1、引言

通常，我們把用來驅動1kV以上交流電動機的中、大容量變頻器稱為高壓變頻器。按照國際慣例和我國國家標準，當供電電壓大于或等于10kV時稱高壓，小于10kV時稱中壓。因此，相應額定電壓1～10kV的變頻器應分別稱為中壓變頻器和高壓變頻器。但考慮到在這一電壓范圍內的變頻器有著共同的特征，且我們習慣上也把額定電壓為3kV或6kV的電動機稱為“高壓電機”，因此，為簡化敘述起見，本文也稱之為“高壓變頻器”。

截止2006年底，我國發電裝機總容量已突破5億kW，為5.08億kW。其中火電裝機約占80%，為4億kW左右。全國年發電量已突破2萬億kWh。而我國的能源利用率卻平均比發達國家低20%左右！

全國電動機裝機總容量已達4億多kW，年耗電量達12000億kWh，占全國總用電量的60%，占工業用電量的80%；其中風機、水泵、壓縮機的裝機總容量已超過2億kW，年耗電量達8000億kWh，占全國總用電量的40%左右。70%以上的風機、水泵、壓縮機應調速運行，而至今僅有約5%左右調速運行。

若按風機、水泵和壓縮機總裝機容量的50%進行調速節能改造，則可改造容量達1億kW，其中40%為中高壓電機，容量占60%。若按電機平均出力為60%，年運行4000h，平均節電率為20～30%（平均25%）計算，則年節電潛力為600億kWh！整個電機系統的節電潛力約為1000億kWh，改造和更新預計需投入2000～3000億元人民幣。

根據國家節能計劃，我國每年應節約和少用能源7000萬噸標準煤，通過基本建設項目及技術改造措施，每年可形成約3000萬噸標準煤的節能能力，而每形成一噸標準煤的節能能力需投資2000元（約為開發等量能源費用的三分之一），則每年需節能投資600億元，“十五”期間共需3000億元人民幣，“十一五”期間將更多。

由于我國經濟的高速發展,發電裝機仍以高速發展。但電力運行的一些主要指標和裝備指標與發達國家相比仍有很大差距我國火電機組的平均煤耗為400gkWh,比發達國家高出約70～100gkWh;發達國家發電廠的廠用電率為3.7%～6%,而我國的廠用電率為4.7%～10.5%,加之線損,我國送到用戶的電能要比發達國家多耗電9.5%,相當于22000MW裝機容量,即22個百萬大廠的年發電量。因此,我國的節能形勢十分嚴峻！

2、變頻調速技術的發展歷史及現狀

變頻調速技術涉及到電力、電子、電工、信息與控制等多個學科領域。隨著電力電子技術、計算機技術和自動控制技術的發展，以變頻調速為代表的近代交流調速技術有了飛速的發展。交流變頻調速傳動克服了直流電機的缺點，發揮了交流電機本身固有的優點（結構簡單、堅固耐用、經濟可靠、動態響應好等），并且很好地解決了交流電機調速性能先天不足的問題。交流變頻調速技術以其卓越的調速性能、顯著的節電效果以及在國民經濟各領域的廣泛適用性，而被公認為是一種比較有前途的交流調速方式，代表了電氣傳動發展的主流方向。變頻調速技術為節能降耗、改善控制性能、提高產品的產量和質量提供了至關重要的手段。變頻調速理論已形成較為完整的科學體系，成為一門相對獨立的學科。

20世紀是電力電子變頻技術由誕生到發展的一個全盛時代。比較初的交流變頻調速理論誕生于20世紀20年代，直到60年代，由于電力電子器件的發展，才促進了變頻調速技術向實用方向發展。70年代席卷工業發達國家的石油危機，促使他們投入大量的人力、物力、財力去研究高效率的變頻器，使變頻調速技術有了很大發展并得到推廣應用。80年代，變頻調速已產品化，性能也不斷提高，發揮了交流調速的優越性，廣泛地應用于工業各部門，并且部分取代了直流調速。進入90年代，由于新型電力電子器件如IGBT（絕緣柵雙極型晶體管Insolated Gate Bipolar Transistor）、IGCT（集成門極換流型晶閘管Integrated Gate Commutated Thyristor）等的發展及性能的提高、計算機技術的發展，如由16位機發展到32位機以及DSP（數字信號處理器Digital Signal Processor）的誕生和發展（如磁場定向矢量控制、直接轉矩控制）等原因，極大地提高了變頻調速的技術性能，促進了變頻調速技術的發展，使變頻器在調速范圍、驅動能力、調速精度、動態響應、輸出性能、功率因數、運行效率及使用的方便性等方面大大超過了其它常規交流調速方式，其性能指標亦已超過了直流調速系統，達到取代直流調速系統的地步。目前，交流變頻調速以其優異的性能而深受各行業的普遍歡迎，在電力、軋鋼、造紙、化工、水泥、煤炭、紡織、鐵路、食品、船舶、機床等傳統工業的改造中和航天航空等高新技術的發展應用中無不看到變頻調速技術的蹤影，變頻調速技術取得了顯著的經濟效益。

變頻調速技術的現狀具有以下特點：

（1）在功率器件方面，近年來高電壓、大電流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生產以及并聯、串聯技術的應用，使高電壓、大功率變頻器產品的生產及應用成為現實。
（2）在微電子技術方面，16位、32位高速微處理器以及DSP和ASIC（專用集成電路Application Specific IC）技術的快速發展，為實現變頻器高精度、多功能化提供了硬件手段。
（3）在控制理論方面，矢量控制、磁通控制、轉矩控制、智能控制等新的控制理論為研制高性能變頻器的發展提供了相關理論基礎。
（4）在產品化生產方面，基礎工業和各種制造業的高速發展，促進了變頻器相關配套件的社會化、專業化生產。

3、國內外高壓變頻器的分類、比較和應用情況

目前世界上的高壓變頻器不象低壓變頻器那樣具有成熟的一致性的主電路拓撲結構，而是限于功率器件的電壓耐量和高壓使用條件的矛盾，國內外各變頻器生產廠商，采用不同的功率器件和不同的主電路拓撲結構，以適應不同的電壓等級和各種拖動設備的要求，因而在各項性能指標和適用范圍上也各有差異。

一般來講，在高壓供電而功率器件耐壓能力有限的情況下，可采用將功率器件串聯的方法來解決。但是功率器件在串聯使用時，因為各器件的動態電阻和極間電容不同，而存在靜態均壓和動態均壓問題。如果采用與器件并聯R和RC的均壓措施，會使電路復雜，損耗增加；同時，器件的串聯對驅動電路的要求也大大提高，要盡量做到串聯器件同時導通和關斷，否則由于各器件開斷時間不一致，承受電壓不均，會導致器件損壞甚至整個裝置崩潰。

諧波問題是所有變頻器的共同問題，尤其在高壓大功率變頻調速中更為突出。諧波會污染電網，殃及同一電網上的其它用電設備，甚至影響電力系統的正常運行；諧波也會干擾通訊和控制系統，嚴重時會使通訊中斷、系統癱瘓；諧波電流還會使電動機損耗增加，因而發熱增加，效率及功率因數下降，以至不得不“降額”使用。

還有效率問題，變頻調速裝置的容量愈大，調速系統的效率問題也就愈加重要。采用不同的主電路拓撲結構，使用的功率器件的種類和數量的多少，以及變壓器、濾波器等的使用，都會影響系統的效率。為了提高系統效率，必須設法盡量減少功率開關器件和變頻調速裝置的損耗。

可靠性和冗余設計問題：一般的高壓大功率拖動系統都要求很高的系統可靠性，尤其是國民經濟的重要部門如電力、能源、冶金、礦山和石化等行業，一旦設備出現故障，將會造成人民生命財產的巨大損失。因此高壓變頻裝置設計中是否便于采用冗余設計及旁路控制功能也是至關重要的。

根據高壓變頻器有無直流環節，可以分為交