众所周知，高压电动机的应用极为广泛，它是工矿企业中的主要动力，在冶金、钢铁、化工、电力、水处理等行业的大、中型厂矿中，用于拖动风机、泵类、压缩机及各种大型机械。其消耗的能源占电动机总能耗的70%以上，而且绝大部分都有调速的要求，由于高压电机调速方法落后，浪费大量能源而且机械寿命降低。上世纪90年代，由于变频调速技术在低压电动机应用得非常成功，人们开始研究高压电动机变频技术的应用，设计了高-高电压源型变频技术方案。该方案采用多电平电路型式（CMSL），由若干个低压PWM 变频功率单元，以输出电压串联方式（功率单元为三相输入、单相输出）来实现直接高压输出的方法。

　　主回路结构

　　ES9000系列高压变频节能宝采用多单元串联结构，主回路主要由多绕组供电变压器和数个逆变单元构成。多绕组供电变压器为每个逆变单元单独供电，并实现单元之间的供电电源隔离和与电网之间的隔离。逆变单元是功率部件，其开关器件为IGBT.通过功率单元串联和叠波升压等技术措施，将多个低压变频输出的电压源直接串联，终实现高压变频输出。典型的主回路结构如下图所示。

　　功率单元内部结构如图所示，输入电源端R、S、T接变压器二次线圈的三相低压输出，三相二极管全波整流为直流环节电容充电，电容上的电压提供给由IGBT组成的单相H形桥式逆变电路。

　　功率单元通过光纤接收信号，采用空间矢量正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制Q1~Q4、4个IGBT的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。每个单元仅有三种可能的输出电压状态，当Q1和Q4导通时，U1和U2的输出电压状态为1;当Q2和Q3导通时，U1和U2的输出电压状态为-1;当Q1和Q2或者Q3和Q4导通时，U1和U2的输出电压状态为零。

　　功率单元具有旁路功能。当某个单元发生熔断器故障、过热、过压和IGBT故障而不能继续工作时，该单元及其另外两相对应位置上的单元将自动旁路，此时Q1~Q4封锁输出，可控硅K导通，以保证ES9000连续工作，并发出旁路告警。

　　小功率ES9000的单元旁路器件采用接触器，大功率ES9000的单元旁路器件采用二极管、可控硅组件。

　　输入侧移相变压器供电原理

　　ES9000高压变频节能宝的输入侧配置有多绕组隔离变压器，变压器的副边有多个相互隔离的三相绕组，每三个三相绕组组成一个同相位组，向三个单元独立供电，形成6脉冲整流输入。6KV等级的ES9000有6个同相位组，6个同相位组构成36脉冲输入；10KV等级的ES9000有9个同相位组， 9个同相位组构成54脉冲输入；

　　ES9000的多脉冲输入特性使其具有良好的电网侧性能指标，其输入波形接近完美正弦波，完全满足IEEE519-1992和GB/T14549-2002标准的要求，并且能保证接近于1.0的输入功率因数。

　　输出侧单元叠加逆变原理

　　高压变频器在运行后，将输入的工频的三相高压交流电转化为可以进行频率可调节的三相交流电，其电压和频率按照V/F的设定进行相应的调节，保持电机在不同的频率下运行，而定子磁心中的主磁通常保持在额定水准，提高电机的转换效率。因此多重叠加的应用，高压变频器输出电压的谐波含量很低，已达到常规供电电压允许的谐波含量，同时输出电压的dV/dt较小，不会增加电机绕组的应力，可以向普通标准型交流电动机供电，不需要降容或加输出滤波电抗器，保证了高压设备的通用性。

　　ES9000高压变频节能宝的输出电压是由多个三相输入、单相输出的低压功率单元逆变电压串联而成。如下图所示，数个逆变单元分成三组，每组单元数相同，组之间的电压相位差为120度，将三组单元的输出 Y 接，即可得到驱动电机所需的可变压变频三相高压电源。

　　每个逆变单元都标准配置有输出旁路装置，当某个单元出现故障时，可停止其工作并将其输出旁路（即单元旁路），同时主动停止另外二相上与之对应的单元的工作并将它们旁路，这样，尽管三相输出电压有所下降，但可达到三相平衡，系统可以维持降额运行，不停机。

　　每相有一个单元旁路称为1级旁路，每相有二个单元同时旁路称为2级旁路。单元旁路后，允许的运行转速与负载转矩特性和实际转矩大小有关。

　　每个逆变单元的输出都是PWM调制正弦波，单元串联采用了多重化技术，即每相上的n个单元输出电压幅值和频率都是相同的，但其相位却相差一定角度（时间上相差1/n个开关周期）。这样，n个单元串联形成的相电压波形就具有（2n+1）个电平，使波形中的谐波含量大大降低，几乎接近于完美的正弦波。下图是3单元串联时的相电压叠加波形和实测的负载电压、电流波形。

　　多重化正弦波PWM输出。6kV装置输出相电压13电平，输出线电压25电平；10kV装置输出相电压19电平，输出线电压37电平；dv/dt小，输出电压、输出电流波形接近完美正弦波，对所驱动的电机无特殊要求，可以驱动普通国产电动机。

　　输入输出电缆可采用普通电力电缆，输出电缆长度可达1000米，如需更长的输出电缆长度，在订货时需提出要求。

　　输出电压、电流谐波含量小，电机转矩脉动小，系统运行平稳，运行噪声低。

　　外部接口

　　ES9000高压变频节能宝控制系统由主控板、接口控制板、触摸屏人机界面组成，各部分之间的接线示意如下图所示。

　　现场的I/0信号可以通过内置的接口控制板进行逻辑和运算处理，增强现场应用的灵活性。接口控制板有14个DI输入（干节点）、10个DO输出（干节点，250VAC/1A）、4路AI输入（2路0-5V,2路4-20mA）、3路AO输出（每路可选0-10V或4-20mA输出形式），其中，14个DI输入功能在具体的应用宏中定义，可根据用户自己选定的应用宏来使用；10个DO输出是可编程的，功能由用户自己定义和修改；

　　接口控制板有处理 4 路模拟量输入和 3 路模拟量输出的能力，模拟量输入用于处理来自现场的流量、压力、温度、液位等模拟信号或参数设定信号；模拟输出量可以自由编程，可代表频率、电流、电压等电参数以及压力、流量、温度、阀门开度等工况参数。同时，接口控制板还可以完成 PID闭环控制功能和其它现场应用功能。

　　接口控制板还提供1路RS-485通讯接口，用于与上位机或外围控制系统的通讯，遵循MODBUS通讯协议。另提供PROFIBUS-DP、以太网等通讯接口可选件，还可提供上位机监控软件和基于互联网的远程监控软件等可选客户端软件。