如果需要四象限运行，以及需要能量回馈的场合，或输入电源侧短路容量较小时，也可采用如图3所示的整流电路，使输入 电流也真正实现xx正弦波。

图3.具备能量回馈和四象限运行的IGBT直接串联高压变频器主电路图

3.2 IGBT直接串联高压变频器25Hz、30Hz、40Hz、50Hz电压、电流输出波形及谐波图

3.3 核心关键技术

(1)高速功率器件的串联技术

根据查新，世界 各国均未生产出IGBT直接串联的高压变频器。原因正如一些xx人士所言:“IGBT是不能串联的。因为开关时间短，微秒级，很难保证所有管子串联同时开关。否则有的早开，所有的电压都来加在晚开的管子上，那么这个1200V的管子加上6000V，只能烧掉，一烧一串，不可能串联。”

(2)正弦波技术

高压电机对变频器的输出电压波形有严格的要求，是业内人士都知道的常识。解决变频器输出电压波形，从两方面着手:一是优化PWM波形;二是研制出特种。

过去一些人认为:“三电平的电压波形一定优于二电平，今后就是低压变 频器也应采用三电平。”，这种说法可能不太全面。三电平的总谐波含量可能低于二电平，但由于三电平的11次、13次谐波含量特别高，处理起来特别困难，而二电平只要波形优化得好，60次以下的谐波皆可大大降低。而对60次以上的谐波滤波自然容易得多。人们使用三电平是为避免器件串联的困难，不得已而为之。

(3)抗共模电压技术

仅解决IGBT的串联，并不能甩掉输入变压器。原因在于共模电压的存在。在低压变频器领域，近年来发现的电机轴承损坏，共模电压就是影响之一，在高压变频器的领域中，共模电压更是必须解决的关键问题之一。共模电压(也叫零序电压)，是指电动机定子绕组的中心点和地之间的电压。

共模电压也是对外产生干扰的原因，特别是长线传输设备。无论是电流源还是电压源变频器产生共模电压是必然的。技术人员根据共模电压产生的机理，采取了“堵和疏”的办法将共模电压消灭在变频器内部。

由于采用了上述三项核心关键技术，使IGBT直接高 压变频器的效率达到98%以上。输出电压正弦化、共模电压最小化。适用于任何异步电机、同步电机，无需降容使用，几km的长线传输也无问题。对于传输距离 太长时应考虑线路电压补偿。如提高电压或增大导线截面等。

4.系统特点：

（1）电压等级为3kV-10kV；

（2）系统自带专门设计的高压开关柜，与本身高压变频器高效安全配套，并含变/工频切换装 置和电子式真空断路器;

（3）全中文操作界面，基于Windows操作平台，彩色液晶触摸屏，便于就地监控、设定参数、选择功能 和调试;

（3）内置PLC可编程控制器，易于改变和扩展控制逻辑关系;

（4）高压主电路与低压控制电路采 用传输，安全隔离，使得系统抗干扰能力强;

（5）控制电路通讯方式采用全数字化通讯;

（6）系统的 整流单元、逆变单元设计，选用组合模块化积木结构，整机占地面积小、重量轻，便于安装、维护;

（7）装置可在本机上操作，也可实 现远距离外控，具备完善、方便的操作功能选择;

（8）系统具有标准的通讯接口RS232或RS422、RS485，可方便 的与用户DCS系统或工控系统组态建立整个系统的工作站，进一步提高系统的自动化控制程度，实现整个工控系统的全闭环监控，从而获得更加完善的、可靠自动化运行;

（10）具备全面的故障、可靠的故障报警保护功能;

（11）输入功率因数高，输出电压谐波 含量小，无需功率因数补偿和谐波抑制器;

（12）输出电压为标准正弦波形，对和电动机的绝缘无损害，减轻电动机的轴承和叶片 等机械部分震动和磨损，延长电动机的使用寿命，输出至电动机的线缆长度可达20km;

（13）采用独特的抗共模电压技术，使系统*模电压≤1000V，无需再提高电动机的绝缘等级，无需专用电机;

（14）易于实现能量回馈和四象限运行;并可直接引出直流 进行直流输电;

（15）对用户的高压异步电动机无任何特殊要求。不但适用于新旧异步电动机，也适用于同步电动机。

5.应用实例：IGBT直接串联高压变频器在 炼铁厂冲渣泵上的应用

5.1 应用概况

永峰钢厂是莱钢集团公司的一个主要生产厂，负责公司所需铁水和铁块冶炼。高炉冶炼铁水过程中产生大量的熔渣，通常是用大流量的中压水将其降温并 冲散，同时输送到水渣池回收，作为炼铁生产的副产品。高炉生产是不间断的，一般情况下每天出铁15次，在高炉出铁前、后各放一次渣，两次出渣时间约 30min，在此时间内要求水冲渣系统的水泵满负荷工作，其余时间水泵只需保持约30%水流量防止管道堵塞即可。4#-高炉使用ZGB-300型冲渣泵，原系统运行时，起动前管道进出水阀门关闭，起动后阀门开度约90%，机组全速运行，电网电压6300V，电机运行电流33A，功率因数81.6%，耗电功率294kW。不需冲渣水时通过调节阀门在30%来调节水流量(此时电机电流25A)，耗电功率214kW，一方面导致大量的节能损失，另一方面频繁操作阀门，致使其使用寿命大大降低，增加了停产更换阀门的时间，为此公司决定对4#高炉冲渣泵进行改造。

5.2 改造方案

由电机转速公式n=60f×(1-s)/p可知:只要改变电机的频率f，就可以实现电机的转速调节，高电压大功率变频器通过控制IGBT(绝缘栅双极型电力场效应管)的导通和关断，使输出频率连续可调。而且是随着频率的变化，输出电流、电压、功率都将发生变化，即负荷大时转速大， 输出功率大，负荷小时转速小，输出功率也小。

由流体力学：：Q′=Q(n′/n) 、H′=H(n′/n)2 、P′=P(n′/n)3 可知: 当泵机低于额定转速时节电为：E=〔1-(n′/n)3〕×P×T(kWh)

可见，通过变频改造，冲渣泵流量Q、压力H及轴功率P都将发生较大的改 变，不但节能而且大大提高了设备运行性能。根据冲渣泵的实际特性对其进行了具体改造，冲渣泵在冲渣时工作在49.5Hz，在不冲渣时工作在25Hz，考虑 到工艺对调速精度要求不是很高，本系统只采用开环控制并在高炉值班室操作，需冲渣时给调节系统一个“1”的信号，电机高速运行，不需冲渣时将此信号取消，电机低速运行，取得了很好的节能效果。

5.3 改造后的系统实际运行状况

根据18个月的运行，经过反复多种各运行参数一直正常，变频器质量性能良好，安全可靠，各项指标均达到了设计要求.

(1)谐波抑制效果良好。电压谐波含量小于3%，符合IEEE519-1992和GB/T14549-93标准。

(2)各种保护功能完善。过流、过压、欠压、故障保 护等功能可靠，并且考虑了外部电网的防雷击等多环节保护功能。

(3)各种指示功能完备。具有输入、输出电流和电压、运行频率、故障显示、运行状态指示等功能。

(4)操作简便。同普通的低压变频器的功能操作方式相似，功能设置和调整简单方便。

5.4改造效益

机组49.5Hz运行和无变频器运行相比可节省功率ΔP1=P50-P49.5=80kW；

机组25Hz运行和无变频器运行相比可节省功率ΔP2=214kW-P25=132kW；

年节电量:ΔW= (H1ΔP1+H2ΔP2)=365(7.5×80+16.5×132)=1013970kWh；

(注:每年按365天 计H1:冲渣时间=15×30/60=7.5小时;H2:不冲渣时间=24-7.5=16.5小时)；