高压变频技术发展方向

从20 世纪80 年代以来，现代电力电子技术开始向高频，高效（低开关损耗），高功率因数，高功率密度（组合集成化）及高压大功率方向迅速发展。以GTO、BJT、MOSFET为代表的自关断器件得到长足的发展，尤其是以IGBT为代表的双极型复合器件的惊人发展，使得电力电子器件正沿着大容量、高频、易驱动、低损耗、智能模块化的方向前进。伴随着电力电子器件的飞速发展，大功率逆变器及交流调速技术的发展也日趋高性能化。传统的大功率逆变电路有：普通三相逆变器、降压普通变频升压电路、交交变频电路和变压器耦合的多脉冲逆变器。以上的大功率逆变电路研究比较成熟，但在实现大功率流传动的同时，在性能上没有什么突破，且装置复杂，制作成本高，控制方式可靠低，并且对电网污染严重，功率因数低，无功损耗大，须附加谐波治理装置，设备成本成倍增加。因此，近10 年来一些新型多电平电压源型变频器吸引了许多学者的注意，多电平技术成为高压变频方向重要的研究课题。随着以高压IGBT、IGCT为代表的性能优异的复合器件的快速发展，和相应的各种PWM 控制算法的不断深入研究，使多电平结构得以逐步走向应用化，电力电子技术在高压大容量电能变换及高品质控制方面的应用得到了极大的拓展。其应用领域包括交直流能量转换、高压大容量交流电动机变频调速、电能质量综合治理等。多电平电路最早由日本学者提出，称为中点箝位式（NPC）逆变器，它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。在此基础上，经过多年的研究发展出4 种主要的拓扑结构：二极管箝位式和电容箝位式，带分离直流电源的串联式和三相逆变器串联式结构。这4 种结构与普通两电平逆变器相比具有以下优点。
（1）更适合大容量、高压的场合。
（2）可产生M 层阶梯形输出电压，理论上提高电平数可接近纯正弦波形，谐波含量很小。
（3）电磁干扰（EMI）问题大大减轻，因为开关器件一次动作的dv/dt 通常只有传统双电平的1/（M-1）。
（4）效率高。消除同样谐波，两电平采用PWM控制法开关频率高、损耗大，而多电平逆变器可用较低频率进行开关动作，开关频率低、损耗小，效率提高。
除去上面共同的优点之外，这几种多电平拓扑由于电路特征各有利弊，可根据需要选择适合的场合使用。
（1）二极管箝位式和电容箝位式由于存在均压问题，比较适合应用于无功调节，而在有功传递，如电动机调速方面控制较难，需要实施额外的算法。
（2）在输入变压器成本允许的前提下，串联型结构以较低耐压器件实现高压大容量，由于电平数可以很多，网侧和输出侧谐波很低，若采用四象限整流，并与交流传动领域的应用将很是乐观。
（3）可实现电压自平衡的多电平系统不需要大容量的变压器，结构紧凑，功率因数高，无电磁干扰，损耗低，在多电平逆变器领域引起了广泛的关注和应用。
高压变频器的未来发展态势。交流变频调速技术是强弱电混合，机电一体化的综合技术，既要处理巨大的电能的转换（整流、逆变），又要处理信息的收集、变换和传输，因此它必定会分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题，后者要解决的是软硬件控制问题。因此，未来高压变频调速技术也将在这两方面得到发展，其主要表现为：
（1）高压变频器将朝着大功率，小型化，轻型化的方向发展。
（2）高压变频器将向着直接器件高压和多重叠加（器件串联和单元串联）两个方向发展。
（3）更高电压、更大电流的新型电力半导体器件将应用在高压变频器中。
（4）现阶段，IGBT、IGCT、SGCT 仍将扮演着主要的角色，SCR、GTO 将会退出变频器市场。
（5）无速度传感器的矢量控制，磁通控制和直接转矩控制等技术的应用将趋于成熟。
（6）全面实现数字化的自动化，参数自设定技术；过程自优化技术；故障自诊断技术。
（7）应用32 位MCU、DSP 及ASIC 等器件，实现变频器的高精度，多功能控制。
（8）相关配套行业正朝着专业化，规模化发展，社会分工将更加明显。