浅谈高压变频器基本技术
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摘要：本文根据这些年高压变频器的发展现状和前景，重点讨论了四类高压变频器的元器件构成、发展趋势、传动性能的优缺点和适用场合。
关键字：高压变频器；逆变器；共模电压；整流器
随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的发展，电气传动技术正经历着比较大的革新。工业生产领域大量使用的高压感应异步电动机，已经可以进行直接的电子控制，即由原来的改变其它机械环节的控制方法到直接改变供给的交流电源的频率和幅值的变压变频控制方法，进行速度调节和位移控制，从而可以提高生产工艺，降低能源消耗。由于高压感应电动机的耗能比例较大，因而针对它的交流变频调速技术，虽然高压变频器不像低压变频器那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耐电等级和在高电压下使用条件的矛盾，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结构，以适应各种拖动设备的要求，但实际使用中节能效益显著。特别是在当今面临能源危机的条件下，节能降耗不仅有近期的直接经济效益，更有长远的社会效益。
高压变频器按照改变频率的过程有无中间直流环节分类：无直流环节称为交-交变频器；有直流环节称为交-直-交变频器。交-直-交变频器根据输出端有无升压变压器又分为高--高变频器和高--低--高变频器。同时，交-直-交变频器根据直流环节能量交换方式又分为电压型（直流环节采用大电容以抑制电压波动）和电流型（直流环节采用大电感以平抑电流脉动）变频器。
高--高（二电平）电压型变频器是采用GTO、IGBT、IGCT 或 SCR元件串联实现直接的高压变频的一类变频器，该类变频器输出电压可达10KV。高--高（二电平）电压型变频器结构简单，二电平逆变器技术成熟，效率高达98%；动态性能好，过载能力强，可实现四象限运行；体积小、重量轻、成本低。但高--高（二电平）电压型变频器其缺点也很明显：该类变频器无输入变压器，6脉冲整流网侧谐波大，需采用进线电抗器；二电平逆变dV/dt大，输出谐波大，需采用优化的PWM技术及输出滤波器加以解决；该类型变频器还会产生较大的共模电压，共模电压会施加到电动机定子绕组中性点与地之间，对电动机的绝缘不利，变频器与电动机之间电缆不宜过长。高--高（二电平）电压型变频器适用于轧机、起重机械、电力机车牵引、船舶主传动、风机、水泵和压缩机等。
三电平变频器的功率单元由独立的整流器、无功功率交换单元、功率逆变器三部分构成。功率单元输出全部的电流，承受全部的电压和输出功。三电平变频器效率高、输出频率高、动态性能好、过载能力强、转矩脉动小、电机噪声小；网侧可实现12、18或24脉冲整流，以减少网侧谐波；直流进线可配制动电阻，能实现与基波一致的功率因数。但此类型变频器的整流器由不可控二极管构成，只能实现单象限运行，要想四象限运行需采取额外的措施：如果采用GTO或IGCT器件则需要复杂的缓冲电路，直流环节需扼流围并需要输出滤波器；但是GTO或IGCT需要复杂的门极触发电路，该电路会产生较大的共模电压而需要专用电机，普通电机要降额使用，同样输出电缆长度受限制。风机水泵、传送带驱动、矿石粉碎机、轧机、挤压机、窑传动等可采用三电平变频器控制。
电流型变频器采用GTO元件串联的办法实现直接的高压变频，该类变频器输出电压可达10KV。由于采用了合适的PWM脉冲形式使得电流型变频器可得到很低的转矩脉动，并且输出频率高，最高可达220Hz；使用该类型变频器可使电动机在四象限运行、损耗减小、动态性能提高；其无熔断器设计使得变频器可靠性提高；相对前两类变频器，此类变频器对电机绝缘无损害，电缆长度无限制。 在使用电流型变频器时应注意如下使用条件：不宜弱磁运行，功率因数与速度有关，网侧晶闸管整流导致输入电流谐波大；对电网电压的波动较为敏感，当电压下降15%时会保护停机；还有对电动机的负载特性敏感，现场调试麻烦。水泵（锅炉给水泵）、风机、压缩机等应用此类变频器的比较多。
最后介绍一种采用功率单元串联而成的单元串联变频器。由于采用技术成熟、价格低廉的低压IGBT组成逆变器，通过串联电源的个数适应不同的输出电压要求使得该类变频器具有完美的输入输出波形，能适应任何场合。由于功率单元具有相同的结构及参数，便与将功率单元模块化，实现冗余设计，在个别单元故障时可以通过单元旁路功能将该单元短路，系统能正常降额运行。大功率该类变频器使用的功率单元太多，装置的体积大，需要的安装空间大；并且该类变频器无法实现能量回馈、四象限运行和制动。
高压变频的发展趋势 ，在高压变频领域，目前以单元串联多电平方式和三电平方式发展最为迅速，其最新技术以及今后发展方向主要有：
1、全数字式系统，由微处理器控制每个开关管的导通和截止以输出正弦调制波，因此输出频率和电压相当准确、稳定。
2、运行控制接口丰富，既有就地控制，又有远端控制；既有通讯接口，又有模拟量数字量接口，用户可选择的余地相当大。
3、光纤通讯和信号传输技术，既可以解决高电压隔离问题，又可以提高通讯速度、增强抗干扰能力。
4、采用最新的导通压降低和开关损耗小的器件，提高系统效率，改善通风冷却设计，例如ABB公司的6500V等级IGCT器件导通压降在4V以下、其开关损耗也较低，最新的TRENCH工艺或SPT工艺IGBT的1700V器件器导通压降在2.4V以下，其开关损耗比以前的器件更低。
5、随着电力电子器件的发展，在技术和市场成熟情况下，采用高压器件，使高压变频装置结构和电路趋于简单，提高可靠性。
6、改善输入和输出谐波，这与采用高压器件有一定的矛盾，但可以考虑采用有源谐波补偿技术。
7、电力电子器件保护技术，最好是在任何外部工况下，包括短路、过压、过流、过载等，变频装置不损坏。
8、自诊断和故障定位技术，有利于维护和故障快速处理。
9、提高制动性能。
10、提高动态响应性能，引入矢量控制、直接转矩控制等现代控制方法。
11、对于单元串联多电平来说，最新发展技术还有单元冗余，单元切除后继续运行的情况，以及带电更换单元技术。
12、减小装置尺寸。
高压变频技术正处于发展阶段，限于功率器件的特性和具体拖动系统的要求，而开发出了各种类型的变频器，它们各有优缺点，不能一概而论哪一种变频器好与不好。选型时应根据供电电网及拖动对象的特点来定，不必一味追求某种指标。如起重设备、机车牵引、船舶主传动要选用可四象限运行的变频器；对于轧钢机则要选择动态响应能力好和过载能力强的变频器；对于低速运行的设备可选用交―交变频器；而对于高速运行的设备则可选用电流型变频器。单元串联多电平变频器一般只能用在风机、水泵调速的节能场合。