4 国内高压变频调速技术动态
4.1功率单元串联多电平
国际上具有生产研制新型大功率高压变频装置能力的均是各大知名电气公司,在我国目前应用的产品有美国罗宾康(robicon)公司和日本东芝公司等，并有国际各大电气公司抢占我国高压变频器市场的趋势。我国于1996年经国家科委、北京市科委批准由北京凯琦北方电气有限公司承担的“无电网污染高压大功率变频器”产品的研制，经过二年的研究，成功开发出具有独立知识产权的“无电网污染高电压大功率变频器”。并于1998年6月月通过国家科委、国家经贸委、北京市科委组织的技术鉴定。该变频装置具有高功率因数、高效率、无谐波污染、无需专用电机等优点, 在技术上已达到国际先进水平，填补了国内这一领域的空白, 其三相系统主电路结构如图1所示。
图1 三相系统主电路结构图
由电网引入的三相高压交流电经移相变压器，由其付边每相的5个二次线圈将电压移相12°供给5个功率单元，各功率单元如图2所示，即为常规交-直-交电压型变频器，输入侧为三相全桥二极不控整流，中间为电容滤波环节，输出侧为igbt单相逆变桥形式。即在a、b两点之间得到pwm波形，5个功率单元相叠加即可输出高电压正弦波给交流感应电动机。每个功率单元承受电压为690v，5个单元串联后相电压为3450v，对应线电压为6000v。该装置在系统设计上采用了多项先进技术如下:
图2 大功率逆变器单元主回路结构图
(1) 曲折变压器移相技术。变频整流侧通过曲折变压器移相，实现的30脉冲整流,从理论上29次以下的谐波电流都可以消除,使装置的谐波抑制能力大大加强。因内整流桥采用二极管不控整流，任何负载下输入电压与输入电流的相移接近于0，这种关系通过变压器折合到一次侧，使电网侧电压与电流之间几乎无相移，因此功率因数很高。
(2) 采用igbt作为主回路的开关器件,提供了较高的开关频率,以减小电流和转矩的脉动。
(3) 全数字化光纤控制技术的应用,控制柔性和可靠性大大提高。
(4) 多级pwm输出波形生成技术,单元逆变桥输出pwm波形和以及5级移相叠加后得到的变频器输出电压呈现电平台阶形逐级错开的理想状态，实现了高质量的功率输出，大大减少了输出电压的dv/dt脉动对电机绕组的冲击，在这种pwm控制方法下，以较小的器件开关损耗实现了较高的电机运行性能。
(5) 功率单元标准模块化，igbt驱动电路智能化,并在功率单元回路设计中,应用了功率母线技术。系统有着完善的检测及保护功能，并具有与pc机现场总线的标准接口，采用键盘操作和大屏幕液晶汉显界面。
4.2 功率单元串联及多电平方式
在高-高变频器的主回路结构中，采用若干个低压pwm变频功率单元串联的方式实现直接高压，电网电压经过二次绕组多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，单相变频功率单元输出端串联起来，实现变压变频的高压输出，直供高压电动机。单元串联的数量决定输出电压的等级，不存在着器件的均压问题，逆变器部分采用多电平移相式pwm技术, 同一相的功率单元输出相同的基波电压, 但串联各单元的5对载波(每对含正反向信号)之间互相错开36°，实现多电平pwm，每个功率单元的igbt开关频率为600hz，若每相5个功率单元串联时，等效的输出相电压开关频率为6khz，且有11个不同的电平功率单元采用低的开关频率，可以降低开关的损耗，提高变频器效率，此种结构的变频器可适用于任何普通的高压电动机，且不必降额使用。虽然采用这种主电路拓扑结构会使器件的数量增加，但由于驱动功率下降，开关频率较低且不必采用均压电路，使系统在效率方面仍有较大的优势，一般可达97%，由于采用模块化结构，所有功率单元可以互换，维修也比较方便。由于采用二极管整流电路，所以能量不能回馈电网，不能实现四象限运行，其应用领域受到一定的限制。
4.3 功率母线技术
在电力电子技术及应用装置向高频化发展的今天, 系统中特别是连接线的寄生参数产生巨大的电应力, 已成为威胁电力电子装置可靠性的重要因素，从直流储能电容至变频器的器件之间的直流母线上的寄生电感在通常的硬开关变频器中, 由于瞬时切换时的过电压, 会使器件过热，甚至有时使变频器失控并超过器件的额定安全工作区而损坏，限制了开关工作频率的提高。功率母线按其结构可分为以下几种:
(1) 电缆绞线
电缆绞线是最常用的传统功率母线，价廉、简易，但在igbt变频器中，由于电缆线的自感大与园截面导线相比，扁平母线的自感只有园导线的1/3~1/2，而所占的体积只有它的1/10~1/2。
(2) 印刷电路板
印刷电路板母线主要用于小电流变频器，但当母线直流电流达到150a时，要求电路板的复铜层很厚，造价太高，另外用来连接多层导线板的穿孔不但占据较大的空间，而且会影响整机的可靠性。
(3) 裸铜板母线(平面并行母线)
这是一种工业上广泛应用的igbt模块馈电系统的传统母线形式，其缺点是在于并行母线的互感较大。
(4) 支架式母线
如果将正直流母线铜板放置在负直流母线板的上方，中间用一层薄绝缘材料隔开的方法来制作母线，由于磁场的相互抵消，可以最大限度地降低互感，但其工艺复杂，不宜规模化生产，由于上述几种功率母线都存在着不同的缺点，因此制约大功率变频器体积的小型化的进程，为此开发研制出迭层功率母线。
(5) 迭层功率母线
基于电磁理论，把连线做成扁平截面，在同样截面下做得越薄越宽，它的寄生电感越小，相邻导线内流过相反的电流，其磁场抵消，可使寄生电感减小，这就促使萌生迭层功率母线的思路。所谓迭层功率母线是以又薄又宽的铜排形式迭放在一起，各层之间用很薄的高绝缘强度的材料热压成一体，整个母线极之间的距离均匀一致，以减少互感，各层铜排都在所需要的端子位置处同其他层可靠绝缘地引出，使所具有不同电位的端子表露在同一平面上，以便于把主电路中的所有器件与之相连。这种整体的迭层功率母线结构，可承受数百公斤的切应力，其导电极之间可承受数千伏的电压。使用迭层功率母线将igbt和整流管等模块、散热器、电容器及栅极驱动电路组合在一起，迭层功率母线与器件之间的连接是用不同的端子和插接件等来完成的，以使相连接时的接触表面与母线之间的接触电阻非常小，也使得寄生电感成数量级的减小，从而使ldi/dt过电压应力降至最低，保证电力电子装置工作在最佳状态下。
5 变频技术创新与市场
5.1 产学研与技术创新
目前国内应用的高压大功率变频装置,大部分为引进产品,而国内在这一领域中,近年来也作了一些研究工作，早期研制成功的国产大功率高压变频装置，大多数装置采用的是交-交变频方式，因其在制造成本上、可靠性及推广应用都失去市场竞争能力，而由凯琦新北方电气有限公司、北京利德华技术有限公司研制的“无电网污染高电压大功率变频器”其技术性能具备世界先进水平，其面临的是开发出系列产品进入市场推广应用，但其均为单元串联多电平方式，而三电平方式还处于起步阶段。为此需要在产业政策、资金、政府导向上给予扶植，以使这一技术创新产品尽快的转化为生产力。以推动我国传统工业实现从粗放型到集约型的转变。目前国内该项技术正面临着机遇和挑战并存，1995年美国总统科技顾问委员会提交的咨询报告中，列举6项关系到国民经济发展和国家长久安全的国家关键技术(材料、制造业、信息和通信、生物技术、航空和运输、能源和环境)，除了生物技术一项外，都与电力电子技术有关。因此电力电子技术研究和产品开发是21世纪的朝阳产业，国内具有大规模生产能力的大中型企业超过数百家，研究单位在这一领域的水平也处于世界前沿，而我国各大高校更是集结了一大批具有掌握该项技术先进水平的学者，若能把产学研有机结合起来就可走出有中国特色的技术创新之路。如把凯琦北方电气有限公司的该项技术嫁接到有着巨大生产能力的国有大中型电气制造企业中去，并迅速扩大生产规模，形成巨大的生产力，必将形成推动国民经济发展新的动力。从技术创新的组织走向产业革命，在我国形成以电力电子技术为基础科学的高科技产品的生产链。
技术创新的全过程包括三个阶段，他们联系在一起形成自我强化循环，首先是一个可行的创新思想，其次是它的实际应用，再次是它在市场上推广。当这一创新技术的推广应用反过来又推动产生新的创新思想，这一过程就是技术创新的循环。因为新的技术不仅是各种创造性新思想的产品，而且是各种创造性新思想的力量源泉。所以这一循环的第二阶段和第三阶段(应用和推广)是技术创新产生巨大生产力的必然之路，只有加速这两个阶段，才能使技术创新形成巨大的生产力，推动我国工业领域进行一次技术革命。
5.2 国内高压大功率变频器市场展望
我国的发电量50%~60%用于交流电动机将电能转变为机械能,而电动机容量在315kw以上的异步电机额定电压一般为高压(3~10kv),这部分电动机占电动机总装机容量的比例约在40%~50%。由于我国高压变频技术仍没有形成产业化，落后于发达国家，因此这部分电动机在负载工况变化时，缺少经济可靠的调速手段，每天都在浪费大量的电能，因此国内潜在着巨大的高压大功率变频器市场。世界上各大知名的电气公司，如西门子、abb、ab、aeg、东芝等，都在这一领域展开激烈的竞争，投入大量的人力、物力和财力，开发研制高性能的产品，以抢占我国高压大功率变频器的市场。国家计委预计在今后的十五年内，我国变频器总需求的投资额在500亿以上，而其中60%~70%是高压大功率变频器。我们如果不能在这场竞争中研制开发出自己的创新产品，并形成产业化生产规模，并加大推广应用力度，那么我们将把国内几百亿的高压大功率变频器市场让给国外各大电气公司，其结果是由国外各大电气公司垄断我国高压大功率变频器技术及市场，那时我国在这一领域的技术和产品将是“万国型”。因此研制国产高压大功率变频器，就必须走产学研联合创新之路，才能形成产业化的规模。而要从技术创新走向产业成功的路，并没有一个固定模式和规律让我们去遵循，而是需要在市场经济的竞争中穿插、协调，把人的智慧、技术、和社会的资金及产品在市场上的推广应用的网络有机的结合，形成技术创新、推广应用、网络服务，以此推动国产高压大功率变频器走向市场，并占领市场形成全新的规模化的朝阳产业。
6 结束语
国际和国内高压变频领域在器件的研发和拓扑结构的创新，需要从事高压变频技术的科研人员和各国政府的投入和扶植，而且更需要市场的推动。深信若能把产学研有机结合起来走出有中国特色的技术创新之路，我国具有自主知识产权的高压变频技术必将形成推动国民经济发展新的动力。从技术创新、产业革命到推广我国高压变频技术应用，在我国形成以电力电子技术为基础科学的高科技产品的生产链。
