发表于:2003-06-18 14:10:00
5楼
DFCVERT-MV型高压大功率变频器技术(论文摘要)
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内容摘要:
本文通过对现在广泛使用的移相整流串联迭加型高压大功率变频装置的主要特点,技术优势和与国外同类产品的简单对比论述了高压大功率变频器的应用、技术方案等。对国产高压大功率变频技术也提出了一些有益的建议。
主题词:高压大功率 变频装置 应用研究 技术原理 工艺结构
1.概述
目前,我国能源生产和消费仅次于美国,位列世界第二,但国民生产总值却排在第八位左右,其中最重要的原因之一就是单位产值能耗太大。我国具有各类风机约780万台,水泵4,000万台,空压机560万台,这些装置又占去了电机耗电的一半以上。由于这些设备一般均采用恒速驱动,每年造成大量能源浪费。在此类负载中,80%左右容量由大中型电机拖动。因此,研究大中容量电机调速节能技术对于我国工业降低单产能耗具有重要意义。此外,在轧钢、造纸、水泥制造、矿井提升、轮船推进器等传统工业改造和高速列车等现代交通工具中也需要使用大容量电机调速系统,以提高系统性能和生产效率。
最近,美国著名节能公司英福特科技公司注1在北京展示了其最新的TVSS节电技术系列产品。该公司认为,中国能源需求增长迅速,中国目前的节电潜力很大。美国一家专业能源机构指出,中国可能在近几年内取代美国成为全球节电市场最大的买家。而新西兰的一家研究机构通过对中国2000年各省的统计年鉴、中国统计网、中国能源协会等的耗电信息统计分析后认为,中国内地节电市场份额高达3000亿元人民币。据了解,经过“九五”期间的快速发展,我国电力供需已达到总量平衡。到去年底,全国发电装机容量已达到3.19亿千瓦,发电量13685亿千瓦时,均居世界第二位,成为电力生产和消费大国。随着中国经济的发展和社会用电量进一步加大,这个数字还将不断增加。目前,中国工业消耗的能源超过能源总量的三分之二,国有企业能源使用占大头。对国有企业能源使用的研究表明,如果将我国现有的过时的设备和工艺立即用当今世界最先进的技术来代替,将能源效率提高到新的水平,我国具备在现有的能耗总量上节省40—50%能耗的技术潜力。据估计,这3000亿元的节能份额中变频调速节电的市场份额将达到约800亿元。当然如此彻底的设备改造是不现实的,这一数字只是作为一个有用的技术参考点。
基于我国目前这样一种用电状态以及未来潜力巨大的节电市场,我们研制生中/高压大功率变频器的厂家负有艰巨的使命,同时也面临着巨大的机会和挑战:历史已经给了我们巨大的机会,我们只有不断努力,紧跟世界变频器市场的步伐,在技术上与发达国家同步发展,为我国的节电产业和变频器市场的发展贡献我们的力量。
2.国际国内主要的变频技术介绍
2.1变频技术的发展起因
多少年来,人们都在孜孜不倦地研究电的任意变换,随着工业革命步伐的持续加快,人们更想利用电子技术将固定频率的交流电变换为任意频率的交流电,从而可以满足机器设备的不同需要。
很长时间以来,由于电力电子器件的发展跟不上人们的需要,使得固定频率的交流电的使用受到一定限制。
近些年来,社会技术的发展服从著名的莫尔定理,我们知道计算机的性能服从莫尔定理每18个月提高一倍,同样地人们在电力电子技术上也获得了非常大的进步,每过一段时间,就有新的技术和新的器件出现。正是因为电力电子技术的飞速发展,使得变频技术得到前所未有的进步和发展。最近十来年,电力电子器件已经从大功率二极管DO到可控硅器件SCR,又从大功率晶体管器件GTR 、门极关断晶闸管GTO、MOS功率场效应管MOSFET,再到IGBT以及IGCT、MCT、IPM等,每一次元器件的进步都会带动变频器技术的飞速发展。
八十年代早期,美国RCA公司和GE公司推出新的IGBT元器件之后,就在低压变频领域产生了一次变革。从日本三垦公司1988年第一台低压变频器进入中国后,上世纪九十年代初,中国企业才开始认识变频器的作用并尝试使用。当时的年销售量仅在3,000-4,000万元人民币,而且几乎全部是国外品牌。经过近十余年的推广和使用,低压变频器已得到广大企业用户的认可并显示出它有效的节能效果,品牌也从单一的国外品牌发展到了70余个品牌(其中国产占到40%左右)。
2.2中高压大功率变频器技术简介
2.2.1电力电子器件的应用
我们知道,现代变频技术离不开电力电子器件的发展,变频技术的每一次进步都是由于出现了新的器件和更为先进的控制方法和微电子器件。
70年代以后,随着电力电子技术的发展,功率晶体管GTR、门极关断晶闸管GTO、功率MOS场效应管Power MOSFET、绝缘栅双极晶体管IGBT、集成门极换相晶闸管IGCT、MOS控制晶闸管MCT、智能功率模块IPM等电力电子器件相继问世,给我们研制设计和制造变频设备提供了多种选择,也使得研制高压大功率变频器成为可能。
早期的变流设备广泛采用的是普通半导体晶闸管SCR和双极型晶体管GTR。晶闸管SCR器件存在诸如开关频率低、一般只能采用自然换流进行关断、若采用强制关断,则需要比较复杂的电路等缺点。而GTR虽然具有全控功能,且其工作频率也比较高,但是由于它们为电流控制器件,在大功率应用时,需要较大的驱动电流,因此其驱动电路较为复杂,效率较低。由于SCR和GTR的这些固有的缺点,因此现代变频技术一般都不使用这些器件。
现在的变频设备普遍采用的是GTO器件和IGBT器件,因为这两种器件都具有可控关断功能,而且可以工作在较高的电压下,输出电流也比较大。
由于GTO器件具有单个器件工作电压高、导通电流大等优点,目前在牵引调速设备上占有压倒性优势。但是它工作频率低、保护电路复杂的缺点也限制了它的用途,使用这种器件很难做出高性能的变频设备。
IGBT器件目前是制造各种变频调速装置的主要电力电子器件,其主要原因是因为IGBT器件具有很高的开关频率、在保证器件工作时不发生擎住效应的情况下,其du/dt、di/dt允许达到数千伏(安)/微秒数量级、而且具有驱动保护电路简单易用和较高的工作电压和较大工作电流等优点。但是IGBT工作时的导通饱和压降达到3-4伏,因此功率损耗较大、器件温升较高这些缺点也是不容忽视的,限制了它的应用,此外,由于器件制造工艺的原因,目前器件的最高工作电压只能达到4千伏左右,工作电流最大达2000安培,常见的IGBT器件的工作电压大约为2—3千伏、电流为数百安培,因此IGBT的使用也受到了一定的限制。
根据电力电子器件的发展,我们预计几年后变频设备上最有使用前途的电力电子开关器件当数门极换相晶闸管IGCT、MOS控制晶闸管MCT,其中尤以具有非常优异的参数性能的MOS控制晶闸管MCT最具发展潜力。IGCT器件兼具可控硅的优点及IGBT的优点,在10kHz以下高压大功率产品上具有非常好的应用前景,是我们研制设计高压大功率变频器企业应该密切关注的。而MOS控制晶闸管MCT器件在形成工业化的产品后将会成为今后变频设备的主流开关器件,其原因是这种器件具有如下优点:
a.MCT是电压控制型器件,而SCR是电流控制器件,因此这种器件的控制将会比其它器件简单。
b.具有非常大的电流密度,对于给定的正向压降,MCT具有最大的电流密度。一般情况下,其电流密度为GTR的10倍、达林顿管的30倍、功率MOSFET的100倍、普通晶闸管的500倍。
c.电压、电流容量大,在击穿电压3000V峰值电流1000A时,其最大关断电流密度为6000A/cm2。
d.通态压降小,其饱和压降仅为IGBT的1/3,约为1.1V。
e.具有极高的di/dt(=20000A/μs)及du/dt(=20000V/μs)。
f.开关速度快,开关损耗小(开通时间200ns,可在2μs时间内关断1000V的电压。
g.允许的工作温度高,允许工作温度可达200oC以上。
h.对于恒定的电容值,MCT无米勒效应,因此可大大地简化门极驱动设计,增加门极驱动的可靠性。
i.即使关断失效,MCT也不会损坏
当然,还有功率集成电路PIC以及智能模块IPM也值得我们变频器生产厂家的密切关注。
由于其它器件还有这样那样的缺点或不成熟,因此目前变频器上使用的主流电力电子开关器件还是IGBT。。。。。。。。