3.3.1 技术特征
该系列变频器采用类似传统的电压型变频器结构，关键技术在对中点上、下漂动处理，空载和轻载漂动小，随负载的加重或动态变化，电容难以支撑中点位，特别是各电容的容抗不等因素，箝位中点也稳不住，箝位电压随之浮动。中点的浮动的幅度大小，将会产生输出电压的非对称性，输出谐波，波形失真，共模电压的增大变化。其表现为，若输出端在不接电抗器，直接连高压电机运行，电动机会出现剧烈抖动和高热（这是任何一种方式变频器都不会产生的现象）。为此，三电平高压变频器不管电机离的远近，都须装输出电抗器，解决电机振动大,噪音大的缺陷。而共模电压的隐患导致电机绝缘老化问题。由于三电平逆变开关模式中存在的多点死区，而需长死区时间保障开关切换就带来很高的共模电压。其缺陷是由电路特点，硬件产生的，单靠优化控制软件，只能收到微小的效果。还需同佳灵JCS型一样，增加输出共模抑制器方可有效。
三电平在输出电压较低时，实际上也相当于二电平的电压波形，其11、13、17次谐波含量仍很高，谐波电流仍很大。若不加滤波器，还只能用供应商的专用电动机，且其输出电压只能达4200V，实际上是在后面加上了升压变压器才能达到。
3.3.2产品特点
1）效率极低
三电平变频器的结构简单，但二极管的增多、线路增多，况且每个IGBT的驱动波形不一致，也必将导致箝位和开关性能的不一致。功率元件的导通和关断是由箝位二极管来保证的。箝位二极管的耐压要求高，快恢复性能好，主器件数量多，致使系统结构相对复杂，而且扩展能力有限。
2）变频器容量需增大20%，投资高
开关器件的导通负荷不一致。靠近母线的开关和靠近输出端的导通负荷不平衡，这样应导致开关器件的电流等级不同。在电路中，如果按导通负荷最严重的情况设计器件的电流等级，则每相有2*(m-2)个外层器件的电流等级过大，造成浪费。变频器输出线电压4.16kV，电机三角形接法为3.3kV，变频器输出必降压设定为3.3kV。变频器将产生无用功率为：
4.16kV—3.3kV=0.86kV
在使用选型时，变频器的容量至少需增加20%的匹配容量，而增大投资。
3）由于需星/三角变换装置，才能实现工频/变频切换
对于6kV高压电机，三电平变频器采用Ｙ/△改接的办法，将Ｙ型接法的6kV电机改为△接法。但在进行了Ｙ/△改接后，电机的电压与电网的电压不一致，无法实现旁路功能，当变频器出现故障时，又要保证生产的正常进行，必须首先将电机改回Ｙ型接法，再投入6kV电网。为此，电机的改接必须加装Ｙ/△切换柜实现，以便实现旁路功能。
4）输出谐波含量大，需要专用变频电机。
由于三电平变频器，所固有的输出波形中含高的谐波分量，使得输出性能不良好。输出电流、电压波形见图2。低速区变频器的波形极差，基本上不能满足工况的要求。因此，在变频器的输出侧必须配置LC滤波器才能用于普通的鼠笼型电机。同样由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率、甚至寿命都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，但随着转速的下降，功率因数和效率都会相应降低。输出电压谐波5.、7高，11次、13次谐波达到20%以上，会引起电动机谐波无功发热、转矩脉动，这对电缆和电动机都是致命的影响。因此，外商一般都力荐采用专用电动机。
3.4单元串联多重化变频器
曲拆多脉冲变压器整流IGBT单元串联多电位重叠间接高压方式
电压变换方式：电源变压器（R1）单元串联变频器（R2）电机（R3）
系统等效阻抗R=R1+R2+R3
3.4.1主电路
单元串联多重化技术高压变频器，是利用移相主变压器降压，再通过多个低压单相变频器（图3a）串联和控制器结构组成。各功率单元由一个曲拆多绕组的移相主变压器降压供电。变压器是单元串联高压变频器设备电路结构中的一个重要部件。3kV有12个功率单元，每4个功率单元串联构成一相。6kV系列有15个功率单元，每5个功率单元串联构成一相。10kV系列有21个功率单元，每7个功率单元串联构成一相。移相变压器中，变频器6kV时需要3�5个绕组，引出主接线头48根，（10kV时需3�7个绕组，引出主接线头66根，）。变压器输入端采用内部三角形，输出为外部星形的延边三角形接法，见图3。
所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器多级移相叠加的整流方式供电，由CPU实现控制再以光导纤维隔离驱动。输出侧由每个单元的U、V输出端子相互串接而成星型接法给电机供电。通过对每个单元的PWM波形进行重组多重化。可实现输入端（变频器在高频段输出50Hz时）条件下有较低的谐波含量（输出端谐波含量高）。图（3b）为6kV变频器的主电路拓扑图，每组由5个额定电压为690V的功率单元串联，因此相电压为690V�5=3450V，所对应的线电压为6000V。每个功率单元由输入隔离变压器的15个二次绕组分别供电，15个二次绕组分成5组，每组之间存在一个12�的相位差。以中间△接法为参考(0�)，上下方各有两套分别超前（＋12�、＋24�）和滞后（－12�、－24�）的4组绕组。所需相差角度可通过变压器的不同联接组别来实现。
图3e中的每个功率单元都是由低压（IGBT）构成的三相输入，单相输出的低压PWM电压型逆变器。每个功率单元按预编程时序输出不同相位差的PWM电压为1、0、－1三种状态电平，每相5个单元成阶梯叠加，就可产生11个不同的梯度电平波形，图4为一相合成的输出正波包络电压波形。这种电压波形对电单元串联机无特殊要求，可用于普遍笼型电机。
这种多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联电压型变频器，采用功率单元串联双“Y”回路，采取变压器多绕组别分组分压整流单元均压，单元电平叠加，变频器输出高电压的正弦波包络阶梯电压波形。适应普通笼型电机的变频调速驱动。
多重化被称为“完美无谐波”，是外国某公司营销技术名词，以为中国人对变频技术的不了解，用输入端满载谐波含量作误导宣传，是概念混淆，偷梁换柱的说法。事实上，变频器产生的谐波应严格分为两个部分即：1、输入端谐波含量指标，指变频器对电网产生的骚扰作用。2、输出端谐波含量指标，指变频器的高频辐射和对电动机产生的运转脉动性、温升、绝缘老化、轴承疲劳的副作用。实际上人们都知道变压器本身在作隔离功能的同时将产生新的谐波源，完全正弦的工频变压器都存在的励磁谐波，那非线性整流叠加的的变压器怎能“完美无谐波”。谐波还是有的，可以说：输入端谐波含量低，符合标准。事实上《GB/T14549-93，电能质量，公用电网谐波》和GB/T12668.4高压变频器标准中的输入谐波含量指标，许多高压变频都可达标到。单元串联多重化是在输出端建立在120o方波的基础上，变频器在额定频率、额定重负载时其波形较好，谐波含量较低。在低频段或轻负载时波形畸变大，输出三相电压非对称性频摆加大，电机磁链脉动增大，电机中性点与变频器中性点出现电位差，谐波剧增。由于这种结构的变频器中存在变压器，如果电机的中性点没有接地，电机就存在共模电压。当电机的中性点接地后，共模电压仍然存在，没有消失，通过接地点转移到变压器上。让变压器来承受共模电压对绝缘的冲击和谐波热能。这就是这什么单元串联高压变频器变压器易坏的主要原因之一。变频器往往是用于低于工频下作节能运行的，这对电机寿命是极为不利的。外国某公司高压变频器在中国的初期应用中都须更换由他们生产的专用电机。也间接表明单元串联多重化变频器的输出谐波严重性。
3.4.2单元串联多重化变频器的技术特点
（1）是一种单变压器高—低－高的有效方式。采用功率单元串联电压相加回路，采取变压器多绕组别分组分压整流单元均压，单元电平叠加，变频器输出高电压的阶梯电压波形，经电机定子电感滤波，相电压为正弦波（实际上就任何变频器输出波形很差，只要经电机定子电感滤波，相电压都为正弦波）。
（2）成熟技术易于组合不同电压输出的要求。由于采用功率单元串联，采用低压变频器成熟技术，由低压IGBT组成逆变单元，通过串联单元的个数适应不同的输出电压要求；
(源自：)
（3）功率单元模块化、标准化、单元间具有互换性。由于多功率单元具有相同的结构及参数，便于单元间具有互换性，实现冗余设计，即使在个别单元故障时也可通过单元旁路功能将该单元短路，系统仍能降额地可运行。
（4）实现工/变频切换操作简单。若考虑变频器故障后的工频运行，可增设一个简单切换装置，可方便地通过倒切开关，切换到工频运行。
（5）需制造复杂而昂贵的移相变压器。由于系统中存在着必须的移相变压器，系统效率再提高不容易实现；移相变压器中，6kV三相6绕组�3（10kV时需12绕组�3）延边三角形接法，在三相电压不平衡（实际上三相电压是不可能绝对平衡的）时，产生的内部环流，必将引起内阻的增加和电流的损耗，也相应的就造成了变压器的铜损增大。此时，再加上变压器的铁芯的固有损耗（励磁功率是为不变因数），变压器的效率就会降低。也就影响了整个系统的效率，并随负载率的降低效率更要降低。变频器系统平均效率低。如果变压器损坏，维修极复杂，费用极高。总费用至少在购价的45%左右。
（6）输入谐波重载时含量低。由于采用了必要的移相变压器，实现多组整流，间接地获得了输入端的低谐波含量指标。
（7）使用的功率单元及功率器件数量太多，6kV系统要使用150只功率器件（90只二极管，60只IGBT）；移相主变压器接点太多，接线复杂，系统的内阻和损耗增大，。驱动元器和连线多。相应长期使用中故障必然多，维护复杂且工作量大。
（8）输出电压波形在额定负载时尚好，低于25Hz以下畸变突出，谐波含量大增。电机从0Hz起动时振动大，电机温度高，不能快加速的原因；
（9）只能用于风机水泵的变频调速。
（10）动态特性软，响应速度慢，加速和减速时间长。
（11）不易用于含有制动工况的机械转动；不易实现能量回馈的四象限运行，且无法实现制动。
（12）装置的体积太大，重量大，安装占地面积大。
3.5IGBT元件直接串联高压变频器（通用高压变频器）
直接整流IGBT元件串联直接高压方式（无内含输入变压器）
在中高压领域，矛盾的焦点是自关断功率器件如IGBT的耐压问题，对3kV、6kV、10kV或更高的工作电压IGBT的耐压短期内是无法解决的，而对高速功率开关器件的串联问题是全世界公认都未解决的尖端难题。
电压变换方式：电源IGBT元件串联直接高压器（R1）电机（R2）。
系统等效阻抗R=R1+R2
3.5.1主回路
前面已讨论多电平、多重化的优点，而现代PWM控制技术的发展水平，产生的电压波形能基本消除低次谐波，二电平比三电平整体效果更好，与多重化相差不大，在低频段波形优于多电平和多重化。同时多电平、多重化带来的问题与直接串联比是相当多的。
3.5.2静、动态性能
直接串联二电平可以像低压变频器一样加直流制动电路或能量回馈，其动态性能也可以像低压变频器一样优越，其电路仍很简单。这对于多电平，特别是多重化并不容易。使它只能用于一些调速要求不高的场合。为此，IGBT元件直接串联高压变频器（通用高压变频器）应用了佳灵的核心DSC技术。直接速度控制（DSC）对交流传动来说是一个最优的电机控制方法，它可以对所有交流电机的核心变量进行直接控制。不需在电动机转轴上安装脉冲编码器来反馈转子位置信号而具有精确的速度和转矩的控制技术。极其关键的是控制中不受定子温度和转子温度变化引起对电机参数变化的影响（矢量控制受定子温度影响变差，直接转矩控制受转子温度影响变差）。DSC开发出交流传动中前所未有的能力并给所有的应用提供了优秀服务。
DSC直接速度控制，是交流传动领域电机控制方式的一次革命，它从零速开始不使用电机轴上的脉冲码盘反馈就可以实现电机速度和转矩的精确控制。在零速度时能产生满载转矩。
在DSC中，定子磁通、转子磁场和转速被作为主要的控制变量。以滑差为误差，以转矩为调节量，以鲁棒性设计控制，确保稳定性和可靠性。高速数字信号处理器与先进的电机软件模型相结合使电机的状态每秒钟被更新4万次。由于电机状态以及实际值和给定值的比较值被不断地更新，逆变器的每一次开关状态都是单独确定的。这意味着变频器可以产生最佳的开关组合并对负载扰动和瞬时掉电、网压波动等动态变化做出快速响应。在DSC中不需要对电压，频率分别控制的PWM调制器。开环动态速度控制精度可以达到闭环磁通矢量控制的精度。DSC静态速度控制精度为标称速度的0.1%～04%（50Hz～2Hz），它满足了绝大多数的工业应用。当要求更精确的速度调节时，可以加装脉冲编码器可选件。DSC的开环转矩阶跃上升时间小于5毫秒，而不带速度传感器的磁通矢量控制变频器的开环转矩阶跃上升时间却多于100毫秒，与直接转矩控制同等，转矩脉动0.3%比直接转矩控制优。JL5000变频器其优良的鲁棒性，即可靠性稳定性是无与伦比的。
3.5.3复杂程度
相比较，三电平要多6个快速二极管，五电平就更多了。多电平每个开关都要独立控制；多重化每个单元上的4个开关器件都要独立控制，并且都存在笨重、复杂、成本高、自损大的输入变压器。IGBT元件直接串联无输入变压器组成的同一组件都只需一个开关量控制。其高效性和可靠性从原理上讲就高许多。
3.5.4节能效果
多重化为得到若干组不同的独立电压，变压器采用延边三角形法，很难得到三相平衡的移相电压。这必然形成环流，增大铜、铁损耗，并且负载变化不大，而数百个变压器的内外接头也将增大损耗，降低可靠性。输入变压器，降低了效率。应用变频器是为了获取节能产生经济效益为主要目的。IGBT元件直接串联高压变频器在同等工况多节能5%以上，在更高效的节能设备运用若干年后产生的效益，也是很可观的。
以2000kW的高压变频器为例，仅变压器的自损耗一年就达360天�24h�100kW�0.5元/KW�h=360000元。
3.5.5输入输出谐波含量符合国家标准
IGBT直接串联高压变频器在输入端加了采用无源校正技术，这种技术能对基波进行相移补偿或抑制某些指定的谐波。具体方法是在输入端增加无源元件，以补偿滤波电容的输入电流。在输入回路中串入电感器，以限制输入电流的上升速度，延长整流管导通时间，功率因数可以提高到0.9以上。谐波都被转移到调制频率附近。使得输入端谐波含量THD指标完全符合国家标准。在输出端采用了电压正弦波整形器，将高压变频器输出的PWM电压波形整形为和电网电压一样的标准正弦电压波形。无论变频器工作在高频段还是低频段和电机负载工作在重载或轻载条件中时波形都不变。并在输出端设有“抗共模技术”世界专利的共模电压治理器，成为惟有一种解决了高压EMC问题的高压变频器。其输出端谐波含量指标完全符合国际标准。
3.5.6世界惟一能用于任何电机负载性质的IGBT通用高压变频器
高效JCS系列高压变频器由于无输入、无输出主变压器和内含国际技术水平的高度，是在目前的高压变频器中一种无以伦比的高效、高质量性价比产品。其通用性：
用于风机、水泵变工况调速节能应用；用于位势负载应用，例如起重机，提升机，电梯、皮带机等；用于对转角、位移做精确控制，如轧机；用于恒转矩的通用机械传动系统。
4高压变频器的主要性能及效益比较
5结束语
综上所述，可说在高压电动机变频调速应用领域中，体现了科技研究人员为人类社会发展，促进科学技术的飞跃，设计出了种种高压变频器，在一定时期的积极推广应用，做出了历史科学的重大贡献。新科学、新技术的更新或替代，是社会发展的必然规律。任何新技术都有一个从认识、认同、再创新发展的必然过程。从上述常见高压变频器电气方案的分析中，电流型、高低高、三电平技术方案高压变频器在选用时值得慎重考虑。单元串联叠加多电平技术高压变频器，在一定的时期范围可有应用价值。IGBT元件直接串联高压变频器（通用高压变频器）无输入、无输出主变压器和内含国际技术水平的高度，是在目前的高压变频器中一种无以伦比合理的质量性价比产品。尤其高控制技术获得通用性和具有纯国家知识产权的电力电子装置，是民族的智慧和强大。JCS高压变频器是曾获得国内同行知名权威专家们的支持、帮助、认同的纯国产高新技术产品，值得全面推广应用。JCS高压变频器还应不断充实新技术，升化品质才能可持续长远发展的战略意义。
