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变频技术的制约与发展
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【摘要】变频调速技术对于国家发展的重要性正在逐日增加，其涉及的领域也在不断扩大，本文深入浅出的分析了制约变频技术推广的重要因素，并对其发展前景作了展望。
关键词：变频技术 谐波 耐压能力
一、前言：
当今社会，工业化进程不断发展，电力、能源、冶金、矿山和石化等行业大力推行，大功率风机、水泵频繁运用，如果采用一种先进的调速系统，可以起到显著的节能效果，从而产生直接的经济效益，宏观经济效益及社会效益则更加巨大，所以我们可以断言：大功率交流电机变频调速新技术的发展是我国节能事业的主导方向之一。我国的风机、水泵、空气压缩机等大功率设备为满足运行中的最高功率要求，输出功率经常有很大的设计冗余。在没有变频器调速的情况下，一般通过阀门、风门等设备调节输出功率满足负载变化要求，输出的能量被大量浪费在阀门和风门挡板上。而在使用变频器的情况下，这些设备可以根据实际负载需要，通过调整电机转速来调整输出功率，使电动机的输出能量得到高效利用。工业企业在使用高压变频器后，有助于调整电机运行速度，优化生产工艺，可以达到显著的节能效果，在电力、冶金、石油石化、市政供水、水泥等行业，高压变频调速系统的节能经济价值明显。
二、变频技术概述：
变频器主要作用是通过改变供电频率实现对电动机转速的调节，提高电气传动系统运行效率。根据高电压组成方式可分为直接高压型和高低高型;根据有无中间直流环节可以分为交-交变频器和交-直-交变频器;在交直交变频器中，按中间直流滤波环节的不同，可分为电压源型和电流源型。直接高压交-直-交变频器直接输出高压，无需输出变压，效率高，输出频率不受限制，应用较为广泛。
变频技术的发展始终与电力电子元器件的发展密不可分，从大功率二极管到可控硅器件，再从IGBT到IGCT，每一次元器件的飞跃都会带动变频器技术的发展。八十年代初，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，直到上世纪九十年代初，中国企业才开始认识变频器的作用并尝试使用。由于高压变频器技术的复杂性和高昂的采购价格，从八十年代开始，我国某些行业在必需的前提下，才从国外进口了少量的该类装置。但真正在全国各行业中的大功率风机、水泵上使用变频调速装置直到今天也远没有普及，为了满足工艺工况和节能的迫切需要，许多企业采取了液力藕合、串极调速等调速方式。同时，随着通用变频器市场的不断扩大和发展，企业用户越来越需要一种性能优越，质量可靠，价格合理的高压变频调速装置。而高压变频调速技术的发展，正顺应了工业生产自动化发展的要求，开创了一个全新的智能电机时代，一改普通电动机只能以定速方式运行的陈旧模式，使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生产工艺要求调整转速输出，从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。
三、高压变频技术推广的限制因素：
目前，阻碍变频调速技术在高压大功率交流传动中推广应用的主要问题有两个：一是我国大容量（200kW以上）电动机的供电电压高（6kV、10kV），而组成变频器的功率器件的耐压水平较低，造成电压匹配上的难题；二是高压大功率变频调速系统技术含量高，难度大，成本也高，而一般的风机、水泵等节能改造都要求低投入、高回报，从而造成经济效益上的难题。这两个世界性的难题阻碍了高压大容量变频调速技术的推广应用，因此如何解决高压供电和用高技术生产出低成本高可靠性的变频调速装置是当前世界各国相关行业竞相关注的热点。
一般来讲，在高压供电而功率器件耐压能力有限的情况下，可采用功率器件串联的方法来解决。但是器件在串联使用时，因为各器件的动态电阻和极电容不同，而存在静态和动态均压的问题。如果采用与器件并联R和RC的均压措施，会使电路复杂，损耗增加；同时，器件的串联对驱动电路的要求也大大提高，要尽量做到串联器件同时导通和关断，否则由于各器件开断时间不一，承受电压不均，会导致器件损坏甚至整个装置崩溃。
从技术角度来分析，谐波问题是所有变频器的共同问题，尤其在大功率变频调速中更为突出。谐波会污染电网，殃及同一电网上的其它用电设备，甚至影响电力系统的正常运行；谐波还会干扰通讯和控制系统，严重时会使通讯中断，系统瘫痪；谐波电流也会使电动机损耗增加，因而发热增加，效率及功率因数下降，以至不得不“降额”使用。2007年，在天铁热轧1750mm带钢工程的调试过程中，就出现了由于精轧机的调速系统而引起的系统谐波，导致了PLC系统受到干扰，UPS输出电压从正常的380V瞬间升至900V，损坏设备，引起电机附加发热，导致电机的额外温升，影响电机绝缘，引起电机转矩脉动，噪音增加等一系列问题，严重影响了工程进度。解决谐波污染的办法有二种: 一是采取谐波滤波器，对高压变频器产生的谐波进行治理，以达到供电部门的要求，也即通常所说的“先污染，后治理”的办法; 二是采用产生谐波电流小的变频器，变频器本身基本上不对电网造成谐波污染，即所谓的“绿色”电力电子产品，从本质上解决谐波污染问题。此外，在选择电机时，电机容量必须适当放大，热参数降低使用。谐波使电机振动，噪声增加，电机应采取低噪声设计并避免可能产生的振动，临界转速必须避开整个工作转速范围。转矩脉动产生的应力集中可能对电机部件引起损坏，电机关键部位必须加强。定、转子槽形应不同于标准电机，以减少谐波引起的铜耗。采取绝缘轴承，在必要时轴上安装接地碳刷以避免轴电流对轴承的损坏。由于普通变频器输出波形中含有高次谐波成分，因集肤效应而使线路等效电阻增加，同时，在逆变器输出低频时，输出电压跟着降低，线路压降占输出电压的比例增加，因此输出电缆的截面积应当比普通接线时放大一级。
此外，高压变频器还存在效率问题，变频调速装量的容量愈大，系统的效率问题也就愈加重要。采用不同的主电路拓扑结构，使用的功率器件的种类、数量的多少，以及变压器，滤波器等的使用，都会影响系统的效率。为了提高系统效率，必须设法尽量减少功率开关器件和变频调速装置的损耗。 可靠性和冗余设计问题，一般的高压大功率拖动系统都要求很高的系统可靠性，尤其是国民经济的重要部门如电力、能源、冶金、矿山和石化等行业，一旦出现故障，将会造成人民生命财产的巨大损失，因此高压变频装置设计中是否便于采用冗余设计及旁路控制功能也是至关重要的。
四、变频技术的发展：
随着社会进步、信息技术的普及与资源、环境等层次社会问题逐渐显露，人们在提高变频器本身性能的同时，更注重了提高功率因素、节能损耗、减少电网共害、改善环境影响与工业自动化网络完美结合等综合性问题，高性能化、环保化、网络化已成为现代变频技术发展的必然趋势。
其主要发展方向有如下几项：
1、实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直接传矩控制和机械扭振补偿等;基于现代理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技术、采用微分几何理论的非线性解耦、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技术和逆奈奎斯特阵列设计方法等;基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网络、专家系统和各种各样的自优化、自诊断技术等。
2、开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为1，网侧和负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。对中小容量变流器，提高开关频率的PWM控制是有效的。对大容量变流器，在常规的开关频率下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。
3、缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能化的功率模块、紧凑型的光耦合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制造的小体积变压器、电抗器和电容器。功率器件冷却方式的改变(如水冷、蒸发冷却和热管)对缩小装置的尺寸也很有效。
4、高速度的数字控制。以32位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各种控制算法，Windows操作系统的引入使得可自由设计，图形编程的控制技术也有很大的发展。
5、模拟与计算机辅助设计(CAD)技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种CAD软件的引入对变频器的设计和测试提供了强有力的的支持。
五、结束语：
综上所述，变频器具有卓越的调速性能,显著的节约电能和保护环境等作用,是企业技术改造和产品更新换代的理想调速装置。变频器的出现让工业领域的节能闪现了新的亮点。促进节能减排,推广节能技术是变频技术领域责无旁贷的责任与义务。大力推广适用于电动机节能的调速技术,对节约一次能源,加快建设节约型社会,让有限的能源发挥最大作用,对我国工业发展有着举足轻重的意义,也是整个国家经济发展具有重要的战略意义。

参考文献：
1、 中国物资采购网
2、 中国工控网