1引言
眾所周知，電力傳動(dòng)中,，交流電動(dòng)機(jī)較直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、制造容易、價(jià)格便宜,、維修方便,，因而被大量使用。然而在起動(dòng)和調(diào)速性能方面,，交流機(jī)較直流機(jī)麻煩或困難,。
交流電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0=60f/p?？梢?jiàn),，只要能連續(xù)地改變供電電源的頻率f，便能平滑地調(diào)節(jié)交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速（式中p為電機(jī)的極對(duì)數(shù),，只能有級(jí)且有限地改變）,。
由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在由電力半導(dǎo)體器件構(gòu)成的靜止式變頻器已很成熟,，因而交流電動(dòng)機(jī)的變壓變頻（VVVF）調(diào)速已日益普及,，其優(yōu)越性亦廣為人們所熟知。
但是變頻調(diào)速至今主要還是應(yīng)用在中,、小容量和低壓電機(jī)上,，而在礦山、冶金,、化工,、石油、建材等工業(yè)部門和水廠,、電廠,，使用著大量的中、高壓風(fēng)機(jī),、水泵,、壓縮機(jī)和攪拌機(jī)等，這些機(jī)械功率都在幾百千瓦以上,，有的高達(dá)數(shù)千甚至上萬(wàn)千瓦,，它們消耗的電能是非常可觀的,。
此前,，這類機(jī)械大多采用恒速交流傳動(dòng)，而以擋板,、閥門或空放回流的辦法進(jìn)行輸出量的調(diào)節(jié),，白白損失大量的電能。因此,，在這類機(jī)械上采用變頻調(diào)速,，根據(jù)輸出量的要求用電氣手段改變輸出功率，對(duì)節(jié)能有著巨大意義,。
2高壓變頻調(diào)速電源的幾個(gè)問(wèn)題
?。?）串聯(lián)
按理，在裝置要求高壓而器件耐壓能力有限的情況下,，可采用器件串聯(lián)的辦法來(lái)滿足,。但是器件的串聯(lián)使用，因各器件的動(dòng)態(tài)電阻和極電容不同,，而存在穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴},。如采取與器件并R和RC的均壓措施，會(huì)使電路復(fù)雜,，損耗增加,；同時(shí)，器件串聯(lián)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求也大大提高,，要盡量做到串聯(lián)器件同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷,。否則，由于各器件開(kāi),、斷時(shí)間不一,，承受電壓不均，會(huì)導(dǎo)致器件損壞甚至整個(gè)裝置崩潰,。
（2）諧波
這是所有交直交變頻器的共同問(wèn)題,，但是在大功率變頻調(diào)速中更為突出。諧波污染電網(wǎng),，將殃及同一電網(wǎng)上的其它設(shè)備,，甚至影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行,，諧波電流也使電機(jī)發(fā)熱，損耗增加,，功率因數(shù)下降,，不得不“降額”使用。
（3）效率
裝置功率愈大,，效率問(wèn)題也愈益重要,。為提高效率，必須設(shè)法盡量減少功率開(kāi)關(guān)器件和變頻電源中的損耗,。
基于上述幾方面的考慮,，用全控型電力電子器件IGBT組成的、用于交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的高壓變頻器,，采用“功率單元”串接的新型結(jié)構(gòu),，即用多個(gè)低壓的脈寬調(diào)制（PWM）逆變器作功率單元，將它們按多重化格式組成高壓變頻器,，能較好地解決這幾個(gè)問(wèn)題,。
3IGBT高壓變頻器
圖1（a）,(b)是一臺(tái)6000V變頻器的主電路拓樸和連接圖。每相由5個(gè)額定電壓為690V的功率單元
串聯(lián),，因此相電壓為5×690V=3450V,，所對(duì)應(yīng)的線電壓為6000V（如果每相用4個(gè)480V的功率單元串接時(shí)，輸出線電壓則為3300V）,。每個(gè)功率單元由輸入隔離變壓器的15個(gè)二次繞組分別供電,，15個(gè)二次繞組分成5組，每組之間存在一個(gè)相位差,。圖1(b)中以中間△接法為參考（0°）,，上下方各有兩套分別超前（＋）和滯后（－）12°,24°的4組繞組。所需相差角度可通過(guò)變壓器的不同聯(lián)接組別來(lái)實(shí)現(xiàn),。
圖1中的每個(gè)功率單元都是由絕緣門雙極晶體管（IGBT）構(gòu)成的三相輸入,、單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器，主電路見(jiàn)圖2,。每個(gè)功率單元輸出電壓為1,0,－1三種狀態(tài)電平,，每相5個(gè)單元疊加，就可產(chǎn)生11種不同的電平等級(jí),，分別為±5,±4,±3,±2,±1和0,。圖3為一相合成的正弦輸出電壓波形。用這種多重化方法構(gòu)成的高壓變頻器,，也稱為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器,。
圖1所示高壓變頻器，由于每相由5個(gè)690V的
圖16000V變頻器的主電路
圖2功率單元
圖3輸出電壓波形
圖4兩功率單元串聯(lián)變頻器的電氣連接
功率單元串聯(lián)而成，不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出,，所以不存在器件均壓?jiǎn)栴},。每個(gè)功率單元承受全部的輸出電流，但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15的輸出功率,。變頻器采用多重化PWM技術(shù),，圖1變頻器由5對(duì)（每對(duì)含正反相信號(hào)）依次相移12°的三角載波對(duì)基波電壓進(jìn)行調(diào)制。對(duì)A相基波調(diào)制所得的5個(gè)信號(hào),，分別控制A1～A55個(gè)功率單元，經(jīng)疊加即可得圖3所示具有11級(jí)階梯的相電壓波形,。它相當(dāng)于30脈波變頻,，理論上29次以下的諧波都可以抵消，總的電壓和電流失真可分別低至1.2％和0.8％,，堪稱“完美無(wú)諧波”（Harmony）變頻器,。它的輸入功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，不必設(shè)置輸入濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置,。該系列變頻器同一相的功率單元輸出相同的基波電壓,，串聯(lián)各單元之間的載波錯(cuò)開(kāi)一定的相位，每個(gè)功率單元的IGBT開(kāi)關(guān)頻率若為600Hz,，則當(dāng)每相有5個(gè)功率單元串聯(lián)時(shí),，等效的輸出相電壓開(kāi)關(guān)頻率為6kHz。功率單元采用低的開(kāi)關(guān)頻率可以降低開(kāi)關(guān)損耗,，而高的等效輸出開(kāi)關(guān)頻率和多電平可大大改善輸出波形,。波形改善除減小輸出諧波外，還可降低噪音,、du/dt值和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),。所以這種變頻器用于調(diào)速電源對(duì)電機(jī)無(wú)特殊要求，可用于普通的高壓電機(jī),，且不必降額,，對(duì)輸出電纜長(zhǎng)度也沒(méi)有特殊限制。
電壓型功率單元由于有足夠的濾波電容,，變頻器可承受－30％電源電壓下降和5個(gè)周期電源喪失,。這種主電路拓樸結(jié)構(gòu)雖然使器件數(shù)量增加，但由于IGBT驅(qū)動(dòng)功率很低（峰值為5W左右,，平均不到1W）,，且不必采用均壓電路、吸改電路和輸出濾波器,，使變頻器效率高達(dá)96％以上,。
由功率單元構(gòu)成高壓變頻器的另一種方案是采用高壓IGBT器件，以減少串聯(lián)功率單元,。例如,，用3.3kVIGBT器件,，由兩個(gè)功率單元串聯(lián)的PWM電壓源變頻器，可輸出4160V中壓,；若欲6000V高壓輸出,，則只要用三單元串聯(lián)。功率單元和器件數(shù)量減少,，損耗和故障率也減少,。圖4為由兩功率單元串聯(lián)的變頻器電氣連接圖。由于輸出電壓電平級(jí)數(shù)減少,，為獲得優(yōu)良性能,，這時(shí)變頻器需帶有輸出濾波器。
上述變頻器的每一功率單元都從一個(gè)由微處理器構(gòu)成的中央控制器接受命令,，控制和通訊信號(hào)由光導(dǎo)纖維傳送,，能維持5kV的絕緣并保證良好的抗干擾性和可靠性。另外,，由于采用模塊化結(jié)構(gòu),，所有功率單元完全相同，可以互換,，每個(gè)功率單元與裝置的聯(lián)系僅為3個(gè)交流輸入,、2個(gè)交流輸出及三路通信插頭，單元的維修更換十分方便,；如采用功率單元旁路技術(shù),，可使變頻器在功率單元損壞的情況下繼續(xù)降額運(yùn)行。
4結(jié)語(yǔ)
工業(yè)中,，中,、高壓電動(dòng)機(jī)有著大量的應(yīng)用。要實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速,，以前多采用所謂“高低高”方案,，即中間仍采用低壓變頻器，而在它的輸入和輸出兩邊分別用降壓和升壓變壓器來(lái)適配電壓等級(jí),。這樣可利用價(jià)格相對(duì)較低,、使用已很普遍的低壓變頻器。但這種方式,，中間環(huán)節(jié)電流大,，加上升降壓變壓器的損耗，系統(tǒng)效率低,，體積龐大,，可靠性下降。現(xiàn)在，已有了上述兩種結(jié)構(gòu)的高壓變頻器產(chǎn)品,，采用直接變頻調(diào)速,，特別是1000kW以上的大功率電動(dòng)機(jī)，無(wú)疑是更為合理的選擇,。而且可以預(yù)計(jì),，隨著技術(shù)的進(jìn)步，在電力傳動(dòng)領(lǐng)域,，二十一世紀(jì)將是高壓變頻器大顯神威的年代,。