高压大功率交流变频调速技术的发展

    交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和启动性能，高效率、高功率因数和节电效果，适用范围广泛等诸多优点而被公认为是最有发展前途的调速方式。    然而，纵观交流变频调速技术发展历程，自交流电动机诞生起的一个世纪时间里，高压大功率交流变频调速技术一直是人类没有完全解决的难题。近年来，各种高压变频器不断出现，高压变频器到目前为止还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。第一个原因是高电压、大电流的电力电子器件仍然难以满足要求，实际应用中需要采用器件或低功率单元的串联和（或）并联技术；第二个原因是许多在低压通用变频器中可以接受或很容易解决的问题，却在中高压变频器中成为非常突出且难以解决的问题。    20世纪50年代后期晶闸管的发明为交流变频技术的发展提供了手段，1981年德国西门子公司研制成功的第一台4000kW初轧机交一交变频同步电动机传动系统，使大功率交流调速系统登上了高性能调速的舞台。1982年日本富士电机公司成功研制了日本第一台2500kW初轧机交一交变频同步电动机主传动系统。这类交一交变频调速系统均以晶闸管为开关器件，具有功率因数低、输出频率低、输入输出谐波高等一系列不足之处，所以大都应用于轧机等工艺型调速场合，市场影响面不大。    20世纪80年代中期门极可关断GTO晶闸管得到了迅猛发展，特别是4500V／3000A器件实用化后，使得GTO晶闸管为主电路功率器件的中高压变频器得到了很快的发展，它使得变频器小型化、大功率化、轻型化，很快在电力机车、轧钢机、高压风机和水泵中得到了广泛的应用。GTO晶闸管虽然工作可靠，导电损耗低，但也有开关损耗大，开关频率低，需要功耗较大的缓冲电路等不足之处；同时这类变频调速系统均为电流源变频器，其优点是易于控制电流，便于实现能量回馈和四象限运行。缺点是变频器的性能与电机的参数有关，不易实现多电机联动，通用性差，电流的谐波成分大，污染和损耗较大，且共模电压高，对电机的绝缘有影响。    高压变频的真正春天应当是从20世纪90年代基于IGBT的功率单元串联式多电平高压变频技术的研发开始的，1994年，罗宾康公司制造出了世界上第一台电压源型完美无谐波的高压变频器。由于采用了三项新的高压变频技术：a．在输出逆变部分采用了具有独立电源的单相桥式SPWM逆变器的直接串联叠加；b．在输入整流部分采用了多相多重叠加整流技术；c．在结构上采用了功率单元模块化技术。完美无谐波高压变频器基于低压IGBT器件实现了直接高压输出，同时又保证其输入输出波形接近正弦波，谐波含量很小，因此目前该拓扑结构变频器在国际和国内都得到了广泛应用。    随着高压功率器件IGBT、IGCT的实用化，为了降低高压变频器中所用功率器件的数量，逆变器部分可以采用中性点钳位的三电平方式(Neutral point clamped: NPC)。逆变器的功器件可采用高压IGBT或IGCT。ABB公司生产的ACS1000系列变频器为采用新型功率器件——集成门极换流晶闸管IGCT的三电平变频器，输出电压等级有2. 2kV、3.3kV和4.16kV。西门子公司采用高压IGBT器件，生产了与此类似的变频器SIMOVERTMV。该类变频器通过独的二极管钳位（或者其他钳位）方法，可以使系统的输出电压增加一个电平，与两电平相比较，这种方式的相电压共可以有三个电平输出，故称之为三电平。同时其每个电力电子器件所承受的耐压只有直流母线电压的一半，所以采用这种方式，可以使电力电子器件的耐压要求降低一半，当采用一些高压的全控型器件，如高压IGBT，IGCT，IECT，GTO晶闸管等时，可以直接实现高压输出。但由于器件的耐压不足，用这种方式直接输出6000V以上电压时，器件仍需串联。    随着现代拓扑技术的发展，多电平高压变频调速技术得到了实际的应用。这种高压变频器的代表是法国阿尔斯通( ALSTOM)公司生产的ALSPAVDM6000系列高压变频器，功率器件不是简单地串联，而是结构上的串联，通过电容钳位，保证了电压的安全分配，通过整体单元装置的串并联拓扑结构以满足不同的电压等级。但是该拓扑结构的变频器需要电容数目多、体积大、电容电压平衡控制困难，这些不足限制了它的广泛应用。    由于现有的电力电子器件耐压不足，所以每台变频器产品均需要使用大量的电力电子器件。如何来组合这些器件便会衍生出各种各样、丰富多彩的拓扑结构。当然，不同的拓扑结构及其控制方法也会造成在成本、可靠性、对电网的谐波污染、输入功率因数、输出谐波、dv／dt、共模电压、系统效率及能否四象限运行等性能指标上的不同。