前言

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。隨著現代電力電子技術和微電子技術的迅猛發(fā)展，高壓大功率變頻調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或單元串聯得到了很好的解決。其應用的領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。電機是國民經濟中主要的耗電大戶，高壓大功率的更為突出，而這些設備大部分都有節(jié)能的潛力。大力發(fā)展高壓大功率變頻調速技術，，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的意義。

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

分類與結構

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，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，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。

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，能很方便地實現電機的制動功能。缺點是需要對逆變橋進行強迫換流，裝置結構復雜，調整較為困難。另外，由于電網側采用可控硅移相整流，故輸入電流諧波較大，容量大時對電網會有一定的影響。

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，其特點是不能進行四象限運行，當負載電動機需要制動時，需要另行安裝制動電路。功率較大時，輸出還需要增設正弦波濾波器。

高低高變頻器

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

這種方式，由于采用標準的低壓變頻器，配合降壓，升壓變壓器，故可以任意匹配電網及電動機的電壓等級，容量小的時候（<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。

▲高低高電流型變頻器
電路拓撲結構如圖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。輸入側采用可控硅移相控制整流，控制電動機的電流，輸出側為強迫換流方式，控制電動機的頻率和相位。能夠實現電機的四象限運行。

▲高低高電壓型變頻器
電路拓撲結構如圖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，再經升壓變壓器變換成電機所需要的電壓等級。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，一般相當于低壓變頻器的1/3到1/2的價格。

               
高高變頻器
高高變頻器無需升降壓變壓器，功率器件在電網與電動機之間直接構建變換器。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，技術復雜，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，而且結構比較緊湊。

高高變頻器也可分為電流型和電壓型兩種。

▲高高電流型變頻器
它采用GTO，SCR或IGCT元件串聯的辦法實現直接的高壓變頻，目前電壓可達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，保護性能良好。其輸入側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的污染和對通信電子設備的干擾問題。均壓和緩沖電路，技術復雜，成本高。由于器件較多，裝置體積大，調整和維修都比較困難。逆變橋采用強迫換流，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和較高的輸入輸出諧波，故需要在其輸入輸出側安裝高壓自愈電容。
                                                               
▲高高電壓型變頻器
電路結構采用IGBT 直接串聯技術，也叫直接器件串聯型高壓變頻器。其在直流環(huán)節(jié)使用高壓電容進行濾波和儲能，輸出電壓可達6KV，其優(yōu)點是可以采用較低耐壓的功率器件，串聯橋臂上的所有IGBT作用相同，能夠實現互為備用，或者進行冗余設計。缺點是電平數較低，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，一般需特殊設計驅動電路和緩沖電路。對于IGBT驅動電路的延時也有極其苛刻的要求。一旦IGBT的開通、關閉的時間不一致，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.                                                                                                   
                                                                                
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。

▲二極管嵌位型變頻器
電路拓撲結構如圖5所示，它既可以實現二極管中點嵌位，也可以實現三電平或更多電平的輸出，其技術難度較直接器件串聯型變頻器低。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。這種變頻器需要設置輸入變壓器，它的作用是隔離與星角變換，能夠實現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，又實現了多電平的輸出。

這種變頻器結構，輸出可以不安裝正弦波濾波器。

▲電容嵌位型變頻器
電路拓撲結構如圖6所示，它采用同橋臂增設懸浮電容的辦法實現了功率器件的嵌位，目前這種變頻器應用的比較少。

單元串聯型變頻器

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

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，并組成Y形連接，直接驅動電機。每臺功率單元電路、結構完全相同，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，之間均勻相位偏移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，脈沖數多達36，功率因數高，輸入諧波小。
3. 模塊化設計，結構緊湊，維護方便，增強了產品的互換性。
4. 直接高壓輸出，無需輸出變壓器。
5. 極低的dv/dt輸出，無需任何形式的濾波器。
6. 采用光纖通訊技術，提高了產品的抗干擾能力和可靠性。
7. 功率單元自動旁通電路，能夠實現故障不停機功能。

高壓變頻器的發(fā)展背景及其重要意義

隨著現代電力電子技術及計算機控制技術的迅速發(fā)展，促進了電氣傳動的技術革命。交流調速取代直流調速，計算機數字控制取代模擬控制已成為發(fā)展趨勢。交流電機變頻調速是當今節(jié)約電能，改善生產工藝流程，提高產品質量，以及改善運行環(huán)境的一種主要手段。變頻調速以其高效率，高功率因數，以及優(yōu)異的調速和啟制動性能等諸多優(yōu)點而被國內外公認為最有發(fā)展前途的調速方式。

以前的高壓變頻器，由可控硅整流，可控硅逆變等器件構成，缺點很多，諧波大，對電網和電機都有影響。近年來，發(fā)展起來的一些新型器件將改變這一現狀，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它們構成的高壓變頻器，性能優(yōu)異，可以實現PWM逆變，甚至是PWM整流。不僅具有諧波小，功率因數也有很大程度的提高。

國產高壓變頻器的發(fā)展現狀

目前，在國內有大量的低壓變頻器廠商，其大部分為AC380V的中小功率產品，而在高壓大功率變頻器方面，卻為數不多。能夠研制、生產、并提供服務的高壓變頻器廠商，僅有少數的具備科研能力或資金實力的個別企業(yè)。

國內僅有少部分的中、高壓電機進行了變頻調速改造，且普通采用V/f控制方式。高壓變頻器的品種和性能還處于發(fā)展階段，每年市場仍需大量進口。這些狀況主要表現在如下幾個方面：

1. 國外各大品牌的產品為了占領國內市場，加快了本地化的步伐。
2. 具有研發(fā)能力和產業(yè)化規(guī)模的企業(yè)少。
3. 國產高壓變頻器的功率等級較低，目前不超過3500KW。
4. 國內高壓變頻器的技術標準還有待規(guī)范。
5. 與高壓變頻器相配套的產業(yè)很不發(fā)達。
6. 生產工藝落后，勉強滿足變頻器產品的技術要求，但是價格低廉。
7. 變頻器中使用的功率半導體，驅動電路，電解電容等關鍵器件完全依賴進口。
8. 與發(fā)達國家的技術差距在縮小，具有自主知識產權的產品正應用在國民經濟中。
9. 已經研制出具有瞬時掉電再恢復、故障再恢復等功能的變頻器。
10.能夠進行四象限運行的高壓變頻器尚在研究與開發(fā)中。

國外高壓變頻器的發(fā)展現狀

國外各大品牌的變頻器生產商，均形成了系列化的產品，其控制系統(tǒng)也已實現全數字化。幾乎所有的產品均具有矢量控制功能，完善的工藝水平也是國外品牌的一大特點。目前，在發(fā)達國家，只要有電機的場合，就會同時有變頻器的存在。其現階段發(fā)展情況主要表現如下：

1. 技術開發(fā)起步早，并具有相當大的產業(yè)化規(guī)模。
2. 能夠提供特大功率的變頻器，目前已超過10000KW。
3. 變頻調速產品的技術標準比較完備。
4. 與變頻器相關的配套產業(yè)及行業(yè)初具規(guī)模。
5. 能夠生產變頻器中的功率器件，如IGBT、IGCT、SGCT等。
6. 高壓變頻器在各個行業(yè)中被廣泛應用，并取得了顯著的經濟效益。
7. 產品國際化，當地化加劇。
8. 新技術，新工藝層出不窮，并被大量的、快速的應用于產品中。 

高壓變頻器的未來發(fā)展態(tài)勢

交流變頻調速技術是強弱電混合，機電一體的綜合技術，既要處理巨大電能的轉換（整流、逆變），又要處理信息的收集、變換和傳輸，因此它必定會分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關的技術問題，后者要解決的軟硬件控制問題。因此，未來高壓變頻調速技術也將在這兩方面得到發(fā)展，其主要表現為：

1. 高壓變頻器將朝著大功率，小型化，輕型化的方向發(fā)展。
2. 高壓變頻器將向著直接器件高壓和多重疊加（器件串聯和單元串聯）兩個方向發(fā)展。
3. 更高電壓、更大電流的新型電力半導體器件將應用在高壓變頻器中。
4. 現階段，IGBT、IGCT、SGCT仍將扮演著主要的角色，SCR、GTO將會退出變頻器市場。
5. 無速度傳感器的矢量控制、磁通控制和直接轉矩控制等技術的應用將趨于成熟。
6. 全面實現數字化和自動化：參數自設定技術；過程自優(yōu)化技術；故障自診斷技術。
7. 應用32位MCU、DSP及ASIC等器件，實現變頻器的高精度，多功能。
8. 相關配套行業(yè)正朝著專業(yè)化，規(guī)模化發(fā)展，社會分工將更加明顯。