摘要：进行高压电动机的变频调速改造，可降低能耗。但是，由于高压电动机一般容量较大，使用场合重要，因此对变频器的可靠性要求较高。文章分析了高压变频的可靠性要求，重点阐述了单元串联多电平方式的高压变频器的可靠性及其实现方式.以及为达到高可靠性所采取的技术措施，并对高、低压变频器的可靠性进行了比较。文章同时对高压变频器的节能效果，以及选用时的注意事项作了介绍。

1 概述

我国高压电动机总容量在1.5亿kW 以上(不包括低压电动机)，大部分为风机泵类负载。覆盖电力、石油、化工、冶金、制造、环保、市政等行业，其耗电量占全国总用电量的25 左右。由于设计余量较大、系统负荷波动大等原因，运行中不得不对风机或泵的流量进行调节。由于技术或工艺的限制，这种调节大多为节流调节，能耗浪费严重，系统效率低。

进行高压电动机的变频调速改造，可以降低系统能耗，优化系统的整体性能，为企业赢得可观的经济效益。同时可以节约资源，减少环境污染，优化工作环境等，具有很好的社会效益。另外，由于高压电动机一般都容量大，使用场合重要，系统故障时造成的损失非常大，如火力发电厂的风机设备，故障后引起的直接损失将会达数十万元，间接损失可能更加严重，因此对可靠性的要求也就更高。

变频调速是通过改变电动机供电电源的频率来改变交流电动机转速的一种调速方式，因其调速范围大、调速平滑性高、性能优异而得到广泛应用。变频调速的应用主要体现在两个方面。

(1)工艺需要：生产工艺需要高性能的调速，用其他方式要么不容易实现，要么调速性能达不到工艺要求，因此需要使用变频调速来满足工艺要求。这种变频器对调速性能要求较高，主要应用在轧钢、造纸、机车驱动、纺织和印刷等行业。

(2)节能需要：主要针对风机、水泵类变转矩负载，通过变频调速调节流量比通过其他方式进行流量调节能够节省大量电能，实现节能降耗。这种变频器对调速性能要求较低，主要应用在电力、冶金、矿山、石化、市政等行业的风机、水泵类负载流量调节。

低压变频器市场应用广泛，国内外品牌众多，用户也普遍接受。而在高压变频器领域，高性能的变频器主要被进口品牌所垄断。在节能型高压变频器领域，则呈现出国内外品牌并举的局面。变频器的逆变功率元件主要采用绝缘栅门控双极晶体管(IGBT)，其产品结构主要有三电平方式、元器件直接串联两电平方式、单元串联多电平方式等。单元串联多电平方式的高压变频器因其有诸多优点逐渐被用户接受，成了节能型高压变频器的主流方式，在节能领域正在被广泛应用。

高压变频的应用可以带来巨大的经济效益，本应得到广泛的推广应用，但是广大用户对其可靠性信心不足，因此需要我们对高压变频的可靠性进行认真的探讨。

2 高压变频的可靠性要求

对高压变频的可靠性，除了要求高压变频自身的质量可靠以外，还需要其具备应对电网异常工况、对电动机的正常运行无附加影响、应对局部故障的能力及应用维护方便等性能。

(1)应对电网电压的异常波动

电网电压的异常波动通常有两种情况，一种是由于连接在高压电网上的大负载启动时引起的电网电压瞬时跌落，另一种情况是母线间的快速切换。在工频运行时，因电动机本身具有较强的抗异常电压波动能力，因此对电动机的运行并不会产生很大的影响。采用高压变频后，因为高压变频器的过流能力较小，这就要求高压变频具备应对这种电网电压异常波动的能力，具体来说就是输入电源的允许波动范围要大，一般要求最低电压可达8O 的额定电压，甚至7O 的额定电压;对母线快速切换的情况，要求高压变频能够在电动机旋转的情况下快速恢复输出，尽量减小电动机转速降低对系统的扰动。

(2)高压变频装置谐波对电动机的影响普通异步高压电动机都是按照工频电源的工况进行设计，正常工频电源的谐波很小，dv/dt的值也很小。为了适应普通电动机的运行工况要求，要求高压变频器采取措施使输出的电压电流谐波小、dv/dt小，减小电动机因谐波造成的发热及绝缘影响。

(3)高压变频器本身的可靠性问题

高压变频产品的整体系统复杂，应用场合重要，因此对产品的可靠性要求也高，同时要求产品自身具备应对局部故障的能力，以保障产品出现局部偶然故障时不至于突然跳机，扩大故障影响范围。这就要求高压变频产品采用冗余设计，允许局部故障而不会停止运行。

高压变频的产品现在主要有3种方式，即元器件串联方式、三电平方式及单元串联多电平方式。前两种方式的高压变频产品因主电路拓扑结构的原因，很难实现冗余设计。单元串联多电平方式的高压变频产品容易实现冗余设计，允许某个单元出现故障时继续运行。如果能够实现故障单元的在线维护或更换，即高压变频产品在不停止运行的情况下排除故障，产品的可靠性将大大提高。

单元串联多电平方式的高压变频器主要由3部分组成，主回路的输入端是一个移相整流变压器，它给每个逆变单元提供一个独立的电源。每个逆变单元均是一个三相交流输入、单相交流输出的低压变频器，数个逆变单元的交流输出依次串联，形成单相的高压输出，由3组这样的逆变单元组形成了三相高压逆变电源。这3组单元的其中一端短接形成三相电源Y型接法的中性点，另一端形成了高压电源的输出端;所有的单元由一个主控制器协调工作，同时实现变频器和外部设备的接口。单元串联多电平方式高压变频器的电路示意图如图1所示。

单元串联多电平方式的高压变频器独特的电路拓扑结构使其具有许多优点：

1)主回路中间不存在低压大电流环节，实现了直接的高一高变频。

2)每个单元都是一个低压的变频单元，元器件耐压要求低，避免了功率元器件的串联，电路简单、技术成熟可靠。

3)每相中各个逆变单元的输出采用移相式脉宽调制(PWM)技术，使相电压实现了多个电平叠加，电压非常接近正弦波，输出电压谐波很小，不会使电动机因谐波产生附加发热和转矩脉动，可以适用于普通异步电动机。

4)输入侧的移相变压器可以使整个变频器实现多脉波整流，减小输入电流谐波对供电电网的谐波污染，不需要采取其他措施即可满足国标对谐波的要求。

5)输出电压每个电平台阶大小仅为单元直流母线电压，所以dv/dt很小，可以实现输出电缆的长距离传输。

6)逆变单元之间容易实现冗余设计，局部故障时可以继续运行。如某一相的某个功率单元因故障退出运行，则此功率单元将自动旁路，变频器仍可继续运行，此时此相的输出由其余功率单元承担，采取自动平衡技术后，整个装置的输出仍可达到三相平衡。

7)所有的功率单元都完全一样，便于进行模块化设计。

8)通过其他一些设计措施，整个变频器还可以实现在线更换、单元自动投入等其他可靠性功能。正是因为单元串联多电平方式的高压变频器具有这些特点，国内外许多厂家都进行此类产品的开发研究，推出了各种品牌的产品，市场上应用也比较多，已经被用户认可。

(4)如何用好高压变频

高压变频产品除了需要设备可靠性高以外，还需要维护方便，便于用户使用。高压变频产品是一种电子产品，电子产品要求运行温度不超过允许范围，这就要求产品的冷却系统安全可靠，维护方便。

3 单元串联多电平方式高压变频器的控制方式

单元串联多电平方式高压变频器的控制方式主要有两种：单处理器方式和多处理器方式。

单处理器方式是指整个变频器的运行全部靠一个主控制处理器来实现;多处理器方式是指变频器的每个单元和主控制器均有自己独立的处理器，单元之间完全独立，主控制器通过通信协调所有单元协调工作。

单处理器方式下，主控制处理器产生所有单元的脉冲，经过光纤通信传输至各个单元，每个单元自己进行脉冲分配，控制各个功率元件(一般是IGBT);单元对自身的状态进行检测。通过光纤传送给主控制器进行处理，处理结果再通过光纤传输至单元进行相应的动作;同时主控制器还要完成外部接口的工作。一般情况下，主控制器采用多级中断分别处理不同优先等级的工作，要求各个中断的时序清晰，任务明确。主控制器和单元之间要求通信速度快，可靠性要求高。

多处理器方式下，各个单元自己完成自身的脉冲产生及分配，控制本单元的功率元件;通过光纤传输接受主控制器的指令，进行相应的动作;同时检测本单元的状态进行判断，实现各种保护直至单元退出，并将单元状态通过光纤传送至主控制器，以便主控制器进行所有单元的协调工作。主控制器主要完成所有单元的协调，通过指令使各个单元进行相应的动作，同时完成外部接口的工作。单元处理器承担了产生波形及保护的主要工作，主控制器的任务简单，单元和主控制器之间的通信速度不要求很高，并且可以进行通信容错设计，可靠性大大提高。

单处理器方式和多处理器方式各具特点，现就以下几个方面进行一下比较。

(1)系统结构

单处理器方式系统中单元硬件结构简单，主控制器硬件较复杂，软件功能复杂、任务繁重;多处理器方式系统中单元控制部分硬件结构复杂，有大量的软件工作，主控制器软硬件均比较简单，功能清晰、任务较轻。

(2)单元故障处理

单处理器方式下，单元故障的处理需经通信传输至主控制器判断处理，然后再传输回单元进行动作，环节较多、延迟较大;多处理器方式中，单元故障的检测、判断、处理均由单元处理器独立完成，环节少、延迟小、动作迅速。

(3)系统功能扩展

单处理器方式下系统功能扩展主要是由主控制器完成的，但主控制器软件结构复杂，占用资源多，功能扩展时工作量大，扩展困难;多处理器方式下系统功能扩展主要靠单元来实现，主控制器主要完成指令的添加及控制逻辑的优化，各种任务容易实现功能块分割，利于分工合作。

(4)容错性

单处理器方式中，单元不具备判断能力，主控制器的工作必须完全正确，另外对单元和主控制器之间的通信可靠性要求高，容错能力差;多处理器方式中，单元能够判断主控制器的指令是否正确，对错误指令可以拒绝执行，单元和主控制器之间的通信可以进行校验，具备容错能力。

现在，这两种控制方式的高压变频器国内都有厂家推出产品。

4 高压变频的可靠性措施

为了实现高可靠性，除了严格按照生产工艺进行生产、对所使用的元器件进行严格把关、培训

操作人员正确操作使用及维护以外，从技术层面上，充分有效的可靠性措施是必需的，以下是高压变频中使用的几项可靠性措施：

(1)控制电源冗余设计

控制电源的冗余设计保证了在外部控制电源失电的情况下，设备能够不受影响连续运行，一般采取的措施为加装不间断电源(UPS)或蓄电池。UPS的输出为交流电源，和正常的控制电源之间有个切换过程，需采取措施实现无扰切换;蓄电池的输出为直流电，和控制用的内部直流电源可以直接并联使用，不存在切换过程，是一种可靠的后备电源措施。

(2)冷却系统冗余设计

高压变频装置虽然效率很高，但因其容量大，运行过程中产生的绝对热量还是很大的，因此可靠的冷却系统就显得尤为重要。具有互为备用并且能够自动切换的冷却系统是可行、可靠的措施。

(3)功率单元冗余设计

一般来说，只有单元串联多电平方式的高压变频装置能够实现功率单元的冗余设计。对于单元串联多电平方式的高压变频装置来说，功率单元的冗余是在故障单元旁路退出的情况下，通过电压电流的平衡技术实现输出电压电流的平衡的。为了充分利用系统的冗余性，任何一个功率单元退出运行，不应该影响其他单元的正常运行。

(4)功率单元的抗干扰措施

功率单元除了应该采取必要的抗干扰措施防止单元因干扰而出现误动作外，还可以采取措施使因瞬时干扰而退出的单元自动投入运行，保证整套装置完好运行。

(5)功率单元的在线维护

在线维护是指在变频装置带电运行的情况下对装置的局部故障进行处理。设备的在线维修维护是提高装置运行可靠性的重要手段，对于单元串联多电平方式的高压变频来说，功率单元的在线更换可以极大地提高装置的可靠性。

(6)提高系统对电网波动的适应性

高压变频装置对电网波动的适应，除了需要采取措施使装置能够承受更大的电压波动范围外，还需要考虑电网瞬时失电时变频装置应能够连续运行，即高压失电后变频装置停止输出，电动机转速下降，高压重新上电后变频装置需在电动机当前转速下迅速将电动机驱动至失电前的转速，最大限度地减小对系统的扰动。、

5 高、低压变频器的可靠性比较

低压变频器是人们熟悉的事物，历经实践检验，被大家普遍接受，认为低压变频器无论是在功率器件还是在控制方面技术成熟，安全可靠;高压变频器是个新事物，有观点认为，高压功率器件耐压不够，串、并联技术不成熟，控制电路复杂，没有经过市场的应用检验，可靠性不高，有时为了实现调节目的，宁愿通过降压变压器降压并采用低压电动机驱动，增加了费用，降低了效率。实际上，这是人们的误解，以下就几个方面对低压变频器和单元串联多电平方式的高压变频器的可靠性比较。

(1)元器件

单元串联多电平方式的高压变频器采用的功率元器件一般是1 700 V等级的IGBT，这个耐压等级的IGBT是低压变频器中常用且被证明是成熟可靠的元器件。

(2)控制技术

单元串联多电平方式的高压变频器中的每个功率单元都是一个三相输入、单相输出的低压变频器，驱动和控制技术同样成熟可靠。

(3)元器件数量

从理论上讲，元器件数量越多，可靠性越低。在这个意义上讲，单元串联多电平方式的高压变频器元器件数量大大高于低压变频器。但是，在采取了逆变单元冗余设计及故障单元在线更换等技术措施后，可最大限度地避免由元器件数量增多导致的可靠性下降。

(4)电路冗余

有冗余设计的系统可靠性大大高于无冗余设计的系统。低压变频器一般只有一个逆变桥，很难实现冗余设计;单元串联多电平方式的高压变频器的每一相均由多个单元的输出串联构成，每个单元均可自身旁路，因此相互之间可以实现冗余设计，可靠性大为提高。在这个意义上讲，单元串联多电平方式的高压变频器的可靠性远远高于低压变频器，尤其是实现了单元在线可更换功能的MAXF系列高压变频器可靠性更加突出。

(5)对电源波动的适应性

低压变频器的控制电源一般取自功率电源，对电网电压的适应性差，因电网电压短时过低或电网出现闪变而引起变频器跳机的事件时有发生。单元串联多电平方式的高压变频器的功率电源和控制电源是各自独立的，一般控制电源为交直流输入，同时还有UPS或蓄电池备用输入，可靠性极高，控制部分不会停止工作，当功率电源电压短时过低或电网出现闪变时，高压变频器停止输出，在功率电源恢复至正常范围内后，高压变频器可以迅速将电机转速恢复至原有水平，避免跳机事件的发生。

综上所述，应该说单元串联多电平方式的高

压变频器的可靠性比低压变频器还要高，只要选用合适，可以放心使用。

6 节能型高压变频器的节能效果

使用高压变频器能够节能主要是因为电动机驱动的负载(主要指风机、水泵类负载)在转速降低的情况下消耗的能量大大减少(此类负载的功率消耗与转速百分比的3次方成比例)，因此电动机消耗的能量自然就减少了。风机和水泵类负载调节流量的方法很多，但消耗能量最少的调节方法是调节转速。调节转速的方式也很多，但综合效率、调速性能、实现手段等方面来看，变频调速是最好的调速方式。采用高压变频器的目的主要是为了调节转速，减少能耗，同时采用变频调节还带来功率因数提高、噪音减小、维护工作量减少等附带好处。

变频调节节能特别适合于需要进行流量调节的场合。和通过节流调节相比，在风机系统中，采用变频调节比采用挡板或风门调节一般可节能30%～50 ;在水泵系统中，采用高压变频调节比采用阀门调节一般可节能20 ～30 ，节能效果很好。

7 高压变频器的使用

高压变频器一般可以根据电动机的额定功率或额定电流来相应配置。在选用变频器时，根据估算的使用功率来选配变频器是不合适的，这是因为采用变频器以后所消耗的电功率是在转速降低的情况下得出的，根据变频器设计的原则，为了维持气隙磁通量基本不变，应使定子端电压和频率成比例地调节，转速(即频率)降低的情况下，变频器的输出电压也相应地降低，定子电流变化较小。按照使用功率选用的变频器额定电流是在50 Hz、额定电压时的功率，其额定电流较小。这样选用的变频器在实际使用过程中容易出现过电流故障，因此不建议这种选配方法。通常情况下应该按照电动机的额定功率或额定电流来配置变频器。高压变频器选用的功率元器件都是半导体器件，使用时的温度限制很严格，过温的情况下很容易损坏元器件，因此使用环境要求充分考虑通风和降温措施，采用室外循环通风时尤其要考虑进风通道的设计。在使用过程中，维护好通风和降温设备是保证变频器正常工作的一项重要工作。

8 结语

单元串联多电平方式的高压变频产品历经十多年的发展，实现手段更加完善，功能更加齐全，对电网波动的适应能力更强，可靠性更高。国内的高压变频产品已经在不同程度上具备了上述的可靠性，有的甚至具备上述的所有功能，可以满足用户对高可靠性的要求。单元串联多电平方式的高压变频器的国内生产厂家已经很多，产品在市场上的应用也很多，技术已经比较成熟，使用后节能效果非常明显，已经可以进行大规模推广使用。