1 引言
近年来，能源消耗、能源价格不断增长，企业的成本压力明显增大，作为节能降耗的一种重要手段，变频调速技术越来越受到生产厂家的欢迎。交流电机变频调速技术是通过控制交流电机的定子供电电压与频率，平滑的改变电机转速，从而实现无级调速的一项节能技术，已广泛应用于各行业的电机调速节能系统。
6kV/10kV高压异步电动机在电力、化工、供水、冶金等行业广泛应用，其容量一般达几百到几千kVA，消耗电功率约占我国发电功率的30%。采用高压变频调速器对高压电机进行调速控制，可以有效地节约电能（对风机和水泵类负载，节电率在40％左右），改善电机寿命，提高产品质量。据现场实测试验报告表明，高压电动机采用变频调速技术节能效果非常显著，其中风机类：28％～69％；泵类：18～41％。原因主要有两点：一是火力发电厂各辅机容量裕度太大，相当于1.68～2.54倍实际所需功率；二是大部分时间机组处于低负荷率运行，“大马拉小车”现象严重。
2 大容量异步电机节能技术
2.1 变频调速的工作原理
（1）交流异步电动机的调速方式
交流异步电动机的调速方式有多种，诸如调压调速、变极调速、串级调速、滑差调速、变频调速等，其中变频调速具有节能显著、性能稳定的特点，是当今国际上应用最广泛的一种调速方式。
（2）变频调速的工作原理
交流异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为:
no=60f1/p
式中，no代表同步转速（r/min）；f1代表定子频率；p代表磁极对数；
而异步电动机的轴转速为：
n=n0(1-s)=60f1(1-s)/p
式中，s——异步电动机的转差率；
s=(n0-n)/n0
改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。
2.2 高压变频器的电路拓扑分类
（1）中间直流环节
● 无中间直流环节
常规的“交—交”式变频器是把工频交流直接转换成频率、电压均可控制的交流。其缺点是输出频率低，一般在30Hz以下。由于受到最高频率的限制，因此只能用在一些低速、大容量的特殊场合。
● 有中间直流环节
“交—直—交”式变频器是把工频交流通过整流器变成平滑直流，然后利用半导体器件（GTO、GTR或IGBT）组成的三相逆变器，将直流电变成可变电压和可变频率的交流电。其特点是直接输出高压，无需输出变压器，效率高，输出频率范围宽，在工业电动系统中应用最为广泛。
（2）电压输出方式
● “高—低—高”间接变频方式
“高—低—高”间接变频器是在低压通用变频器输入侧加一台降压变压器，在变频器输出侧再加一台升压变频器，向高压电动机供电的变频调速系统，其结构如图1：
图1 高 — 低 — 高方案
这种方式由于存在中间低压环节电流大、效率较低、体积大等缺点，较适用于200kW～500kW左右小容量高压电动机的调速。因而在工业中的应用不是很广泛。
● “高—高”直接变频方式
随着功率半导体器件的高压大容量化的发展，使大、中功率容量的变频器直接高压化成为可能。这种方式可省去输出变压器，减少了损耗，提高了设备效率，是高压变频器的发展方向。它的实现有两种方式，一是采用功率器件直接串联构成，组成交—直—交调速系统，如GTO串联式交直交电流型变频器，或者IGBT直接串联高压变频器。另一种是采用多电平逆变器拓扑结构。
与传统二电平电压型逆变器相比较，多电平逆变器具有诸多显著优点[1-4]:
输出电平数多，具有较低的dv/dt；
无需器件串联，采用低压功率器件即可实现更高等级的电压输出；
通过多电平的组合逼近参考波形，使得输出电压具有更好的谐波性能。
因此多电平逆变器被业界认为在高压大容量领域中最具应用前景。采用多电平结构成为实现高电压大容量化的有效途径。
自20世纪80年代初Nabae等人提出三电平中点箝位电路（Neutral Point Clamped, NPC）以来，多电平逆变器技术得到了很大的发展。从目前工业应用的角度来看，多电平逆变器主要有三种类型的拓扑结构:二极管箝位结构[5-7]、H桥级联结构[8-10]和悬浮电容结构[11-13]。图2为这三类多电平拓扑的单相电路示意图。
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