高压变频调速电源研发探索

王召稳

(山西杏花村汾酒厂股份有限公司，山西汾阳032205)

0 引言

变频调速电源属于现代电力电子装置的一种，从它所推动的异步电机的工作原理看，其轴转速为n=60f1(1－s)/p，式中f1为变频调速电源的实时输出的频率，转速n与频率f1成正比，频率f1越低，转速n越低，反之亦然，这样通过频率f1就能调节转速n，当电机启动时f1可设置为0.5Hz，此时电机转速相当低，启动力矩相当大，传统供电方式，因启动时频率为50Hz，启动转速就很高，故从电网抽取得功率高达正常运转时的十几倍，对电网产生很大的冲击干扰，严重时能破坏进网设备的正常运转。用变频电源启动电机时，对电网不产生冲击，启动后缓慢增加频率，频率可增到50Hz，最高转速可达到启动时转速的100倍，轻载时，调速电源的频率降至或进入休眠状态(取决用户的设置)，当制动时，具有四象限运行功能的变频器可将多余的能量返回到电网，实现了缓启动、运行、轻载和停机节能。此过程是按用户设定程序自动执行的。

1 变频电源近况

1.1 变频调速电源的发展趋势

变频调速电源的发展史就是其核心器件开关管的发展史，20世纪60年代主要使用半控型的晶闸管(可控硅)作为变频电源的开关管，存在相控角随温度变化大等突出缺点，20世纪80年代各种全控器件先后问世，变频技术特别是交流调速技术得到了长足的发展，尤其是20世纪80年代末基于GTK、GTO和TGBT的变频装置在特性和价格上可以和直流调速装置相媲美，逐渐成为变频调速装置的主流技术，20世纪90年代后期至今电力电子器件的发展进入了一个新时代，高压IGBT、GCTI、IEGT和SGCT等器件出现，并进入实用化阶段段，从而推动变频技术向高电压、大电流、高频化方向迈进。

1.2 机遇

我们的机遇，当前发达国家以MOSFT和IGBT为代表的开关管已进入第五代。在山西煤化工、钢铁、矿山等行业中，风机及水泵电动机功率大、数量多，开发变频调速电源大有用武之地。

2007年山西消耗的总电量约为1300亿kWh，占全国消耗总电量的4%，电动机械消耗的电量占30%，接近400亿kWh，若有4%的电动机械使用变频调速电源，节电率按最低30%计算，能节电4.8亿kWh，按同比计算全国能节电120亿kWh，这相当于2个2007年三峡的总发电量(60亿kWh)，若节电率按40%计算，这个数字更可观了。

2 国内外技术水平及发展趋势、生产现状

2.1 国外技术水平及发展趋势

现代工业生产及社会发展的需要推动了交交变频技术的发展，现代电力电子器件的开发和应用，现代控制理论和控制器件的研制和应用，微控制技术和大规模集成电路的开发和应用为交流变频技术的发展和应用创造了物质和技术条件。以微处理器技术，PWM控制芯片和电力电子开关器件为基础，以正弦脉宽调制(SPWM)技术、矢量变换技术、直流转矩控制和网络通信技术为先导的全数字化控制技术作为控制手段，交流变频电源经历了一个由传统交交直接变频到交直交变频，再到矩阵交交变频的全过程。

从1956年普通晶闸管问世到20世纪80年代以前，以晶闸管为核心的交交变频电路广泛应用于电机传动系统。随着技术的进步，晶闸管为核心的交交变频电路已不能满足变频技术的发展需求。到20世纪80年代各种全控器件GTR、GTO和IGBT相继问世，逐渐成为交直交变频调速技术的主流。此阶段日本公司广泛采用变压变频(VVVF)技术，并将变频调速电源向各个领域延伸。西门子将矢量控制变频调速电源推向市场，并形成系列产品。1995年ABB公司首先推出了直接转矩控制通用变频器，目前已成为各系列通用变频器的核心技术。20世纪90年代初美国首先推出矩阵变换器的实验装置，经过十几年的发展，矩阵变频调速电源已成为当前的领先技术。

从国外变频调速技术发展历程来看，关键技术是功率开关管、控制电路和主电路拓扑结构三大部分。第一代变频调速电源始于20世纪60年代，其开关管是可控硅、分离式控制电路和交交拓扑结构;第二代始于20世纪70年末，其开关管是10kHz的可关断器件、部分集成控制电路和交直拓扑结构;第三代始于20世纪80年代末，其开关管是100kHz的高频开关器件、大规模集成控制电路和层叠式拓扑结构;第四代始于20世纪90年代初，其开关管是200kHz高频高压MOSFET和IGBT、数字控制电路和矢量拓扑结构;第五代始于2000年，其开关管是高频高压大电流的 IGBT、GCTT、IEGT和SGCT实现四遥功能的全数字化控制电路和直接转矩拓扑结构。

2.2 国内技术水平及发展趋势

国内变频调速电源起步较晚，20世纪80年代开发出以晶闸管为核心的交交变频电路，少量的应用到电机传动系统中。20世纪80年代后期随着我国的入世、工业生产步伐的加快，在节能减排政策的推动下，不断提高生产中的能源利用率，逐步向国际节能降耗标准靠拢，使变频调速技术得到了长足的发展，特别是基于GTR、GTO和IGBT的变频装置在性能和价格上可以和直流调速装置相媲美，逐渐成为变频调速装置的主流技术。此阶段在国内重点设备中使用了变频调速装置，但还没有达到普及应用的程度。我国矩阵变换方面的研究始于20世纪90年代，南京航天航空大学，浙大、哈大、上海大学、福州大学、华中科技大学及清华大学等都开展了这方面的研究，但总的说来，我国的矩阵变换器的研究工作无论在理论上还是在实际应用上，与国际领先水平相比还有不小的差距。

从国内变频调速电源发展历程来看，关键技术也是功率开关管，控制电路和主电路拓扑结构三大部分。由于国内不能生产功率开关管和大规模集成电路，造成该产品落后二十年，其工艺技术落后更多，目前我们只能使用国外第三代开关器件和小规模集成电路，至于第四代和第五代产品国内只有理论上的探讨。

2.3 生产状况

国外成批生产并大量用于工农业生产的是第三代和第四代变频调速电源，所有电动机械都通过变频调速电源供电。其第三代产品将被淘汰，第五代产品将装备新兴的电动机械产品，到2015年逐步取代第四代产品。

国内成批生产的是第二代产品，在部分电动机械中投入使用，绝大部分电动机械还是采用传统供电方式。国内的第三代产品也有部分生产能力，但与实际需求还差得很远。一些新开发的重点电动机械项目，都使用了变频调速电源，但绝大部分是进口，独资或合资企业的产品，日本几家公司，西门子和ABB公司的第四代变频调速电源。

3 技术来源、开发研制现状及国产化状况

(1)技术来源:从电源世界、电源技术应用、电源资讯、中国电源博览、今日电子、电子系统设计、IEEE电子学和IEEE工业应用等电力电子杂志上，了解了电力电子装置的发展史和实际应用，变频调速电源涵盖的三大技术、开关管、控制电路和主电路拓扑结构。

专家认同一个观点就是变频电源在中国大有可为，用现代的变频调速电源为异步电机实现无级变速，确保节能30%～70%(取决于应用场合)，这对节能减排目标的实现是个可观的数字，再加上新开发的矿山、电力、水利和送风机械的应用，节能效果更加凸显出来。

(2)开发研制现状:目前多家公司都以国家级或省市级技术中心为依托，以电力电源产品技术为基础，集中优势技术力量对变频调速电源项目进行了全面市场调研、论证，并对相关技术进行了消化吸收，制定了可靠实施方案。争取以最快速度产出物美价廉的产品与国外产品竞争。

(3)国产化状况:该项目的产品图纸、工艺技术属于自主知识产权范围，其原材料国内大部分都能自产，随着技术进步，其元器件成本逐年下降，预计到2013年90%为国产元器件，功率开关管及各种集成电路等进口元器件仅占10%左右。

4 项目内容、开发方案及经济技术指标

4.1 项目开发内容

变频调速电源的研制，以TY6KV050A为例，主要技术指标是输出电压为3相6000VAC，输出功率300kW，输出频率范围0.5～120Hz。从输出功率等级可分为大功率(1kkW以上)、中功率(100kW左右)和小功率(10kW左右)。该项目适于300kW，居于中等功率范围，项目研制成功后可向大功率和小功率两个方向延伸，形成系列产品是该项目的特色。

主要技术创新点，就是整合国外第三代功率开关管、集成控制电路和主电路拓扑结构实用技术，打破国外同类产品垄断国内市场的局面，形成本土化系列产品，以其价格的优势参与竞争。

解决的关键技术，在大功率开关器件方面，主要使用可关断开关器件，用IGBT和CMOS去替代半控开关器可控硅。从而推动变频技术向高电压、大电流、高频化方向迈进。该项目选用高压大电流IGBT模块作为开关器。在控制器件方面，首先用好正弦脉宽调制(SPWM)技术，能提高效率的零压(ZVT)和零流(ZCT)开关控制技术。然后向DSP全数字化控制方向发展。在拓扑结构方面，首先要灵活运用改进式层叠式多电平变频器，然后去探讨矩阵式变频器的拓扑结构。

在散热方面，虽然新一代开关使变频电源的效率由80%提高到90%，其散热任务显著减轻，但仍有10%的能量变成热能，需要快速散掉，随着整机体积的减小，散热仍是严峻的挑战，设计良好的散热系统是技术人员务必完成的任务。

在电磁干扰(EMI)方面，随着体积的减小，频率的提高，会带来严重的机内电磁干扰，干扰严重时会破坏本机的工作状态，使各种保护功能失效，故防止电磁干扰的危害也是技术人员不可忽视的设计问题。

在焊接方面，随着集成电路的体积大幅度减小，其脚间距由2.54mm减到1.25mm，现在又减到0.63mm，人工焊接无法完成，必须建立数控平面焊系统，确保焊接牢固可靠。另外要向欧盟RoHS指令靠拢还要求对数控平面焊系统进行改造，使其满足无铅焊接指令的要求。在绝缘性能方面，工作电压6kV/10kV属于高压设备，绝缘隔离性能要满足国家的强制要求，确保设备安全运行，并保护使用电网的安全。

4.2 项目开发方案

根据目前各公司的具体情况和该项目的主要技术指标，其输入电压要求3相6kV交流，有的公司的变电站只能供给3相380VAC，故实验方案分两步走，第一步只能利用公司的现有设备进行实验，实验取得一定的进展后，再增加变电站等设施。

(1)第一阶段，主电路选用层叠式拓扑结构。通用的层叠式结构要求输入电压为3相6kVAC电源，其输入采用降压变压器，在没有高压变电站的情况下，打算输入端采用升压变压器，这样能等效我们已有的3相6kVAC电源，实验成功后，再考虑换入变电站设备，为成批生产做好准备。

该项目输出电压要求3相6kVAC，输出功率为300kW，居于中等功率的设备，第一步实验先考虑100kW，成功后再扩展到300kW。该项目控制电路选用大规模集成电路，其管脚间距为0.63mm，手工无法焊接，可采用外协进行实验。

(2)第二阶段，在总结第一阶段取得的成果基础上，抓住完全自主开发这个中心环节，重点开展下列工作。购买测试设备，建设高压变电站和大规模集成电路焊接设备，为成批生产做好准备。

变频调速电源属于电力电子工业，我国电力电子工业的发展水平落后于先进国家10年～20年，而其工艺技术要落后15年～30年，如此大的差距，在我们的技术创新项目中去解决电力电子工艺技术就显得尤为重要。

(3)第三阶段，变频调速电源历经40年的发展，到目前解决好小型轻量化、模块化、智能数字化、长寿命和高可靠性是世界各国共同的奋斗目标，其在小型轻量化方面每前进一步都要带来相互干扰、散热和可靠性诸多困难，这些困难都与工艺技术息息相关。小型化就是安装紧凑，元件和部件集中带来的干扰和散热问题越大，因此要采取工艺创新。主电路中较大的元器件和部件要合理布局，输入和输出端要明确分开，输入和输出接线排要安排在整机的两侧或两端，防止走线混杂。发热量大的开关管、变压器和滤波电容要带有足够大的散热片，并有较大的散热空间，这些发热元件尽量远置。

控制数字电路要尽量靠近被控元器件，使相互之间的干扰减至最小，火线和零线要尽量加粗，减小引线电阻，特别是公共零线要单点接地，其接地面积是较粗走线的10倍以上。

数字电路要选用抗干扰性能较强的部件，确保机内干扰不破坏其工作。过压、过流、限流和过热保护功能完善，并有声光告警显示，使操作人员可及时处理故障。确保大功率开关管和整流管正常工作，提高整机的可靠性和供电安全。在电力电子开关器件的实用技术、正弦脉宽调制技术(SPWM)和层叠式拓扑结构方面有所突破，力争达到国内先进水平。

4.3 经济技术指标

4.3.1经济指标

研制的变频调速电源(TY6KV050A)主要由高压开关、移相隔离变压器、功率单元、主控单元、电压电流检测单元和可编程人机接口通信单元组成的。

4.3.2产品主要技术指标

高压变频电源TY6KV050A主要技术指标

输入电压:6kVAC/50～60Hz/3相±10%

功率因数:0.95

输出电压:6kVAC/3相

输出功率:300kW(满载下)

输出频率:0.5～120Hz(按设置受控)

输出效率:90%(满载下)

输出稳压:±2%(电源+负载调整率)

绝缘电阻:＞2MΩ(环境湿度90%时)

绝缘耐压:10kVAC(环境湿度70%时)

环境温度:－10℃ ～45℃

环境湿度:＜90%

外形尺寸(mm):1200×2000×1000(WXHXD)

整机重量(kg):2000

5 结束语

该项研制成功后，可改变电动机械传统供电方式，实现异步电动机变频调速，可在大范围内，大幅度节能高达30%～70%(取决于应用场合)，为我国的节能减排做出贡献，并对电子工业产生新的推动力，使全国的机电一体化向前迈进一步。