??1 前言??

　　隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高壓大功率變頻調(diào)速裝置不斷地成熟起來，原來一直難于解決的高壓問題，近年來通過器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。其應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍也越來越為廣范，這使得高效、合理地利用能源（尤其是電能）成為了可能。電機(jī)是國民經(jīng)濟(jì)中主要的耗電大戶，高壓大功率的更為突出，而這些設(shè)備大部分都有節(jié)能的潛力。大力發(fā)展高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)，，將是時代賦予我們的一項神圣使命，而這一使命也將具有深遠(yuǎn)的意義。

　　2　高壓變頻器的分類及其電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　高壓變頻器的種類繁多，其分類方法也多種多樣。按著中間環(huán)節(jié)有無直流部分，可分為交交變頻器和交直交變頻器；按著直流部分的性質(zhì)，可分為電流型和電壓型變頻器；按著有無中間低壓回路，可分為高高變頻器和高低高變頻器；按著輸出電平數(shù)，可分為兩電平、三電平、五電平及多電平變頻器；按著電壓等級和用途，可分為通用變頻器和高壓變頻器；按著嵌位方式，可分為二極管嵌位型和電容嵌位型變頻器等等。

　　2.1電流型變頻器

　　由于在變頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電感元件而得名，其優(yōu)點是具有四象限運行能力，能很方便地實現(xiàn)電機(jī)的制動功能。缺點是需要對逆變橋進(jìn)行強(qiáng)迫換流，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整較為困難。另外，由于電網(wǎng)側(cè)采用可控硅移相整流，故輸入電流諧波較大，容量大時對電網(wǎng)會有一定的影響。如圖1、3所示。

　　2.2電壓型變頻器

　　由于在變頻器的直流環(huán)節(jié)采用了電容元件而得名，其特點是不能進(jìn)行四象限運行，當(dāng)負(fù)載電動機(jī)需要制動時，需要另行安裝制動電路。功率較大時，輸出還需要增設(shè)正弦波濾波器。如圖2、4所示。

　　2.3高低高變頻器

　　采用升降壓的辦法，將低壓或通用變頻器應(yīng)用在中、高壓環(huán)境中而得名。原理是通過降壓變壓器，將電網(wǎng)電壓降到低壓變頻器額定或允許的電壓輸入范圍內(nèi)，經(jīng)變頻器的變換形成頻率和幅度都可變的交流電，再經(jīng)過升壓變壓器變換成電機(jī)所需要的電壓等級。

　　這種方式，由于采用標(biāo)準(zhǔn)的低壓變頻器，配合降壓，升壓變壓器，故可以任意匹配電網(wǎng)及電動機(jī)的電壓等級，容量小的時侯（<500kw）改造成本較直接高壓變頻器低。缺點是升降壓變壓器體積大，比較笨重，頻率范圍易受變壓器的影響。

　　一般高低高變頻器可分為電流型和電壓型兩種。

　　2.3.1高低高電流型變頻器

　　電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，在低壓變頻器的直流環(huán)節(jié)由于采用了電感元件而得名。輸入側(cè)采用可控硅移相控制整流，控制電動機(jī)的電流，輸出側(cè)為強(qiáng)迫換流方式，控制電動機(jī)的頻率和相位。能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的四象限運行。

　　圖1

　　2.3.2高低高電壓型變頻器

　　電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，在低壓變頻器的直流環(huán)節(jié)由于采用了電容元件而得名。輸入側(cè)可采用可控硅移相控制整流，也可以采用二極管三相橋直接整流，電容的作用是濾波和儲能。逆變或變流電路可采用GTO ，IGBT，IGCT 或 SCR元件，通過SPWM變換，即可得到頻率和幅度都可變的交流電，再經(jīng)升壓變壓器變換成電機(jī)所需要的電壓等級。需要指出的是，在變流電路至升壓變壓器之間還需要置入正弦波濾波器(F)，否則升壓變壓器會因輸入諧波或dv/dt過大而發(fā)熱，或破壞繞組的絕緣。該正弦波濾波器成本很高，一般相當(dāng)于低壓變頻器的1/3到1/2的價格。

圖2

　　2.4高高變頻器

　　高高變頻器無需升降壓變壓器，功率器件在電網(wǎng)與電動機(jī)之間直接構(gòu)建變換器。由于功率器件耐壓問題難于解決，目前國際通用做法是采用器件串聯(lián)的辦法來提高電壓等級，其缺點是需要解決器件均壓和緩沖難題，技術(shù)復(fù)雜，難度大。但這種變頻器由于沒有升降壓變壓器，故其效率較高低高方式的高，而且結(jié)構(gòu)比較緊湊。

　　高高變頻器也可分為電流型和電壓型兩種。

　　2.4.1高高電流型變頻器

　　它采用GTO，SCR或IGCT元件串聯(lián)的辦法實現(xiàn)直接的高壓變頻，目前電壓可達(dá)10KV。由于直流環(huán)節(jié)使用了電感元件，其對電流不夠敏感，因此不容易發(fā)生過流故障，逆變器工作也很可靠，保護(hù)性能良好。其輸入側(cè)采用可控硅相控整流，輸入電流諧波較大。變頻裝置容量大時要考慮對電網(wǎng)的污染和對通信電子設(shè)備的干擾問題。均壓和緩沖電路，技術(shù)復(fù)雜，成本高。由于器件較多，裝置體積大，調(diào)整和維修都比較困難。逆變橋采用強(qiáng)迫換流，發(fā)熱量也比較大，需要解決器件的散熱問題。其優(yōu)點在于具有四象限運行能力，可以制動。

　　需要特別說明的是，該類變頻器由于較低的輸入功率因數(shù)和較高的輸入輸出諧波，故需要在其輸入輸出側(cè)安裝高壓自愈電容。

　　其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　圖3

　　2.4.2高高電壓型變頻器

　　如圖4所示，電路結(jié)構(gòu)采用IGBT 直接串聯(lián)技術(shù)，也叫直接器件串聯(lián)型高壓變頻器。其在直流環(huán)節(jié)使用高壓電容進(jìn)行濾波和儲能，輸出電壓可達(dá)6KV，其優(yōu)點是可以采用較低耐壓的功率器件，串聯(lián)橋臂上的所有IGBT作用相同，能夠?qū)崿F(xiàn)互為備用，或者進(jìn)行冗余設(shè)計。缺點是電平數(shù)較低，僅為兩電平，輸出電壓dV/dt也較大，需要采用特種電動機(jī)或整加高壓正弦波濾波器，其成本會增加許多。它不具有四象限運行功能，制動時需另行安裝制動單元。

　　這種變頻器同樣需要解決器件的均壓問題，一般需特殊設(shè)計驅(qū)動電路和緩沖電路。對于IGBT驅(qū)動電路的延時也有極其苛刻的要求。一旦IGBT的開通、關(guān)閉的時間不一致，或者上升、下降沿的斜率相差太懸殊，均會造成功率器件的損壞。

　　圖4

　　2.5嵌位型變頻器

　　鉗位型變頻器一般可分為二極管鉗位型和電容鉗位型。

　　2.5.1二極管嵌位型變頻器

　　電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，它既可以實現(xiàn)二極管中點嵌位，也可以實現(xiàn)三電平或更多電平的輸出，其技術(shù)難度較直接器件串聯(lián)型變頻器低。由于直流環(huán)節(jié)采用了電容元件，因此它仍屬于電壓型變頻器。這種變頻器需要設(shè)置輸入變壓器，它的作用是隔離與星角變換，能夠?qū)崿F(xiàn)12脈沖整流，并提供中間嵌位零電平。通過輔助二極管將IGBT等功率器件強(qiáng)行嵌位于中間零電平上，從而使IGBT兩端不會因過壓而燒毀，又實現(xiàn)了多電平的輸出。

　　這種變頻器結(jié)構(gòu)，輸出可以不安裝正弦波濾波器。

　　圖5

　　2.5.2電容嵌位型變頻器

　　電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示，它采用同橋臂增設(shè)懸浮電容的辦法實現(xiàn)了功率器件的嵌位，目前這種變頻器應(yīng)用的比較少。

　　圖6

　　2.6單元串聯(lián)型變頻器

　　這是近幾年才發(fā)展起來的一種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它主要由輸入變壓器、功率單元和控制單元三大部分組成。采用模塊化設(shè)計，由于采用功率單元相互串聯(lián)的辦法解決了高壓的難題而得名，可直接驅(qū)動交流電動機(jī)，無需輸出變壓器，更不需要任何形式的濾波器。

　　如圖7所示，以6單元串聯(lián)為例。整套變頻器共有18個功率單元，每相由6臺功率單元相串聯(lián)，并組成Y形連接，直接驅(qū)動電機(jī)。每臺功率單元電路、結(jié)構(gòu)完全相同，可以互換，也可以互為備用。

　　變頻器的輸入部分是一臺移相變壓器，原邊Y形連接，副邊采用沿邊三角形連接，共18副三相繞組，分別為每臺功率單元供電。它們被平均分成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三大部分，每部分具有６副三相小繞組，之間均勻相位移10度。

　　該變頻器的特點如下：

　　①  采用多重化PWM方式控制，輸出電壓波形接近正弦波。

　　②  整流電路的多重化，脈沖數(shù)多達(dá)36，功率因數(shù)高，輸入諧波小。

　?、?nbsp; 模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)方便，增強(qiáng)了產(chǎn)品的互換性。

　?、?nbsp; 直接高壓輸出，無需輸出變壓器。

　?、?nbsp; 極低的dv/dt輸出，無需任何形式的濾波器。

　?、?nbsp; 采用光纖通訊技術(shù)，提高了產(chǎn)品的抗干擾能力和可靠性。

　?、?nbsp; 功率單元自動旁通電路，能夠?qū)崿F(xiàn)故障不停機(jī)功能。

　　3　高壓變頻器的主要應(yīng)用領(lǐng)域

　　高壓大功率變頻調(diào)速裝置被廣泛地應(yīng)用于石油化工、市政供水、冶金鋼鐵、電力能源等行業(yè)的各種風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、軋鋼機(jī)等。