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变频调速传动是现代电气传动技术的主要发展方向，其调速性能优越，节能效果明显，已广泛应用于低压（380~690V）异步电动机，而在高压（3kV以上）电动机上却一直没有得到满意的应用。高压大容量电动机在风机、水泵中的使用范围广，变频调速需求迫切。因此，开发推广高压变频技术的应用对于节能具有重要意义。
二、高压变频技术分析
1、谐波问题及其解决方案
除均压问题外，大容量变频调速应用的另一突出问题是谐波。谐波污染电网，使同一电网上的其他设备无法正常使用；谐波电流也负载电机线圈发热增加，出力减小。
对交—直—交变频调速系统而言，一般情况下总是假定电网容量无限大，不考虑功率半导体器件对电网的影响。当电气传动系统的容量不是很大时，不会对电网造成重大的损害。但当系统容量较大时，就不能不考虑半导体器件对电网的危害。
变流器的多重化是高压变频器采取的主要措施。将网侧的变流器分为几个，在其输入侧装设Y/Y-△或△/Y-△三绕组或多绕组变压器，利用多重化抑制流向电网的谐波。因为需要将变流器分开，在低压通电变频技术中不予采用。高压变频器目前有12脉冲、18脉冲及所谓***无谐波、双PWM绿色变频器等类型。
另外，装置功率愈大，效率问题也愈是重要。为提高效率，必须设法减小半导体器件和变（如图所示为西门子紧凑型变频器）频电源的损耗。
2、均压问题及其解决方案
变频技术的核心部分是功率半导体器件。高压变频器在器件耐压能力有限的情况下，往往采用串联的方法
来解决。但是，半导体器件串联使用时，会因各器件的动态电阻和极电容不同而产生稳态和动态均压问题。采用均压措施，将使电路复杂，损耗增加。为使串联器件同时导通和关断，对驱动控制电路的要求也大大提高。
目前，在大电流、低损耗的应用中，晶闸管类器件占主导地位。可关断晶闸管GTO通过门极电流不定期控制导通和关断，高阻断电压、大通态电流是它突出的特点。但是，GTO关断时间过长（几十微秒），并且关断不均匀，易产生局部过热现象，造成器件失效；另外，电荷存储时间差异过大，使GTO在串并联应用时需要复杂的缓冲电路，体积庞大。
绝缘栅双极晶体管IGBT具有快速的开关性能，工作频率可达20kHz，关断过程均匀，不需要缓冲电路，采用同步门驱动器。但其单管面积有限（为2.6cm2），为了提高导通电流和工作电压，也只能将它串联，做成模块使用，从而增加了设计制造的难度，变频器元件数量增加，可靠性降低。高压IGBT耐压可达3~4.5kV，串联数量相对少一些，但其导电损耗高。
而集GTO和IGBT优点于一身的新型门极换相晶闸管IGCT，单只耐压6kV以上，开关频率10kHz，关断时间小于3μs。它具有以下特点：①续流二极管集成在同一芯片上。②不需要缓冲电路。③门控电路与功率元件集成一体。因此，IGCT的功率密度大，可靠性极高，非常适用于结构上不采用串联方式的高压变频调速装置。
三、IGCT变频器及其特点
ACS1000是ABB推出的***新一代高压变频器。驱动功率范围315~5000kW，电压等级有2.3kV、3.3kV和4.16kV，12脉冲和18脉冲两种类型。它采用新型半导体开关器件——集成门极换流晶闸管IGCT，功率输出回路不串联，省却了复杂的串、并联输出回路及相关的保护电路，元器件少，提高了可靠性，并防止了由于半导体器件使用过程中性能漂移而必须的保护电路元件的备品更换。1为IGCT变频器电路结构图。
图1 IGCT变频器电路结构图
输入整流桥向直流母排提供直流电压和电流，它们以串联方式连接，其电压是叠加的。对应于交流输出电压2.3kV、3.3kV、4.0kV的直流母排电压分别为3400V、4880V、5950V。由于串联连接，所有直流母线的电流均流过两组整流桥。输入整流桥由与变压器一次侧相串联的主断路器来保护。
直流母排中的IGCT与输入整流桥的正端和负端串联，起预充电和保护作用。在通电的初始阶段，IGCT呈截止状态，电容器通过预充电电阻充电。一旦直流电压上升至其***终值的79%，IGCT进入导通状态，成为输入整流桥和直流母线排的主连接通道，一旦出现输出电流故障，IGCT马上截止以防整流桥故障。IGCT的快速关断能力（大约1μs）使变频器具有非常优越的无熔丝故障保护功能。
变频器中有两个电抗器，用来限制输入到逆变器电路中相应的上、下两部分电流的上升率，以防止IGCT承受过高的di/dt。当直接接在直流母排上的一个IGCT导通时，从直流母排上吸收的电流迅速增加，在很短时间内（几微秒），电抗器产生一个反电势阻止电流的增大，从而有效地抑制di/dt。与每一个电抗器相关的二极管、电阻和电容器组将电抗器在上述过程中储存的能量释放掉，防止逆变器中IGCT关断时过高的电压加到IGCT上。
IGCT是变频器的心脏，它以脉宽调制（PWM）方式控制输入频率和输出电压的幅值，由于ACS1000采用了直接转矩控制（DTC）技术，不需要特殊的脉宽调制器。在逆变器中有三个电位：直流母排正电位、中性点N、直流母排负电位。在逆变器工作的某一时间，每一桥臂上中间的两个IGCT会产生中性点箝位作用。
逆变器的输出直接接到一组低通LC正弦波滤波器上。该滤波器对逆变器输出进行滤波并消除高频电压成分，大大减小了加到电动机的电压谐波含量，可以使用普通电机。dV/dt的影响也大大削弱，电动机出线端的电压振荡得到消除。LC滤波器中的电容器为Y接，公共点接地，可以有效地使逆变器正常工作时产生的共模电压与电动机隔离，由共模电压的快速变化而引起的电动机高频轴电流问题不再存在。
ACS1000变频器具有独特的电机辩识（ID）功能，以寻找***优的电机控制策略。作为常规调试的一部分，电机要进行ID识别运行。将电机的基本数据输入到变频器之后，以手动方式起动电机ID识别运行，ID识别运行期间，变频器通过监测电动机对所施加的电源的响应建立***的电动机模型，确定电机定子与励磁电抗以及定子电阻R，并考虑电机的饱和效应，以及计算定子磁通、实时力矩、轴转速。DTC控制器就是利用这个模型***地扩展变频器和电动机的运行。图2为直接转矩控制原理结构框图。
图2 直接转矩控制原理框图
实际应用中无法直接检测到电机实时转矩及定子磁通与轴的转速值，但可以检测到电动机的两个相电流和中间直流电压及开关位置状态。因此可以通过准确的电机数学模型来计算实时定子磁通、转矩与轴的转速，将计算出的上述实时值与给定值进行比较，并通过调节器的调节就可以通过***佳开关逻辑分别控制电机的磁通、转矩、轴的转速。
四、应用情况
某自来水公司送水泵房的一台6KV、630kW水泵，需要根据城市管网压力进行调速运行。按照用户要求，在系统构成中采用了单闭环的工作方式，被控量为管网水压信号，压力检测采用一次传感器。根据用水高峰和低谷设置了几档工作状态，转速到升到一定值时进行带载切换。变频器试运行时对电动机模型识别，再按负载情况设置***佳的运行参数，使系统起动平稳，电机运行噪声低。
经过一个月的运行对比试验，系统总体节电率达36.6%,谐波分析满足IEEE519的要求。