[Zusammenfassung] Dieser Artikel beschreibt den aktuellen Entwicklungsstand von Hochspannungs-Frequenzumrichtern im In- und Ausland und beleuchtet deren wichtige Rolle in der Volkswirtschaft sowie zukünftige Entwicklungstendenzen. [Schlüsselwörter] Moderne Leistungselektronik; Leistungshalbleiter; Hochspannungs-Frequenzumrichter 1 Einleitung Im Elften Fünfjahresplan ist der Aufbau einer ressourcenschonenden Gesellschaft ein wichtiger Bestandteil der zukünftigen Entwicklung. Die effiziente Energienutzung und Energieeinsparung sind konkrete Ausdrucksformen dieses Ziels. Elektromotoren gelten als Hauptstromverbraucher und sind für über 60 % des gesamten nationalen Stromverbrauchs verantwortlich. Ihr Potenzial zur Energieeinsparung ist enorm. Der Aufbau einer ressourcenschonenden Gesellschaft ist eine unerlässliche Aufgabe. Die Förderung der Drehzahlregelungstechnik ist hierfür ein notwendiges Mittel und zugleich der Schwerpunkt der Energieeinsparung bei Wechselstrommotoren. 2 Entwicklungshintergrund und Bedeutung von Hochspannungs-Frequenzumrichtern Die rasante Entwicklung moderner Leistungselektronik und computergestützter Steuerungstechnik hat eine technologische Revolution im Bereich elektrischer Antriebe ausgelöst. Die Drehzahlregelung von Wechselstrommotoren ersetzt zunehmend die Gleichstrom-Drehzahlregelung, während die digitale Computersteuerung die analoge ablöst. Die Frequenzumrichtersteuerung von Wechselstrommotoren ist ein wichtiges Mittel zur Energieeinsparung, zur Optimierung von Produktionsprozessen und Produktqualität sowie zur Verbesserung der Betriebsumgebung. Frequenzumrichter (FU) gelten aufgrund ihrer hohen Effizienz, ihres hohen Leistungsfaktors und ihrer exzellenten Drehzahlregelung sowie ihres Anlauf- und Bremsverhaltens national wie international als vielversprechendste Methode der Drehzahlregelung. Frühere Hochspannungs-FU, bestehend aus Thyristorgleichrichtern und Thyristorwechselrichtern, wiesen zahlreiche Nachteile auf, darunter hohe Oberschwingungen, die sowohl das Stromnetz als auch den Motor beeinträchtigten. Die Entwicklung neuer Bauelemente wie IGBTs, IGCTs und SGCTs hat diese Situation in den letzten Jahren grundlegend verändert. Hochspannungs-FU mit diesen Bauelementen bieten eine überlegene Leistung und ermöglichen PWM-Invertierung und sogar PWM-Gleichrichtung. Sie zeichnen sich nicht nur durch geringe Oberschwingungen, sondern auch durch deutlich verbesserte Leistungsfaktoren aus. 3. Aktueller Stand der Entwicklung von Hochspannungs-Frequenzumrichtern in China: Derzeit gibt es in China zahlreiche Hersteller von Niederspannungs-Frequenzumrichtern, die hauptsächlich Produkte für Wechselstrom mit 380 V und geringer bis mittlerer Leistung herstellen. Es gibt jedoch nur wenige Hersteller, die sich auf Hochspannungs-Frequenzumrichter mit hoher Leistung spezialisiert haben. Lediglich wenige Unternehmen mit Forschungskapazitäten oder finanzieller Stärke sind in der Lage, Hochspannungs-Frequenzumrichter zu entwickeln, zu produzieren und Serviceleistungen dafür anzubieten. Nur wenige Mittel- und Hochspannungsmotoren in China wurden bisher mit Frequenzumrichtern nachgerüstet, und diese nutzen typischerweise eine V/f-Regelung. Die Vielfalt und Leistungsfähigkeit von Hochspannungs-Frequenzumrichtern befinden sich noch in der Entwicklung, und der Markt ist weiterhin auf jährliche Importe in großen Mengen angewiesen. Diese Situation spiegelt sich hauptsächlich in folgenden Aspekten wider: ① Große ausländische Marken bauen ihren Marktanteil in China aggressiv aus und beschleunigen ihre Lokalisierungsbemühungen. ② Es gibt nur wenige Unternehmen mit Forschungs- und Entwicklungskapazitäten und industrieller Serienproduktion. ③ Die Nennleistung der in China hergestellten Hochspannungs-Frequenzumrichter ist relativ gering und überschreitet derzeit nicht 3500 kW. ④ Die technischen Standards für inländische Hochspannungs-Frequenzumrichter müssen noch standardisiert werden. ⑤ Die Zulieferindustrien für Hochspannungs-Frequenzumrichter sind unterentwickelt. ⑥ Die Produktionsprozesse sind veraltet und erfüllen die technischen Anforderungen an Frequenzumrichterprodukte kaum, die Preise sind jedoch niedrig. ⑦ Wichtige Komponenten von Frequenzumrichtern, wie Leistungshalbleiter, Treiberschaltungen und Elektrolytkondensatoren, sind vollständig von Importen abhängig. ⑧ Der technologische Abstand zu Industrieländern verringert sich, und Produkte mit unabhängigen Schutzrechten finden Anwendung in der nationalen Wirtschaft. ⑨ Frequenzumrichter mit Funktionen zur sofortigen Wiederherstellung nach Stromausfällen und zur Fehlerbehebung wurden entwickelt. ⑩ Hochspannungs-Frequenzumrichter, die für den Vierquadrantenbetrieb geeignet sind, befinden sich weiterhin in der Forschung und Entwicklung. 4. Aktueller Entwicklungsstand von Hochspannungs-Frequenzumrichtern im Ausland: Führende internationale Frequenzumrichterhersteller haben Produktserien entwickelt, deren Steuerungssysteme vollständig digitalisiert sind. Fast alle Produkte verfügen über Vektorregelungsfunktionen, und hochentwickelte Fertigungsprozesse sind ein Hauptmerkmal ausländischer Marken. In entwickelten Ländern sind Frequenzumrichter heutzutage überall dort im Einsatz, wo Motoren verwendet werden. Ihr aktueller Entwicklungsstand spiegelt sich im Wesentlichen in Folgendem wider: ① Frühe technologische Entwicklung und beträchtliche industrielle Skalierung. ② Fähigkeit zur Bereitstellung von Hochleistungs-Frequenzumrichtern mit derzeit über 10.000 kW. ③ Relativ vollständige technische Normen für Produkte zur Drehzahlregelung mit variabler Frequenz. ④ Zulieferindustrien und -sektoren im Zusammenhang mit Frequenzumrichtern entwickeln sich. ⑤ Fähigkeit zur Herstellung von Leistungshalbleitern für Frequenzumrichter, wie z. B. IGBTs, IGCTs und SGCTs. ⑥ Hochspannungs-Frequenzumrichter werden in verschiedenen Branchen weit verbreitet eingesetzt und erzielen erhebliche wirtschaftliche Vorteile. ⑦ Zunehmende Internationalisierung und Lokalisierung von Produkten. ⑧ Neue Technologien und Prozesse entstehen kontinuierlich und werden schnell und umfassend in Produkte integriert. ⑨ Derzeit sind keine 10-kV-Produkte verfügbar. 5. Zukünftige Entwicklungstrends von Hochspannungs-Frequenzumrichtern: Die Technologie der Wechselstrom-Frequenzumrichtersteuerung ist eine umfassende Technologie, die starke und schwache Ströme sowie elektromechanische Systeme integriert. Sie muss sowohl die Umwandlung großer Mengen elektrischer Energie (Gleichrichtung und Invertierung) als auch die Erfassung, Transformation und Übertragung von Informationen bewältigen. Daher lässt sie sich zwangsläufig in zwei Hauptbereiche unterteilen: Leistung und Steuerung. Erstere erfordert die Lösung technischer Probleme im Zusammenhang mit Hochspannung und hohem Strom, während letztere Software- und Hardware-Steuerungsprobleme lösen muss. Die zukünftige Hochspannungs-Frequenzumrichtersteuerungstechnologie wird sich daher auch in diesen beiden Aspekten weiterentwickeln, was sich hauptsächlich wie folgt äußert: ① Hochspannungs-Frequenzumrichter werden in Richtung höherer Leistung, Miniaturisierung und geringerem Gewicht entwickelt. ② Hochspannungs-Frequenzumrichter werden in Richtung direkter Hochspannungsbauelemente und Mehrfachschaltung (Bauelement- und Einheitenreihen) entwickelt. ③ Neue Leistungshalbleiterbauelemente mit höherer Spannung und höherem Strom werden in Hochspannungs-Frequenzumrichtern eingesetzt. ④ Gegenwärtig spielen IGBTs, IGCTs und SGCTs weiterhin eine wichtige Rolle, während SCRs und GTOs aus dem Markt für Frequenzumrichter verschwinden. ⑤ Die Anwendung sensorloser Vektorregelung, Flussregelung und direkter Drehmomentregelung wird sich weiterentwickeln. ⑥ Vollständige Digitalisierung und Automatisierung: Parameter-Selbsteinstellungstechnologie, Prozess-Selbstoptimierungstechnologie und Fehler-Selbstdiagnosetechnologie. ⑦ Einsatz von 32-Bit-MCUs, DSPs und ASICs zur Erzielung hoher Präzision und Multifunktionalität im Frequenzumrichter. ⑧ Zugehörige Branchen entwickeln sich in Richtung Spezialisierung und Großserienproduktion, und die Arbeitsteilung in der Gesellschaft wird sich weiter verschärfen. 6. Fazit: Der Aufbau einer ressourcenschonenden Gesellschaft ist eine Aufgabe für die gesamte Menschheit, und die effiziente Energienutzung ist eine Herausforderung dieses Jahrhunderts. Die Entwicklung von Hochspannungs-Frequenzumrichtern ist ein wichtiger Schritt zur Energieeinsparung. Zugehörigkeit des Autors: JZE Company Adresse: Nr. 162, Haping Road, Nangang District, Harbin 150081 E-Mail: [email protected]