1、高压变频器项目可行性研究报告书高压变频器项目可行性研究报告第1章 研究项目概述1.1立项的背景和意义近几年，我国高压变频器市场正处于一个高速增长的时期，高压变频器在电力、冶金、石油化工、供水、水泥、采矿等行业得到了越来越广泛的应用。据统计，在过去的几年内中国高压变频器的市场保持着年均40%以上的复合增长率，这个速度己经远远超过了近几年GDP的平均增长水平。随着现代电力电子技术及计算机控制技术的迅速发展，促进了电气传动的技术革命。交流调速取代直流调速，计算机数字控制取代模拟控制已成为发展趋势。交流电机变频调速是当今节约电能，改善生产工艺流程，提高产品质量，以及改善运行环境的一种主要手段。变频调速
2、以其高效率，高功率因数，以及优异的调速和启制动性能等诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。以前的高压变频器，由可控硅整流，可控硅逆变等器件构成，缺点很多，谐波大，对电网和电机都有影响。近年来，发展起来的一些新型器件将改变这一现状，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它们构成的高压变频器，性能优异，可以实现PWM逆变，甚至是PWM整流。不仅具有谐波小，功率因数也有很大程度的提高，可以达到0.96以上。已广泛应用于治金、化工、水泥、机械制造、发电等各个领域。1.2 研究方法本报告所涉及的产品范围为可调输出频率的高压交流电机驱动装置，包含相关的零配件，不含采用同类技术的伺服产品。电压等级
3、范围：1000V如：3kV/6kV/10kV等。按国际惯例和我国国家标准对电压等级的划分，对供电电压10kV时称高压，1kV10kV时称中压。我们习惯上也把额定电压为6kV或3kV的电机称为“高压电机”。由于相应额定电压110kV的变频器有着共同的特征，因此，在本报告中我们把驱动110kV交流电动机的变频器通称为高压变频器本次研究通过大量调查研究，收集了大量样本，获取了大量真实有效的一手数据，从而全面、深入地分析中国高压变频器行业的市场规模、市场划分、市场份额、行业应用、技术发展趋势、主要厂商状况等问题。第2章 市场环境分析2.1 相关政策分析国家的升级战略中，让企业进行智能化、工业化相结合的
4、改进升级，是中国企业更好提升和发展的一条重要途径。2015年10月，中德政府在第三轮磋商后发表中德合作行动纲要，宣布两国将开展“工业4.0”合作，该领域的合作有望成为中德未来产业合作的新方向。从全球范围来看，当前工业互联网得到了多个国家重视国际上工业互联网的代表是美国的先进制造战略，和德国的工业4.0。通过互联网、大数据、云计算、宽带网络等技术，通过接入传感器，实现对物理设备的信息感知、网络通信、远程控制和协作。早前有消息表示，美国GE公司提出工业互联网的概念，投资10亿美元提高效率。而德国工业4.0德国将工业分为机械化、电气化、数字化、智能制造四阶段。国内情况来看，十八大报告提出四化协同、两
5、化深度融合的方向。而“中国制造2025”更被认为将拉开工业互联网序幕。有分析指出，在未来20年中，中国工业互联网发展至少可带来3万亿美元左右的GDP增量。应用工业互联网后，企业的效率会提高大约20%，成本可以下降20%，节能减排可以下降10%左右。分析认为，行业内将出现两条显著的高速成长主线。一是高端智能装备加速成长，如工业机器人、自动化装配线、自动化仓储设备等，第二条主线是本土自动化龙头。“中国制造2025”是中国制造“三步走”战略的第一步。作为未来国家级重大战略的组成部分，工业自动化被认为将是其中一个具备中长期高景气度的分支。工业自动化设备属于智能装备的范畴，是“十二五”期间国家重点扶持发
6、展的战略性新兴产业(2010年10月国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定)。在未来五年里，伴随着人口红利消失和原材料、能源成本的上涨，中国制造业将经历由粗放型、低附加值模式向集约型、高附加值模式的转变。作为高端制造业的“基石”，工业自动化装备面临着传统产业改造提升、新兴产业发展需求双重机遇。其中，行业内将出现两条显著的高速成长主线。一是高端智能装备加速成长前期渗透率已经较高的数控机床、过程自动化系统、变频器等产品增速在明显放缓，而随着低端劳动力成本加速上行、产业升级进入白热阶段，“替代人工”属性更强、前期渗透率较低的高端智能装备，如工业机器人、自动化装配线、自动化仓储设备等，有望越过产
7、品导入期、进入高速成长期，未来5年保持年均20-30%的快速增长。第二条高速成长主线是本土自动化龙头有望崛起。受益于国家支持国产化率提升的政策意图、关键零部件的突破，掌握核心技术、研发能力强劲的国内自动化装备企业有望加快进口替代的速度，实现超过行业平均的高速成长。2015年1月1日开始正式实施新环保法，对电力行业等多个领域提出了更高的节能环保要求。目前，新环保法已经实施近一年，对电力行业的影响不言而喻。变频器依托提高功率因数、传动效率、改善工艺等节能优势，拓展电力市场，已经逐渐成为火电厂“标配”。统计结果显示，电厂用电大部分都是风机、水泵耗掉的，高压变频器的使用可使得该类负载平均节电30%，甚
8、至有些电厂达到了节能40%50%的高水平。按节能30%计算，大概3年就能收回成本，而一台高压变频器的寿命达20年以上，在此后的十几年内，可以想象收益之大。专家认为，高压变频调速系统将成为当前工业节能推广的首要产品。2.2 上游产业分析2.2.1 功率器件高压变频器的上游产业主要是电力电子器件行业，主要包括功率器件、变压器、电量传感器、电解电容、连接器、PCB板、周边设备等器件。近些年变频器产业的高速发展导致对电力电子器件需求的激增，06年年底至07年上半年甚至一度出现IGBT严重缺货的状况，国家近年也出台政策鼓励国产电力电子器件的发展。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
9、二极管到晶闸管器件，再从IGBT到IGCT，每一次功率器件的飞跃都会带动变频器技术的发展。上世纪80年代早期，美国RCA公司和GE公司推出新的IGBT功率器件之后，就在低压变频领域产生了一次革命。大功率高压变频器之所以技术较复杂，其成本价格也相当高昂，是因为高压变频器必须采用数量庞大的功率器件以串并联的方式构成整流电路和逆变电路。可用于高压变频的电力电子器件有IGBT、IGCT、GTO、SGCT、SCR、GTR等，各种功率器件性能比较如下所列。1）IGBT：目前最高水平为6.5kV/600A和1.7kV/3.6kA，实际应用中以1.7kV以下最为成熟，其优点是电压控制、驱动简单、开关频率高、开
10、关损耗小，可实现短路保护；缺点是导通（压降）损耗稍高、封装热阻大、损坏后可能产生开路。2）IGCT：新型器件，目前最高水平为6.5kV/4kA，实验室水平电压等级达10kV，其优点是电压/电流控制、开关频率较高、开关损耗小、导通损耗低；缺点是驱动较复杂，目前应用尚不太成熟、价格高。3）IEGT：IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)是耐压达4kV以上的IGBT系列电力电子器件，通过采取增强注入的结构实现了低通态电压，使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展。IEGT具有作为MOS系列电力电子器件的潜在发展前景，具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能
11、化等特点，以及采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性，使其在进一步扩大电流容量方面颇具潜力。综上比较，IEGT具有导通压降低、工作频率高、电压型门极驱动、安全工作区宽、易于串联使用等优点。从功率等级和电压等级上来讲，IGCT、IEGT与IGBT的定位远不相同，IGCT及IEGT主要应用在高压大容量的场合，IGBT应用在低压高频小容量场合。IGCT、IEGT开关频率都很高，在500-1000Hz之间，虽然远不及IGBT高，但在很多场合已经足够。IGCT是电流脉冲驱动，驱动功率比较大，但其门极驱动电路集成在IGCT内，对外只有门极驱动供电接口和用于传输触发信号和反馈状态的光纤，驱动体积小且简易。I
12、EGT是电压驱动型器件，驱动功率与IGBT差不多。IGCT是晶闸管的复合管，可直接串联，因此不必过多考虑均压措施。而IGBT在串联使用时应考虑均压措施。IGCT与IEGT导通和关断损耗都很低，尤其是IGCT，如果不计驱动功率，同电压等级的IGCT损耗要比IGBT更低。对于IGCT和IEGT来说，4.5kV/3kA是较常用的规格，其容量和电压等级要远比IGBT大得多，更适合应用在大功率FACTS装置及大功率传动装置中。现阶段，国内IGBT市场主要被欧美、日本企业所垄断。由于IGBT对于技术要求较高，IGBT的厂商比较集中，主要包括欧洲厂商Infineon、Semikron、ST、美国厂商Tyco
13、、IR、Fairchild、IXYS、APT；日本厂商Fuji、Toshiba、Mitsubishi。国产高压变频器使用的IGBT模块主要是Infineon（EUPEC），西门子、ABB等外资高压变频器厂商主要使用自有品牌的IGBT模块。变频器中IGBT的成本大概会占到总成本的8-12%，低压变频器中IGBT所占的成本比例高于高压变频器。2.2.2 变压器由于高压电机是重要的被控对象，要求变频调速系统相当可靠，也就对整流变压器的可靠性提出了很高的要求，这类变压器在电磁计算和结构设计中，有许多与普通变压器不同之处，与其它整流变压器相比，也有不少特殊的地方。所以，生产移相整流变压器这一产品的门坎较
14、高，目前国内市场主要集中在北京新华都、四川眉山西格玛电气、天津佳诺电气、佛山伊戈尔电业等4-5家变压器厂家。由于高压变频器的拓扑结构目前呈多样化，整流变压器在结构上有较大差异，以西门子（Robincon）技术为代表的功率单元串联多电平技术，采用整流变压器将多个低压模块叠加（串联）而形成高压输出；ABB的ACS5000系列是三电平结构，36脉波的整流变压器共有6个移相组，每个移相组为一个变频单元供电；以AB为代表的18脉波整流逆变技术，不同于Robincon和ABB，其需要整流变压器采用三分裂形式。由于各变频器厂家技术和安装方式的不同，整流变压器在结构上有较大差异，分别有以下几种；(1)以西门子
15、（原Robincon）为代表的整流变压器采用两种结构形式。小容量采用立式结构，变压器设计紧凑、占空小、工艺性好、机械强度高、散热好、过载能力强。大容量采用常规的卧式，便于制造和安装使用。(2)北京利德华福电气技术有限公司的整流变压器采用常规的卧式结构。有集中的端子板，布置在变压器的左侧或右侧，便于接线。各移相组采用沿边三角形移相，角内封角线用nzb型纸包电磁线。(3)以广东明阳龙源电力电子有限公司和湖北三环发展股份有限公司为代表的几家变频器厂家，在变压器结构上与北京利德华福电气技术有限公司的整流变压器基本类似，只是在变压器上增设了挡风板。(4)东方日立（成都）电控设备有限公司的变压器移相组封角
16、线采用耐高温150、耐压7500v的电缆，挡风板设置在上部三分之一处。(5)日本东芝公司的变压器采用方线圈结构，以减小宽度方向尺寸，底部配置小车轮，便于现场安装移动。各移相组的接线用端子集中布置在变压器的左或右边。(6)ABB和AB公司配套用的12脉波和18脉波整流变压器。(7)对整流变压器附件的要求。一般对于整流变压器附件的要求为配风机和温控器，温度传感器多采用Pt100探头，该探头埋设在变压器的最热点，通过它向温控器或温控箱传递温度信号，温控器三相巡显温度。温控器设置3个控制点，分别起动风机、过温报警、超温跳闸功能。有厂家要求埋设带有常闭触点的温度开关，直接通过温度开关提供温度信号控制变频
17、器的运行和停止。12脉波和18脉波的变压器基本带有不同防护等级的外壳，可与变频器分开放置。在高压变频器的成本结构中，变压器是成本最高的部件之一，近年来也有不少研究人员和厂商研究不用变压器的高压变频器，如成都佳灵的IGBT直接串联高压变频器，但目前技术还不成熟。移相整流变压器还有很多课题需要进一步理论研究，如漏磁场、温度场、谐波含量、二次阻抗、更大容量的产品冷却散热方式、多种移相方式、多种结构方式等。目前这类产品的发展趋势是向单台大容量如6000kVA以上，不同的使用场合如高海拔、湿热地区、海洋平台、以及电源频率为60Hz的国家等。2.2.3 电量传感器在变频器中，霍尔电流传感器的主要作用是保护
18、昂贵的大功率晶体管。由于霍尔电流传感器的响应时间短于1s，因此，出现过载短路时，在晶体管未达到极限温度之前即可切断电源，使晶体管得到可靠的保护。电量传感器在工业控制、汽车、电力、铁路、电信、智能楼宇等领域有着广泛的应用，其中在工业控制领域主要用于UPS电源、变频器等行业。电量传感器市场主要竞争者有LEM莱姆电子、Honeywell霍尼韦尔、日本Tamura、绵阳维博电子等公司，其中在变频器中应用最多的是LEM莱姆电子、Honeywell霍尼韦尔、日本Tamura、ABB、甲神、南京中旭等品牌。电量传感器的技术发展趋势：集成化、微型化、元件化；低功耗乃至无源化；高精度、强抗干扰、高可靠；宽频、高
19、速；智能化、网络化，随着网络技术的发展和标准的统一，现在要求带现场总线接口的智能电量传感器越来越多。2.2.4 电容器电解电容在计算机、手机、汽车和消费电子等领域有着非常广泛的应用，而在变频器中，铝电解电容也是不可或缺的元器件，电解电容在变频器中主要起到滤波作用和耦合作用。变频器用的电解电容主要有日立、Nichicon、EPCOS、南通海立、红宝石、CDE、江海电容、江浩电子等品牌。目前单元串联式多电平变频器中普遍采用铝电解电容作为滤波电容。由于电解电容的额定电压不高，其标称电压通常不超过500V，在实际使用中经常需要2组或3组电容串联以满足直流母线电压的要求，这时还需要均压电阻。在电容器串联
20、使用时，电容器的漏电流成为一个非常重要的指标，较小的漏电流有助于减少均压电阻的功率，降低损耗和成本。电解电容存在的主要问题是寿命随着运行温度的上升衰减相对较快，在设计时要特别考虑温度问题。其优点是价格相对便宜，技术成熟。传统的高压变频装置中直流支撑、滤波电容器几乎全部采用铝电解电容器，主要是考虑铝电解电容器优良的容量体积比特性，及相对低廉的价格。伴随着新型金属化薄膜技术的成熟及成本的降低，基于金属化膜技术，适用于中、高压变流装置的直流支撑、滤波电容器产品（以下简称金属化电容器）已经逐步开始应用于高压变频器。薄膜电容电压较高，单个电容可达几千伏，一般不需要串联，在直流母线电压较高的场合应用有一定
21、优势。小容量的薄膜电容一般采用干式，大容量的采用油浸或充气式。作为逆变器直流环节滤波用的薄膜电容一般采用金属化安全膜，具有自愈功能，寿命较长而且耐高温，缺点是价格较贵，体积比同容量电解电容大不少。薄膜电容对长期过电压比较敏感，会导致寿命下降，在设计时要保证足够的电压裕量。国外先进的电容器及变频器制造厂家已经提出并应用了确定支撑电容量范围、依据提供电流能力进行合理选配支撑电容器的方法，将变频器使用支撑容量较铝电解电容器减少，来解决金属化电容器的不足。第3章 国内外研究开发现状与趋势3.1 概述目前，在国内高压大功率变频器厂家，在150家左右。随着技术研究的进一步深入，在理论上和功能上国产高压变频
22、器已经可以与进口变频器相比肩，但是受工艺技术的限制，与进口产品的差距还是比较明显。这些状况主要表现在如下几个方面：（1）国外各大品牌的产品正加紧占领国内市场，并加快了本地化的步伐。（2）具有研发能力和产业化规模的逐年增加。（3）国产高压变频器的功率也越做越大。（4）国内高压变频器的技术标准还有待规范。（5）变频器中使用的功率半导体关键器件IGBT完全依赖进口，而且相当长时间内还会依赖进口。（6）与发达国家的技术差距在缩小，具有自主知识产权的产品正应用在国民经济中。（7）已经研制出具有瞬时掉电再恢复、故障旁路等功能的变频器。3.2 高压变频调速技术发展历程高压变频器是在低压变频器已成功应用的基础
23、上发展起来的。高压变频器可分为交-交变频器、同步电机高压变频器和异步电机高压变频器。3.2.1 交-交大功率高压变频器上世纪80年代中期，我国冶金企业引进了几套同步电机矢量控制的交-交变频调速系统，而后冶金部自动化研究院、天津电气传动研究所等单位相继自行研制开发了交-交变频调速系统，主要应用于大型钢铁厂的轧机主传动，以取代直流调速系统。这不仅有明显的经济效益，而且锻炼了队伍，鼓舞了人心，开辟了我国高压变频器研究开发的先河。由于交-交变频器谐波污染严重，功率因数低等缺点需要增加滤波装置，无功补偿装置等，增加了设备的投资；同时也由于可控电力电子器件的发展，它有逐步被交-直-交高压变频器取代的趋势。
24、3.2.2 同步电机交-直-交高压变频器上世纪80年代宝钢引进了10kV/48MW高炉鼓风机，同时从日本东芝公司引进了交-直-交自控式同步电机变频调速起动装置，装置容量为1。2MW。此后，天津电气传动研究所为宝钢研制了一台同等容量的变频起动装置，1995年通过了机械工业部的鉴定。凡口铅锌矿为和长沙矿山研究院、冶金部自动化研究院、清华大学等单位合作，于1995年经过两年的努力，自行研制出我国第一台用于调速节能运行的同步电机直接高压变频调速装置，1997年10月在凡口矿的6kV、800kW的矿井通风机上投入生产运行，经过半年多的连续的生产运行，达到了原定的各项技术指标，通过了部级鉴定。此后冶金部自
25、动化研究院与ALSTOM公司合作，采用进口硬件，通过他们自已组态编制软件研制开发了高压直接变频全数字大型同步电机软起动控制系统。系统的主要设备由光纤触发的10kV电流型变频器、32位处理器变频起动控制及同期并网调整系统、旋转励磁系统和运行监控系统等组成。于1998年在昆明钢铁公司2*30MW的6号高炉鼓风机上成功的投入运行。由于同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源频率下也能运行，因此，在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力，能作出更快的动态响应。由于交流同步
26、电机在可靠性与维护量、功率因数、电机尺寸与转动惯量、控制精度、弱磁比等方面有其自身的优势，对于大容量电机，世界各国已基本趋向于使用同步电机。比如工业应用上大功率空气压缩机、水泵、煤炭与有色金属行业中的大功率提升机和钢厂大容量轧钢机等均采用同步电机驱动。现在国内已经投入应用的同步电机变频器，大部分采用的是交交变频，和交直交变频器相比，缺点：驱动晶闸管复杂；输出频率范围低，只能达到电网频率得1/3运行；功率因数低，谐波污染严重。在一些控制场合交交变频器的原理制约了它高速上的应用不能实现和动态响应慢的缺点。近几年，国内的主要厂家都在研发基于单元串联多电平技术的同步电机矢量控制高压变频器，利德华福、合
27、康亿盛、荣信等厂商都已有成功应用案例，为单元串联多电平高压变频器打开了一片新市场。目前日立公司在这方面的技术比较先进，他们掌握了将无速度传感器矢量控制应用于单元串联多电平高压变频器的技术，该产品在国内已有成功应用案例。3.2.3 异步电机交-直-交高压变频器早在1984年莫斯科电力科学研究院研制开发成功6kV、10kV的电流型直接高压变频器，它采用SCR串联，模拟电路控制，用于发电厂等风机、水泵的调速运行，这是世界上最先出现的直接高压变频器。后来，一些独联体国家也生产这种高压变频器。我国某些发电厂引进了这种高压变频器。辽宁电力电子公司本溪高频电源设备总厂开发了类似的采用SCR串联的1250kW
28、电流型高压变频器，由于电力电子器件和控制技术的落后而未能推广。随着电力电子器件和控制技术、微电子技术的发展，ROCKWELL AB公司开发成功GTO串联的1557系列电流型高压变频器，我国有的企业引进了这种高压变频器。AB公司在此基础上，经过改进，采用SGCT和CSI-PWM控制技术，开发成功PoerwFlex7000系列电流型高压型变频器，在我国的发电厂等行业的风机、水泵上应用已达数百台。（1）功率单元串联型高压变频器在此期间，美国ROBICON公司开发成功功率单元串联的高压变频器，他们称这种多电平的高压变频器为完美无谐波变频器，由于它谐波含量低、功率因数高等优点，使之在我国的市场上占据了一
29、定的优势。但由于它所用元器件多而带来一些故障，后经改进，如采取冗余等技术使其可靠性有了较大提高，在我国的销售量也超过百台。由于这种高压变频器所具有的优点，我国一些单位也相继开发了这种拓扑结构的高压变频器，如北京凯奇总公司、北京先行新机电公司等，之后利德华福、冶金自动化研究院、山东风光公司、北京合康亿盛公司等也都相继开发了这种拓扑结构的高压变频器。目前该技术已成为我国高压变频器应用最广泛的技术。（2）二极管箝位三电平高压变频器几乎在相同的时期里，SIEMENS、ABB、GE等公司相继开发成功中点箝位的三电平高压变频器，其拓扑结构一样，只是他们所用的功率元器件不同，如SIEMENS采用IGBT，A
30、BB采用IGCT。这种拓扑结构的高压变频器在我国的市场上也销售较好。GE公司的采用IGCT功率元件的AFE结构的三电平6kV变频器在本钢的37500kW的7机架连轧机的主传动上得到应用。我国的一些高校和厂家也进行了这种拓扑结构的研究和开发，中山明阳电器有限公司的IGCT三电平高压变频器已在风机上得到应用。（3）电容箝位四电平高压变频器ALSTOM公司的电容箝位的多电平高压变频器，如VDM系列四电平变频器以其高性能指标而在我国太钢、宝新不锈钢厂、天津无缝钢厂等的轧机主传动上得到应用。（4）直接串联IGBT高压变频器成都佳灵电气制造有限公司自主研制开发、拥有自主知识产权的直接串联IGBT高压变频器
31、，并申请了多项专利。这种拓扑结构类似于低压变频器的拓扑结构，只是功率元件由单个IGBT改换为几只IGBT的串联所取代。据了解，他们的这种高压变频器的销售也已超过百台。（5）电压型高-低-高式高压变频器调速系统除上述直接高压变频器外，高-低-高式高压变频器不应该被遗忘。在功率元件耐压受到限制时期，高-低-高式高压变频器得到了应用。以往，无论是进口的还是国产的高-低-高式高压变频器都是采用电流型变频器，因为电流型变频器的输出电压波形是正弦波，但电流型变频器存在的可靠性不高，功率因数低等问题，加之它需要有输入输出变压器，人们把它看成是落后的技术。1998年，国家经贸委下达的高压变频器技术创新项目，长
32、沙矿山研究院和韶关冶炼厂合作，采用电压型变频器构成的高-低-高式高压变频器。这是我国第一台这种型式的高压变频器，自1999年8月在韶关冶炼厂烟化炉的6kV、500kW的风机投入运行至今，一直运行正常、良好，被国家经贸委的一位领导称之为运行可靠、经济实用的高压变频调速系统。3.3 高压变频器技术分类及比较目前世界上的高压变频器不象低压变频器一样具有成熟的一致性的主电路拓扑结构，而是限于功率器件的电压耐量和高压使用条件的矛盾，国内外各变频器生产厂商，采用不同的功率器件和不同的主电路拓扑结构，以适应不同的电压等级和各种拖动设备的要求，因而在各项性能指标和适用范围上也各有差异。目前，世界上对高压电动机变频调速技术的研究非常活跃，高压变频器的种类层出不穷，主要存在以下几种技术类型。按照中间环节有无直流部分，可分为交交变频器和交直交变频器；按照直流部分的性质，可分为电流型和电压型变频器；按照有无中间低压回路，可分为高高变频器和高低高变频器；按照输出电平
