[摘 要]介绍了高压变频器调速的原理及应用情况，结果表明，高压变频器具有优良的调速性能和节能效果，具有极好的发展前景。
　　[关键词]高压变频；IBGT；PWM；功率单元；多重化
　　中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0009-01
　　1 问题的提出
　　在现代工业自动化控制中，变频技术的发展和应用使得普通感应电机具有与直流电动机一样的性能，因而获得了广泛的应用。但是至今变频调速主要还是应用在中小容量低压电机上，对于大容量中高压电动机由于受到绝缘门双极晶体管IBGT电压电流容量的限制，目前还很少用变频调速。恰恰是在大容量领域，绝大部分机械常年不是在额定功率下工作，常常只有50%-60%的输出量，因而在这类机械上采用变频调速并根据输出量的要求改变输出功率，其节能效果特别显著，并且其控制性能也得到显著改善。以往对这类高压电机的变频调速多是采用“高—低—高”组成方式（如图1（a）所示），即在低压变频器输入输出两端分别用降压及升压变压器改变电压等级，使用普通的低压变频装置对高压感应电动机进行调速。显然这样的中间环节电流大，再加上升降压变压器的损耗，效率低下，况且变压器体积庞大，制造困难，可靠性—下降。为此寻求“高—高”直接变频（如图1（b）所示）成为大容量领域的发展方向。高压直接变频的关键在于高压IBGT的制造，这一问题随着电子器件的发展已日趋解决。现在高性能的高压变频装置已问世，电压可达10kV以上，容量也达6000kW以上。
　　2 控制原理
　　高压变频装置的高压通过采用高压器件和功率单元串联来实现。高压器件主要指构成各功率单元的整流器和逆变器所采用的高压绝缘门双极晶体管IBGT，其电压可达3kV以上，可制成6kV以上的变频器。
　　然而大功率变频器使用中的一个突出问题是谐波于扰。谐波干扰将使同在电源上的其他设备无法正常工作，甚至损坏，也使自身的电机发热，不得不“降额”使用。为了消除谐波干扰，高压变频采用单元串联多电平PWM电压源来实现。图2给出了2单元串联高压变频器其中一相的串联示意图。两单元串联多电平PWM电压源变频器，可承受4160V额定电压，其隔离变压器二次侧有6个绕组，整流器和逆变器由两个三相交流输入、单相交流输出的电压源变频器串联。若增至3个单元串联，其电压可达6000V，隔离变压器二次侧应有9个绕组，整流器和逆变器应由3个三相交流输入、单相交流输出的电压源变频器串联。变频器电压等级越高，串联单元越多，隔离变压器绕组越多，整流器和逆变器串联的电压源变频器越多。
　　每个功率单元由隔离变压器分别供电，各二次线圈存在一个相位差，以实现输入的多重化。这里所说的多重化即逆变器用多个低压调制PWM电压源组成，其基波电压相同，而串联各单元之间错开一定的相位以使它们输出的波形在相位上错开一定的角度进行叠加，以减少谐波，从而获得理想的阶梯波形。对于6功率单元串联高压变频器，各单元采用共同的调制波信号，各载波的相位相互错开载波周期的1/6，对每个功率单元进行SPWM控制，通过载波的移相，使得每个功率单元输出的PWM脉冲相互错开，这样在叠加后，使输出波形为多电平（相电压13种电平，线电压25种电平输出），同时输出波形的等效开关频率达到单元开关频率的6倍，大大改善输出波形，减少输出谐波，使输出电压非常接近正弦波。同时输出电压的每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，dv/dt很小，对电机没有危害，不必设置输出滤波器，就可以使用原有的电机。其输出波形如图3所示。
　　3 应用和发展
　　高压变频技术的应用改善了输出波形，降低了谐波，实现了电机平滑调速，不会出现任何冲击电流，解决了电机启动时的大电流冲击问题，消除了大启动电流对电机、传动系统、主机及管道的冲击应力，大大降低维护保养费用。高压变频高质量的功率输出使得电机不需要降额使用。电网的功率因数在正常调速范围内保持在0.95以上，因而无需任何功率补偿装置。变频部分效率达到98%以上，这远优于其它类型的变频调速系统。
　　近年来高压变频器得到了进一步的发展，不仅具有优良的调速性能和节能效果，其功能也逐步得到完善和提高。通过它可控制单台或1组感应电动机，在外加励磁情况下对同步电机进行速度控制，可进行扭矩控制、弱磁调节、滑差补偿、自动斜坡上升/下降，可以选择多种制动方式，还可以对过流、过载、短路、失速、直流过压/欠压、接地故障、通讯故障等进行保护。高压变频器内置PLC提供4K以上的内存，可接受多种参数的选择、定义和设置；有多路I/O口，针对具体的应用可以与外界进行D/A交换，实现各种工业自动化控制；有很强的通讯功能，通过良好的用户界面实现人机对话。它与计算机技术、网络技术和现代控制技术相结合，同时具有调速范围宽、调速精度高、动态响应快、运行效率高、操作方便、节能效果明显等一系列优势，在科技日益发展的今天，有极好的市场发展前景。