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1 引言
         
        高压变频器是相对于380V、660V等电压等级的低压变频器而言的。我国工矿企业把1000V以上的交流电动机例如3kV、6kV、10kV等交流电机都称为高压电动机，对应用于这类电动机的变频器都称为高压变频器，国外则把这种电压等级的变频器称为中压变频器。为与我国电机的电压等级一致，我们把1kV以上的变频器都称为高压变频器。
         
        高压大容量变频器是一种技术含量高、难度大的高新技术产品，其开发和生产的难度在于:一是高压变频器由于供电电压高，而目前世界上电力电子器件的耐压水平还不能与此要求相适应;二是高压大功率变频器技术难度大，制造技术要求高，资金投入大，而高压变频器还主要是用于风机泵类等负载的调速节能运行，需低投入，由节电费用偿还投资，故售价要便宜;三是高性能高压变频器尚有许多技术难点有待解决。这三个矛盾就构成了当今电气传动制造业的一大难题，也成为各国著名的电气公司竞争的热点之一。为解决为个问题，出现了多种拓扑结构和技术方案，如高-低-高式、高-高式等，高-高式中又有多种拓扑结构，目前仍在发展之中，尚未形成如低压变频器那样的统一的拓扑结构。



    2 高压变频器的发展简况
          高压变频器是在低压变频器已成功应用的基础上发展起来的。高压变频器可分为交-交变频器、同步电机高压变频器和异步电机高压变频器。
        2.1 交-交大功率高压变频器
         
        上世纪80年代中期，我国冶金企业引进了几套同步电机矢量控制的交-交变频调速系统，而后冶金部自动化研究院、天津电气传动研究所等单位相继自行研制开发了交-交变频调速系统，主要应用于大型钢铁厂的轧机主传动，以取代直流调速系统。这不仅有明显的经济效益，而且锻炼了队伍，鼓舞了人心，开辟了我国高压变频器研究开发的先河。由于交-交变频器谐波污染严重，功率因数低等缺点需要增加滤波装置，无功补偿装置等，增加了设备的投资;同时也由于可控电力电子器件的发展，它有逐步被交-直-交高压变频器取代的趋势。

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2.2 同步电机高压变频器
         
        上世纪80年代宝钢引进了10kV/48MW高炉鼓风机，同时从日本东芝公司引进了交-直-交自控式同步电机变频调速起动装置，装置容量为1.2MW。此后，天津电气传动研究所为宝钢研制了一台同等容量的变频起动装置，1995年通过了机械工业部的鉴定。
         
        凡口铅锌矿为和长沙矿山研究院、冶金部自动化研究院、清华大学等单位合作，于1995年经过两年的努力，自行研制出我国第一台用于调速节能运行的同步电机直接高压变频调速装置，1997年10月在凡口矿的6kV、800kW的矿井通风机上投入生产运行，经过半年多的连续的生产运行，达到了原定的各项技术指标，通过了部级鉴定。
         
        此后冶金部自动化研究院与ALSTOM公司合作，采用进口硬件，通过他们自已组态编制软件研制开发了高压直接变频全数字大型同步电机软起动控制系统。系统的主要设备由光纤触发的10kV电流型变频器、32位处理器变频起动控制及同期并网调整系统、旋转励磁系统和运行监控系统等组成。于1998年在昆明钢铁公司2*30MW的6号高炉鼓风机上成功的投入运行。
        2.3 异步电机高压变频器
          异步电机高压变频器先后出现了多种拓扑结构
        (1) 功率元件串联电流型高压变频器
         
        早在1984年莫斯科电力科学研究院研制开发成功6kV、10kV的АТВэ系列电流型直接高压变频器，它采用SCR串联，模拟电路控制，用于发电厂等风机、水泵的调速运行，这是世界上最先出现的直接高压变频器。后来，一些独联体国家也生产这种高压变频器。我国某些发电厂引进了这种高压变频器。辽宁电力电子公司本溪高频电源设备总厂开发了类似的采用SCR串联的1250kW电流型高压变频器，由于电力电子器件和控制技术的落后而未能推广。
          随着电力电子器件和控制技术、微电子技术的发展，ROCKWELL
        AB公司开发成功GTO串联的1557系列电流型高压变频器，我国有的企业引进了这种高压变频器。AB公司在此基础上，经过改进，采用SGCT和CSI-PWM控制技术，开发成功PoerwFlex7000系列电流型高压型变频器，在我国的发电厂等行业的风机、水泵上应用已达百多台。

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   (3) 对电机的绝缘要求低，可适用于原有老电机的运行要求，使用本变频器后不须更换电机;
        (4) 本系统电压不受限制，而上述直接高压变频器一般只能做到6kV，很难达到10kV，而本变频调速系统不受电源电压和电机电压的限制;
        (5) 效率略低，本系统比直接高压变频器多一个输出变压器，因此效率略低1.5%左右,占地面积也较大;
        (6) 容量范围:由于本系统受到低压变频器(690V)容量的限制，因而只能用在2000kW以下的高压变频器。
        它和电流型变频器构成的高-低-高式高压变频调速系统比较。采用电流型变频器也可以构成高-低-高式高压变频调速系统,以往都是采用这种系统，国内外都是如此。
        例如国内进口多套Siemens公司，CEGECEC公司等高-低-高式高式变频器调速系统都是采用电流型变频器构成的高-低-高式高压变频调速系统。本系统和这种高压变频调速系统的比较如表2所示。
         
        由上述比较可见，本高压变频调速系统和目前现有的其他型式的高压变频调速系统相比，有其一定的优越性，它价格便宜，可靠性高，能适应原有老电机的运行要求。是一种运行可靠，经济实用、极具推广价值的高压变频调速系统。和电流型变频器构成的高-低-高式高压变频调速系统相比，有非常明显的优越性。在韶关冶炼厂烟化炉风机4年多的连续的生产运行也证明了这一点。
        4 我国高压变频器的发展特点
         
        近几年来，我国高压变频器的研究开发、生产和应用都有了突飞猛进的发展。尽管我国的高压变频器产业和工业发达国家相比，还有很大差距，但在我国市场上，它已不象低压变频器那样为国外产品所垄断。我国自已的高压变频器产品在我们国内市场上，已能和国外先进的产品抗衡。并且在发展中形成了自已的一些重要特点。
        4.1 开发和生产出适合于我国国情的高压变频器
          这主要表现在以下几点
        (1) 电压等级  
         
        我国目前的高压电机的电压等级仍是3kV、6kV、10kV，而不象国外那样多的电压等级，为此，我国自已生产的高压变频器做了大量工作，以适合用户的需要；

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3.5 直接串联IGBT高压变频器
         
        这是成都佳灵电气制造有限公司研制开发的直接高压变频器。IGBT直接串联高压变频器是采用低压变频器的成熟技术，成功设计出一种无输入输出变压器、IGBT直接串联逆变的高压变频调速装置。
         
        佳灵IGBT直接串联高压变频器由于解决了IGBT直接串联这一难题，使其具有和低压变频器一样简单的结构。该产品成功融入IGBT直接串联技术、正弦波技术、抗共模电压技术和直接速度控制(DSC)技术，具有占地面积小、重量轻、系统效率高、谐波含量小等优点。该产品已被列为“国家重点技术创新项目”。
         
        直接串联IGBT高压变频器主电路拓扑结构如图6所示，从图6中看出系统没有其它高压变频器所必须的输入变压器，它由电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过高压二极管全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波，再通过逆变器进行逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，直接供给高压电动机。
          对于需要快速制动的场合，采用直流放电制动装置，如图7所示。
         
        如果需要四象限运行，以及需要能量回馈的场合，或输入电源侧短路容量较小时，也可采用如图8所示的PWM整流电路，使输入电流也真正实现完美正弦波。
        3.6 电压型高-低-高式高压变频调速系统
          这种高压变频调速系统的示意图如图9所示。
         
        高压电源经高压断路器送至输入变压器，经输入变压器变压降至整流器允许的电压(如690V)，经整流器整流成直流电，再经预充电回路，送至滤波器，至逆变器，经逆变器变压变频后，再经正弦波滤波器对逆变器的输出波形进行处理，使之接近于正弦波后，送至输出变压器升压后，供电给高压异步电机。
         
电压型高-低-高式高压变频调速系统与其他高压变频调速系统相比，仍显示出一定的优越性。它与高-高式直接高压变频器比较，具有以下特点:
        (1) 价格便宜，约为直接高压频器的70%左右;
        (2) 可靠性高，由于低压电压型变频器技术已十分成熟，可靠性很高，与之配套的都是高可靠性设备，所以整个系统可靠性高，实践也证明了这一点;

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3.4 电容箝位的四电平高压变频器
        (1) 四电平高压变频器的特点
         
        通过这些拓扑结构我们可知随着电平数目的增加，其电压幅值在相应的降低，这使功率元器件所承受的电压降低，更加有利于减少装置产生的dv/dt。当前的大容量、高压变频器，既要保证大功率的输出，又要确保系统的可靠运行，还要保证输出波形更趋近于正弦波。
        随着现代拓扑技术的发展，四电平的变频技术结构方案得以在工业系统中应用。图5所示四电平高压变频器的拓扑结构图。其特点如下:
        ·模块化的结构
        这种变频器的特点是保证了元器件的串并联连接，同时它又不是元器件的简单的串并联而是从结构上的串联连接，它确保了电压安全和自然分配;
        ·能满足不同电压等级的需要
        在工业中采用的高压标准为3.3kV，4.2kV，5.5kV，6.6kV;
        ·可实现共用直流母线式结构
        由于这种结构特点，可普遍采用的多台逆变器共用一条直流母线的方案，以达到在系统内部的能量互相交换，这是以上其它高压变频器拓扑结构所不具备的优点;
        ·系统简单，易于维护
        这种结构取消了我们传统结构中的在各级元器件上的众多分压分流保护装置，可以使电路的各个单元彼此相互隔离，使得系统既简单，又可靠且易于维护。从而消除了串并联多个半导体元件所带来的系统可靠性差的因素;
        · 输出波形好
        由于此结构采用的是IGBT元器件，它的开关频率快，触发电流小，这种结构的输出波形非常接近于正弦波形。
        (2) 四电平变频器拓朴结构的控制原理
         
        四电平控制结构，其主回路的大功率元器件的分布是以成对的方式构成的，而每一对都是基于传统的二电平的控制思想去进行控制的。从电路结构上可以看出整个电路所承受的电压为:V，2/3V，1/3V，但在每一处于阻断状态的功率元器件的电压总是1/3V。这种结构技术圆满解决了各功率元器件上所承受的电压动态和静态均压的问题。同时不同的一对元器件的控制是在不同的时间段也限制了dv/dt的问题。实际上各元器件上所承受的浮动电压是由各电容来提供的，电路在换相过程中对各电容进行充放电。

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 3.3 三电平高压变频器
          三电平高压变频器又称为“中性点箝位式”高压变频器，在近几年得到了较广泛的应用。三电平变频器主电路原理图如图4所示。
         
        由图4可见，高压电源经三绕组变压器供电给两组6脉冲整流桥;三绕组变压器二次侧绕组的接法为△和Y形，两者互差30°电角度，其目的一是为了整流桥供电的需要，二是为了减少谐波对电位的干扰，它可以消除5次、7次等对电网影响最大的谐波。两组整流桥为串联联接，中间抽头，以获得0电位。直流滤波环节由两组电容量完全相等的电容器组C1和C2构成，它们分别接于P(正)和C(0)以及C(0)和N(负)之间，逆变桥由三个相单元组成，每个相单元有4个功率连接点:其中三个连接到直流环节的P(正电位)C(0电位)和N(负电位)点上，另一个连接点为逆变器的交流输出点。
        图4中，V1~V4代表一相中的4个功率开关元件(IGBT)，VW1~VW4为反并联续流二极管，这些二极管的耐压等级与IGBT相同，通过控制V1~V4的导通和关断，在该桥臂上的交流输出点就可有三种不同的电压，如表1所示。
         
        由表可见:V1和V3，V2和V4的开关状态是互反的，而且不允许它们在+1/2Ud和-1/2Ud之间变化，只允许在+1/2Ud和0或0和-1/2Ud之间变化，所以不会有上述两元件同时导通或同时关断的可能。
        三电平变频器相对于传统的两电平逆变器而言，它具有如下两个突出的优点:
        (1)
        每个桥臂上开关元件的电压传值为直流侧输入电压的一半，能有效地解决电力电子器件耐压不高的问题，无需动态均压电路就可以将低耐压的器件应用于高压大功率场合。
        (2) 在相同的载波频率下，三电平逆变器线电压的谐波成份较两电平逆变器要小得多，且由于开关频率也成倍减小，有效地减小了开关损耗。
        (3)
        变频器输出的多级电压阶梯波减少了dv/dt对电机绝缘的冲击，对普通三相电机来说，做一些绝缘的加固处理即可;dv/dt的减少对变压器绕组、电力电缆和其他电力设备的影响都有好处；
        (4) 三电平变频器的拓朴结构的单桥能输出三电平
        (+1/2Ud，0，-1/2Ud)的线(相)电压，有更多的阶梯使之接近于正弦波，使输出波形的失真度减小，谐波减少;
        (5)
        由于三电平拓朴结构能产生33=27种空间电压矢量，较普通的二电平空间电压矢量(23=8)大大增加。矢量的增加带来了谐波消除的自由度，这就有可能获得很好输出波形;
        (6)
        功率元件的导通和关断是由箝二极管来保证的，这使得系统结构相对复杂，而且扩展能力有限。箝位二极管的耐压要求较高，数量大;开关器件的导通负荷不一致;在变流器进行有功功率传送时，直流侧各电容的充放电时间各不相同，容易造成电容电压的不平衡，增加了系统动态控制的难度。

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3 异步电机高压变频器的几种拓扑结构
         
前已述，高压变频器有多种拓扑结构，它们各俱特点，这里有必要对不同的拓扑结构作一简要介绍，以使读者对这些拓扑结构有一个较全面的了解。
        3.1 电流型高压变频器
          这种拓扑结构的高压变频器以ROCKWELL
        AB公司的PowerFlex7000系列的高压变频器为代表。其结构框图如图1所示。它具有系统结构简单、元器件数量少、可靠性高、输出波形好、具有四象限运行的能力等优点。图1a和图1b分别为6脉冲整流器和18脉冲整流器结构，用户可根据对谐波的要求进行选择。图1c所示的PWM整流器的高压变频器可实现功率因数为1的无输入变压器结构。
        3.2 功率单元串联式多电平高压变频器
         
        这种拓扑结构由ROBICON公司最先研制开发的，后来日本的一些公司和前述的我国一些公司也都开发了这种拓扑结构的高压变频器，是比较流行的一种拓扑结构。它是采用低压IGBT功率元件构成的高压变频器，也称为H桥串联式多电平或单元级联式高压变频器。其主电路拓扑结构如图2所示。其中，Ai、Bi、Ci(i=1,…,n)分别为电机A、B、C三相中结构相同的串联H桥单元。
        曲折联结变压器的一次侧直接接入电网，其二次侧有多个三相绕组，它按∠0°、∠θ°、…、∠(60-θ)°等表示曲折联结变压器二次侧各低压三相绕组，同时表示各低压三相绕组线电压相对一次侧线电压滞后的相位角。当每相由n个H桥单元串联时，θ＝60°/n，实现了输入的多重化，形成6n脉波整流。这样，如果各H桥单元功率平衡，电流幅值相同，理论上网侧输入电流中不含有6n±1以下次谐波,并可提高功率因数，一般不需再配备无功补偿和谐波滤波装置。每个H桥单元的结构图如图3所示，这实际上是一个三相输入单相输出的变频器，它包括二极管K1～K6组成的三相全波整流桥、滤波电容CH和Z1~Z4四个开关器件IGBT(D1～D4为封装在IGBT内的反并联二极管)
        构成一个单相逆变器。它可接n个这种功率单元。θ角根据接入的功率单元数的不同而不同。例如6kV变频器的每一相需串接5个功率单元，这样一台6kV变频器就有15个H桥功率单元，θ角为60°/5，即12°。理论上，网侧中不含29次以下的谐波，而且可提高功率因数。

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   (2) 功率单元串联型高压变频器
         
        在此期间，美国ROBICON公司开发成功功率单元串联的高压变频器，他们称这种多电平的高压变频器为完美无谐波变频器，由于它谐波含量低、功率因数高等优点，使之在我国的市场上占据了一定的优势。但由于它所用元器件多而带来一些故障，后经改进，如采取冗余等技术使其可靠性有了较大提高，在我国的销售量也超过百台。由于这种高压变频器所具有的优点，我国一些单位也相继开发了这种拓扑结构的高压变频器，如北京凯奇总公司、北京先行新机电公司等，之后利德华福、冶金自动化研究院、山东风光公司、北京合康电气公司等也都相继开发了这种拓扑结构的高压变频器。尤其是利德华福公司所生产的高压变频器已超过百台，显示了我国高压变频器厂商的实力。
        (3) 二极管箝位三电平高压变频器
         
        几乎在相同的时期里，SIEMENS、ABB、GE等公司相继开发成功中点箝位的三电平高压变频器，其拓扑结构一样，只是他们所用的功率元器件不同，如SIEMENS采用IGBT，ABB采用IGCT。这种拓扑结构的高压变频器在我国的市场上也销售较好。GE公司的采用IGCT功率元件的AFE结构的三电平6kV变频器在本钢的3×7500kW的7机架连轧机的主传动上得到应用。我国的一些高校和厂家也进行了这种拓扑结构的研究和开发，中山明阳电器有限公司的IGCT三电平高压变频器已在风机上得到应用。
        (4) 电容箝位四电平高压变频器
         
        ALSTOM公司的电容箝位的多电平高压变频器，如VDM系列四电平变频器以其高性能指标而在我国太钢、宝新不锈钢厂、天津无缝钢厂等的轧机主传动上得到应用。
        (5) 直接串联IGBT高压变频器
         
        成都佳灵电气制造有限公司自主研制开发、拥有自主知识产权的直接串联IGBT高压变频器，并申请了多项专利。这种拓扑结构类似于低压变频器的拓扑结构，只是功率元件由单个IGBT改换为几只IGBT的串联所取代。据了解，他们的这种高压变频器的销售也已超过百台。
        (6) 电压型高-低-高式高压变频器调速系统
         
        除上述直接高压变频器外，高-低-高式高压变频器不应该被遗忘。在功率元件耐压受到限制时期，高-低-高式高压变频器得到了应用。以往，无论是进口的还是国产的高-低-高式高压变频器都是采用电流型变频器，因为电流型变频器的输出电压波形是正弦波，但电流型变频器存在的可靠性不高，功率因数低等问题，加之它需要有输入输出变压器，人们把它看成是落后的技术。1998年，国家经贸委下达的高压变频器技术创新项目，长沙矿山研究院和韶关冶炼厂合作，采用电压型变频器构成的高-低-高式高压变频器。这是我国第一台这种型式的高压变频器，自1999年8月在韶关冶炼厂烟化炉的6kV、500kW的风机投入运行至今，一直运行正常、良好，被国家经贸委的一位领导称之为运行可靠、经济实用的高压变频调速系统。

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  (2) 以实现高性能、高水平控制为主要目的的高压变频器
         
        发展交-直-交高性能高电压大容量变频器，用于轧钢机主传动、矿井提升机等设备的电气传动，这类负载要求电气传动系统具有很高的动态响应和很高的过载能力，交-直-交高压变频器将取代以往的直流传动和现在的交-交变频调速系统，也是高压变频器的一个发展方向。
        5.2 向高可靠性、无污染方向发展
         
        可靠性是第一位的，没有高可靠性的设备，就没有市场。大容量变频器的应用，给电网带来了严重污染，已到了非治理不可的时候了。污染严重的高压变频器同样是没有市场的。
        5.3 拓扑结构走向统一
          目前高压变频器的拓扑结构多种多样，今后也许会如低压变频器那样走向统一的拓扑结构，或者是一、二种，至于哪一种最好，还是用户说了算。
        5.4 形成规模化、专业化生产
         
        我国高压变频器市场很大，但距电子产品的规模化还差很远，很需要专业化的电子配套厂，变频器生产厂家只开发和总装调试，所有部件从配套厂进货，当然，对配套厂来说它不仅为变频器服务，还为其它电子产品服务，从而形成规模化生产，以提高产品质量、降低价格。
        6 结束语
         
        高压变频器正处于发展时期，还没有达到如低压变频器那样的成熟程度。本文的目的在于共同探讨这个问题，为促进我国高压变频调速技术和产业的发展服务。

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（2) 可靠性
         
        对于用户而言，设备的可靠性是第一位的，根据用户的实际情况，对可靠性的要求更高。例如，欧州标准的电压波动范围是:±10%，而我国的一些用户的电压波动达
       
        ±15%以上，例如火电厂的大容量辅机起动时，母线压降可能达到-30%以上，持续时间可能超过20s。国外的高压变频器就难以满足这样的刻苛的条件，我国自已的高压变频器，例如利德华福公司的高压变频器产品就可达到-15%至-35%的电压波动，持续时间达到30s。这是国外高压变频器所不具备的。其它如控制电源丢失不停机以及针对一些特殊工况的特殊的设计等。我国自已生产的高压变频器根据我国的用户的特殊条件和特殊工况而设计和制造的，能适合我国用户的需要。
        4.2 我国高压变频器的发展和与国外产品的竞争，促进了价格的下降
        自从我国的高压变频器产品问世以后，国外的产品在中国市场上的销售价格也大幅下降。
        4.3 研制开发出了新的拓扑结构的高压变频器
         
        例如成都佳灵电气制造公司研制开发的、拥有自主知识产权的IGBT直接串联高压变频器，它独树一帜，已引起业界人士的关注。此外，我国一些高校和科研单位也还进行一些新型高压变频器拓扑结构的研究工作，如二极管级联式多电平高压变频器等，但都还处于实验室研究阶段。
        4.4 尚需形成规模化生产
         
        我国有不少公司在开发和生产高压变频器，国外的中(高)压变频器大多手工装配，花费劳动力多，我国劳动力多，产品较便宜，有一定的竞争力。但我国的公司的规模都较小，使用的元器件少，又缺乏完善的测量设备，进货质量较难保证。没有规模化生产，批量小，无法上先进的生产设备，加工工艺无法保证，导致产品质量难有较大提高。
        5 我国高压变频器的发展方向
          我国高压变频器将向以下几个方向发展。
        5.1 向两端发展
          高压变频器也会象低压变频器那样,向两端产品发展。
        (1) 以节能为目的高压变频器
         
        如现在这样大力发展应用于风机、水泵、压缩机等流体机械、以节能为目的的高压变频器，这类负载的调速精度、动态性能等指标要求都不高，但可靠性要求高、价格要便宜，它是以节约电费用来偿还投资的。我国目前电力供应仍很紧张，节约电能是今后相当长的时期的重要任务之一。据统计，我国约有910万kW的工业风机、泵和压缩机需要改造，其中有40%为高压大容量设备，按年平均运行4000h、其电率为30%计算，则年节电920万kWh。这样大的节电潜力，这样大的市场，就是高压变频器的一大发展方向。