前言

變頻器是利用電力半導(dǎo)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(xiàn)代電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，高壓大功率變頻調(diào)速裝置不斷地成熟起來(lái)，原來(lái)一直難于解決的高壓?jiǎn)栴}，近年來(lái)通過(guò)器件串聯(lián)或單元串聯(lián)得到了很好的解決。其應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍也越來(lái)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(jī)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)中主要的耗電大戶(hù)，高壓大功率的更為突出，而這些設(shè)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(diào)速技術(shù)，，將是時(shí)代賦予我們的一項(xiàng)神圣使命，而這一使命也將具有深遠(yuǎn)的意義。

高壓大功率變頻調(diào)速裝置被廣泛地應(yīng)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(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)、軋鋼機(jī)等。

分類(lèi)與結(jié)構(gòu)

高壓變頻器的種類(lèi)繁多，其分類(lèi)方法也多種多樣。按著中間環(huán)節(jié)有無(wú)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(zhì)，可分為電流型和電壓型變頻器；按著有無(wú)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(shù)，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(jí)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(diǎn)是具有四象限運(yùn)行能力，能很方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的制動(dòng)功能。缺點(diǎn)是需要對(duì)逆變橋進(jìn)行強(qiáng)迫換流，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整較為困難。另外，由于電網(wǎng)側(cè)采用可控硅移相整流，故輸入電流諧波較大，容量大時(shí)對(duì)電網(wǎng)會(huì)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(diǎn)是不能進(jìn)行四象限運(yùn)行，當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)需要制動(dòng)時(shí)，需要另行安裝制動(dòng)電路。功率較大時(shí)，輸出還需要增設(shè)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(yīng)用在中、高壓環(huán)境中而得名。原理是通過(guò)降壓變壓器，將電網(wǎng)電壓降到低壓變頻器額定或允許的電壓輸入范圍內(nèi)，經(jīng)變頻器的變換形成頻率和幅度都可變的交流電，再經(jīng)過(guò)升壓變壓器變換成電機(jī)所需要的電壓等級(jí)。

這種方式，由于采用標(biāo)準(zhǔn)的低壓變頻器，配合降壓，升壓變壓器，故可以任意匹配電網(wǎng)及電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)，容量小的時(shí)候（<500KW）改造成本較直接高壓變頻器低。缺點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(cè)采用可控硅移相控制整流，控制電動(dòng)機(jī)的電流，輸出側(cè)為強(qiáng)迫換流方式，控制電動(dòng)機(jī)的頻率和相位。能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。

▲高低高電壓型變頻器
電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(cè)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(chǔ)能。逆變或變流電路可采用GTO ，IGBT，IGCT 或 SCR元件，通過(guò)SPWM變換，即可得到頻率和幅度都可變的交流電，再經(jīng)升壓變壓器變換成電機(jī)所需要的電壓等級(jí)。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(huì)因輸入諧波或dv/dt過(guò)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(dāng)于低壓變頻器的1/3到1/2的價(jià)格。

               
高高變頻器
高高變頻器無(wú)需升降壓變壓器，功率器件在電網(wǎng)與電動(dòng)機(jī)之間直接構(gòu)建變換器。由于功率器件耐壓?jiǎn)栴}難于解決，目前國(guó)際通用做法是采用器件串聯(lián)的辦法來(lái)提高電壓等級(jí)，其缺點(diǎn)是需要解決器件均壓和緩沖難題，技術(shù)復(fù)雜，難度大。但這種變頻器由于沒(méi)有升降壓變壓器，故其效率較高低高方式的高，而且結(jié)構(gòu)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(lián)的辦法實(shí)現(xiàn)直接的高壓變頻，目前電壓可達(dá)10KV。由于直流環(huán)節(jié)使用了電感元件，其對(duì)電流不夠敏感，因此不容易發(fā)生過(guò)流故障，逆變器工作也很可靠，保護(hù)性能良好。其輸入側(cè)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(shí)要考慮對(duì)電網(wǎng)的污染和對(duì)通信電子設(shè)備的干擾問(wèn)題。均壓和緩沖電路，技術(shù)復(fù)雜，成本高。由于器件較多，裝置體積大，調(diào)整和維修都比較困難。逆變橋采用強(qiáng)迫換流，發(fā)熱量也比較大，需要解決器件的散熱問(wèn)題。其優(yōu)點(diǎn)在于具有四象限運(yùn)行能力，可以制動(dòng)。

需要特別說(shuō)明的是，該類(lèi)變頻器由于較低的輸入功率因數(shù)和較高的輸入輸出諧波，故需要在其輸入輸出側(cè)安裝高壓自愈電容。
                                                               
▲高高電壓型變頻器
電路結(jié)構(gòu)采用IGBT 直接串聯(lián)技術(shù)，也叫直接器件串聯(lián)型高壓變頻器。其在直流環(huán)節(jié)使用高壓電容進(jìn)行濾波和儲(chǔ)能，輸出電壓可達(dá)6KV，其優(yōu)點(diǎn)是可以采用較低耐壓的功率器件，串聯(lián)橋臂上的所有IGBT作用相同，能夠?qū)崿F(xiàn)互為備用，或者進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)是電平數(shù)較低，僅為兩電平，輸出電壓dV/dt也較大，需要采用特種電動(dòng)機(jī)或整加高壓正弦波濾波器，其成本會(huì)增加許多。它不具有四象限運(yùn)行功能，制動(dòng)時(shí)需另行安裝制動(dòng)單元。
這種變頻器同樣需要解決器件的均壓?jiǎn)栴}，一般需特殊設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路和緩沖電路。對(duì)于IGBT驅(qū)動(dòng)電路的延時(shí)也有極其苛刻的要求。一旦IGBT的開(kāi)通、關(guān)閉的時(shí)間不一致，或者上升、下降沿的斜率相差太懸殊，均會(huì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，它既可以實(shí)現(xiàn)二極管中點(diǎn)嵌位，也可以實(shí)現(xiàn)三電平或更多電平的輸出，其技術(shù)難度較直接器件串聯(lián)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(shè)置輸入變壓器，它的作用是隔離與星角變換，能夠?qū)崿F(xiàn)12脈沖整流，并提供中間嵌位零電平。通過(guò)輔助二極管將IGBT等功率器件強(qiáng)行嵌位于中間零電平上，從而使IGBT兩端不會(huì)因過(guò)壓而燒毀，又實(shí)現(xiàn)了多電平的輸出。

這種變頻器結(jié)構(gòu)，輸出可以不安裝正弦波濾波器。

▲電容嵌位型變頻器
電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示，它采用同橋臂增設(shè)懸浮電容的辦法實(shí)現(xiàn)了功率器件的嵌位，目前這種變頻器應(yīng)用的比較少。

單元串聯(lián)型變頻器

這是近幾年才發(fā)展起來(lái)的一種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)，由于采用功率單元相互串聯(lián)的辦法解決了高壓的難題而得名，可直接驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)，無(wú)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(gè)功率單元，每相由6臺(tái)功率單元相串聯(lián)，并組成Y形連接，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)。每臺(tái)功率單元電路、結(jié)構(gòu)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(tái)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(tái)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(diǎn)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(shù)多達(dá)36，功率因數(shù)高，輸入諧波小。
3. 模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)方便，增強(qiáng)了產(chǎn)品的互換性。
4. 直接高壓輸出，無(wú)需輸出變壓器。
5. 極低的dv/dt輸出，無(wú)需任何形式的濾波器。
6. 采用光纖通訊技術(shù)，提高了產(chǎn)品的抗干擾能力和可靠性。
7. 功率單元自動(dòng)旁通電路，能夠?qū)崿F(xiàn)故障不停機(jī)功能。

高壓變頻器的發(fā)展背景及其重要意義

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，促進(jìn)了電氣傳動(dòng)的技術(shù)革命。交流調(diào)速取代直流調(diào)速，計(jì)算機(jī)數(shù)字控制取代模擬控制已成為發(fā)展趨勢(shì)。交流電機(jī)變頻調(diào)速是當(dāng)今節(jié)約電能，改善生產(chǎn)工藝流程，提高產(chǎn)品質(zhì)量，以及改善運(yùn)行環(huán)境的一種主要手段。變頻調(diào)速以其高效率，高功率因數(shù)，以及優(yōu)異的調(diào)速和啟制動(dòng)性能等諸多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)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(gòu)成，缺點(diǎn)很多，諧波大，對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)都有影響。近年來(lái)，發(fā)展起來(lái)的一些新型器件將改變這一現(xiàn)狀，如IGBT、IGCT、SGCT等等。由它們構(gòu)成的高壓變頻器，性能優(yōu)異，可以實(shí)現(xiàn)PWM逆變，甚至是PWM整流。不僅具有諧波小，功率因數(shù)也有很大程度的提高。

國(guó)產(chǎn)高壓變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，在國(guó)內(nèi)有大量的低壓變頻器廠商，其大部分為AC380V的中小功率產(chǎn)品，而在高壓大功率變頻器方面，卻為數(shù)不多。能夠研制、生產(chǎn)、并提供服務(wù)的高壓變頻器廠商，僅有少數(shù)的具備科研能力或資金實(shí)力的個(gè)別企業(yè)。

國(guó)內(nèi)僅有少部分的中、高壓電機(jī)進(jìn)行了變頻調(diào)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(chǎng)仍需大量進(jìn)口。這些狀況主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1. 國(guó)外各大品牌的產(chǎn)品為了占領(lǐng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，加快了本地化的步伐。
2. 具有研發(fā)能力和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的企業(yè)少。
3. 國(guó)產(chǎn)高壓變頻器的功率等級(jí)較低，目前不超過(guò)3500KW。
4. 國(guó)內(nèi)高壓變頻器的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還有待規(guī)范。
5. 與高壓變頻器相配套的產(chǎn)業(yè)很不發(fā)達(dá)。
6. 生產(chǎn)工藝落后，勉強(qiáng)滿(mǎn)足變頻器產(chǎn)品的技術(shù)要求，但是價(jià)格低廉。
7. 變頻器中使用的功率半導(dǎo)體，驅(qū)動(dòng)電路，電解電容等關(guān)鍵器件完全依賴(lài)進(jìn)口。
8. 與發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)差距在縮小，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品正應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中。
9. 已經(jīng)研制出具有瞬時(shí)掉電再恢復(fù)、故障再恢復(fù)等功能的變頻器。
10.能夠進(jìn)行四象限運(yùn)行的高壓變頻器尚在研究與開(kāi)發(fā)中。

國(guó)外高壓變頻器的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外各大品牌的變頻器生產(chǎn)商，均形成了系列化的產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化。幾乎所有的產(chǎn)品均具有矢量控制功能，完善的工藝水平也是國(guó)外品牌的一大特點(diǎn)。目前，在發(fā)達(dá)國(guó)家，只要有電機(jī)的場(chǎng)合，就會(huì)同時(shí)有變頻器的存在。其現(xiàn)階段發(fā)展情況主要表現(xiàn)如下：

1. 技術(shù)開(kāi)發(fā)起步早，并具有相當(dāng)大的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。
2. 能夠提供特大功率的變頻器，目前已超過(guò)10000KW。
3. 變頻調(diào)速產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)比較完備。
4. 與變頻器相關(guān)的配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)初具規(guī)模。
5. 能夠生產(chǎn)變頻器中的功率器件，如IGBT、IGCT、SGCT等。
6. 高壓變頻器在各個(gè)行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。
7. 產(chǎn)品國(guó)際化，當(dāng)?shù)鼗觿　?br style="padding: 0px; margin: 0px;"/>8. 新技術(shù)，新工藝層出不窮，并被大量的、快速的應(yīng)用于產(chǎn)品中。 

高壓變頻器的未來(lái)發(fā)展態(tài)勢(shì)

交流變頻調(diào)速技術(shù)是強(qiáng)弱電混合，機(jī)電一體的綜合技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)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(huì)分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問(wèn)題，后者要解決的軟硬件控制問(wèn)題。因此，未來(lái)高壓變頻調(diào)速技術(shù)也將在這兩方面得到發(fā)展，其主要表現(xiàn)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(lián)和單元串聯(lián)）兩個(gè)方向發(fā)展。
3. 更高電壓、更大電流的新型電力半導(dǎo)體器件將應(yīng)用在高壓變頻器中。
4. 現(xiàn)階段，IGBT、IGCT、SGCT仍將扮演著主要的角色，SCR、GTO將會(huì)退出變頻器市場(chǎng)。
5. 無(wú)速度傳感器的矢量控制、磁通控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等技術(shù)的應(yīng)用將趨于成熟。
6. 全面實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和自動(dòng)化：參數(shù)自設(shè)定技術(shù)；過(guò)程自?xún)?yōu)化技術(shù)；故障自診斷技術(shù)。
7. 應(yīng)用32位MCU、DSP及ASIC等器件，實(shí)現(xiàn)變頻器的高精度，多功能。
8. 相關(guān)配套行業(yè)正朝著專(zhuān)業(yè)化，規(guī)?；l(fā)展，社會(huì)分工將更加明顯。