1引言

眾所周知，電力傳動中，交流電動機(jī)較直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格便宜、維修方便，因而被大量使用。然而在起動和調(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。可見，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)交流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速（式中p為電機(jī)的極對數(shù)，只能有級且有限地改變）。

　　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，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，對節(jié)能有著巨大意義。

2高壓變頻調(diào)速電源的幾個問題

　　（1）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)的辦法來滿足。但是器件的串聯(lián)使用，因各器件的動態(tài)電阻和極電容不同，而存在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)均壓問題。如采取與器件并R和RC的均壓措施，會使電路復(fù)雜，損耗增加；同時，器件串聯(lián)對驅(qū)動電路的要求也大大提高，要盡量做到串聯(lián)器件同時導(dǎo)通和關(guān)斷。否則，由于各器件開、斷時間不一，承受電壓不均，會導(dǎo)致器件損壞甚至整個裝置崩潰。

（2）諧波

這是所有交直交變頻器的共同問題，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，效率問題也愈益重要。為提高效率，必須設(shè)法盡量減少功率開關(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問題。

3IGBT高壓變頻器

圖1（a）,(b)是一臺6000V變頻器的主電路拓樸和連接圖。每相由5個額定電壓為690V的功率單元

串聯(lián)，因此相電壓為5×690V=3450V，所對應(yīng)的線電壓為6000V（如果每相用4個480V的功率單元串接時，輸出線電壓則為3300V）。每個功率單元由輸入隔離變壓器的15個二次繞組分別供電，15個二次繞組分成5組，每組之間存在一個相位差。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變壓器的不同聯(lián)接組別來實(shí)現(xiàn)。

圖1中的每個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，主電路見圖2。每個功率單元輸出電壓為1,0,－1三種狀態(tài)電平，每相5個單元疊加，就可產(chǎn)生11種不同的電平等級，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)來實(shí)現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓問題。每個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（每對含正反相信號）依次相移12°的三角載波對基波電壓進(jìn)行調(diào)制。對A相基波調(diào)制所得的5個信號，分別控制A1～A55個功率單元，經(jīng)疊加即可得圖3所示具有11級階梯的相電壓波形。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開一定的相位，每個功率單元的IGBT開關(guān)頻率若為600Hz，則當(dāng)每相有5個功率單元串聯(lián)時，等效的輸出相電壓開關(guān)頻率為6kHz。功率單元采用低的開關(guān)頻率可以降低開關(guān)損耗，而高的等效輸出開關(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。所以這種變頻器用于調(diào)速電源對電機(jī)無特殊要求，可用于普通的高壓電機(jī)，且不必降額，對輸出電纜長度也沒有特殊限制。

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數(shù)減少，為獲得優(yōu)良性能，這時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，每個功率單元與裝置的聯(lián)系僅為3個交流輸入、2個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

工業(yè)中，中、高壓電動機(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適配電壓等級。這樣可利用價格相對較低、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以上的大功率電動機(jī)，無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，在電力傳動領(lǐng)域，二十一世紀(jì)將是高壓變頻器大顯神威的年代。