1 引言
为实现对高压大功率交流电动机变频调速,人们提出了多种拓扑形式,比较适用并以产品化的有交-交变频、单元串联多电平、三电平, 但高压变频技术是建立在电力电子器件制造工艺改进和制造水平提高的基础上, 尤其是高电压大容量gto、igbt、igct器件的开发成功，促进电压型pwm变频调速传动技术得以迅速发展, 以使得高压变频技术性能日益完善。本文对高压变频技术及市场的发展作以阐述。
2 器件与结构
2.1主流器件
高压变频技术发展至今，其主回路拓扑结构是随着电力电子器件的创新开发而不断发展的，早期产品的scr器件也随着电力电子器件的不断创新在高压变频领域已处于逐步淘汰的趋势。而gto具有高电压、大电流的发展潜力，但驱动(关门)电路复杂，影响可靠性，j3结特性很软，耐压很低的p-n结，若gto未处于导通状态就连续对g-k所在的j3结施加强的负门极脉冲是很危险的，因此在应用中gto状态识别和逻辑保护是十分重要的。用内部mos结构关断的gto，因工艺复杂，目前未能实现大功率化，而为实现可关断mos结构的gto，开发研制出把mos结构置于gto外面来协助关断的igct。igct适用于大电流(1000a以上)、低频率(1000hz以下)的应用，由于其从研制生产到应用的一系列技术受到专利的保护，在推广应用和器件竞争中未能完全取代gto，igbt，它的作为第三代电力电子器件，因其工作电压较低，在多电平级联式变频装置中有其广阔的发展前景。iegt是最为崭新的电力电子器件，其吸取了igbt和gto两者的优点，称为“注入增强栅晶体管”，它是在沟槽型igbt基础上，把部分沟道同p区相联使发射极区注入增强，使得iegt具有高电压大电流和高的工作频率，使其更适合于高电压大功率、高频率的变频装置。
目前，应用在高压大功率变频领域的电力电子器件，形成gto、igct、igbt、iegt相互竞争不断创新的技术市场，在大功率(1000kw)，低频率(1000hz)的传动领域，如电力牵引机车领域gto、igct有着独特的优势，而在高载波频率、高斩波频率下igbt、iegt有着广阔的发展前景，在现阶段高压大功率变频领域将由这四种电力电子器件构成主流器件。
2.2 主流结构
目前就高压大功率变频器的主流结构为高-高方式及其派生的形式，高-高大功率变频器按其中间直流环节的储能元件的不同，可分为电压源型和电流源型。
(1) 电压源型高-高变频器
电压源型高-高变频器由整流器和变频器两部分组成，在变频器的直流侧并有大电容，用来缓冲无功功率，当输出电压高于普通pwm电压源型变频器时，采用三电平pwm方式，可以避免器件串联的动态均压问题，同时降低输出谐波和dv/dt，三电平pwm方式整流电路采用二极管，变频部分功率器件采用gto、igbt或igct。每个桥臂虽由4个功率器件串联，但是不存在同时导通和关断以及由此引起的动态均压问题。由于输出相电压电平数增加到了3个，每个电平的幅值下降，且提高了谐波消除算法的自由度，可使输出波形比二电平pwm变频器有了较大的提高，输出dv/dt也有所减少，若输入也采用对称的pwm结构，可以做到系统功率因数可调，输入谐波也很低，且可四象限运行。但为减少输出谐波和转矩脉动，希望有较高的开关频率，但会导致变频器损耗增加，效率下降。三电平变频器输出若不设滤波器，一般需要特殊电动机，若使用普通电动机应降额应用。
(2) 电流源型高-高变频器
电流源型变频器的最大优点是，电能可以回馈到电网由其结构决定构成的交流调速系统可实现四象限运行。由于输入侧采用桥式晶闸管整流电路，输入电流的谐波较低，功率因数低，且随着系统转速的下降而降低。另外，电流源型变频器还会产生较大的共模电压，若不采用输入变压器，其共模电压会影响电动机的绝缘，装置的输出电流谐波也较高，会引起电动机的额外发热和转矩脉动，从而影响系统的动态指标。由于驱动功率、均压电路等固定损耗较大，系统效率会随着负载的降低而下降。采用gto作为逆变部分功率器件，可以通过pwm开关模式来实现消除谐波电流，但系统受到gto开关频率上限的限制，一般控制在几百hz左右，若整流电路采用gto作电流pwm控制，可以得到较低的输入电流谐波和较高的输出功率因数，而会使系统结构复杂和成本增加。
电流源型的发展稍晚于电压源型，在主回路方面电流源型与电压源型比较有三方面差别:
l 变频器的直流侧采用大电感l作为滤波元件，即直流电路具有较大的阻抗，由于l的作用，三相整流桥交流侧的输入电流为120°方波的交流电流，同样三相变频桥交流侧输出电流为120°方波的交流电流。由于l的作用，能有效的抑制故障电流的上升率实现较理想的保护特性。
l 没有与逆变桥反向并联的反馈二极管桥，这里整流桥和逆变桥的电流方向始终不变，传动系统能量的再生可以通过整流桥和逆变桥的直流电压同时反向，将能量返送交流电网，因此可快速实现四象限运行，适用于频繁加减速和频繁启动的负载场合。
l 逆变桥依靠逆变桥内的电容器和负载电感的谐振来换流, 逆变桥内没有电感, 简化了主回路的设计和制作。
3 变频器的拓扑结构
为实现高压大功率变频调速,人们提出了多种拓扑形式,比较适用并已产品化的有,单元串联多电平、三电平，但高压变频技术是建立在电力电子器件制造工艺改进和制造水平提高的基础上，尤其是高电压大容量gto、igbt、igct器件的开发成功，促进电压型pwm变频调速传动技术得以迅速发展，以使得高压变频技术性能日益完善。本文对高压变频技术的几种拓扑形式作如下阐述。
3.1 单元串联多电平直接高压方式
单元串联直接高压方式虽然具有损耗小、无降压升压变压器等特点，但由于其产生大量的高次谐波，在应用中受到一定的限制，而功率单元串联多电平形式，由于它在谐波、效率和功率因数等方面的优势，在不要求四象限运行的负载下有着较广泛的应用前景，特别是国内，由于风机、水泵类的负载较多，此种结构形式由于其完美无谐波和高效率而有着广阔的应用市场。但是也需要在应用中进一步在以下几个方面加以完善:
l 移相变压器设计比较复杂，成本高;
l 由于单元多，要求较高的控制技术;
l 电机难以实现四象限运行。
3.2 三电平变频器主电路
1977年德国学者holtz提出三电平变频器主电路及其方案，这是一种常规二电平电路，其中每相桥臂中带一对开关管，以辅助中点箝位。后来，日本nabae于1981年继续发展，将这些辅助开关管变成为一对二极管，分别与上下桥臂串联的主管中点相连，以辅助中点箝位。该电路比前者更易于控制，且主管关断时仅承受直流母线一半的电压，因此更为实用。自80年代以来，这种方法被广泛应用于变频器及大功率高压供电的交流调速领域。现在对三电平pwm变频的研究，不仅在理论分析、控制技术方面，而且在系统设计和工程应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的变频器，应用于轧钢的三电平双pwm整流/变频调速系统，以适用于四象限运行及动态性能要求较高的场合。三电平变频方式是今后变流技术发展的一种主要趋势。三电平控制方式具有以下特点:
(1) 现有的半导体器件不太高的耐压等级限制了普通二电平变频器系统的电压等级和容量，尽管人们采用多器件串联的形式，但存在静态、动态均压的问题。采用三电平拓扑能有效的解决电力电子器件耐压不高的问题,由于每一个主管承受的关断电压仅为直流侧电压的一半,因此它适用于高电压大功率的电动机调速;
(2) 三电平拓扑单个桥能输出三种电平(+ud/2、0和-ud/2、)，线(相)电压有更多的阶梯来模拟正弦波，使得输出波形失真度减少，因此谐波大为减少;
(3) 多级电压阶梯波减少了dv/dt, 减小对电机绕组绝缘的冲击，对电动机绝缘要求也有所降低;将普通三相电动机做一些绝缘加固处理就可以应用于变频调速系统;
(4) 三电平pwm方法把第一组谐波分布带移至二倍频开关频率的频带区,利用电机绕组电感能较好的抑制高次谐波对电机的影响。在同样的谐波含量下开关频率下降一半，同时带来开关损耗也降低一半，故允许用较低的调制比以提高整个系统的效率。
(5) 三电平拓扑形式能产生3×3×3=27种空间电压矢量,较两电平的矢量数大大增加,矢量的增多带来谐波消除算法的自由度,可得到很好的输出波形。
(6) 在同样的开关频率及控制方式下，三电平变流器输出电压谐波大大小于二电平变频器，故应用gto作为开关元件是非常适合的，从而降低了系统的制造成本。
采用双pwm的三电平结构，整流侧也采用与逆变桥一样的三电平结构，很容易实现四象限运行，pwm整流器输入侧电流波形即使在开关频率较低时也能保证一定输出波形的正弦度，能作到功率因数为1，谐波电流小。另外还可以向电网输出超前无功，校正电网功率因数，在同样的开关频率及控制方式下，它的谐波电流总畸变thdi要大大小于二电平变频器。
目前，国内外对三电平整流/变频器研究的焦点主要集中在以下几个方面:
l 优化开关矢量, 限制最大开关频率, 减小输出量的谐波，考虑最小导通脉冲宽度限制, 减小它对系统的影响;
l 在高压大功率场合，实现四象限运行，提高功率因数，降低谐波对电网的污染;
l 控制中点电位，限制中点电位浮动的范围，避免系统工作异常及发生电位漂移过多而击穿开关器件。
目前中点电位的控制，主要采用的方法有电流迟滞比较法，它类似于普通两电平的迟滞电流比较，通过检测负载电流的变化，调整开关脉宽，该方法获得比较好的负载变化的动态响应。另外智能控制算法也得到了一定的应用，现代控制算法由于受到微处理器的限制，其应用的实例还比较少，用得较多的还是各种pid算法，尤其是各种智能pid。实际应用中，优化空间电压矢量法还是用得较多的一种，该方法以电动机内部旋转的磁通矢量为控制对象，通过选择不同扇形区的矢量来合成主磁通，它比较直观、明确、易于实现。但由于三电平拓扑能产生27个电压矢量，较普通二电平结构复杂，关键问题要通过不同矢量的选取来保证中点电位在允许的波动范围之内，还要考虑矢量选择对中点电位的影响，因同一种电压输出有不同的开关模式，不同的开关状态的组合对箝位电容的充放电过程有完全不同的影响，由此可以通过选择不同的开关过程来调整中点电位。另外，还要考虑开关损耗，特别是零矢量的选取。这就是优化空间电压矢量的基本原理，也是在现有三电平高压大功率变频器中应用得较多的一种控制方法。
