1 引言
為實現對高壓大功率交流電動機變頻調速,人們提出了多種拓撲形式,比較適用并以產品化的有交-交變頻、單元串聯多電平、三電平, 但高壓變頻技術是建立在電力電子器件制造工藝改進和制造水平提高的基礎上, 尤其是高電壓大容量gto、igbt、igct器件的開發成功，促進電壓型pwm變頻調速傳動技術得以迅速發展, 以使得高壓變頻技術性能日益完善。本文對高壓變頻技術及市場的發展作以闡述。
2 器件與結構
2.1主流器件
高壓變頻技術發展至今，其主回路拓撲結構是隨著電力電子器件的創新開發而不斷發展的，早期產品的scr器件也隨著電力電子器件的不斷創新在高壓變頻領域已處于逐步淘汰的趨勢。而gto具有高電壓、大電流的發展潛力，但驅動(關門)電路復雜，影響可靠性，j3結特性很軟，耐壓很低的p-n結，若gto未處于導通狀態就連續對g-k所在的j3結施加強的負門極脈沖是很危險的，因此在應用中gto狀態識別和邏輯保護是十分重要的。用內部mos結構關斷的gto，因工藝復雜，目前未能實現大功率化，而為實現可關斷mos結構的gto，開發研制出把mos結構置于gto外面來協助關斷的igct。igct適用于大電流(1000a以上)、低頻率(1000hz以下)的應用，由于其從研制生產到應用的一系列技術受到專利的保護，在推廣應用和器件競爭中未能完全取代gto，igbt，它的作為第三代電力電子器件，因其工作電壓較低，在多電平級聯式變頻裝置中有其廣闊的發展前景。iegt是最為嶄新的電力電子器件，其吸取了igbt和gto兩者的優點，稱為“注入增強柵晶體管”，它是在溝槽型igbt基礎上，把部分溝道同p區相聯使發射極區注入增強，使得iegt具有高電壓大電流和高的工作頻率，使其更適合于高電壓大功率、高頻率的變頻裝置。
目前，應用在高壓大功率變頻領域的電力電子器件，形成gto、igct、igbt、iegt相互競爭不斷創新的技術市場，在大功率(1000kw)，低頻率(1000hz)的傳動領域，如電力牽引機車領域gto、igct有著獨特的優勢，而在高載波頻率、高斬波頻率下igbt、iegt有著廣闊的發展前景，在現階段高壓大功率變頻領域將由這四種電力電子器件構成主流器件。
2.2 主流結構
目前就高壓大功率變頻器的主流結構為高-高方式及其派生的形式，高-高大功率變頻器按其中間直流環節的儲能元件的不同，可分為電壓源型和電流源型。
(1) 電壓源型高-高變頻器
電壓源型高-高變頻器由整流器和變頻器兩部分組成，在變頻器的直流側并有大電容，用來緩沖無功功率，當輸出電壓高于普通pwm電壓源型變頻器時，采用三電平pwm方式，可以避免器件串聯的動態均壓問題，同時降低輸出諧波和dv/dt，三電平pwm方式整流電路采用二極管，變頻部分功率器件采用gto、igbt或igct。每個橋臂雖由4個功率器件串聯，但是不存在同時導通和關斷以及由此引起的動態均壓問題。由于輸出相電壓電平數增加到了3個，每個電平的幅值下降，且提高了諧波消除算法的自由度，可使輸出波形比二電平pwm變頻器有了較大的提高，輸出dv/dt也有所減少，若輸入也采用對稱的pwm結構，可以做到系統功率因數可調，輸入諧波也很低，且可四象限運行。但為減少輸出諧波和轉矩脈動，希望有較高的開關頻率，但會導致變頻器損耗增加，效率下降。三電平變頻器輸出若不設濾波器，一般需要特殊電動機，若使用普通電動機應降額應用。
(2) 電流源型高-高變頻器
電流源型變頻器的最大優點是，電能可以回饋到電網由其結構決定構成的交流調速系統可實現四象限運行。由于輸入側采用橋式晶閘管整流電路，輸入電流的諧波較低，功率因數低，且隨著系統轉速的下降而降低。另外，電流源型變頻器還會產生較大的共模電壓，若不采用輸入變壓器，其共模電壓會影響電動機的絕緣，裝置的輸出電流諧波也較高，會引起電動機的額外發熱和轉矩脈動，從而影響系統的動態指標。由于驅動功率、均壓電路等固定損耗較大，系統效率會隨著負載的降低而下降。采用gto作為逆變部分功率器件，可以通過pwm開關模式來實現消除諧波電流，但系統受到gto開關頻率上限的限制，一般控制在幾百hz左右，若整流電路采用gto作電流pwm控制，可以得到較低的輸入電流諧波和較高的輸出功率因數，而會使系統結構復雜和成本增加。
電流源型的發展稍晚于電壓源型，在主回路方面電流源型與電壓源型比較有三方面差別:
l 變頻器的直流側采用大電感l作為濾波元件，即直流電路具有較大的阻抗，由于l的作用，三相整流橋交流側的輸入電流為120°方波的交流電流，同樣三相變頻橋交流側輸出電流為120°方波的交流電流。由于l的作用，能有效的抑制故障電流的上升率實現較理想的保護特性。
l 沒有與逆變橋反向并聯的反饋二極管橋，這里整流橋和逆變橋的電流方向始終不變，傳動系統能量的再生可以通過整流橋和逆變橋的直流電壓同時反向，將能量返送交流電網，因此可快速實現四象限運行，適用于頻繁加減速和頻繁啟動的負載場合。
l 逆變橋依靠逆變橋內的電容器和負載電感的諧振來換流, 逆變橋內沒有電感, 簡化了主回路的設計和制作。
3 變頻器的拓撲結構
為實現高壓大功率變頻調速,人們提出了多種拓撲形式,比較適用并已產品化的有,單元串聯多電平、三電平，但高壓變頻技術是建立在電力電子器件制造工藝改進和制造水平提高的基礎上，尤其是高電壓大容量gto、igbt、igct器件的開發成功，促進電壓型pwm變頻調速傳動技術得以迅速發展，以使得高壓變頻技術性能日益完善。本文對高壓變頻技術的幾種拓撲形式作如下闡述。
3.1 單元串聯多電平直接高壓方式
單元串聯直接高壓方式雖然具有損耗小、無降壓升壓變壓器等特點，但由于其產生大量的高次諧波，在應用中受到一定的限制，而功率單元串聯多電平形式，由于它在諧波、效率和功率因數等方面的優勢，在不要求四象限運行的負載下有著較廣泛的應用前景，特別是國內，由于風機、水泵類的負載較多，此種結構形式由于其完美無諧波和高效率而有著廣闊的應用市場。但是也需要在應用中進一步在以下幾個方面加以完善:
l 移相變壓器設計比較復雜，成本高;
l 由于單元多，要求較高的控制技術;
l 電機難以實現四象限運行。
3.2 三電平變頻器主電路
1977年德國學者holtz提出三電平變頻器主電路及其方案，這是一種常規二電平電路，其中每相橋臂中帶一對開關管，以輔助中點箝位。后來，日本nabae于1981年繼續發展，將這些輔助開關管變成為一對二極管，分別與上下橋臂串聯的主管中點相連，以輔助中點箝位。該電路比前者更易于控制，且主管關斷時僅承受直流母線一半的電壓，因此更為實用。自80年代以來，這種方法被廣泛應用于變頻器及大功率高壓供電的交流調速領域。現在對三電平pwm變頻的研究，不僅在理論分析、控制技術方面，而且在系統設計和工程應用等方面都取得很大的成功。日本三菱公司已研制出容量80mw的變頻器，應用于軋鋼的三電平雙pwm整流/變頻調速系統，以適用于四象限運行及動態性能要求較高的場合。三電平變頻方式是今后變流技術發展的一種主要趨勢。三電平控制方式具有以下特點:
(1) 現有的半導體器件不太高的耐壓等級限制了普通二電平變頻器系統的電壓等級和容量，盡管人們采用多器件串聯的形式，但存在靜態、動態均壓的問題。采用三電平拓撲能有效的解決電力電子器件耐壓不高的問題,由于每一個主管承受的關斷電壓僅為直流側電壓的一半,因此它適用于高電壓大功率的電動機調速;
(2) 三電平拓撲單個橋能輸出三種電平(+ud/2、0和-ud/2、)，線(相)電壓有更多的階梯來模擬正弦波，使得輸出波形失真度減少，因此諧波大為減少;
(3) 多級電壓階梯波減少了dv/dt, 減小對電機繞組絕緣的沖擊，對電動機絕緣要求也有所降低;將普通三相電動機做一些絕緣加固處理就可以應用于變頻調速系統;
(4) 三電平pwm方法把第一組諧波分布帶移至二倍頻開關頻率的頻帶區,利用電機繞組電感能較好的抑制高次諧波對電機的影響。在同樣的諧波含量下開關頻率下降一半，同時帶來開關損耗也降低一半，故允許用較低的調制比以提高整個系統的效率。
(5) 三電平拓撲形式能產生3×3×3=27種空間電壓矢量,較兩電平的矢量數大大增加,矢量的增多帶來諧波消除算法的自由度,可得到很好的輸出波形。
(6) 在同樣的開關頻率及控制方式下，三電平變流器輸出電壓諧波大大小于二電平變頻器，故應用gto作為開關元件是非常適合的，從而降低了系統的制造成本。
采用雙pwm的三電平結構，整流側也采用與逆變橋一樣的三電平結構，很容易實現四象限運行，pwm整流器輸入側電流波形即使在開關頻率較低時也能保證一定輸出波形的正弦度，能作到功率因數為1，諧波電流小。另外還可以向電網輸出超前無功，校正電網功率因數，在同樣的開關頻率及控制方式下，它的諧波電流總畸變thdi要大大小于二電平變頻器。
目前，國內外對三電平整流/變頻器研究的焦點主要集中在以下幾個方面:
l 優化開關矢量, 限制最大開關頻率, 減小輸出量的諧波，考慮最小導通脈沖寬度限制, 減小它對系統的影響;
l 在高壓大功率場合，實現四象限運行，提高功率因數，降低諧波對電網的污染;
l 控制中點電位，限制中點電位浮動的范圍，避免系統工作異常及發生電位漂移過多而擊穿開關器件。
目前中點電位的控制，主要采用的方法有電流遲滯比較法，它類似于普通兩電平的遲滯電流比較，通過檢測負載電流的變化，調整開關脈寬，該方法獲得比較好的負載變化的動態響應。另外智能控制算法也得到了一定的應用，現代控制算法由于受到微處理器的限制，其應用的實例還比較少，用得較多的還是各種pid算法，尤其是各種智能pid。實際應用中，優化空間電壓矢量法還是用得較多的一種，該方法以電動機內部旋轉的磁通矢量為控制對象，通過選擇不同扇形區的矢量來合成主磁通，它比較直觀、明確、易于實現。但由于三電平拓撲能產生27個電壓矢量，較普通二電平結構復雜，關鍵問題要通過不同矢量的選取來保證中點電位在允許的波動范圍之內，還要考慮矢量選擇對中點電位的影響，因同一種電壓輸出有不同的開關模式，不同的開關狀態的組合對箝位電容的充放電過程有完全不同的影響，由此可以通過選擇不同的開關過程來調整中點電位。另外，還要考慮開關損耗，特別是零矢量的選取。這就是優化空間電壓矢量的基本原理，也是在現有三電平高壓大功率變頻器中應用得較多的一種控制方法。
4 國內高壓變頻調速技術動態
4.1功率單元串聯多電平
國際上具有生產研制新型大功率高壓變頻裝置能力的均是各大知名電氣公司,在我國目前應用的產品有美國羅賓康(robicon)公司和日本東芝公司等，并有國際各大電氣公司搶占我國高壓變頻器市場的趨勢。我國于1996年經國家科委、北京市科委批準由北京凱琦北方電氣有限公司承擔的“無電網污染高壓大功率變頻器”產品的研制，經過二年的研究，成功開發出具有獨立知識產權的“無電網污染高電壓大功率變頻器”。并于1998年6月月通過國家科委、國家經貿委、北京市科委組織的技術鑒定。該變頻裝置具有高功率因數、高效率、無諧波污染、無需專用電機等優點, 在技術上已達到國際先進水平，填補了國內這一領域的空白, 其三相系統主電路結構如圖1所示。
圖1 三相系統主電路結構圖
由電網引入的三相高壓交流電經移相變壓器，由其付邊每相的5個二次線圈將電壓移相12°供給5個功率單元，各功率單元如圖2所示，即為常規交-直-交電壓型變頻器，輸入側為三相全橋二極不控整流，中間為電容濾波環節，輸出側為igbt單相逆變橋形式。即在a、b兩點之間得到pwm波形，5個功率單元相疊加即可輸出高電壓正弦波給交流感應電動機。每個功率單元承受電壓為690v，5個單元串聯后相電壓為3450v，對應線電壓為6000v。該裝置在系統設計上采用了多項先進技術如下:
圖2 大功率逆變器單元主回路結構圖
(1) 曲折變壓器移相技術。變頻整流側通過曲折變壓器移相，實現的30脈沖整流,從理論上29次以下的諧波電流都可以消除,使裝置的諧波抑制能力大大加強。因內整流橋采用二極管不控整流，任何負載下輸入電壓與輸入電流的相移接近于0，這種關系通過變壓器折合到一次側，使電網側電壓與電流之間幾乎無相移，因此功率因數很高。
(2) 采用igbt作為主回路的開關器件,提供了較高的開關頻率,以減小電流和轉矩的脈動。
(3) 全數字化光纖控制技術的應用,控制柔性和可靠性大大提高。
(4) 多級pwm輸出波形生成技術,單元逆變橋輸出pwm波形和以及5級移相疊加后得到的變頻器輸出電壓呈現電平臺階形逐級錯開的理想狀態，實現了高質量的功率輸出，大大減少了輸出電壓的dv/dt脈動對電機繞組的沖擊，在這種pwm控制方法下，以較小的器件開關損耗實現了較高的電機運行性能。
(5) 功率單元標準模塊化，igbt驅動電路智能化,并在功率單元回路設計中,應用了功率母線技術。系統有著完善的檢測及保護功能，并具有與pc機現場總線的標準接口，采用鍵盤操作和大屏幕液晶漢顯界面。
4.2 功率單元串聯及多電平方式
在高-高變頻器的主回路結構中，采用若干個低壓pwm變頻功率單元串聯的方式實現直接高壓，電網電壓經過二次繞組多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，單相變頻功率單元輸出端串聯起來，實現變壓變頻的高壓輸出，直供高壓電動機。單元串聯的數量決定輸出電壓的等級，不存在著器件的均壓問題，逆變器部分采用多電平移相式pwm技術, 同一相的功率單元輸出相同的基波電壓, 但串聯各單元的5對載波(每對含正反向信號)之間互相錯開36°，實現多電平pwm，每個功率單元的igbt開關頻率為600hz，若每相5個功率單元串聯時，等效的輸出相電壓開關頻率為6khz，且有11個不同的電平功率單元采用低的開關頻率，可以降低開關的損耗，提高變頻器效率，此種結構的變頻器可適用于任何普通的高壓電動機，且不必降額使用。雖然采用這種主電路拓撲結構會使器件的數量增加，但由于驅動功率下降，開關頻率較低且不必采用均壓電路，使系統在效率方面仍有較大的優勢，一般可達97%，由于采用模塊化結構，所有功率單元可以互換，維修也比較方便。由于采用二極管整流電路，所以能量不能回饋電網，不能實現四象限運行，其應用領域受到一定的限制。
4.3 功率母線技術
在電力電子技術及應用裝置向高頻化發展的今天, 系統中特別是連接線的寄生參數產生巨大的電應力, 已成為威脅電力電子裝置可靠性的重要因素，從直流儲能電容至變頻器的器件之間的直流母線上的寄生電感在通常的硬開關變頻器中, 由于瞬時切換時的過電壓, 會使器件過熱，甚至有時使變頻器失控并超過器件的額定安全工作區而損壞，限制了開關工作頻率的提高。功率母線按其結構可分為以下幾種:
(1) 電纜絞線
電纜絞線是最常用的傳統功率母線，價廉、簡易，但在igbt變頻器中，由于電纜線的自感大與園截面導線相比，扁平母線的自感只有園導線的1/3~1/2，而所占的體積只有它的1/10~1/2。
(2) 印刷電路板
印刷電路板母線主要用于小電流變頻器，但當母線直流電流達到150a時，要求電路板的復銅層很厚，造價太高，另外用來連接多層導線板的穿孔不但占據較大的空間，而且會影響整機的可靠性。
(3) 裸銅板母線(平面并行母線)
這是一種工業上廣泛應用的igbt模塊饋電系統的傳統母線形式，其缺點是在于并行母線的互感較大。
(4) 支架式母線
如果將正直流母線銅板放置在負直流母線板的上方，中間用一層薄絕緣材料隔開的方法來制作母線，由于磁場的相互抵消，可以最大限度地降低互感，但其工藝復雜，不宜規模化生產，由于上述幾種功率母線都存在著不同的缺點，因此制約大功率變頻器體積的小型化的進程，為此開發研制出迭層功率母線。
(5) 迭層功率母線
基于電磁理論，把連線做成扁平截面，在同樣截面下做得越薄越寬，它的寄生電感越小，相鄰導線內流過相反的電流，其磁場抵消，可使寄生電感減小，這就促使萌生迭層功率母線的思路。所謂迭層功率母線是以又薄又寬的銅排形式迭放在一起，各層之間用很薄的高絕緣強度的材料熱壓成一體，整個母線極之間的距離均勻一致，以減少互感，各層銅排都在所需要的端子位置處同其他層可靠絕緣地引出，使所具有不同電位的端子表露在同一平面上，以便于把主電路中的所有器件與之相連。這種整體的迭層功率母線結構，可承受數百公斤的切應力，其導電極之間可承受數千伏的電壓。使用迭層功率母線將igbt和整流管等模塊、散熱器、電容器及柵極驅動電路組合在一起，迭層功率母線與器件之間的連接是用不同的端子和插接件等來完成的，以使相連接時的接觸表面與母線之間的接觸電阻非常小，也使得寄生電感成數量級的減小，從而使ldi/dt過電壓應力降至最低，保證電力電子裝置工作在最佳狀態下。
5 變頻技術創新與市場
5.1 產學研與技術創新
目前國內應用的高壓大功率變頻裝置,大部分為引進產品,而國內在這一領域中,近年來也作了一些研究工作，早期研制成功的國產大功率高壓變頻裝置，大多數裝置采用的是交-交變頻方式，因其在制造成本上、可靠性及推廣應用都失去市場競爭能力，而由凱琦新北方電氣有限公司、北京利德華技術有限公司研制的“無電網污染高電壓大功率變頻器”其技術性能具備世界先進水平，其面臨的是開發出系列產品進入市場推廣應用，但其均為單元串聯多電平方式，而三電平方式還處于起步階段。為此需要在產業政策、資金、政府導向上給予扶植，以使這一技術創新產品盡快的轉化為生產力。以推動我國傳統工業實現從粗放型到集約型的轉變。目前國內該項技術正面臨著機遇和挑戰并存，1995年美國總統科技顧問委員會提交的咨詢報告中，列舉6項關系到國民經濟發展和國家長久安全的國家關鍵技術(材料、制造業、信息和通信、生物技術、航空和運輸、能源和環境)，除了生物技術一項外，都與電力電子技術有關。因此電力電子技術研究和產品開發是21世紀的朝陽產業，國內具有大規模生產能力的大中型企業超過數百家，研究單位在這一領域的水平也處于世界前沿，而我國各大高校更是集結了一大批具有掌握該項技術先進水平的學者，若能把產學研有機結合起來就可走出有中國特色的技術創新之路。如把凱琦北方電氣有限公司的該項技術嫁接到有著巨大生產能力的國有大中型電氣制造企業中去，并迅速擴大生產規模，形成巨大的生產力，必將形成推動國民經濟發展新的動力。從技術創新的組織走向產業革命，在我國形成以電力電子技術為基礎科學的高科技產品的生產鏈。
技術創新的全過程包括三個階段，他們聯系在一起形成自我強化循環，首先是一個可行的創新思想，其次是它的實際應用，再次是它在市場上推廣。當這一創新技術的推廣應用反過來又推動產生新的創新思想，這一過程就是技術創新的循環。因為新的技術不僅是各種創造性新思想的產品，而且是各種創造性新思想的力量源泉。所以這一循環的第二階段和第三階段(應用和推廣)是技術創新產生巨大生產力的必然之路，只有加速這兩個階段，才能使技術創新形成巨大的生產力，推動我國工業領域進行一次技術革命。
5.2 國內高壓大功率變頻器市場展望
我國的發電量50%~60%用于交流電動機將電能轉變為機械能,而電動機容量在315kw以上的異步電機額定電壓一般為高壓(3~10kv),這部分電動機占電動機總裝機容量的比例約在40%~50%。由于我國高壓變頻技術仍沒有形成產業化，落后于發達國家，因此這部分電動機在負載工況變化時，缺少經濟可靠的調速手段，每天都在浪費大量的電能，因此國內潛在著巨大的高壓大功率變頻器市場。世界上各大知名的電氣公司，如西門子、abb、ab、aeg、東芝等，都在這一領域展開激烈的競爭，投入大量的人力、物力和財力，開發研制高性能的產品，以搶占我國高壓大功率變頻器的市場。國家計委預計在今后的十五年內，我國變頻器總需求的投資額在500億以上，而其中60%~70%是高壓大功率變頻器。我們如果不能在這場競爭中研制開發出自己的創新產品，并形成產業化生產規模，并加大推廣應用力度，那么我們將把國內幾百億的高壓大功率變頻器市場讓給國外各大電氣公司，其結果是由國外各大電氣公司壟斷我國高壓大功率變頻器技術及市場，那時我國在這一領域的技術和產品將是“萬國型”。因此研制國產高壓大功率變頻器，就必須走產學研聯合創新之路，才能形成產業化的規模。而要從技術創新走向產業成功的路，并沒有一個固定模式和規律讓我們去遵循，而是需要在市場經濟的競爭中穿插、協調，把人的智慧、技術、和社會的資金及產品在市場上的推廣應用的網絡有機的結合，形成技術創新、推廣應用、網絡服務，以此推動國產高壓大功率變頻器走向市場，并占領市場形成全新的規模化的朝陽產業。
6 結束語
國際和國內高壓變頻領域在器件的研發和拓撲結構的創新，需要從事高壓變頻技術的科研人員和各國政府的投入和扶植，而且更需要市場的推動。深信若能把產學研有機結合起來走出有中國特色的技術創新之路，我國具有自主知識產權的高壓變頻技術必將形成推動國民經濟發展新的動力。從技術創新、產業革命到推廣我國高壓變頻技術應用，在我國形成以電力電子技術為基礎科學的高科技產品的生產鏈。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
