变频器现状及未来大功率IGBT模块的发展

中矿传动技术交流

行业动态

2021年第6期

2021年5月18日发布

       变频技术在发达国家己经成熟，随着新的电力电子器件的不断出现，新的变频技术层出不穷，使其得到了更广泛的推广应用。变频技术的迅速发展是建立在电力电子技术的迅速发展、电力电子器件及材料的开发及器件制造工艺水平提高基础之上的，尤其是高压大容量绝缘栅双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT器件的成功开发，使大功率变频技术得以迅速发展，性能日益完善。下面对变频器的现状及其未来的技术发展方向进行分析介绍。

上：变频器的发展现状

        我国50%～60%的发电量用于交流电动机，而容量在3kw以上，额定电压一般为3～10kV的电动机占电动机总装机容量的40%～50%。由于我国中压变频技术仍没有形成产业化，落后于国外发达国家，因此这部分电动机在负载工况变化时，缺少经济可靠的调速手段，每天都在浪费着大量的电能，因此国内潜在着巨大的中压大功率变频器市场。

       我国的中高压变频器市场具有其特殊性，包括：

（1）行业性很强，主要集中在冶金、电力、供水、石油、化工、煤炭等行业。

        在工业用电中石油、煤炭等能源行业耗电占22.34%；化工占14.73%；冶金占14.18%；机械建材占10.96%；供水占10.53%。

（2）目前国内各行业中，只有少数企业选用了国产大功率变频器作为电机调速方式，市场空白点多，潜力巨大。

（3）中高压变频器属投资类设备，主要用于节能和改善生产工艺。用户是否购买此类设备与政府的政策导向关系很大。

       如政府推广力度较大，市场启动会快一些，反之则慢。另一方面市场还受国际、国内经济大环境的影响以及国内某些行业的整体经济效益好坏的影响。因此在未来市场发展过程中国产化替代将是一个不可忽视的市场因素。

（4）海外公司的知名品牌产品在关键设备和工艺上仍占据主导地位，国内品牌变频器在行业上进行全面崛起还有很长的一段路要走。

       交一交变频是早期变频的主要形式，适应于低转速大容量的电动机负载。其主电路开关器件处于自然关断状态，不存在强迫换流问题，所以老一代电力电子器件—晶闸管就能完全满足它的要求。由于其技术成熟，在国内开发研制也非常多，目前在国内仍有一定的市场。

     交一交变频在其主接线中需要大量的晶闸管，结构复杂，维护工作量较大，并因采用移相控制方式，功率因数较低，一般仅有0.6～0.7，而且谐波成分大，需要无功补偿和滤波装置，使得总的造价提高。

      交一直一交变频采用了多种拓扑结构，如中一低一中方式，其实质上还是低压变频，只不过从电网和电动机两端来看是高压。由于其存在着中间低压环节，所以具有电流大、结构复杂、效率低、可靠性差等缺点。由于其发展较早，技术也比较成熟，所以目前仍广泛应用。

        随着中压变频技术的发展，特别是新型大功率可关断器件的研制成功，中一低一中方式具有被逐步淘汰的趋势。而直接中压变频方式，因没有中间的低压环节，结构上有着广阔的发展前景。
     变频器的逆变器普遍采用大功率场效应管MOSET、大功率晶体管GTR、可关断晶闸管GTO等的自关断元件，其中GTR应用较为普遍。但是在调制策略发展和要求逆变器输出谐波分量更小的情况下，必须提高开关频率，为此，GTR满足不了这个要求，于是开发出了一种新元件IGBT。

       IGBT的全称是绝缘栅双极晶体管，是一种把MOSET与GTR巧妙结合在一起的电压型双极/M05复合器件，IGBT具有输入阻抗高、开关速度快、元件损耗小、驱动电路简单、驱动功率小、极限温度高、热阻小、饱和压降和电阻低、电流容量大、抗浪涌能力强、安全区宽、并联容易、稳定可靠及模块化等一系列优点，是一种极理想的开关元件。

      目前，IGBT已经广泛应用于大中小功率变频器中，其最大电流可达3600A，最高耐受电压可实现6500V、最大开关频率40kHz。IGBT不仅用于500V以下低压变频器，还可以用于500V以上中高压变频器以驱动高压电动机。此类中压、高压变频器经过多年的技术研发，已实现采用多电平逆变器输出高压。同时，由于IGBT具有较高的性价比优势，预计近十年内不会被新开发的元件所取代。

     本文未完待续，敬请留意近期刊发《变频器技术发展动向（下）》。本文部分文字图片内容，来自网络，如有侵权，请联系编者删除。）

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