變頻器技術現狀及未來發展與需求分析

王成飛

（中國長城鋁業公司建設公司，河南 鄭州 450000）

1 單元串聯多電平技術

單元串聯多電平形式在諧波、效率和功率因數等方面存在著優勢，在不要求四象限運行時有著較廣泛的應用前景。其中三電平控制具有許多優點，包括：(1)采用三電平拓撲能有效地解決電力電子器件耐壓不高的問題，適用于高電壓大功率。(2)三電平拓撲單個橋能輸出三種電平(+ud/2、-Ud/2、0)，線(相)電壓有更多的階梯來模擬正弦波，使輸出波形失真度減少，諧波大大減少。(3)多級電壓階梯波減少了du/dt，使得對電機繞組絕緣沖擊減小。(4)三電平PWM方法把第一組諧波分布帶移至2倍開關頻率的頻帶區，利用電機繞組電感能較好地抑制高次諧波對電機的影響。采用三電平PWM方法，每個功率單元的IGBT開關頻率為600Hz，若每相5個功率單元串聯時，等效的輸出相電壓開關頻率為6kHz，可以降低開關損耗，提高變頻器效率，這種變頻器可適用于任何普通的高壓電動機，且不必降額使用。雖然采用這種主電路拓撲結構會使器件的數量增加，但由于驅動功率下降，開關頻率較低且不必采用均壓電路，使系統在效率方面仍有較大的優勢，一般可達97%。并且，由于采用模塊化結構，所有功率單元可以互換，維修也比較方便。(5)三電平拓撲能產生3X3X3=27種空間電壓矢量，可以帶來諧波消除算法的自由度，可以得到很好的輸出波形。

2 功率母線技術

在電力電子技術及應用裝置向高頻化發展的今天，系統中特別是連接線的寄生參數產生巨大的電應力，己成為威脅電力電子裝置可靠性的重要因素。從直流儲能電容至逆變器的器件之間的直流母線上的寄生電感在通常的硬開關逆變器中，由于瞬時切換時的過電壓，會使器件過熱，甚至有時使逆變器失控并超過器件的額定安全工作區而損壞，限制了開關工作頻率的提高。功率母線按其結構包括：(1)電纜絞線是最常用的傳統功率母線，價廉簡易，但在IGBT逆變器中，由于電纜線的自感大，與圓截面導線相比，扁平母線的自感只有圓導線的1/3-1/2，而所占的體積只有它的1/10-1/2。(2)印刷電路板母線主要用于小電流逆變器，但當母線直流電流達到150A時，要求電路板的復銅層很厚，造價太高，另外用來連接多層導線板的穿孔不但占據較大的空間，而且會影響整機的可靠性。(3)裸銅板母線(平面并行母線)是一種工業上廣泛應用的IGBT模塊饋電系統的傳統母線形式，其缺點是并行母線的互感較大。(4)支架式母線如果將正直流母線銅板放置在負直流母線板上方，中間用一層薄絕緣材料隔開的方法來制作母線，由于磁場的相互抵消，可以最大限度地降低互感，但其工藝復雜，不宜規模化生產。

基于上述幾種功率母線都存在著不同的缺點，為此開發出了迭層功率母線。迭層功率母線是基于電磁場理論，把連線做成扁平截面，在同樣的截面下，做得越薄越寬，它的寄生電感越小，相鄰導線內流過相反的電流，其磁場抵消，也可使寄生電感減小。迭層功率母線是以又薄又寬的銅排形式迭放在一起，各層之間用很薄的高絕緣強度的材料熱壓成一體，整個母線極之間的距離均勻一致，以減少互感，各層銅排都在所需要的端子位置處同其他層可靠絕緣地引出，使所具有不同電位的端子表露在同一平面上，以便于把主電路中的所有器件與之相連。這種整體的迭層功率母線結構，可承受數百千克的切應力，其導電極之間可承受數千伏的電壓。使用迭層功率母線將IGBT和整流管等模塊、散熱器、電容器及柵極驅動電路組合在一起，迭層功率母線與器件之間的連接是用不同的端子和插接件等來完成的，使相連接的接觸表面與母線之間的接觸電阻非常小，也使得寄生電感成數量級地減小，從而使Ldi/dt的過電壓應力降至最低，保證電力電子裝置工作在最佳狀態。

3 微機控制和人工智能技術

采用微機控制技術可以對變頻器進行控制和保護。在控制方面：(1)計算確定開關元件的開通和關斷時刻，使逆變器按調制策略輸出要求的電壓。(2)通過不同的編碼實現多種傳動調速功能。如各種頻率的設定和執行、啟動、運行方式選擇、轉矩控制設定與運行、加減速設計與運行、制動方式設定和執行等。(3)通過接口電路、外部傳感器、微機構成調速傳動系統。在保護方面，在外部傳感器及工/0電路配合下，構成完善的檢測保護系統，可完成多種自診斷保護方案。保護功能包括：(1)主電路、控制電路的欠壓、過電壓保護；(2)輸出電流的欠電流、過電流保護；(3)電動機或逆變器的過載保護；(4)制動電阻的過熱保護；(5)失速保護。

采用人工智能技術對變頻器進行故障診斷，構成故障診斷系統，該系統由監控、檢測、知識庫 (故障模式知識庫或故障診斷專家系統知識庫)、推理機構、人機對話接口和數據庫組成，不僅在故障發生后能準確指出故障性質、部位，且在故障發生前也能預測發生故障的可能性。在變頻器啟動前對診斷系統本身及變頻器主電路(包括電源)、控制系統等進行一次診斷清查隱患。若發現故障現象則調用知識庫推理、判斷故障原因并顯示不能開機，如無故障則顯示可以開機。開機后，實時檢測診斷。工作時對各檢測點進行循環查詢，存儲數據并不斷刷新。若發現數據越限，則認為可能發生故障，立即定向追蹤。若幾次檢查結果相同，說明確實出了故障，于是調用知識庫進行分析推理，確定是何種故障及其部位，顯示出來，嚴重時則發出停機指令。

4 其它各種技術

近年來，國內外一些公司都在研制新型“無電網污染”的高壓變頻器。據報道，這類變頻裝置具有高功率因數、高效率、無諧波污染、無需專用電機等優點，采用了多項先進技術：(1)在變頻器的逆變器直流側通過曲折變壓器移相實現30"脈波整流，使裝置的諧波抑制能力大大加強，使電網側電壓與電流之間幾乎無相移，因此功率因數可以接近于1。(2)將全數字化光纖控制技術應用于變頻器，使其控制柔性和可靠性大大提高。(3)功率單元標準模塊化、IGBT驅動電路智能化。

5 結語

眾所周知，采用變頻調速技術是工業企業中節能降耗、保證工藝的重要途徑，在實際應用中取得的效果和效益有目共睹，以上試圖從市場的角度剖析變頻器的容量、占有率和主要的應用領域，與廣大讀者一同探討變頻器的發展。

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