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眾所周知，大功率風機、水泵的變頻調(diào)速方案，可以收到顯著的節(jié)能效果，其直接經(jīng)濟效益很大，宏觀經(jīng)濟效益及社會效益則更大。可以預計，大功率交流電機變頻調(diào)速新技術的發(fā)展是我國節(jié)能事業(yè)的主導方向之一。

目前，阻礙變頻調(diào)速技術在高壓大功率交流傳動中推廣應用主要問題以下幾點：一是高電壓大電流功率器件缺乏，散熱技術水平較低，超大功率產(chǎn)品實現(xiàn)難度高；二是高性能矢量控制技術等低壓成熟技術在高壓變頻器上應用實現(xiàn)難度高，國內(nèi)高端應用場合對國產(chǎn)高壓認知度不高；三是5MW以下風機泵類高壓變頻技術同質(zhì)化嚴重，技術門檻降低，硬件和售后服務成本高，回款率低，從而造成了高壓變頻器企業(yè)持續(xù)發(fā)力難度加大。這幾個難題阻礙了高壓大容量變頻調(diào)速技術的推廣應用。

問題1：目前高壓變頻器發(fā)展的技術瓶頸是什么？

問題2：如何解決用戶所關心的投入產(chǎn)出比問題？

問題3：目前高壓變頻器行業(yè)除了風機和水泵之外，更應該關注哪個行業(yè)？

行業(yè)觀點

上海新時達電氣股份有限公司 研發(fā)中心 總監(jiān) 嚴彩忠

問題1：目前高壓變頻器發(fā)展的技術瓶頸是什么？

從高壓變頻器技術的實現(xiàn)而言，600A以下風機水泵類高壓變頻器的實現(xiàn)我個人覺得已經(jīng)沒有什么技術瓶頸，只是很多廠家進入該行業(yè)較晚，生產(chǎn)工藝和現(xiàn)場應用經(jīng)驗上有所欠缺而已。當前市場上主要的高壓變頻器實現(xiàn)技術是H橋級聯(lián)技術（CHB）和中點箝位三電平技術（NPC-3L）。采用CHB的有：西門子（羅賓康）、施耐德（利德華福）、合康等；采用NPC-3L的有：ABB、富士、西門子等。

一、600A以下風機泵類高壓變頻器無技術瓶頸

從1995年美國羅賓康公司在中國開始推廣CHB高壓變頻器至今17個年頭，國內(nèi)也已有超過20個廠家使用CHB實現(xiàn)了高壓變頻調(diào)速產(chǎn)業(yè)化。CHB采用1700V級電壓功率器件構建功率單元模塊（也有采用3.3kV的廠家），可靠性高。通過若干個功率單元串聯(lián)便可直接輸出高壓電，多重化整流和多電平疊加的方式有效地抑制了輸入輸出諧波，不必再采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置，因此CHB深受國內(nèi)用戶青睞。而以ABB等為代表的多電平高壓變頻技術，為解決6kV/10kV的輸出電壓，需采用4.5kV器件串聯(lián)，dv/dt過大，而后采用的混合式三電平H橋技術，雖可將電壓提高到6kV，但與傳統(tǒng)CHB相比，輸出電壓、電平數(shù)、可控器件數(shù)、整流電源數(shù)、變壓器復雜性及dv/dt等都類似，沒有突出優(yōu)點。所以在國內(nèi)占主導的依然是CHB。

二、600A以上高壓變頻器散熱、拓撲技術有待發(fā)展

通過功率單元的串聯(lián)，H橋級聯(lián)技術可以實現(xiàn)高電壓高功率輸出。但600A以上產(chǎn)品單個功率的電流較大，功率單元體積大，散熱要求高。采用常規(guī)風冷模式，需要將散熱器做的很大，同時系統(tǒng)散熱風扇要求較大，柜體體積大。如何將諸如水冷、熱管、空-水冷等技術應用到大功率單元中去，是值得研究的一個課題。同時，600A以上的移相變壓器體積重量大，這給系統(tǒng)的安裝、維護及運輸帶來了很多麻煩。加之“H橋”技術需要前級移相變壓器，在原材料成本日益上升的情況下，大功率高壓變頻器的實現(xiàn)成本也隨之上升。這將是高壓變頻器面臨的又一個技術瓶頸。當然國際國內(nèi)對高壓變頻技術拓撲研究很活躍，比如簡單的IGBT直接串聯(lián)技術、二極管/飛躍電容箝位多電平技術、統(tǒng)一箝位多電平技術、（無獨立電源）級聯(lián)多電平技術、三相三電平單元級聯(lián)技術、多電平自平衡級聯(lián)技術、MMC技術等。

三、高性能高壓變頻技術還需發(fā)展

對于一些追求高動態(tài)響應的場合，比如冶金、機車牽引、橡機密煉機、船舶推進、海上鉆井、礦井提升等，傳統(tǒng)的風機水冷類高壓變頻器一是無法滿足過載要求，二是無法滿足動態(tài)響應要求，三是無法滿足高可靠性要求。如何將低壓變頻器成熟的矢量控制技術、直接轉(zhuǎn)矩控制技術、四象限控制技術（PWM整流技術）、同步電機控制技術等應用到高壓變頻器中也是個比較時尚的課題。

目前國內(nèi)四象限高壓變頻器的常規(guī)做法是把H橋的整流改為PWM整流，能把再生能量回饋至電網(wǎng)，四象限工作。網(wǎng)側(cè)電流正弦，功率因數(shù)可調(diào)，電網(wǎng)異常降低時關斷全部開關器件，無顛覆問題。

問題2：如何解決用戶所關心的投入產(chǎn)出比問題？

高壓變頻器在風機水泵等應用場合的節(jié)能效果已被用戶廣泛接受，另外采用變頻器控制電機后，電動機啟動時及運轉(zhuǎn)過程中均無沖擊電流，可大大延長電機、接觸器及機械散件、軸承等使用壽命。因此變頻改造后，不僅節(jié)約大量電能，而且可以減少設備維修保養(yǎng)費。

隨著高壓變頻器產(chǎn)業(yè)的提升及電力電子技術的發(fā)展，采用高壓變頻器用戶的投入還可能進一步降低。一方面，高壓變頻器廠家需要通過提高技術進一步降低生產(chǎn)成本，比如擴大生產(chǎn)規(guī)模降低制造成本、提高可靠性降低售后成本、采用新技術減少原材料成本等。另一方面，EMC（合同能源管理）是一個很好的方法，由EMC公司來負責設備的安裝，用戶初期投資極少。既達到了用戶節(jié)能的效果，又減少了前期投資，還能政府給予的一定支持。我覺得隨著EMC的深入，加上高壓變頻器成本的降低，是完全可以解決用戶的投入產(chǎn)出問題的。