高压大容量变频技术现状及交—交SDM级联技术简介引言
近几年，随着国内市场对高压变频器认识的深入，需求迅速增加。国内变频器市场，已涌现出几个品牌，并已取得了很好的节能效益。但遗憾的是，无论是已取得实际运行经验的多电平级联式技术方案，还是正处于研制和试运行阶段的三电平方案，我国拥有自主知识产权的很少，并且都是仿制国外产品的技术及工艺方案，也为我国在这些技术基础上进一步自主创新带来了障碍。同时，这两种方案也存在有诸多固有缺陷，为其进一步扩展市场带来了困难。由北京安纳克控制技术有限公司提出并拥有知识产权的SDM（Sinusoid Direct Modulate）级联式大容量高压变频方案，很好的解决了上述方案所存在的一些问题，适应于全固态化变频的发展方向，并具有低成本，高效率，高可靠性，体积小等许多优点，是高压大容量变频器技术的重大创新。
2 现有高压变频技术方案介绍
2.1 多电平级联方案
该方案最早由美国一家公司率先采用，并拥有知识产权,其使用功率半导体器件IGBT，通过多电平移相叠加技术，利用低压器件得到高压输出，图1是该方案单只模块电路图，这是一个典型的单相输出通用变频器电路。图2是多只模块串联后，联接成的三相输出电路图。可以看出，通过输入变压器产生的多路浮动低压电源给各功率模块供电，串联后，得到了高压电输出。该方案利用低压器件获得了高电压输出，在理论上，通过改变串联级数，输出电压可以达到任意幅值，其功率器件的驱动时序相对比较简单。
图1 单只模块电路图
图2 多只模块串联联接的三相输出电路图
2.2 三电平方案
该方案通过二极管、电容器箝位，可以用同样电压等级的功率半导体器件实现两倍的电压输出，从而得到较高的输出电压。图3是该方案主电路图。其中箝位电路必须采用快速软恢复高压大电流二极管，实际使用中，可以用IGBT内部反并联二极管代替。由于目前电解电容器最高工作电压为4～500V，因此图中滤波电解电容器必须是多个串联，并且需要配置功率较大的均压电路，以保证动态及静态的均压，三电平方案的功率器件驱动逻辑相对比较复杂，而一旦驱动逻辑发生错误，功率器件将可能承受过电压而击穿，造成系统不可逆损坏。
图3 三电平方案主电路图
3 交—交SDM级联高压变频技术方案介绍
SDM级联高压变频技术无需整流滤波环节，是一种直接变频方案，通过级联方式实现了高电压变频调节。该方案主电路结构与多电平级联方案基本相同，见图2，通过输入变压器产生的多路浮动低压电源给各功率变换模块供电，串联后，得到了输出高压电。该方案的功率变换模块实质上是一种单相输出矩阵式变频器，如图4所示。
图4 单相输出矩阵式变频器
图4中为三相输入，共有六个节点，对应6个半导体开关，同样，如果是2相输入或多相输入，则节点数是2×N（N：输入相数），对应2×N个半导体开关。将图4的节点换为双向晶闸管，并改变画法，则变为图5的拓扑形式，这也是本文所述方案功率变换模块的电路原理图，是一种三相双向全控桥电路。
图5 功率变换模块的电路原理图
各功率变换模块在任一时刻只允许选通一相输入电压输出，而总的输出电压则由各模块的输出电压叠加而成，这样，真对某一输出电压及频率，通过控制选取最适合的输入电压波形，达到了调节输出电压幅值及频率的目的，由于高次谐波可相互抵消，输出电压谐波总含量可以低于5%。图6是一相的输出电压波形图。
图6 一相的输出电压波形图
SDM级联高压变频方案的所有功率半导体器件工作在自然环流状态，即零电流软关断，避免了IGBT等器件强迫关断产生的应力，这对于工作在高电压大电流状态的高压大容量变频器尤为重要。而晶闸管器件则具有通态损耗小，抗过电流能力强的优点，同时该方案工作在工频开关状态，因此不论是导通损耗还是开关损耗，都大大小于传统方案。该方案同样有别于以往的相控交交变频技术，由于采用级联方式，在输出低频时，依然可以保持高功率因数输出，且通过SDM控制，而不是传统相位控制方式，其输出频率可达到甚至超过50Hz。
4 几种方案的对比
多电平级联方案与三电平方案同属交—直—交变频器，由于其直流环节需要对输入交流电压进行整流、滤波，因此，除了要使用整流桥外，还需要使用大量的铝电解电容器，例如在1000kW/6000V变频器中，需要使用大约150只大容量电解电容器，而电解电容器是变频调速设备中的最薄弱的环节，由于其内部电解液的逐渐挥发，在额定工作状况下，一般标称连续工作寿命仅为3000-5000h，即半年左右，通过降额使用，且在工况较好时，其连续使用寿命也只有5-8年，因此，在电解电容超过使用年限时，必须加以更换，这将对用户使用及售后服务带来困难。另外，大容量电解电容器价格不菲，占相当大比例的设备成本，体积也无法减小，致使设备价格高，体积大。
对于高压交—直—交变频，能量回馈是一个需要非常小心处理的问题，在调节电机工作频率时，若减速时间过快，则会产生制动转矩，电机电流将对整流滤波电容器充电，在瞬间造成电解电容过电压，由于电解电容器承受过电压的能力很差，这将使电容器漏电流急剧增大而使内部发热量剧增，严重情况下，电解液气化会使电容器发生爆炸。为避免这一问题，高压交—直—交变频器都须加装过电压保护电路，当产生过电压时，要立即停机，使电机自由停车，同时用放电电阻迅速降低电容器电压。而对于SDM级联方案，由于可工作于四象限，在这个问题并不存在。
使用PWM方法的变频器不容忽视的另一个问题是输出电压的dv/dt。dv/dt对导线及电机绕组绝缘有较大损伤，过高的dv/dt将使电机绝缘加速老化，损坏电机绝缘。三电平方案输出dv/dt较高，其输出侧必须加装高压滤波器，以抑制dv/dt，否则必须使用专用电动机。相对而言，多电平级联方案dv/dt稍低，但其重复频率较高，由于这种方案的高压变频器应用只有数年时间，其对电机绝缘的影响还有待时间的检验。SDM级联方案开关器件工作于低频状态，且为零电流关断，因此dv/dt非常小，其对电机的影响可以忽略。图7、8是三种方案dv/dt重复频率与幅值的对比。
图7 三种方案dv/dt重复频率对比
图8 三种方案dv/dt重复频率幅值的对比
三种方案的工作损耗也有较大差别，多电平级联方式器件串联数量多，静态压降大，损耗较大，由于工作频率较高，也有较大的动态损耗。三电平串联器件少因而静态损耗小，而其开关损耗与多电平级联方案相当。SDM级联方案中由于没有直流环节，而晶闸管通态压降也很低，同时其开关损耗也很小，因此，SDM级联方式具有最小的总功耗，在实际应用中，当变频器容量小于800kVA时，就可以自然对流方式散热，省去可靠性较低的强迫冷却风扇。附表是三种方案功耗的理论估算值。
附表 三种方案功耗的理论估算值
 关于谐波，三种方案中，由于采用多级叠加方式，多电平级联与SDM级联方式各级模块输出谐波相互抵消，高次谐波含量很小，而输入侧由于采用变压器移相供电，谐波电流也同样相互抵消。三电平方式输出电压幅值较高，因而谐波较大，需要加装输出滤波器，其输入侧也同样需要加装输入滤波器，或采用有源整流电路。
5 结束语
高压大容量变频器技术及其相关产品是电力电子行业新近几年的一个重要课题，也是近年来世界范围内该行业中竞相关注的一个热点，它不仅涉及大功率交流电动机的各类负载的调速和节能，也与其它一些关系国计民生的重点行业的技术发展与进步息息相关。
本文从技术经济角度论述了目前得到普遍认可，并最具代表性的两种高压变频器技术方案，并介绍了一种新型高压大容量变频器实现方案即交—交SDM级联控制技术。从技术角度，对这三种变频控制方案的特点及优缺点进行了论述，对比说明，SDM级联方案由于省去了直流环节，在成本及可靠性方面具有明显的优点，由于可采用晶闸管作为功率开关器件，尤其适合于国产化，该技术产品的推广，不但为我国节能环保事业带来巨大经济及社会效益，还将带动基础半导体行业的发展。
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