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[摘 要]分析了基于功率控制的变频调速原理，同时研究了变压器方案、IGBT直接串联以及多电平串联方案等高压变频调速方案，并探讨了高压变频调速方案的可靠性，以期为变频调速提供一些参考，有效降低电机的耗损，在实现显著节能的同时，确保电机的功率，保障电机的正常、稳定运转。
[关键词]变频调速原；及变频方案可靠性；分析
中图分类号：TM921.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）03-0150-01
目前，变频调节技术由于具有显著的节能优势而发展迅速，并得到了广泛的应用。电机在采用变频调速后，其调速范围相对较广宽，同时其平滑性相对较高，其机械特性也相对较硬，能够有效实现实现软启动，有效降低对电网的冲击和机械负载的冲击，并能够在实现显著节能的同时，有效提升电机的使用寿命。
一、交流调速功率控制原理
从对功率控制角度进行分析，能够得出如图1所示的异步电动机功率模型图。异步电动机在运转过程中，定子从电源中吸收电功率P1，同时吸收无功功率励磁，建立旋转磁场，将P1转化为电磁功率Pem，根据能量守恒原理可以得出异步机按定子电磁功率为：
Pem=P1-△P1（P1表示定子輸入电功率，△P1表示定子功率损失）
根据以上功率理论可知，有效控制机械功率PM是异步机调速的实质所在，即变频调速原理为通过功率控制来实现其转速的改变。由此可以推导出：电气变频调速包括电磁功率Pem和损耗功率△P2两种原理，所有变频调速方法均基于这两种原理。变频调速的原理直接决定调速性能，尽管变频调速时采用的方法不同，然而只要其调速原理相同，难么其调速性能必然一致。根据功率控制理论，以定子为控制对象、电磁功率为控制目的的变频调速系统可以用图2进行表示。
由公式Pem=P1-△P1可以得出，为了对Pem进行高效控制，必须对定子的输入功率P1进行有效控制。在电机运行过程中，P1可以用以下公式表示：
在公式中，电机客观存在的负载转矩直接决定了I1cosφ1，无法作为变频调速的控制量，在变频调速过程中无法改变电源相数，只能通过控制定子端电压U1对P1进行有效控制，从而实现变频调速。在异步电机运行过程中，定子有着产生电磁功率和旋转主磁场的功能。在实际变频调速过程中，仅仅通过调整定子端电压能以实现高效率调速，单纯对异步电机定子端电压进行调整，会导致主磁通出现降低，破坏高效调速所遵守的φm=C原则，导致异步机损耗急剧增大，无法改变异步机的理想空载转速，同时还会增大损耗功率和转速降。
为了确保在改变U1时仍然满足原则，变频调速应当遵守φm=C以下电机学规律：
同时在调速过程中对电压频率f1进行控制，确保压频比U1/f1为常量。
由以上分析可以得出：基于定子的电磁功率控制是变频调速的实质，通过调压、变频二元控制等方法实现变频调速。
二、高压变频方案及其可靠性
小容量绝缘栅极型功率管（IGBT）具有较高的可靠性，无需进行串并联，使得小功率变频调速的可靠性相对较高。然而，高压、大功率变频调速的可靠性相对复杂。对于高压变频调速，目前国外半导体极限理论研究取得了一定进展，已研究出接近极限的二极管，该极限二极管的电压仍然无法满足直接6～10kV电源线安全使用的要求。下文就高压变频方案及其可靠性进行分析。
（一）高压变频方案
第一，变压器变频方案。变压器调速方案包括如图3所示的“高一低”和“高一低一高”变压技术方案。在变压器变频方案中主要采用回避高压来实现变频。采用变压器变频方案需要大容量变压器，使得变频成本和损耗增高，同时也会增大增大电流，使得IGBT产生并联均流问题。
第二，IGBT直接串联变频方案。该方案通过将高压进行分解，有效降低各个IGBT器件的实际电压，从而实现变频。IGBT直接串联变频方案难以有效解决串联均压问题。
第三，多电平串联变频方案。该变频方案有机结合了变压器变频方案和器件串联方案结合。相比于变压器变频的“高一低一高”方案，其少一台变压器；相比于IGBT直接串联方案能够有效提高均压可靠性。然而多电平串联变频方案未能有效有效避免增加变压器产生的成本，同时也未能从根本上有效解决半导体器件串联均压问题。
（二）高压变频可靠性分析
第一，半导体串联均压和电流可靠性分析。均压即是串联器件的电压平均分配率，电路中理想状态下的均压为各个串联器件两端电压均相等且为总电压的1/n。为实现理想状态下的均压，必须确保各个串联电器的电参数完全相同，然而半导体器件存在离散性，难以实现理想状态下的完全均压，最多能达到近似均压，尤其是可控器件实现均压的技术难度最大，其效果也最差。串联的不均压直接降低了承担电压高的器件可靠性，一些串联器件甚至被击穿，并引发一系列的连锁反应，使得串联器件全部受到损坏。串联系统变频可靠性取决于n个串联器件可靠性之积，串联元件越多，串联系统的可靠性相对越低。对于冗余设计的串联电路，其各个串联元件之间相互分担电压，使得冗余的从元件能够有效改善主元件电压可靠性，但值得一提的是，串联系统中任何一个元件开路性失效均会使得串联系统开路。串联数量增多会降低串联系统的电流可靠性，尤其是在电流源型的电路中，电器元件开路会出现严重的过电压，击穿元件，影响串联系统的可靠性。
第二，半导体并联均流和电压可靠性分析。均流即是并联电路的电流平均分配率，并联系统变频可靠性取决于n个并联器件可靠性之积，在并联系统中任何元件电压击穿均会破坏均会联系统的电压可靠性，尤其是电压源型电路，任何元件击穿都将导致并联系统出现短路。
第三，多电平串联变频可靠性分析。通常情况下，IGBT损坏尤其是IGBT被电压击穿是导致多电平串联变频方案出现故障的主要原因，直接影响多电平串联变频效果。一方面，IGBT的芯片结构存在问题，使得多电平串联变频方案中IGBT被击穿。由于受生产工艺限制，IGBT的芯片pn结边缘处几乎呈直角形，缺乏像晶闸管的斜坡，使得器件耐过电压能力降低，承受过压时间的缩短，使得IGBT被电压击穿。另一方面，串联单元动态开、关特性不一致，使得各单元瞬时0电压存在不均匀显现，导致IGBT被电压击穿，从而影响多电平串联变频可靠性。
结束语
本文在分析基于功率控制的变频调速原理的基础上，得出基于定子的电磁功率控制是变频调速的实质，通过对变压器方案、IGBT直接串联以及多电平串联方案结构、优势及可靠性研究，得出采用IGBT变流器件的变频调速无法满足电业为6～10Kv的高压变速调频的安全要求。
参考资料
[1] 胡海平.小议变频调速原理在恒压供水系统中的应用[J].致富时代：下半月，2011，（9）：210-210.
[2] 何惠明，杨晓洲，肖红等.刮板输送机用隔爆型变频调速三相异步电动机设计[J].中国工程科学，2012，（2）：59-68，106.
[3] 张建会.应用PLC实现电机的变频调速和远程控制研究[J].科技资讯，2013，（12）：128.
[4] 马鸿文.交流电机磁场定向矢量控制调速原理教学实践[J].实验室科学，2013，16（5）：25-28.
[5] 袁国忠.变频调速技术在矿用对旋轴流式通风机上的节能应用与分析[J].煤矿开采，2009，14（4）：67-69.
[6] 苏成富.电机的变频调速[J].机床电器，2011，38（6）：33-34，37.
[关键词]变频调速原；及变频方案可靠性；分析
中图分类号：TM921.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）03-0150-01
目前，变频调节技术由于具有显著的节能优势而发展迅速，并得到了广泛的应用。电机在采用变频调速后，其调速范围相对较广宽，同时其平滑性相对较高，其机械特性也相对较硬，能够有效实现实现软启动，有效降低对电网的冲击和机械负载的冲击，并能够在实现显著节能的同时，有效提升电机的使用寿命。
一、交流调速功率控制原理
从对功率控制角度进行分析，能够得出如图1所示的异步电动机功率模型图。异步电动机在运转过程中，定子从电源中吸收电功率P1，同时吸收无功功率励磁，建立旋转磁场，将P1转化为电磁功率Pem，根据能量守恒原理可以得出异步机按定子电磁功率为：
Pem=P1-△P1（P1表示定子輸入电功率，△P1表示定子功率损失）
根据以上功率理论可知，有效控制机械功率PM是异步机调速的实质所在，即变频调速原理为通过功率控制来实现其转速的改变。由此可以推导出：电气变频调速包括电磁功率Pem和损耗功率△P2两种原理，所有变频调速方法均基于这两种原理。变频调速的原理直接决定调速性能，尽管变频调速时采用的方法不同，然而只要其调速原理相同，难么其调速性能必然一致。根据功率控制理论，以定子为控制对象、电磁功率为控制目的的变频调速系统可以用图2进行表示。
由公式Pem=P1-△P1可以得出，为了对Pem进行高效控制，必须对定子的输入功率P1进行有效控制。在电机运行过程中，P1可以用以下公式表示：
在公式中，电机客观存在的负载转矩直接决定了I1cosφ1，无法作为变频调速的控制量，在变频调速过程中无法改变电源相数，只能通过控制定子端电压U1对P1进行有效控制，从而实现变频调速。在异步电机运行过程中，定子有着产生电磁功率和旋转主磁场的功能。在实际变频调速过程中，仅仅通过调整定子端电压能以实现高效率调速，单纯对异步电机定子端电压进行调整，会导致主磁通出现降低，破坏高效调速所遵守的φm=C原则，导致异步机损耗急剧增大，无法改变异步机的理想空载转速，同时还会增大损耗功率和转速降。
为了确保在改变U1时仍然满足原则，变频调速应当遵守φm=C以下电机学规律：
同时在调速过程中对电压频率f1进行控制，确保压频比U1/f1为常量。
由以上分析可以得出：基于定子的电磁功率控制是变频调速的实质，通过调压、变频二元控制等方法实现变频调速。
二、高压变频方案及其可靠性
小容量绝缘栅极型功率管（IGBT）具有较高的可靠性，无需进行串并联，使得小功率变频调速的可靠性相对较高。然而，高压、大功率变频调速的可靠性相对复杂。对于高压变频调速，目前国外半导体极限理论研究取得了一定进展，已研究出接近极限的二极管，该极限二极管的电压仍然无法满足直接6～10kV电源线安全使用的要求。下文就高压变频方案及其可靠性进行分析。
（一）高压变频方案
第一，变压器变频方案。变压器调速方案包括如图3所示的“高一低”和“高一低一高”变压技术方案。在变压器变频方案中主要采用回避高压来实现变频。采用变压器变频方案需要大容量变压器，使得变频成本和损耗增高，同时也会增大增大电流，使得IGBT产生并联均流问题。
第二，IGBT直接串联变频方案。该方案通过将高压进行分解，有效降低各个IGBT器件的实际电压，从而实现变频。IGBT直接串联变频方案难以有效解决串联均压问题。
第三，多电平串联变频方案。该变频方案有机结合了变压器变频方案和器件串联方案结合。相比于变压器变频的“高一低一高”方案，其少一台变压器；相比于IGBT直接串联方案能够有效提高均压可靠性。然而多电平串联变频方案未能有效有效避免增加变压器产生的成本，同时也未能从根本上有效解决半导体器件串联均压问题。
（二）高压变频可靠性分析
第一，半导体串联均压和电流可靠性分析。均压即是串联器件的电压平均分配率，电路中理想状态下的均压为各个串联器件两端电压均相等且为总电压的1/n。为实现理想状态下的均压，必须确保各个串联电器的电参数完全相同，然而半导体器件存在离散性，难以实现理想状态下的完全均压，最多能达到近似均压，尤其是可控器件实现均压的技术难度最大，其效果也最差。串联的不均压直接降低了承担电压高的器件可靠性，一些串联器件甚至被击穿，并引发一系列的连锁反应，使得串联器件全部受到损坏。串联系统变频可靠性取决于n个串联器件可靠性之积，串联元件越多，串联系统的可靠性相对越低。对于冗余设计的串联电路，其各个串联元件之间相互分担电压，使得冗余的从元件能够有效改善主元件电压可靠性，但值得一提的是，串联系统中任何一个元件开路性失效均会使得串联系统开路。串联数量增多会降低串联系统的电流可靠性，尤其是在电流源型的电路中，电器元件开路会出现严重的过电压，击穿元件，影响串联系统的可靠性。
第二，半导体并联均流和电压可靠性分析。均流即是并联电路的电流平均分配率，并联系统变频可靠性取决于n个并联器件可靠性之积，在并联系统中任何元件电压击穿均会破坏均会联系统的电压可靠性，尤其是电压源型电路，任何元件击穿都将导致并联系统出现短路。
第三，多电平串联变频可靠性分析。通常情况下，IGBT损坏尤其是IGBT被电压击穿是导致多电平串联变频方案出现故障的主要原因，直接影响多电平串联变频效果。一方面，IGBT的芯片结构存在问题，使得多电平串联变频方案中IGBT被击穿。由于受生产工艺限制，IGBT的芯片pn结边缘处几乎呈直角形，缺乏像晶闸管的斜坡，使得器件耐过电压能力降低，承受过压时间的缩短，使得IGBT被电压击穿。另一方面，串联单元动态开、关特性不一致，使得各单元瞬时0电压存在不均匀显现，导致IGBT被电压击穿，从而影响多电平串联变频可靠性。
结束语
本文在分析基于功率控制的变频调速原理的基础上，得出基于定子的电磁功率控制是变频调速的实质，通过对变压器方案、IGBT直接串联以及多电平串联方案结构、优势及可靠性研究，得出采用IGBT变流器件的变频调速无法满足电业为6～10Kv的高压变速调频的安全要求。
参考资料
[1] 胡海平.小议变频调速原理在恒压供水系统中的应用[J].致富时代：下半月，2011，（9）：210-210.
[2] 何惠明，杨晓洲，肖红等.刮板输送机用隔爆型变频调速三相异步电动机设计[J].中国工程科学，2012，（2）：59-68，106.
[3] 张建会.应用PLC实现电机的变频调速和远程控制研究[J].科技资讯，2013，（12）：128.
[4] 马鸿文.交流电机磁场定向矢量控制调速原理教学实践[J].实验室科学，2013，16（5）：25-28.
[5] 袁国忠.变频调速技术在矿用对旋轴流式通风机上的节能应用与分析[J].煤矿开采，2009，14（4）：67-69.
[6] 苏成富.电机的变频调速[J].机床电器，2011，38（6）：33-34，37.