǎn)品，在冶金、鐵路牽引、船舶推進(jìn)、大型輸氣管線、LNG壓縮等行業(yè)有大量應(yīng)用，例如在西氣東輸、南水北調(diào)等國家大型工程中就有較多應(yīng)用。截止到2006年年底，西門子公司LCI超大容量變頻器在國內(nèi)已有113套應(yīng)用，主要應(yīng)用在鋼鐵行業(yè)。

總的來說，不同公司的產(chǎn)品在市場上有不同的定位，技術(shù)有不同的特點(diǎn)，某一個(gè)產(chǎn)品要做到面面俱到是不現(xiàn)實(shí)的。幾乎沒有一種技術(shù)是無懈可擊的，很多技術(shù)之間相互制約。例如，產(chǎn)品要做得簡單，元器件容量就大，開發(fā)成本就高。所以同樣是高壓變頻器，不同產(chǎn)品價(jià)格會(huì)有很大差別。這與變頻器內(nèi)部的核心技術(shù)有很大關(guān)系。選型時(shí)應(yīng)根據(jù)供電電網(wǎng)及拖動(dòng)對象的特點(diǎn)來定，不必一味追求某種指標(biāo)。如起重設(shè)備、機(jī)車牽引、船舶主傳動(dòng)要選用可四象限運(yùn)行的變頻器；對于軋鋼機(jī)則要選擇動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力好和過載能力強(qiáng)的變頻器；對于低速運(yùn)行的設(shè)備可選用交—交變頻器；而對于高速運(yùn)行的設(shè)備則可選用負(fù)載換流加同步電機(jī)的方式，或者選用電流源型變頻器。單元串聯(lián)多電平變頻器只能用在風(fēng)機(jī)水泵調(diào)速節(jié)能的場合。3.5高壓變頻器技術(shù)發(fā)展趨勢20世紀(jì)末，交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)以電力電子功率變換技術(shù)、微電子控制技術(shù)為核心得到了驚人的發(fā)展，展望21世紀(jì)，變頻調(diào)速技術(shù)將會(huì)有更大發(fā)展。

3.5.1功率器件IGBT變頻器已成為20世紀(jì)90年代變頻調(diào)速技術(shù)的主流，在21世紀(jì)初相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)仍將是電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的主導(dǎo)變頻器?，F(xiàn)階段，IGBT、IGCT、SGCT仍將扮演著主要的角色，SCR、GTO將會(huì)退出變頻器市場。就變頻器發(fā)展依靠的微電子、電力電子、控制三大技術(shù)來說，微電子技術(shù)、控制技術(shù)目前發(fā)展已經(jīng)非常成熟，主要是電力電子技術(shù)即功率器件的發(fā)展將給變頻器的發(fā)展帶來很大的影響，如目前采用的IGBT、IGCT、IEGT等，這些功率器件的耐壓值以及價(jià)格的變化將對高壓變頻器廠商對技術(shù)類型的選擇產(chǎn)生較大的影響。

在21世紀(jì)，IPM及智能化變頻器將會(huì)有很大的發(fā)展。功率變換、驅(qū)動(dòng)、檢測、控制、保護(hù)等功能的集成化促成了功率器件及變頻器的智能化，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能、多功能、高性能、高附加值，同時(shí)將研究開發(fā)新電力電子器件IGCT、IEGT（集成發(fā)射式門極晶閘管Integrated

Emit

Gate

Thyristor）、GaAs（砷化鎵）、SiC（碳化硅復(fù)合器件）、光控IGBT及超導(dǎo)功率器件等新功能變頻器。更高電壓、更大電流的新型電力半導(dǎo)體器件將應(yīng)用在高壓變頻器中。3.5.2功率器件基于雙PWM能量回饋的綠色變頻電路是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展趨勢，即整流部分也采用電力電子自關(guān)斷器件構(gòu)成，并對其進(jìn)行PWM控制。一方面使交流輸入電流波形為正弦，且功率因數(shù)為1；另一方面實(shí)現(xiàn)能量向電網(wǎng)回饋，保證變頻器四象限運(yùn)行。除此之外，PWM整流電路還有助于減小直流環(huán)節(jié)濾波電容的容量，隨著電力半導(dǎo)體器件性能的不斷提高和價(jià)格的不斷下降，這種結(jié)構(gòu)會(huì)得到廣泛地推廣和應(yīng)用。

高壓變頻器將向著直接器件高壓和多重疊加（器件串聯(lián)和單元串聯(lián)）兩個(gè)方向發(fā)展。

隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)及電機(jī)控制理論的發(fā)展，人們對功率變換規(guī)律更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，以后會(huì)出現(xiàn)更新、更好的新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，特別是近年來“電力電子積木”pebb(power

electronics

building

block)技術(shù)的興起，使多個(gè)功率器件的集成化和低成本化逐步成為可能，也為多電平變換電路拓?fù)涞陌l(fā)展提供了有力的技術(shù)支持，從而引起中高壓功率變換技術(shù)的更大發(fā)展。

3.5.3全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和自動(dòng)化現(xiàn)在變頻裝置幾乎已全面實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化控制，目前參數(shù)自設(shè)定技術(shù)；過程自優(yōu)化技術(shù)；故障自診斷技術(shù)等已成為高壓變頻器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)配置，但控制技術(shù)的微電子數(shù)字化仍是今后的發(fā)展趨勢。變頻裝置的數(shù)字化技術(shù)是從20世紀(jì)80年代中期開始逐步發(fā)展到16位、32位微處理器，目前普遍采用DSP

，未來32位MCU、DSP及ASIC等器件將得到普遍應(yīng)用。元件的高性能和小型化，使變頻裝置實(shí)現(xiàn)了控制的高精度；采用DSP和ASIC實(shí)現(xiàn)了快速運(yùn)算和高精度控制，可以得到良好的電流波形使變頻器的噪音大幅度降低；應(yīng)用微電子技術(shù)和ASIC技術(shù)，裝置的元器件數(shù)量得以大幅度減少，從而使變頻裝置的可靠性大幅度提高。

在控制系統(tǒng)全數(shù)字化的情況下，由于改變軟件即可改變控制模式和參數(shù)，這就大大提高了系統(tǒng)的通用性和靈活性，簡化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，并可采用一些基于現(xiàn)代控制理論的控制算法來提高系統(tǒng)的性能。

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、總線技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，全數(shù)字方式是未來發(fā)展的必然趨勢。

3.5.4控制技術(shù)無速度傳感器的矢量控制、磁通控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等技術(shù)的應(yīng)用將趨于成熟。

高壓變頻器的控制方式和低壓變頻器的控制方式相類似，目前高壓變頻器通常采用的控制方式有:V/F控制、無速度傳感器矢量控制、空間電壓矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制。

矢量控制依然是高性能交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的主流控制策略。它所包涵的關(guān)鍵技術(shù)有：控制理論和方法，如PWM技術(shù)，磁通的觀測，速度辯識(shí)，無速度傳感器控制；電機(jī)鐵損補(bǔ)償，參數(shù)辯識(shí)，參數(shù)變化的補(bǔ)償；主電路使用新型電力半導(dǎo)體器件，提高開關(guān)頻率，改善電壓或電流波形，同時(shí)使用微電子技術(shù)所提供的DSP、CPU、ASIC等。

3.5.5PWM及多電平技術(shù)消除機(jī)械和電磁噪音的最佳方法并不是盲目地提高工作頻率，隨機(jī)PWM技術(shù)可以提供一種新途徑。由于PWM逆變器的開關(guān)損耗隨著功率和頻率的增加而迅速增加，因此，在高頻化和大功率方面還有大量工作。目前提高開關(guān)頻率的一個(gè)方法是采用諧波技術(shù)及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的軟開關(guān)技術(shù)。在大功率裝置方面，除盡量采用優(yōu)化PWM模式外，多電平逆變器也越來越受人們的重視，此時(shí)開關(guān)損耗問題轉(zhuǎn)化為多管串聯(lián)的均壓問題。

PWM控制技術(shù)一般可分為三大類，即正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM，從實(shí)現(xiàn)方法上來看，大致有模似式和數(shù)字式兩種，而數(shù)字式中又包括硬件、軟件或查表等幾種實(shí)現(xiàn)方式，從控制特性來看主要可分為兩種：開環(huán)式（電壓或磁通控制型）和閉環(huán)式（電流或磁通控制型）。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字化PWM已逐步取代模擬式PWM，成為電力電子裝置共用的核心技術(shù)。交流電機(jī)調(diào)速性能的不斷提高在很大程度上是由于PWM技術(shù)的不斷進(jìn)步。目前廣泛應(yīng)用的是在規(guī)則采樣PWM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的準(zhǔn)優(yōu)化PWM法，即三次諧波疊加法和電壓空間矢量PWM法，這兩種方法具有計(jì)算簡單、實(shí)時(shí)控制容易的特點(diǎn)。3.5.6大功率、小型化、輕型化

目前6000kw以上的大容量、超大容量高壓變頻器幾乎被西門子、ABB、AB等國外廠商壟斷，但是隨著我國高壓變頻器技術(shù)的不斷成熟，利德華福、廣州智光等國產(chǎn)廠商正在逐漸進(jìn)入大功率產(chǎn)品市場并逐步取代進(jìn)口大功率變頻器產(chǎn)品。

怎樣減少器件的數(shù)量、減少器件的重量和體積，從而使高壓變頻器變得更輕、更小，也將是高壓變頻器廠商的一個(gè)重要課題。

3.5.7相關(guān)配套行業(yè)正朝著專業(yè)化，規(guī)模化發(fā)展

目前我國高壓變頻器相關(guān)配套行業(yè)正朝著專業(yè)化，規(guī)模化發(fā)展，社會(huì)分工將更加明顯。

變壓器、高壓柜、電抗電阻、電容、電線電纜等配套產(chǎn)品在國內(nèi)都有專業(yè)的配套廠商，只有IGBT等核心部件還主要依賴進(jìn)口，但國家已加大了這方面的投入，功率器件的國產(chǎn)化也將為期不遠(yuǎn)。3.6本章小結(jié)總的來說，通過上述分析，中高壓變頻技術(shù)應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，其發(fā)展也會(huì)呈現(xiàn)出多種趨勢，但在未來5年這樣一個(gè)較短的時(shí)期內(nèi)，我國高壓變頻器技術(shù)和產(chǎn)品發(fā)展將主要呈現(xiàn)以下四大趨勢：

（1）功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)依然是市場的主流。目前，采用功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)的高壓變頻器國內(nèi)市場份額已經(jīng)超過三分之二，包括利德華福、東方日立、合康億盛、山東風(fēng)光等國產(chǎn)高壓變頻器生產(chǎn)廠商絕大部分采用的都是這種技術(shù)。

（2）向大功率方向發(fā)展。大功率變頻器市場份額前些年基本掌握在國外廠商手中，隨著國內(nèi)企業(yè)技術(shù)水平的提高，國產(chǎn)變頻器產(chǎn)品的功率也隨之逐步提高。

（3）隨著高壓變頻技術(shù)的成熟，將大幅拓展工藝控制對于變頻調(diào)速的需求。如應(yīng)用于軋鋼機(jī)、礦井提升機(jī)、風(fēng)力發(fā)電、電氣機(jī)車牽引系統(tǒng)等工業(yè)領(lǐng)域和高端軍事領(lǐng)域等，進(jìn)一步拓展了高壓變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

（4）運(yùn)用無速度傳感器矢量控制技術(shù)將單元串聯(lián)多電平高壓變頻器應(yīng)用于同步電機(jī)，將是國內(nèi)廠商的下一步研發(fā)方向之一。第4章高壓變頻器行業(yè)應(yīng)用分析4.1電力行業(yè)4.1.1電力行業(yè)應(yīng)用情況在電力行業(yè)經(jīng)過幾年的推廣，已經(jīng)有50%左右的設(shè)備應(yīng)用了高壓變頻器，電力行業(yè)的高壓變頻器的改造還需要4-5年的時(shí)間。

在電力行業(yè)高壓變頻器的應(yīng)用要求首要的是穩(wěn)定性要能保證，在電力行業(yè)用電安全穩(wěn)定是很重要的；其次才是調(diào)速節(jié)能效率。一般來講，使用高壓變頻器后風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率將提高20—30％，兩年即可以收回改造投資費(fèi)用。

目前已經(jīng)以300MW的機(jī)組為例，適用于進(jìn)行變頻節(jié)能應(yīng)用的有如圖表4-1所示。在這些設(shè)備中，應(yīng)用高壓變頻器最多的為引風(fēng)機(jī)，其次是凝結(jié)泵和送風(fēng)機(jī)。表4-1電力行業(yè)高壓變頻器主要應(yīng)用設(shè)備大致是按照功率的高低和對穩(wěn)定性要求從低到高，排列這些設(shè)別的應(yīng)用比例高低順序。

在1600kW以上產(chǎn)品中，高壓變頻器約60%集中應(yīng)用引風(fēng)機(jī)，其次是給水泵，循環(huán)泵，凝結(jié)泵，一次風(fēng)機(jī)，分別占15%，10%，8%，7%。表4-1電力行業(yè)高壓變頻器主要應(yīng)用設(shè)備高壓變頻技術(shù)在1995年取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展后，開始在工業(yè)領(lǐng)域中得到實(shí)際應(yīng)用。2000年以后，高壓變頻技術(shù)在國內(nèi)電力行業(yè)中廣泛應(yīng)用，開始形成市場規(guī)模，成為電氣傳動(dòng)領(lǐng)域新的增長點(diǎn)。出于機(jī)組安全和技術(shù)實(shí)現(xiàn)等方面的考慮，國內(nèi)較早的應(yīng)用高壓變頻技術(shù)主要是在鍋爐送風(fēng)機(jī)的調(diào)速方面。隨后開始在節(jié)能潛力好、應(yīng)用前景好、技術(shù)實(shí)現(xiàn)容易的引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用。至此，高壓變頻技術(shù)打開了——電力行業(yè)，正在中國蓬勃發(fā)展的能源行業(yè)市場。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：從2001年開始，電力行業(yè)的高壓變頻應(yīng)用主要集中在引風(fēng)機(jī)系統(tǒng)；在該專業(yè)設(shè)備的應(yīng)用超過電力行業(yè)總體應(yīng)用的42％，占有很高的比重。而且，呈現(xiàn)逐年遞增的勢態(tài)。通過對引風(fēng)機(jī)應(yīng)用情況的統(tǒng)計(jì)還顯示：高壓變頻在引風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用開始向300MW以上機(jī)組，大功率、超大功率的產(chǎn)品應(yīng)用方面發(fā)展。這充分說明，市場對高壓變頻技術(shù)的安全、可靠性已經(jīng)認(rèn)可，并且充分認(rèn)識(shí)到了該技術(shù)在對引風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行工藝改變的同時(shí)，所能帶來的巨大節(jié)能效益。因此，在引風(fēng)機(jī)應(yīng)用中呈現(xiàn)大功率、超大功率產(chǎn)品應(yīng)用的趨勢。

由于凝結(jié)泵變頻改造早先主要見諸于200MW以下機(jī)組的低壓變頻節(jié)能改造項(xiàng)目應(yīng)用，因此，變頻技術(shù)在凝結(jié)水系統(tǒng)中的應(yīng)用不存在應(yīng)用方面的技術(shù)門檻。當(dāng)高壓變頻技術(shù)走向成熟之時(shí)，凝結(jié)泵方面的節(jié)能改造同樣受到用戶的青睞和認(rèn)可。市場的開發(fā)和應(yīng)用與高壓變頻在引風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用幾乎同步推進(jìn)。但是，由于市場容量和應(yīng)用推廣等諸多因素的原因；應(yīng)用情況并沒有引風(fēng)機(jī)明顯。透過近幾年電力行業(yè)高壓變頻應(yīng)用情況的統(tǒng)計(jì)分析，可以看出：在電力行業(yè)有諸多設(shè)備具有變頻應(yīng)用前景和空間?？蛇M(jìn)行變頻改造的設(shè)備有16類之多，但是其中廣泛推廣、被眾多用戶所接受的還主要集中在引風(fēng)機(jī)和凝結(jié)泵兩類設(shè)備上。高壓變頻在電力行業(yè)的應(yīng)用，具有鮮明的應(yīng)用技術(shù)特征。在產(chǎn)品本身技術(shù)成熟的同時(shí)，其應(yīng)用空間和前景有賴于系統(tǒng)成套應(yīng)用技術(shù)的成熟和發(fā)展。高壓大功率產(chǎn)品在引風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用，則得益于變頻調(diào)速技術(shù)在引風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用和完整解決方案等方面的成熟和被廣泛認(rèn)可。而在其它專業(yè)設(shè)備的應(yīng)用方面，可以應(yīng)用大功率產(chǎn)品卻沒有被廣泛推廣應(yīng)用的原因；還主要是集中在系統(tǒng)成套應(yīng)用技術(shù)的整體解決、系統(tǒng)安全性等方面，而不在是因?yàn)楦邏鹤冾l技術(shù)本身。也正是在專業(yè)設(shè)備應(yīng)用方面的技術(shù)門檻，才使得眾多用戶和設(shè)備提供商望而卻步。

一份關(guān)于高壓變頻在給水泵上應(yīng)用情況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：并非所有上變頻的給水泵設(shè)備和機(jī)組都節(jié)能，而是只有其中一部分應(yīng)用效果良好。這說明，要么此前的項(xiàng)目論證和評估出現(xiàn)了偏差；要么是給水泵采用變頻技術(shù)后，在系統(tǒng)上沒能提供完整的、適合的解決方案，導(dǎo)致有設(shè)備卻沒效果，沒能充分發(fā)揮好其節(jié)能降耗的作用。藉此，也正好印證了提供全面節(jié)能服務(wù)、成套技術(shù)解決方案的重要性。

對電力行業(yè)機(jī)組主輔機(jī)設(shè)備的變頻技術(shù)適用性研究表明：每臺(tái)機(jī)組當(dāng)中主要有七類設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)變頻應(yīng)用。以一臺(tái)300MW機(jī)組為例，適用于進(jìn)行變頻節(jié)能應(yīng)用的設(shè)備統(tǒng)計(jì)情況如下表所示。這些設(shè)備的節(jié)能降耗是發(fā)電機(jī)組主輔機(jī)實(shí)施節(jié)能的主要途徑，成為一個(gè)系統(tǒng)工程；是對整個(gè)機(jī)組運(yùn)行優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行的系統(tǒng)項(xiàng)目，而不再是單臺(tái)設(shè)備改造的問題。

通過對電力行業(yè)應(yīng)用情況的調(diào)查、分析還發(fā)現(xiàn)：目前高壓變頻技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用主要還是集中在200MW以下（含200MW）的機(jī)組主輔機(jī)設(shè)備當(dāng)中，而在這類機(jī)組中，給水泵、循環(huán)泵系統(tǒng)的應(yīng)用，具有良好的應(yīng)用空間和發(fā)展前景；同時(shí)具有功率大、數(shù)量多的特點(diǎn)。在200MW以上機(jī)組中，變頻技術(shù)應(yīng)用具有廣闊的開發(fā)潛力和拓展前景。其中，凝結(jié)泵的變頻應(yīng)用主要集中在200MW以上的原因是200MW以下的機(jī)組凝結(jié)泵多數(shù)采用低壓大功率電機(jī)所致。4.1.2電力行業(yè)應(yīng)用前景據(jù)發(fā)電企業(yè)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，廠用電大部分都是風(fēng)機(jī)、水泵耗掉的，使用高壓變頻器以后可以一般能節(jié)電30%，甚至有些電廠達(dá)到了節(jié)能40%-50%的高水平。按節(jié)能30%計(jì)算，大概3年便能收回投資，而一臺(tái)高壓變頻器的壽命有20年以上，在此后的十幾年內(nèi)，收益之巨大是不言而喻的。專家認(rèn)為，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)將會(huì)成為當(dāng)前工業(yè)節(jié)能推廣的首要產(chǎn)品。電力行業(yè)作為高壓變頻銷售的主要市場之一，具有廣闊的發(fā)展前景和潛在節(jié)能空間。通過深挖潛能，開展系統(tǒng)服務(wù)的方式，對整個(gè)機(jī)組進(jìn)行變頻節(jié)能項(xiàng)目的改造，有利于實(shí)現(xiàn)用戶節(jié)能降耗、優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行、提高機(jī)組運(yùn)行效率的綜合經(jīng)濟(jì)目標(biāo)。充分體現(xiàn)高壓變頻技術(shù)在系統(tǒng)應(yīng)用中的技術(shù)優(yōu)勢和節(jié)能潛力，拓展未知領(lǐng)域，體現(xiàn)增值技術(shù)服務(wù)的價(jià)值。目前，國家電力建設(shè)掀起的新一輪建設(shè)熱潮，其主力機(jī)組已由先前的300MW，升級為600MW甚至100萬千瓦的超超臨界機(jī)組類型。而高壓變頻技術(shù)在被電力行業(yè)所認(rèn)可之后，開始朝著深入、廣泛、標(biāo)準(zhǔn)配置等方面推進(jìn)，成為電廠降低廠用電，優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行結(jié)構(gòu)，提高企業(yè)競爭力的一種必然舉措。4.2鋼鐵行業(yè)4.2.1鋼鐵行業(yè)應(yīng)用情況我國在交交變頻器的研制方面有較大的優(yōu)勢，在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用受到了用戶的一致認(rèn)可，主要是應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)的初軋機(jī)和熱連軋機(jī)，但在高性能的冷軋機(jī)應(yīng)用時(shí)就有很大的限制。但由于交交變頻器相對三電平電壓源型變頻器自身諧波大，性能和功率因數(shù)差等因素，在國外，它越來越多的被三電平電壓源型變頻器取代。不過，在我國，由于其性能價(jià)格比不錯(cuò)而且較適應(yīng)于國情，還會(huì)在一段時(shí)期內(nèi)有一定的市場空間。

單元串聯(lián)多電平高壓變頻器在鋼鐵行業(yè)比較多的是高爐和轉(zhuǎn)爐的除塵風(fēng)機(jī)、高爐鼓風(fēng)機(jī)、鍋爐的給水泵，此外還有燒結(jié)主排風(fēng)機(jī)、燒結(jié)余熱風(fēng)機(jī)和制氧機(jī)、冷軋氫氣加壓機(jī)、泥漿泵、引風(fēng)機(jī)、出垢泵、傳送帶、離心進(jìn)料泵和循環(huán)水泵等風(fēng)機(jī)水泵類應(yīng)用。

高爐的主要外圍設(shè)備有熱風(fēng)爐、除塵設(shè)備和水渣處理設(shè)備。一般每座高爐有3—4座熱風(fēng)爐，其中一座為向高爐送熱風(fēng)狀態(tài)，一座為蓄熱狀態(tài)，一座為燃燒加熱狀態(tài)，某些鋼鐵廠會(huì)有一座備用熱風(fēng)爐，每臺(tái)熱風(fēng)爐需配備1臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)。部分鋼鐵廠的熱風(fēng)爐鼓風(fēng)機(jī)采用直接

由汽輪機(jī)帶動(dòng)大型鼓風(fēng)機(jī)的方式，更多的鋼鐵廠已經(jīng)改造為高壓電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)了。除塵設(shè)備中包括裝料除塵風(fēng)機(jī)和出鐵除塵風(fēng)機(jī)，由于出鐵除塵風(fēng)機(jī)的調(diào)速范圍特別大，目前出鐵除塵風(fēng)機(jī)大量采用了變頻調(diào)速。一般每臺(tái)高爐至少配備2臺(tái)除塵風(fēng)機(jī)，配備3—4臺(tái)沖渣給水泵。表4-2為鋼鐵設(shè)備高壓變頻器應(yīng)用需求表。（1）除塵風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

表4-2鋼鐵設(shè)備高壓變頻器應(yīng)用需求表除塵風(fēng)機(jī)分為除塵階段和非除塵階段，在兩個(gè)不同階段所需要的風(fēng)量不同，所以變頻器采用了高速和低速兩種運(yùn)行方式。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試確定了在不同階段下的運(yùn)行頻率，即高速階段（45Hz）和低速階段（25Hz表4-2鋼鐵設(shè)備高壓變頻器應(yīng)用需求表（2）冷凝泵上的應(yīng)用

冷循環(huán)水泵采用5臺(tái)560KW

6KV高壓電機(jī)并聯(lián)供水，主要提供軋鋼用水。

變頻調(diào)速裝置的主要功能是根據(jù)供水管網(wǎng)水壓要求，對水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，達(dá)到恒壓供水的目的。高壓水泵電機(jī)若采用工頻運(yùn)行時(shí)，根據(jù)用水量的大小變化，采用調(diào)節(jié)回流水閥門開度可調(diào)節(jié)供水壓力。

（3）羅茨鼓風(fēng)機(jī)上的應(yīng)用

風(fēng)機(jī)出口的管道振動(dòng)大、噪聲大；另外，就目前風(fēng)機(jī)送風(fēng)量能力遠(yuǎn)超生產(chǎn)能力，為保生產(chǎn)只能把多余的通過回流管道接到風(fēng)機(jī)進(jìn)口去；其次是因出口的煙氣要比入口高出一倍以上。根據(jù)生產(chǎn)情況，風(fēng)機(jī)運(yùn)行30HZ左右就能滿足了生產(chǎn)工藝要求；運(yùn)行轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的60%左右。改造后羅茨風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口溫度下降明顯6～8℃，風(fēng)機(jī)油溫與軸溫下降7～14℃。另外變頻改造后節(jié)能下過顯著，與原有的工頻驅(qū)動(dòng)方式相比，風(fēng)機(jī)效率穩(wěn)定在理想的范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)能耗大大降低，節(jié)約電量可達(dá)30％。4.2.2鋼鐵行業(yè)應(yīng)用前景在冶金鋼鐵行業(yè)，如大型風(fēng)機(jī)、水泵等這些大型用電設(shè)備數(shù)量雖然不多，只占20％左右，但其用電量卻占到80％。通常風(fēng)機(jī)、泵類等平方根轉(zhuǎn)矩。設(shè)備使用變頻調(diào)速技術(shù)以后，效率可提高30％左右。此外，應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)還可以提高電機(jī)的功率因數(shù)（一般可達(dá)0．98），減少設(shè)備的維修量，延長設(shè)備的使用壽命，減少事故停車給生產(chǎn)帶來的重大損失。冶金行業(yè)對高壓變頻器改造需求很大，現(xiàn)在尚有很多設(shè)備如風(fēng)機(jī)水泵還有很大的改造空間，有色金屬冶煉也有大量設(shè)備亟待改造，高壓變頻器在冶金行業(yè)前景廣闊。4.3礦山行業(yè)4.3.1礦山行業(yè)應(yīng)用狀況

高壓變頻器在采礦行業(yè)主要應(yīng)用于礦井排水泵、主排風(fēng)扇、介質(zhì)泵、砂泵站水隔離漿體泵、礦石粉碎機(jī)、提升機(jī)、礦井通風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、皮帶機(jī)、挖掘機(jī)等。

（1）帶式輸送機(jī)

在煤礦等礦山中，輸送帶電動(dòng)機(jī)多為直接啟動(dòng)，大部分時(shí)間開采的礦物不能滿度其輸送能力，輸送帶上的的礦物量不足，浪費(fèi)了大量電能。在配置了高壓變頻器對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速之后，輸出帶輸送機(jī)按實(shí)際需要功率出力，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比工頻速度適當(dāng)減低，就可以使輸送帶運(yùn)行速度與井下礦物開采量相匹配，同時(shí)降低了運(yùn)行運(yùn)行電壓和電流，減小電能消耗。（2）砂泵站水隔離漿體泵

礦石開采分為露天開采和地下平巷開采兩種，鐵礦開采也不例外。開采出來鐵礦石的首先經(jīng)過破碎，體積小的顆粒進(jìn)入球磨機(jī)，再經(jīng)過螺旋分級機(jī)、細(xì)篩機(jī)、磁選和過濾機(jī)設(shè)備等，最后提出所需的精礦粉，作為高爐煉鐵的原料。每級分出來的廢礦最終進(jìn)入濃縮池，成為最終尾礦，經(jīng)過砂泵站的水隔離設(shè)備排到即不污染環(huán)境又能在將來將尾礦回收利用的儲(chǔ)存地點(diǎn)。

4.3.2礦山行業(yè)應(yīng)用前景礦山行業(yè)目前也是高壓變頻器市場的重要增長點(diǎn)，隨著礦山開采的安全要求越來越被重視，礦山的變頻改造將會(huì)加快步伐，目前礦山還有很大的潛力可以挖掘。礦山的主風(fēng)扇、輸送機(jī)等裝置都是大功率的機(jī)械，節(jié)能空間大，隨著國家政策的調(diào)整，安全保障要求的提高，礦山行業(yè)的利潤勢必有所下降，節(jié)能也是其降低成本的一個(gè)重要渠道。從安全和降低成本上，都將促進(jìn)礦山行業(yè)高壓變頻器的推廣，礦山行業(yè)在未來幾年內(nèi)都將保持高速的增長。4.4水泥行業(yè)4.4.1水泥行業(yè)應(yīng)用狀況高壓變頻器在水泥建材行業(yè)主要應(yīng)用于粉末循環(huán)引風(fēng)機(jī)、水泥粉磨站收塵風(fēng)機(jī)、高溫風(fēng)機(jī)、粉碎機(jī)、原料磨風(fēng)機(jī)、窯頭/窯尾排風(fēng)機(jī)、壓力送風(fēng)機(jī)、窯爐引風(fēng)機(jī)。日產(chǎn)5000T的水泥生產(chǎn)線需要配備搖頭排風(fēng)機(jī)兩臺(tái)、窯尾排風(fēng)機(jī)兩臺(tái)、煤磨排風(fēng)機(jī)3臺(tái)、高溫風(fēng)機(jī)1臺(tái)、循環(huán)風(fēng)機(jī)1臺(tái)、煤磨除塵風(fēng)機(jī)3臺(tái)，共11臺(tái)輔機(jī)，總功率10000KW左右。需配置11臺(tái)高壓變頻器。在水泥的生產(chǎn)中，風(fēng)機(jī)大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重，同時(shí)由于工況、產(chǎn)量的變化，系統(tǒng)所需求的風(fēng)量也隨之變化，大部分風(fēng)機(jī)采用傳統(tǒng)做法，即調(diào)節(jié)進(jìn)、出風(fēng)口閥門的開度來實(shí)現(xiàn)，而該方法是以增加風(fēng)阻、犧牲風(fēng)機(jī)的效率來達(dá)到要求的，損耗嚴(yán)重。電動(dòng)機(jī)負(fù)載電耗就占本錢近30％，而拖動(dòng)風(fēng)機(jī)用的高壓電動(dòng)機(jī)在電機(jī)中占有很大的比重，對于一條水泥生產(chǎn)線其中有25%～30%的電能是用于拖動(dòng)各種類型風(fēng)機(jī)上，風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)特別利用變頻調(diào)速技術(shù)改變設(shè)備的運(yùn)行速度，以調(diào)節(jié)風(fēng)量的大小，可以既滿足生產(chǎn)要求，又達(dá)到節(jié)約電能，同時(shí)減少因調(diào)節(jié)擋板而造成擋板和管道的磨損及經(jīng)常停機(jī)檢驗(yàn)所造成的經(jīng)濟(jì)損失，高壓風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速是降耗增效的主要措施。需要指出的是，對新型干法水泥生產(chǎn)線的6個(gè)工藝位置的高壓風(fēng)機(jī)，即：生料磨循環(huán)風(fēng)機(jī)、煤磨循環(huán)風(fēng)機(jī)、窯頭排風(fēng)機(jī)、窯尾高溫風(fēng)機(jī)、窯尾排風(fēng)機(jī)、水泥磨循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)行高壓變頻調(diào)速節(jié)能改造，將使企業(yè)改善工藝，進(jìn)步調(diào)速精度，使生產(chǎn)線設(shè)備利用率得到保證，降低設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)用度，延長電機(jī)等設(shè)備使用壽命，獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。（1）

收塵風(fēng)機(jī)

在物料的粉磨工藝流程中，

電動(dòng)機(jī)通過減速機(jī)帶動(dòng)磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)，物料從下料口落到磨盤中央，在離心力的作用下向磨盤邊緣移動(dòng)并受到磨輥的碾壓，粉碎后的物料離開磨盤，被高速向上的氣流帶至與立磨一體的分離器，粗粉經(jīng)分離器后返回到磨盤上，重新粉磨；細(xì)粉則隨氣流出磨，在系統(tǒng)的收塵裝置中收集下來。

粉磨站的生產(chǎn)任務(wù)繁重，生產(chǎn)線基本在滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)行，水泥生產(chǎn)量基本在120－130t/h，在最大負(fù)荷下，變頻器運(yùn)行頻率約為37.5Hz，輸入電流（從變頻器網(wǎng)側(cè)吸收）約為28A。對比相同工況下的另外一條生產(chǎn)線，在產(chǎn)量基本相同情況下，沒有變頻改造的收塵風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流約為44A，從比較情況來看，經(jīng)變頻改造的收塵風(fēng)機(jī)節(jié)能效果非常明顯。

（2）高溫風(fēng)機(jī)

高溫風(fēng)機(jī)由于“塌料”導(dǎo)致的過負(fù)荷是由于在旋窯水泥生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中的預(yù)熱器管壁上的粉塵粘附到一定厚度時(shí)就會(huì)坍塌脫落，造成管道內(nèi)粉塵濃度增大，阻力增加，負(fù)壓升高，使排風(fēng)機(jī)負(fù)荷增加。此外，如果垂直煙道或預(yù)熱器內(nèi)在清潔皮或有物料塌料時(shí)，同樣也會(huì)造成氣流波動(dòng)，使排風(fēng)管內(nèi)氣流紊亂，造成高溫風(fēng)機(jī)過負(fù)荷停機(jī)，該現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)對高溫風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)造成損壞。在實(shí)際使用過程中的“塌料”現(xiàn)象，會(huì)不定期的導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)行電流在極短的時(shí)間內(nèi)超出正常電流的數(shù)倍，如使用一般廠家的通用型高壓變頻器會(huì)導(dǎo)致變頻器運(yùn)行過程中頻繁跳機(jī)，直接影響高溫風(fēng)機(jī)與生產(chǎn)線的正常運(yùn)行。

進(jìn)行過高壓變頻器改造后，高壓變頻器采用矢量控制算法，對其輸出電流進(jìn)行實(shí)時(shí)、快速的精確控制（傳統(tǒng)的VVVF控制中，不對輸出電流進(jìn)行控制，輸出電流的測量僅用于顯示和保護(hù)）。在控制算法中對最大輸出電流進(jìn)行限制，因而不會(huì)因負(fù)載的波動(dòng)導(dǎo)致變頻器過流停機(jī)。成功解決了因?yàn)樗弦鸬膭×邑?fù)載波動(dòng)問題，大大降低了由于高溫風(fēng)機(jī)停運(yùn)對生產(chǎn)造成的影響，降低電機(jī)設(shè)備故障率，取得節(jié)能、增效的巨大效益。（3）立磨風(fēng)機(jī)

立磨風(fēng)機(jī)在水泥廠的工作時(shí)間長，功率大，在2000t/d的旋窯生產(chǎn)線上立磨排風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)功率為1400KW/10KV，有效功率為840KW左右，無功為450KVAR左右。節(jié)能空間巨大，下表為經(jīng)過高壓變頻器改造前后的數(shù)據(jù)比較：變頻改造后運(yùn)行數(shù)據(jù)對照表。表4-3變頻改造后運(yùn)行數(shù)據(jù)對照表經(jīng)過變頻改造后不但能節(jié)約大量電能，還能有效降低噪音。對工作環(huán)境改善有很好的效果。表4-3變頻改造后運(yùn)行數(shù)據(jù)對照表

（4）羅茨風(fēng)機(jī)我國的大多數(shù)2KT/D以下水泥廠在立窯上配備有160~220KW羅茨風(fēng)機(jī)（產(chǎn)量較大的生產(chǎn)線立窯上配套使用的風(fēng)機(jī)功率更大），傳統(tǒng)的風(fēng)量控制方法是依靠放風(fēng)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于羅茨風(fēng)機(jī)的風(fēng)量較為恒定，而煅燒時(shí)根據(jù)窯內(nèi)情況需要隨時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)量，當(dāng)窯內(nèi)需要減少風(fēng)量時(shí)，是通過放風(fēng)閥放走多余的風(fēng)量，造成嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。水泥立窯煅燒熟料所耗的電能中，羅茨鼓風(fēng)機(jī)的電能消耗占60%左右，隨著電價(jià)的調(diào)整（整體上是上升趨勢），電費(fèi)在水泥生產(chǎn)中所占生產(chǎn)成本的比重將越來越高。因此降低鼓風(fēng)機(jī)的能源消耗成為提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要環(huán)節(jié)。工藝要求風(fēng)量隨窯內(nèi)條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)量，對羅茨風(fēng)機(jī)可由變頻器改變風(fēng)機(jī)的供電電源頻率來進(jìn)行無級調(diào)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量，給變頻器的應(yīng)用與節(jié)能留下較大的空間。實(shí)踐中也證明確實(shí)如此：重慶地維水泥有限