我國(guó)有大量的功率傳動(dòng)機(jī)械，年耗電量約占工業(yè)總耗電量的50%。傳統(tǒng)的調(diào)速方式效率極低，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，大功率電力電子變流技術(shù)發(fā)展迅速。電力電子變流是個(gè)交叉的學(xué)科，它是指用現(xiàn)代電力電子技術(shù)（電力學(xué)、電子學(xué)、控制論）來(lái)實(shí)現(xiàn)交流變直流，和直流變交流。他對(duì)于現(xiàn)在科技的發(fā)展、節(jié)能、機(jī)車(chē)的運(yùn)行等有著重要的作用。

　　近年來(lái)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)多采用單元級(jí)聯(lián)多電平疊加輸出技術(shù)。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)越為大，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)用于大型礦泉水應(yīng)用生產(chǎn)廠、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。

　　在冶金、化工、電力、市政供水和采礦等行業(yè)廣泛應(yīng)用的泵類(lèi)負(fù)載，占整個(gè)用電設(shè)備能耗的40%左右，電費(fèi)在自來(lái)水廠甚至占制水成本的50%。這是因?yàn)椋阂环矫妫O(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)，通常都留有一定的余量；另一方面，由于工況的變化，需要泵機(jī)輸出不同的流量。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和自動(dòng)化，智能化程度的提高，采用高壓變頻器對(duì)泵類(lèi)負(fù)載進(jìn)行速度控制，不但對(duì)改進(jìn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量有好處，又是節(jié)能和設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求，是可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)泵類(lèi)負(fù)載進(jìn)行調(diào)速控制的好處甚多。從應(yīng)用實(shí)例看，大多已取得了較好的效果（有的節(jié)能高達(dá)30%-40%），大幅度降低了自來(lái)水廠的制水成本，提高了自動(dòng)化程度，且有利于泵機(jī)和管網(wǎng)的降壓運(yùn)行，減少了滲漏、爆管，可延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

　　1 高壓變頻器分類(lèi)

　　輸出3~13.8 kV電壓的變頻器在國(guó)內(nèi)稱(chēng)為高壓變頻器，在國(guó)外稱(chēng)為中壓變頻器。高壓主要是與低壓變頻器相對(duì)而言的，國(guó)內(nèi)常用的電壓等級(jí)為3 300 V、4 160 V、6 000 V，其分類(lèi)方式有3種：

　　（1）按輸出電壓方式分為：高高型，直接輸出高壓，變頻器輸出沒(méi)有升壓變壓器；高低高型，中間使用低壓變頻器，后面為升壓變壓器。

　　（2）按中間環(huán)節(jié)類(lèi)型分為：電壓源，中間直流環(huán)節(jié)為電容；電流源，中間直流環(huán)節(jié)為電感。

　　（3）按逆變器電路結(jié)構(gòu)形式分為：三電平（中心點(diǎn)鉗位）和GTO/SGCT電流源型逆變器。

　　完美無(wú)諧波高壓變頻器是基于功率單元電壓串聯(lián)電路結(jié)構(gòu)形式。一般高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都由三部分組成：整流電路將輸入交流變?yōu)橹绷鳎恢虚g為直流環(huán)節(jié)，它用于濾波和能量?jī)?chǔ)存；逆變電路又把直流逆變?yōu)榻涣鳎?duì)輸出的電壓或電流和頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

　　2 完美無(wú)諧波高壓變頻器設(shè)計(jì)原理和運(yùn)行特性

　　2.1 設(shè)計(jì)原理

　　完美無(wú)諧波高壓變頻器采用隔離變壓器和電力電子部分集成一體式設(shè)計(jì)，具有體積小，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，是目前整體尺寸的變頻器。其10 kV的電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)干式隔離變壓器降為6 kV后，再經(jīng)過(guò)副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電。功率單元為三相輸人、單相輸出的交直流PWM 電壓源逆變器結(jié)構(gòu)，相鄰功率單元串聯(lián)起來(lái)，形成Y型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變壓變頻的高壓輸出，供給高壓電動(dòng)機(jī)。以6 kV輸出電壓等級(jí)為例，每相由5個(gè)額定電壓為690 V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓可達(dá)3 450 V，線電壓達(dá)6 kV左右，改變每相功率單元的串聯(lián)個(gè)數(shù)或功率單元的電壓等級(jí)，就可以實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的高壓輸出。其設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

　　2.2 功率單元模塊化

　　為了便于生產(chǎn)和維修，完美元諧波高壓變頻器采用了功率單元模塊化方式。功率單元模塊的電路如圖2所示。它是由熔斷器、三相橋式整流器、直流濾波電容及IGBT單相全橋逆變器組成的電壓型功率單元。單元中的直流濾波電容要足夠大，以使變頻器可以承受30％的電源電壓下降和5個(gè)周波的電源電壓失電。功率單元為三相輸入單相輸出的交-直-交PWM電壓源型變頻器，移相變壓器的副邊輸出三相交流電經(jīng)功率單元的三相二極管整流后，經(jīng)濾波電容形成平直的直流電，再經(jīng)過(guò)四個(gè)IGB1構(gòu)成的H型單相逆變橋，實(shí)現(xiàn)PWM控制。逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，同一相的功率單元，輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯(cuò)開(kāi)一定電角度，實(shí)現(xiàn)多電平PWM，疊加以后輸出電壓的等效開(kāi)關(guān)頻率和電平數(shù)大大增加，輸出電壓非常接近正弦波。

　　整流橋采用三相不可控全橋，逆變器為基本的交-直-交單相逆變電路，通過(guò)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦PWM控制，即脈沖寬度調(diào)制。通過(guò)控制電力電子器件的通斷時(shí)間及通斷次序?qū)⒅绷麟妷恨D(zhuǎn)換為一系列寬度不等的矩形電壓脈沖。

　　每個(gè)功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次繞組之間相互絕緣。二次繞組采用延邊三角形接法，實(shí)現(xiàn)多重化，以達(dá)到降低輸入諧波電流的目的。對(duì)10 kV電壓等級(jí)變壓器來(lái)說(shuō)，給27個(gè)功率單元供電的27個(gè)二次繞組，每3個(gè)一組，分為9個(gè)不同的相位組，互差6.7°電角度，形成54脈沖的整流電路結(jié)構(gòu)，可有效地抵消53次以下的諧波，輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真可達(dá)到1％左右。

　　2.3 運(yùn)行特性

　　（1）在輸入容量不大于變頻器額定容量的情況下也能滿(mǎn)足工作要求。能使其他在線設(shè)備免受諧波干擾，同時(shí)防止與其他調(diào)速裝置發(fā)生串?dāng)_。無(wú)需濾波器，變頻器就可輸出正弦電流和電壓波形，對(duì)電機(jī)沒(méi)有特殊的要求，可以使用普通異步電動(dòng)機(jī)，電機(jī)不必降額使用，具有軟啟動(dòng)功能，沒(méi)有電機(jī)啟動(dòng)沖擊引起的電網(wǎng)電壓下跌，可保證電機(jī)安全、長(zhǎng)期運(yùn)行。

　　（2）變頻裝置輸出波形不會(huì)引起電機(jī)的諧振，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小于0.1%，可避免風(fēng)機(jī)喘振現(xiàn)象，變頻器有共振點(diǎn)頻率跳躍功能。變頻裝置對(duì)輸出電纜長(zhǎng)度無(wú)任何要求，電機(jī)不會(huì)受到共模電壓和dv/dt的影響。可在輸出不帶電機(jī)的情況下進(jìn)行空載調(diào)試，也可在沒(méi)有10 kV高壓情況下用低壓電進(jìn)行空載調(diào)試。采用無(wú)速度傳感器矢量控制，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)150%。變頻器對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)有極強(qiáng)的適應(yīng)能力，在10%范圍內(nèi)變頻器能滿(mǎn)載工作，在45%的電壓下降情況下變頻器能繼續(xù)運(yùn)行而不跳閘。

　　（3）完美無(wú)諧波系列變頻器諧波分量小，功率因數(shù)很高，無(wú)需進(jìn)行功率補(bǔ)償。一般來(lái)說(shuō)用變頻器傳動(dòng)電機(jī)同用工頻傳動(dòng)相比，由于變頻器輸出波形中含有高次諧波的影響，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)、效率將劣化。另一方面，變頻器傳動(dòng)時(shí)要得到與工頻電源傳動(dòng)相同的轉(zhuǎn)矩特性，變頻器的輸出電壓的基波有效值要等于工頻電源的有效值。完美無(wú)諧波變頻器的變壓器次級(jí)繞組在繞制時(shí)相互之間有一定的相位差，產(chǎn)生相移消除諧波電流，能夠獲取幾近完美的正弦輸入電流，使得其功率因數(shù)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，無(wú)須使用外部功率因數(shù)補(bǔ)償電容即可超過(guò)95%。

　　（4）能輸出幾近完美的正弦波電壓。用變頻器進(jìn)行電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)，由于運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的變化，基波分量、高次諧波分量也在很廣范圍內(nèi)變化，電動(dòng)機(jī)各部的諧波增加，會(huì)使口噪聲振動(dòng)增大，引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，其對(duì)策主要是抑制產(chǎn)生的電磁力和防止電磁力產(chǎn)生的諧振。采用變頻器本身提供正弦波輸出而無(wú)須使用外部輸出濾波器。這意味著變頻器只產(chǎn)生極少的失真電壓波形，其產(chǎn)生的電機(jī)噪音很小。

　　3 實(shí)際應(yīng)用效果

　　武鋼煉鐵廠出鐵口除塵風(fēng)機(jī)以前采用液力耦合器調(diào)速，它屬低效調(diào)速方式，調(diào)速范圍有限，低速轉(zhuǎn)差損耗大，可達(dá)額定功率的15%，因效率與速度成正比，低速時(shí)效率極低，低、線性度差、響應(yīng)慢，啟動(dòng)電流大，裝置大，必須加裝在設(shè)備與電機(jī)之間，不適合改造；無(wú)法軟啟動(dòng)，偶合器故障時(shí)，無(wú)法切換運(yùn)行，維護(hù)復(fù)雜、費(fèi)用大，不能滿(mǎn)足提高裝置整體自動(dòng)化水平的需要。武鋼煉鐵廠現(xiàn)在采用HARSVERT-A系列的完美無(wú)諧波高壓變頻器調(diào)速，使啟動(dòng)更加平穩(wěn)，而在降速時(shí)，速度調(diào)節(jié)器的輸人為負(fù)，由于積分作用，速度調(diào)節(jié)器繼續(xù)處于飽和狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率始終是負(fù)值，能夠合理控制制動(dòng)過(guò)程中的減速轉(zhuǎn)矩，避免高轉(zhuǎn)差下增加電機(jī)的損耗，引起電機(jī)發(fā)熱。