前 言 目前，世界上對高壓電動機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)的研究非常活躍，高壓變頻器的種類層出不窮，作為用戶都希望能選擇實用而具有良好性價比的高壓變頻器，如何選擇便是值得研究的問題。知己知彼，百戰(zhàn)百勝，首先按照自己的工況擬定對高壓變頻器的技術(shù)要求，針對性的選擇高壓變頻器的方案、產(chǎn)品和售后服務(wù)，否則會出現(xiàn)應(yīng)用不理想，投資損失大。不同高壓變頻器的電路拓?fù)浞桨妇哂胁煌募夹g(shù)水平。技術(shù)水平?jīng)Q定變頻器和傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、使用壽命、維護(hù)費用、性價比等重要指標(biāo)。就如同筆記本電腦功能都基本相同，但不同的技術(shù)水平，質(zhì)量價位從3000元到數(shù)萬元之差。為此，了解不同種類的高壓變頻器內(nèi)含技術(shù)水平，選擇變頻器的品質(zhì)與工況相結(jié)合，達(dá)到投入少、節(jié)能回報率高的理想效果。 1 高壓變頻器的概念 按國際慣例和我國國家標(biāo)準(zhǔn)對電壓等級的劃分，對供電電壓≥10kV時稱高壓，1kV～10kV時稱中壓。我們習(xí)慣上也把額定電壓為6kV或3kV的電機(jī)稱為“高壓電機(jī)”。由于相應(yīng)額定電壓1～10kV的變頻器有著共同的特征，因此，我們把驅(qū)動1～10kV交流電動機(jī)的變頻器稱之為高壓變頻器。高壓變頻器又分為兩種性質(zhì)類型，電流型和電壓型，其特點區(qū)別： 變頻器其主要功能特點為逆變電路。根據(jù)直流端濾波器型式，逆變電路可分為電壓型和電流型兩類。前者在直流供電輸入端并聯(lián)有大電容，一方面可以抑制直流電壓的脈動，減少直流電源的內(nèi)阻，使直流電源近似為恒壓源；另一方面也為來自逆變器側(cè)的無功電流提供導(dǎo)通路徑。因此，稱之為電壓型逆變電路。 在逆變器直流供電側(cè)串聯(lián)大電感，使直流電源近似為恒流源，這種電路稱之為電流型逆變電路。電路中串聯(lián)的電感一方面可以抑制直流電流的脈動，但輸出特性軟。電流型變頻器是在電壓型變頻器之前發(fā)展起來的早期拓?fù)洹? 2 電壓型逆變器與電流型逆變器的特點區(qū)別 （1）直流回路的濾波環(huán)節(jié)。電壓型逆變器的直流濾波環(huán)節(jié)主要采用大電容，因此電源阻抗小，相當(dāng)于電壓源。電流型逆變器的直流濾波環(huán)節(jié)主要采用大電感，相當(dāng)于恒流源。 （2）輸出波形。電壓型逆變器輸出的電壓波形是SPWM高頻矩形載波，輸出的電流波形在感性負(fù)載時近似于正弦波，含有部份的高次諧波分量，輸入采用簡易濾波，便可滿足國家潛波含量標(biāo)準(zhǔn)。電流型變換器輸出的電流波形是一個交變矩形波，其輸出的電壓波形接近正弦波，含有豐富的高次諧波分量，電機(jī)易發(fā)高熱，一般使用時都要選用進(jìn)口的特制電動機(jī)。輸入諧波含量極高，須采用巨大，笨重的濾波器，方能使用。 （3）四象限運(yùn)行。電流型逆變器由于在其直流供電側(cè)串聯(lián)大電感，在維持電流方向不變的情況下，可控硅整流橋可改變電壓極性，所以很容易使逆變器運(yùn)行在整流狀態(tài)，從而使整流橋處于逆變狀態(tài)，實現(xiàn)四象限運(yùn)行。電壓型高壓變頻器只有二電平采用IGBT整流回饋，可四象限運(yùn)行。 （4）動態(tài)性能。電流型逆變器有大電感，電流動態(tài)響應(yīng)較困難，需求動態(tài)力矩跟不上，特性軟；電壓型逆變器可以用電流反饋環(huán)控制，響應(yīng)速度快，適應(yīng)現(xiàn)代控制理論：高級的佳靈直接速度控制、富士矢量控制，ABB直接轉(zhuǎn)矩控制，次之的空間電壓矢量控制和轉(zhuǎn)差優(yōu)化F/U控制。在速度開環(huán)的條件下，可高速、高精度地實現(xiàn)對電機(jī)的磁通力矩控制，使電機(jī)特性可柔、可剛；動態(tài)性能尤好。 （5）過流及短路保護(hù)是高壓變頻器關(guān)鍵的保護(hù)功能。電流型逆變器因回路中串有大電感，能抑制短路等故障時電流的上升率，故電流型逆變器的過流和短路保護(hù)容易實現(xiàn)，而一般的電壓型逆變器則較為困難，只有二電平電壓型高壓變頻器設(shè)有直流電感，可抑制di/dt的上升速率，易實現(xiàn)過流保護(hù)和短路保護(hù)。 （6）對開關(guān)管的要求。電壓型逆變器中的開關(guān)管要求關(guān)斷時間短，但耐壓較低；而電流型逆變器中的開關(guān)管對關(guān)斷時間無嚴(yán)格要求，但耐壓要求相對較高。 （7）采用電流型逆變器需加兩個電感，并且開關(guān)管截止時所承受的電壓比電壓型高的多。目前只有AB公司有該技術(shù)方案的產(chǎn)品。 從上述區(qū)別中表明電壓型高壓變頻器比電流型高壓變頻器更具應(yīng)用前景。 3 四種電壓型高壓變頻器的拓?fù)浞绞降奶攸c 3.1 目前電壓型高壓變頻器實現(xiàn)高壓的拓?fù)浞绞?/b> 近年來，隨著電力電子技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展需要，促使電力電子器件快速發(fā)展；反過來，一代新器件或一項新技術(shù)一旦克服了老器件的某些缺點，就會推動包括變頻器在內(nèi)的電力電子應(yīng)用裝置出現(xiàn)革命性的變化。 IGBT在90年代迅速發(fā)展，絕緣性、模塊化與其工作頻率可達(dá)20kHz，使變頻器進(jìn)入“靜音”時代。它沒有2次擊穿的困擾，在380V、660V異步電動機(jī)變頻調(diào)速的使用效果，被社會廣泛接受，使得低電壓變頻器的發(fā)展，在目前進(jìn)入大發(fā)展的全盛時期。 在電壓為1140V～3-10kV的高壓電動機(jī)變頻調(diào)速中，IGBT模塊的工作電壓己遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上使用要求。由于IGBT元件目前IGBT作到3.3kV，IGCT作到4.5kV，但也不能滿足直接使用的電壓等級。又其性能差價格高昂，制造產(chǎn)品昂貴。由于IGBT元件串聯(lián)后將出現(xiàn)的一些世界級技術(shù)難題，在高開關(guān)頻率下的多環(huán)節(jié)動態(tài)dv/dt高峰值，線路電感、引線電感、母板技術(shù)、串聯(lián)同步控制、動態(tài)均壓等等，都使產(chǎn)品出現(xiàn)崩潰性的難點，被國內(nèi)外業(yè)內(nèi)研發(fā)專家列為研發(fā)的禁區(qū)。高壓變頻器究竟用什么器件，成為世界業(yè)內(nèi)電氣設(shè)計的研究創(chuàng)造的熱門。因此，高壓變頻器在不同的歷史時期，就有不同的技術(shù)與技術(shù)產(chǎn)品出現(xiàn)： A類：風(fēng)機(jī)、水泵專用高壓變頻器。驅(qū)動對象：高壓交流異步電動機(jī)風(fēng)機(jī)、水泵專用（要求不高的平方轉(zhuǎn)矩和對動態(tài)控制要求不高的工況） （1）高-低-高方式，采用降壓變壓器 低壓變頻器 特殊升壓變壓器 電機(jī)； （2）12脈沖變壓器 整流 IGBT三電平兩電位重疊間接高壓方式； （3）曲拆多脈沖變壓器 整流 IGBT單元串聯(lián)多電位重疊間接高壓方式； 注：間接—指在變頻器變流環(huán)節(jié)中，存在利用了變壓器來進(jìn)行電壓變換的過程。 B類：通用高壓變頻器。驅(qū)動對象：高壓交流異步電動機(jī)；高壓交流同步電動機(jī)。負(fù)載通用類：（既可適用風(fēng)機(jī)、水泵，也可使用于全程快速高轉(zhuǎn)矩控制和四象限運(yùn)行的各種機(jī)械傳動控制。） （4）直接整流 IGBT元件串聯(lián)直接高壓方式； 3.2 高-低-高方式 電壓變換方式：降壓變壓器（R1） 低壓變頻器（R2） 升壓變壓器（R3） 電機(jī)（R4）。 系統(tǒng)等效阻抗R=R1+R2+R3+R4 輸出變壓器需特殊制造，成本高，功率因數(shù)低，效率低，自損耗大，笨重。系統(tǒng)性能差，可用于一般工藝調(diào)速，不宜于調(diào)速節(jié)能的應(yīng)用。 3.3 IGBT三電平兩電位重疊間接高壓方式（簡稱：三電平高壓變頻器） 電壓變換方式：電源 降壓變壓器（R1） IGBT三電平逆變器（R2） 電機(jī)（R3）。 系統(tǒng)等效阻抗R=R1+R2+R3 （升壓時加升壓變壓器阻抗R4） 三電平高壓變頻器又稱“中性點箝位式”（也稱NPC（Netural Point Clamped中點箝位方式）高壓變頻器，這是近幾年才開發(fā)和推出的一種高壓變頻器，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)采用中性點箝位三電平技術(shù)。變頻器主要由輸入12脈沖變壓器、整流器、中性點箝位回路、三電平模式逆變器、輸出濾波器、控制部分等組成。 整流電路一般采用二極管，箝位采用高壓快恢復(fù)二極管，逆變部分功率器件采用GTO、IGBT或IGCT。輸出電壓等級4.16kV。 初期便用時由于輸出電壓與電機(jī)工作電壓不直接匹配，對6KV須將高壓電機(jī) “Y”接法改為“ ”接法。當(dāng)變頻器故障時，又改回去，工頻運(yùn)行。 目前為可在輸出端增設(shè)一個自耦升壓變壓器，可直接用于6KV和10KV高壓電機(jī)，類似高——低——高方式。目前為ABB公司和西門子公司技術(shù)方案產(chǎn)品。 3.3.1技術(shù)特征 該系列變頻器采用類似傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵技術(shù)在對中點上、下漂動處理，空載和輕載漂動小，隨負(fù)載的加重或動態(tài)變化，電容難以支撐中點位，特別是各電容的容抗不等因素，箝位中點也穩(wěn)不住，箝位電壓隨之浮動。中點的浮動的幅度大小，將會產(chǎn)生輸出電壓的非對稱性，輸出諧波，波形失真，共模電壓的增大變化。其表現(xiàn)為，若輸出端在不接電抗器，直接連高壓電機(jī)運(yùn)行，電動機(jī)會出現(xiàn)劇烈抖動和高熱（這是任何一種方式變頻器都不會產(chǎn)生的現(xiàn)象）。為此，三電平高壓變頻器不管電機(jī)離的遠(yuǎn)近，都須裝輸出電抗器，解決電機(jī)振動大,噪音大的缺陷。而共模電壓的隱患導(dǎo)致電機(jī)絕緣老化問題。由于三電平逆變開關(guān)模式中存在的多點死區(qū)，而需長死區(qū)時間保障開關(guān)切換就帶來很高的共模電壓。其缺陷是由電路特點，硬件產(chǎn)生的，單靠優(yōu)化控制軟件，只能收到微小的效果。還需同佳靈JCS型一樣，增加輸出共模抑制器方可有效。 三電平在輸出電壓較低時，實際上也相當(dāng)于二電平的電壓波形，其11、13、17 次諧波含量仍很高，諧波電流仍很大。若不加濾波器，還只能用供應(yīng)商的專用電動機(jī)，且其輸出電壓只能達(dá)4200V，實際上是在后面加上了升壓變壓器才能達(dá)到。 3.3.2 產(chǎn)品特點 1）效率極低 三電平變頻器的結(jié)構(gòu)簡單，但二極管的增多、線路增多，況且每個IGBT的驅(qū)動波形不一致，也必將導(dǎo)致箝位和開關(guān)性能的不一致。 功率元件的導(dǎo)通和關(guān)斷是由箝位二極管來保證的。箝位二極管的耐壓要求高，快恢復(fù)性能好，主器件數(shù)量多，致使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，而且擴(kuò)展能力有限。 2）變頻器容量需增大20%，投資高 開關(guān)器件的導(dǎo)通負(fù)荷不一致?？拷妇€的開關(guān)和靠近輸出端的導(dǎo)通負(fù)荷不平衡，這樣應(yīng)導(dǎo)致開關(guān)器件的電流等級不同。在電路中，如果按導(dǎo)通負(fù)荷最嚴(yán)重的情況設(shè)計器件的電流等級，則每相有2＊（m-2）個外層器件的電流等級過大，造成浪費。變頻器輸出線電壓4.16kV，電機(jī)三角形接法為3.3kV，變頻器輸出必降壓設(shè)定為3.3kV。變頻器將產(chǎn)生無用功率為：4.16kV—3.3kV=0.86kV 在使用選型時，變頻器的容量至少需增加20%的匹配容量，而增大投資。 3）由于需星 / 三角變換裝置，才能實現(xiàn)工頻 / 變頻切換對于6kV高壓電機(jī) 三電平變頻器采用Ｙ/△改接的辦法，將Ｙ型接法的6kV電機(jī)改為△接法。 但在進(jìn)行了Ｙ/△改接后，電機(jī)的電壓與電網(wǎng)的電壓不一致，無法實現(xiàn)旁路功能，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時，又要保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，必須首先將電機(jī)改回Ｙ型接法，再投入6kV電網(wǎng)。為此，電機(jī)的改接必須加裝Ｙ/△切換柜實現(xiàn)，以便實現(xiàn)旁路功能。 4）輸出諧波含量大，需要專用變頻電機(jī)。 由于三電平變頻器，所固有的輸出波形中含高的諧波分量，使得輸出性能不良好。輸出電流、電壓波形見圖2。低速區(qū)變頻器的波形極差，基本上不能滿足工況的要求。因此，在變頻器的輸出側(cè)必須配置LC濾波器才能用于普通的鼠籠型電機(jī)。同樣由于諧波的原因，電動機(jī)的功率因數(shù)和效率、甚至壽命都會受到一定的影響，只有在額定工況點才能達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，但隨著轉(zhuǎn)速的下降，功率因數(shù)和效率都會相應(yīng)降低。輸出電壓諧波5.、7高，11次、13次諧波達(dá)到20%以上，會引起電動機(jī)諧波無功發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動，這對電纜和電動機(jī)都是致命的影響。因此，外商一般都力薦采用專用電動機(jī)。 3.4單元串聯(lián)多重化變頻器 曲拆多脈沖變壓器 整流 IGBT單元串聯(lián)多電位重疊間接高壓方式 電壓變換方式：電源 變壓器（R1） 單元串聯(lián)變頻器（R2） 電機(jī)（R3） 系統(tǒng)等效阻抗R=R1+R2+R3 3.4.1 主電路 單元串聯(lián)多重化技術(shù)高壓變頻器，是利用移相主變壓器降壓，再通過多個低壓單相變頻器串聯(lián)和控制器結(jié)構(gòu)組成。各功率單元由一個曲拆多繞組的移相主變壓器降壓供電。變壓器是單元串聯(lián)高壓變頻器設(shè)備電路結(jié)構(gòu)中的一個重要部件。3kV有12個功率單元，每4個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。6kV系列有15個功率單元，每5個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。10kV系列有21個功率單元，每7個功率單元串聯(lián)構(gòu)成一相。移相變壓器中，變頻器6kV時需要3×5個繞組，引出主接線頭48根，（10kV時需3×7個繞組，引出主接線頭66根，）。變壓器輸入端采用內(nèi)部三角形，輸出為外部星形的延邊三角形接法。 所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個低壓PWM功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器多級移相疊加的整流方式供電，由CPU實現(xiàn)控制再以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動。輸出側(cè)由每個單元的U、V輸出端子相互串接而成星型接法給電機(jī)供電。通過對每個單元的PWM波形進(jìn)行重組多重化?？蓪崿F(xiàn)輸入端（變頻器在高頻段輸出50Hz時）條件下有較低的諧波含量（輸出端諧波含量高）。為6kV變頻器的主電路拓?fù)鋱D，每組由5個額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)，因此相電壓為690V×5=3450V，所對應(yīng)的線電壓為6000V。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12°的相位差。以中間△接法為參考（0°），上下方各有兩套分別超前（＋12°、＋24°）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)接組別來實現(xiàn)。 每個功率單元都是由低壓（IGBT）構(gòu)成的三相輸入，單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器。每個功率單元按預(yù)編程時序輸出不同相位差的PWM電壓為1、0、－1三種狀態(tài)電平，每相5個單元成階梯疊加，就可產(chǎn)生11個不同的梯度電平波形，圖4為一相合成的輸出正波包絡(luò)電壓波形。這種電壓波形對電單元串聯(lián)機(jī)無特殊要求，可用于普遍籠型電機(jī)。 這種多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)電壓型變頻器，采用功率單元串聯(lián)雙“Y”回路，采取變壓器多繞組別分組分壓整流單元均壓，單元電平疊加，變頻器輸出高電壓的正弦波包絡(luò)階梯電壓波形。適應(yīng)普通籠型電機(jī)的變頻調(diào)速驅(qū)動。 多重化被稱為“完美無諧波”，是外國某公司營銷技術(shù)名詞，以為中國人對變頻技術(shù)的不了解，用輸入端滿載諧波含量作誤導(dǎo)宣傳，是概念混淆，偷梁換柱的說法。事實上，變頻器產(chǎn)生的諧波應(yīng)嚴(yán)格分為兩個部分即：1、輸入端諧波含量指標(biāo)，指變頻器對電網(wǎng)產(chǎn)生的騷擾作用。2、輸出端諧波含量指標(biāo)，指變頻器的高頻輻射和對電動機(jī)產(chǎn)生的運(yùn)轉(zhuǎn)脈動性、溫升、絕緣老化、軸承疲勞的副作用。實際上人們都知道變壓器本身在作隔離功能的同時將產(chǎn)生新的諧波源，完全正弦的工頻變壓器都存在的勵磁諧波，那非線性整流疊加的的變壓器怎能“完美無諧波”。諧波還是有的，可以說：輸入端諧波含量低，符合標(biāo)準(zhǔn)。事實上《GB/T14549-93，電能質(zhì)量，公用電網(wǎng)諧波》和GB/T12668.4高壓變頻器標(biāo)準(zhǔn)中的輸入諧波含量指標(biāo)，許多高壓變頻都可達(dá)標(biāo)到。單元串聯(lián)多重化是在輸出端建立在120o方波的基礎(chǔ)上，變頻器在額定頻率、額定重負(fù)載時其波形較好，諧波含量較低。在低頻段或輕負(fù)載時波形畸變大，輸出三相電壓非對稱性頻擺加大，電機(jī)磁鏈脈動增大，電機(jī)中性點與變頻器中性點出現(xiàn)電位差，諧波劇增。由于這種結(jié)構(gòu)的變頻器中存在變壓器，如果電機(jī)的中性點沒有接地，電機(jī)就存在共模電壓。當(dāng)電機(jī)的中性點接地后，共模電壓仍然存在，沒有消失，通過接地點轉(zhuǎn)移到變壓器上。讓變壓器來承受共模電壓對絕緣的沖擊和諧波熱能。這就是這什么單元串聯(lián)高壓變頻器變壓器易壞的主要原因之一。變頻器往往是用于低于工頻下作節(jié)能運(yùn)行的，這對電機(jī)壽命是極為不利的。外國某公司高壓變頻器在中國的初期應(yīng)用中都須更換由他們生產(chǎn)的專用電機(jī)。也間接表明單元串聯(lián)多重化變頻器的輸出諧波嚴(yán)重性。 3.4.2 單元串聯(lián)多重化變頻器的技術(shù)特點 （1）是一種單變壓器高—低－高的有效方式。采用功率單元串聯(lián)電壓相加回路，采取變壓器多繞組別分組分壓整流單元均壓，單元電平疊加，變頻器輸出高電壓的階梯電壓波形，經(jīng)電機(jī)定子電感濾波，相電壓為正弦波（實際上就任何變頻器輸出波形很差，只要經(jīng)電機(jī)定子電感濾波，相電壓都為正弦波）。 （2）成熟技術(shù)易于組合不同電壓輸出的要求。由于采用功率單元串聯(lián)，采用低壓變頻器成熟技術(shù)，由低壓IGBT組成逆變單元，通過串聯(lián)單元的個數(shù)適應(yīng)不同的輸出電壓要求； （3）功率單元模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、單元間具有互換性。由于多功率單元具有相同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，便于單元間具有互換性，實現(xiàn)冗余設(shè)計，即使在個別單元故障時也可通過單元旁路功能將該單元短路，系統(tǒng)仍能降額地可運(yùn)行。 （4）實現(xiàn)工 / 變頻切換操作簡單。若考慮變頻器故障后的工頻運(yùn)行，可增設(shè)一個簡單切換裝置，可方便地通過倒切開關(guān)，切換到工頻運(yùn)行。 （5）需制造復(fù)雜而昂貴的移相變壓器。由于系統(tǒng)中存在著必須的移相變壓器，系統(tǒng)效率再提高不容易實現(xiàn)；移相變壓器中，6kV三相6繞組×3（10kV時需12繞組×3）延邊三角形接法，在三相電壓不平衡（實際上三相電壓是不可能絕對平衡的）時，產(chǎn)生的內(nèi)部環(huán)流，必將引起內(nèi)阻的增加和電流的損耗，也相應(yīng)的就造成了變壓器的銅損增大。此時，再加上變壓器的鐵芯的固有損耗（勵磁功率是為不變因數(shù)），變壓器的效率就會降低。也就影響了整個系統(tǒng)的效率，并隨負(fù)載率的降低效率更要降低。變頻器系統(tǒng)平均效率低。如果變壓器損壞，維修極復(fù)雜，費用極高?？傎M用至少在購價的45%左右。 （6）輸入諧波重載時含量低。由于采用了必要的移相變壓器，實現(xiàn)多組整流，間接地獲得了輸入端的低諧波含量指標(biāo)。 （7） 使用的功率單元及功率器件數(shù)量太多，6kV系統(tǒng)要使用150只功率器件（90只二極管，60只IGBT）；移相主變壓器接點太多，接線復(fù)雜，系統(tǒng)的內(nèi)阻和損耗增大，。驅(qū)動元器和連線多。相應(yīng)長期使用中故障必然多，維護(hù)復(fù)雜且工作量大。 （8）輸出電壓波形在額定負(fù)載時尚好，低于25Hz以下畸變突出，諧波含量大增。電機(jī)從0Hz起動時振動大，電機(jī)溫度高，不能快加速的原因； （9）只能用于風(fēng)機(jī)水泵的變頻調(diào)速。 （10）動態(tài)特性軟，響應(yīng)速度慢，加速和減速時間長。 （11）不易用于含有制動工況的機(jī)械轉(zhuǎn)動；不易實現(xiàn)能量回饋的四象限運(yùn)行，且無法實現(xiàn)制動。 （12）裝置的體積太大，重量大，安裝占地面積大。 3.5 IGBT元件直接串聯(lián)高壓變頻器（通用高壓變頻器） 直接整流 IGBT元件串聯(lián)直接高壓方式 （無內(nèi)含輸入變壓器） 在中高壓領(lǐng)域，矛盾的焦點是自關(guān)斷功率器件如IGBT的耐壓問題，對3kV、6kV、10kV或更高的工作電壓IGBT的耐壓短期內(nèi)是無法解決的，而對高速功率開關(guān)器件的串聯(lián)問題是全世界公認(rèn)都未解決的尖端難題。 電壓變換方式：電源 IGBT元件串聯(lián)直接高壓器（R1） 電機(jī)（R2）。 系統(tǒng)等效阻抗R=R1+R2 3.5.1主回路 前面已討論多電平、多重化的優(yōu)點，而現(xiàn)代PWM 控制技術(shù)的發(fā)展水平，產(chǎn)生的電壓波形能基本消除低次諧波，二電平比三電平整體效果更好，與多重化相差不大，在低頻段波形優(yōu)于多電平和多重化。同時多電平、多重化帶來的問題與直接串聯(lián)比是相當(dāng)多的。 3.5.2 靜、動態(tài)性能 直接串聯(lián)二電平可以像低壓變頻器一樣加直流制動電路或能量回饋，其動態(tài)性能也可以像低壓變頻器一樣優(yōu)越，其電路仍很簡單。這對于多電平，特別是多重化并不容易。使它只能用于一些調(diào)速要求不高的場合。為此，IGBT元件直接串聯(lián)高壓變頻器（通用高壓變頻器）應(yīng)用了佳靈的核心DSC技術(shù)。直接速度控制（DSC）對交流傳動來說是一個最優(yōu)的電機(jī)控制方法，它可以對所有交流電機(jī)的核心變量進(jìn)行直接控制。不需在電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝脈沖編碼器來反饋轉(zhuǎn)子位置信號而具有精確的速度和轉(zhuǎn)矩的控制技術(shù)。極其關(guān)鍵的是控制中不受定子溫度和轉(zhuǎn)子溫度變化引起對電機(jī)參數(shù)變化的影響（矢量控制受定子溫度影響變差，直接轉(zhuǎn)矩控制受轉(zhuǎn)子溫度影響變差）。DSC開發(fā)出交流傳動中前所未有的能力并給所有的應(yīng)用提供了優(yōu)秀服務(wù)。 DSC 直接速度控制，是交流傳動領(lǐng)域電機(jī)控制方式的一次革命，它從零速開始不使用電機(jī)軸上的脈沖碼盤反饋就可以實現(xiàn)電機(jī)速度和轉(zhuǎn)矩的精確控制。在零速度時能產(chǎn)生滿載轉(zhuǎn)矩。 在DSC中，定子磁通、轉(zhuǎn)子磁場和轉(zhuǎn)速被作為主要的控制變量。以滑差為誤差，以轉(zhuǎn)矩為調(diào)節(jié)量，以魯棒性設(shè)計控制，確保穩(wěn)定性和可靠性。高速數(shù)字信號處理器與先進(jìn)的電機(jī)軟件模型相結(jié)合使電機(jī)的狀態(tài)每秒鐘被更新4萬次。由于電機(jī)狀態(tài)以及實際值和給定值的比較值被不斷地更新，逆變器的每一次開關(guān)狀態(tài)都是單獨確定的。這意味著變頻器可以產(chǎn)生最佳的開關(guān)組合并對負(fù)載擾動和瞬時掉電、網(wǎng)壓波動等動態(tài)變化做出快速響應(yīng)。在DSC中不需要對電壓，頻率分別控制的PWM調(diào)制器。開環(huán)動態(tài)速度控制精度可以達(dá)到閉環(huán)磁通矢量控制的精度。DSC靜態(tài)速度控制精度為標(biāo)稱速度的0.1%～04%（50Hz～2Hz），它滿足了絕大多數(shù)的工業(yè)應(yīng)用。當(dāng)要求更精確的速度調(diào)節(jié)時，可以加裝脈沖編碼器可選件。DSC的開環(huán)轉(zhuǎn)矩階躍上升時間小于 5毫秒，而不帶速度傳感器的磁通矢量控制變頻器的開環(huán)轉(zhuǎn)矩階躍上升時間卻多于100毫秒，與直接轉(zhuǎn)矩控制同等，轉(zhuǎn)矩脈動0.3%比直接轉(zhuǎn)矩控制優(yōu)。JL5000變頻器其優(yōu)良的魯棒性，即可靠性穩(wěn)定性是無與倫比的。 3.5.3 復(fù)雜程度 相比較，三電平要多6 個快速二極管，五電平就更多了。多電平每個開關(guān)都要獨立控制；多重化每個單元上的4 個開關(guān)器件都要獨立控制，并且都存在笨重、復(fù)雜、成本高、自損大的輸入變壓器。IGBT元件直接串聯(lián)無輸入變壓器組成的同一組件都只需一個開關(guān)量控制。其高效性和可靠性從原理上講就高許多。 3.5.4 節(jié)能效果 多重化為得到若干組不同的獨立電壓，變壓器采用延邊三角形法，很難得到三相平衡的移相電壓。這必然形成環(huán)流，增大銅、鐵損耗，并且負(fù)載變化不大，而數(shù)百個變壓器的內(nèi)外接頭也將增大損耗，降低可靠性。輸入變壓器，降低了效率。應(yīng)用變頻器是為了獲取節(jié)能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益為主要目的。IGBT元件直接串聯(lián)高壓變頻器在同等工況多節(jié)能5%以上，在更高效的節(jié)能設(shè)備運(yùn)用若干年后產(chǎn)生的效益，也是很可觀的。 以2000kW 的高壓變頻器為例，僅變壓器的自損耗一年就達(dá)360 天×24h×100kW×0.5 元/KW·h=360000 元。 3.5.5 輸入輸出諧波含量符合國家標(biāo)準(zhǔn) IGBT直接串聯(lián)高壓變頻器在輸入端加了采用無源校正技術(shù)，這種技術(shù)能對基波進(jìn)行相移補(bǔ)償或抑制某些指定的諧波。具體方法是在輸入端增加無源元件，以補(bǔ)償濾波電容的輸入電流。在輸入回路中串入電感器，以限制輸入電流的上升速度，延長整流管導(dǎo)通時間，功率因數(shù)可以提高到0.9以上。諧波都被轉(zhuǎn)移到調(diào)制頻率附近。使得輸入端諧波含量THD指標(biāo)完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)。在輸出端采用了電壓正弦波整形器，將高壓變頻器輸出的PWM電壓波形整形為和電網(wǎng)電壓一樣的標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓波形。無論變頻器工作在高頻段還是低頻段和電機(jī)負(fù)載工作在重載或輕載條件中時波形都不變。并在輸出端設(shè)有“抗共模技術(shù)”世界專利的共模電壓治理器，成為惟有一種解決了高壓EMC問題的高壓變頻器。其輸出端諧波含量指標(biāo)完全符合國際標(biāo)準(zhǔn)。 3.5.6世界惟一能用于任何電機(jī)負(fù)載性質(zhì)的IGBT通用高壓變頻器 高效JCS系列高壓變頻器由于無輸入、無輸出主變壓器和內(nèi)含國際技術(shù)水平的高度，是在目前的高壓變頻器中一種無以倫比的高效、高質(zhì)量性價比產(chǎn)品。其通用性： 用于風(fēng)機(jī)、水泵變工況調(diào)速節(jié)能應(yīng)用；用于位勢負(fù)載應(yīng)用，例如起重機(jī)，提升機(jī)，電梯、皮帶機(jī)等；用于對轉(zhuǎn)角、位移做精確控制，如軋機(jī)；用于恒轉(zhuǎn)矩的通用機(jī)械傳動系統(tǒng)。 4 結(jié)束語 綜上所述，可說在高壓電動機(jī)變頻調(diào)速應(yīng)用領(lǐng)域中，體現(xiàn)了科技研究人員為人類社會發(fā)展，促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的飛躍，設(shè)計出了種種高壓變頻器，在一定時期的積極推廣應(yīng)用，做出了歷史科學(xué)的重大貢獻(xiàn)。新科學(xué)、新技術(shù)的更新或替代，是社會發(fā)展的必然規(guī)律。任何新技術(shù)都有一個從認(rèn)識、認(rèn)同、再創(chuàng)新發(fā)展的必然過程。從上述常見高壓變頻器電氣方案的分析中，電流型、高低高、三電平技術(shù)方案高壓變頻器在選用時值得慎重考慮。單元串聯(lián)疊加多電平技術(shù)高壓變頻器，在一定的時期范圍可有應(yīng)用價值。IGBT元件直接串聯(lián)高壓變頻器（通用高壓變頻器）無輸入、無輸出主變壓器和內(nèi)含國際技術(shù)水平的高度，是在目前的高壓變頻器中一種無以倫比合理的質(zhì)量性價比產(chǎn)品。尤其高控制技術(shù)獲得通用性和具有純國家知識產(chǎn)權(quán)的電力電子裝置，是民族的智慧和強(qiáng)大。JCS高壓變頻器是曾獲得國內(nèi)同行知名權(quán)威專家們的支持、幫助、認(rèn)同的純國產(chǎn)高新技術(shù)產(chǎn)品，值得全面推廣應(yīng)用。JCS高壓變頻器還應(yīng)不斷充實新技術(shù)，升化品質(zhì)才能可持續(xù)長遠(yuǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略意義。