1、引言 近年來，能源消耗、能源價格不斷增長，企業的成本壓力明顯增大，作為節能降耗的一種重要手段，變頻調速技術越來越受到生產廠家的歡迎。交流電機變頻調速技術是通過控制交流電機的定子供電電壓與頻率，平滑的改變電機轉速，從而實現無級調速的一項節能技術，已廣泛應用于各行業的電機調速節能系統。 6kv/10kv高壓異步電動機在電力、化工、供水、冶金等行業廣泛應用，其容量一般達幾百到幾千kva，消耗電功率約占我國發電功率的30%。采用高壓變頻調速器對高壓電機進行調速控制，可以有效地節約電能（對風機和水泵類負載，節電率在40％左右），改善電機壽命，提高產品質量。據現場實測試驗報告表明，高壓電動機采用變頻調速技術節能效果非常顯著，其中風機類：28％～69％；泵類：18～41％。原因主要有兩點：一是火力發電廠各輔機容量裕度太大，相當于1.68～2.54倍實際所需功率；二是大部分時間機組處于低負荷率運行，“大馬拉小車”現象嚴重。 2、大容量異步電機節能技術 2.1 變頻調速的工作原理 （1）交流異步電動機的調速方式 交流異步電動機的調速方式有多種，諸如調壓調速、變極調速、串級調速、滑差調速、變頻調速等，其中變頻調速具有節能顯著、性能穩定的特點，是當今國際上應用最廣泛的一種調速方式。 （2）變頻調速的工作原理 交流異步電動機的同步轉速，即旋轉磁場的轉速為: no=60f1/p 式中，no代表同步轉速（r/min）；f1代表定子頻率；p代表磁極對數； 而異步電動機的軸轉速為： n=n0（1-s）=60f1（1-s）/p 式中，s——異步電動機的轉差率； s=（n0-n）/n0 改變異步電動機的供電頻率，可以改變其同步轉速，實現調速運行。 2.2 高壓變頻器的電路拓撲分類 （1）中間直流環節 ● 無中間直流環節 常規的“交—交”式變頻器是把工頻交流直接轉換成頻率、電壓均可控制的交流。其缺點是輸出頻率低，一般在30hz以下。由于受到最高頻率的限制，因此只能用在一些低速、大容量的特殊場合。 ● 有中間直流環節 “交—直—交”式變頻器是把工頻交流通過整流器變成平滑直流，然后利用半導體器件（gto、gtr或igbt）組成的三相逆變器，將直流電變成可變電壓和可變頻率的交流電。其特點是直接輸出高壓，無需輸出變壓器，效率高，輸出頻率范圍寬，在工業電動系統中應用最為廣泛。 （2）電壓輸出方式 ● “高—低—高”間接變頻方式 “高—低—高”間接變頻器是在低壓通用變頻器輸入側加一臺降壓變壓器，在變頻器輸出側再加一臺升壓變頻器，向高壓電動機供電的變頻調速系統，其結構如圖1： 這種方式由于存在中間低壓環節電流大、效率較低、體積大等缺點，較適用于200kw～500kw左右小容量高壓電動機的調速。因而在工業中的應用不是很廣泛。 ● “高—高”直接變頻方式 隨著功率半導體器件的高壓大容量化的發展，使大、中功率容量的變頻器直接高壓化成為可能。這種方式可省去輸出變壓器，減少了損耗，提高了設備效率，是高壓變頻器的發展方向。它的實現有兩種方式，一是采用功率器件直接串聯構成，組成交—直—交調速系統，如gto串聯式交直交電流型變頻器，或者igbt直接串聯高壓變頻器。另一種是采用多電平逆變器拓撲結構。 與傳統二電平電壓型逆變器相比較，多電平逆變器具有諸多顯著優點[1-4]: 輸出電平數多，具有較低的dv/dt； 無需器件串聯，采用低壓功率器件即可實現更高等級的電壓輸出； 通過多電平的組合逼近參考波形，使得輸出電壓具有更好的諧波性能。 因此多電平逆變器被業界認為在高壓大容量領域中最具應用前景。采用多電平結構成為實現高電壓大容量化的有效途徑。 自20世紀80年代初nabae等人提出三電平中點箝位電路（neutral point clamped, npc）以來[5]，多電平逆變器技術得到了很大的發展。從目前工業應用的角度來看，多電平逆變器主要有三種類型的拓撲結構:二極管箝位結構[5-7]、h橋級聯結構[8-10]和懸浮電容結構[11-13]。圖2為這三類多電平拓撲的單相電路示意圖。 三電平npc逆變器是二極管箝位結構中研究得最為充分的一種，也是一種實用的拓撲結構。不過當電平數超過3時，二極管箝位逆變器的直流電容電壓將得不到完全控制。瑞士abb公司的acs1000和德國西門子公司simovert系列的中高壓變頻調速裝置就是基于三電平npc逆變器實現的[14-15]。基于三電平npc逆變器的調速裝置，每個開關位置只用一只器件時，逆變器目前可輸出4.16kv線電壓，但是要輸出更高電壓，需要器件串聯[16]。 h橋級聯多電平逆變器是目前工業應用最為成熟的一種拓撲結構。目前國內外有多家公司的變頻器是基于h橋級聯多電平逆變器實現的，例如美國羅賓康（robicon）公司的harmony系列變頻器[17]。電網電壓經變壓器降低到所允許的電壓，在逆變器各相中，串入單相變頻器，經低壓單相變頻器變頻后，實現高壓輸出，直接供給高壓電動機。這種方式不需要輸出變壓器，電流波形接近正弦，其輸出電壓的高低范圍由單相變頻器串入的數量決定。目前，這種方式已被廣泛采用，國外公司已有正式產品應用于生產中，并不斷推廣，國內也有幾家單位在進行這方面的研究開發和生產。應該說這種方案是目前國產6kv、10kv中壓大功率變頻最可行的方案。由于采用直接高壓輸出，內部省去了升壓變壓器，故有體積小、效率高、輸出頻率范圍寬等優點，應用較為廣泛。 在懸浮電容多電平逆變器的工程應用中，目前只有alstom公司有實際的產品[18]。 2.3 高壓變頻器的控制策略 自上個世紀60年代，pwm控制技術被引入電力電子領域以來，就一直是研究的熱點。目前在多電平逆變器中應用較為廣泛的pwm方法主要有優化pwm方法[19-20]、載波調制pwm方法[21-22]和空間矢量調制（space vector modulation, svm）方法[23-24]等三類。 （1）優化pwm方法 它是基于輸出電壓波形的傅立葉級數表達式，以消除低次諧波、總諧波畸變率最小和轉矩脈動最小等要求為目標函數，求解pwm脈沖波形的一種方法。其中特定諧波消除調制方法（selected harmonic eliminated modulation, shem）是最常用的優化pwm方法。但由于優化pwm方法需要采用數值方法計算大量的開關角度，實時在線計算較為困難。另外由于開關模式已被預先設定，這種方法在控制上的靈活性較差。 （2）載波調制pwm方法 載波調制pwm方法和svm方法均是基于伏秒平均等效原則的二類算法。載波調制的方法在原理上簡單并易于理解，算法也比較成熟，目前多電平載波調制pwm主要有sh-pwm（subharmonic pwm）算法和載波移相pwm算法。其中前者適用于相電壓開關組合單一的多電平拓撲結構，如二極管箝位多電平逆變器；后者適用于具有大量相電壓冗余開關組合的多電平逆變器，如懸浮電容多電平逆變器和h橋級聯多電平逆變器。 （3）空間矢量調制（space vector modulation, svm）方法 與載波調制相比，svm方法具有直流電壓利用率高、諧波性能好、易于數字化實現等諸多優點。因此在二電平逆變器和三電平npc逆變器中得到廣泛的研究和應用，在二電平逆變器中的應用較為成熟。但隨著電平數的增加，逆變器空間電壓矢量數目急劇增加，增加了svm方法選擇空間電壓矢量的難度，使得多電平svm方法大多都十分復雜，實現起來需要較多的計算時間。 目前在高壓大容量變頻裝置上，對電機的調速控制策略大都采用v/f恒定的控制方法。針對風機、水泵等負荷，這種方法已經足夠滿足調速控制的需要。而具有更優秀調速性能的矢量控制和直接轉矩控制也逐漸地應用到高壓變頻裝置中。 3、高壓變頻調速技術的不同技術方案評價 目前國內外已有多家公司開發高壓變頻調速產品，并在工業現場廣泛應用。其中國外廠家主要有西門子、abb、rockwell、robicon等公司；國內主要是利德華福、成都佳靈、冶金自動化院等公司或研究所在生產或研發的高壓變頻產品。所采用的技術方案主要可分為兩類：電流型逆變器和多電平逆變器。rockwell公司推出的基于sgct的powerflex 7000變頻器就是采用電流型逆變器。 3.1 基于電流型逆變器的高壓變頻調速 這種變頻器具有使用功率器件少，易于控制電流和四象限運行等優點。但是缺點也很明顯，如對電網污染嚴重，功率因數低，對電網電壓和電機參數敏感，無法做到真正的通用等。從技術和經濟上，相比較電壓型逆變器，它都處于劣勢。 3.2 采用igct/igbt的中點箝位三電平電壓型逆變器 abb的acs1000和西門子公司的simovert mv系列變頻器都采用了這種電路結構，如圖3所示。其優點：電路結構簡單、功率器件數目較少、效率高、整體可靠性高。但是缺點也很明顯，在現有的電力電子器件技術水平下，實現6kv及以上電壓輸出時需要采用功率開關器件串聯運行，而且dv/dt仍然較大，需輸出濾波器。 3.3 采用igbt的單元串聯多電平電壓型逆變器 robicon的perfect harmony系列變頻器采用了這種電路結構，如圖4所示。其優點：輸出無需濾波器、模塊化結構、可以實現冗余運行、成本較低。而且輸入功率因數高，輸入諧波含量少，號稱完美無諧波高壓變頻器。缺點是輸入變壓器結構復雜、電路結構復雜、采用的功率器件數目多、控制電路復雜、igbt導通損耗大。 3.4 采用igct的懸浮電容箝位多電平電壓型逆變器 法國alstom的變頻器采用了這種電路結構，如圖5所示。其優點是多電平輸出、電路結構簡單、輸出6kv及以上電壓時避免了功率開關的串聯運行。缺點是需要的電容器多、控制技術復雜、需電容預充電電路。 圖5 懸浮電容多電平逆變[align=center][/align]器 4、高壓變頻調速技術的發展趨勢 隨著電力電子技術的進步，各種新的技術將逐漸地應用到高壓變頻調速中。筆者認為，未來的高壓變頻調速技術應包括新型主電路拓撲結構、大功率開關器件、控制策略等方面的研究和應用。 4.1 新型主電路拓撲結構的研究 多電平逆變器為變頻調速的高壓大容量化提供了一種有效途徑。但隨著應用和研究的深入，上述的幾種電路拓撲結構在實際應用中均有各自的不足之處。因此，近年來國內外的專家學者提出了多種新型的多電平拓撲結構，如通用箝位式多電平、層疊式多電平以及混合型多電平等。新型的多電平拓撲結構及其控制策略正成為目前多電平逆變器領域熱門的研究課題。 4.2 大功率開關器件的發展 自1957年第一只普通晶閘管誕生以來，電力電子器件歷經了無自關斷能力的晶閘管、可自關斷器件到性能優異的復合型器件和功率集成電路、以及目前的各種新型大功率開關器件等發展階段，至今已得到了廣泛的應用。大功率開關器件的出現，為高性能大容量裝置的發展提供了條件。目前在實際應用中的大功率器件主要是門極關斷晶閘管（gto）和絕緣柵雙極型晶體管（igbt），而新型的大功率開關器件——集成門極換向晶閘管（igct）和注入增強柵晶體管（iegt）也已進入了工業實用階段。未來的大功率開關器件將向更高的阻斷電壓和更快的開關速度方向發展，為大容量電力電子裝置的發展提供更好的選擇。 4.3 控制策略 找到簡單、可靠、快速而有效的控制策略是實現高壓變頻調速的關鍵技術之一。目前的電子技術發展水平為變頻調速的全數字化控制奠定了良好的基礎。數字信號處理、現場總線、組態軟件、遠程控制、智能控制、神經元網絡、自適應、參數自識別和自調整等技術將會越來越廣泛地應用在變頻調速的控制中。 5、結束語 采用變頻器控制風機、水泵、油泵類對發電機行業的動力控制改造或增置,節電潛力較大。一般各類發電廠中壓動力設備的裝機容量360kw～2400kw大量的老舊、高能耗動力設備仍在擔負著重要使命，電能消費嚴重。特別是蓄能發電，利用水泵蓄水及燃氣輪機發電，利用電機方式啟動后發電，用于調峰發電，都是大功率電機負荷。裝機容量65mw～200mw。因此，對此類發電行業的電機動力進行節能改造實現經濟運行，加強企業管理，建設“節能和諧社會”，推進技術進步的一項重要手段。