種新型中壓變頻器主電路結構的比較分析劉明林烽21.武漢大學，湖北武漢430072；2.河南電力科學試驗研究所，河南鄭州450052數量均壓問諧波含量辦出系統效率和可靠性進行了討論，比較后對這3種電路結構的中壓變頻器的選型應用及發展方向提出了看法。

　　1引言隨著電氣傳動技術，尤其是變頻調速技術的發展，大容量高壓變頻調速技術得到了廣泛應用。高壓電機利用高壓變頻器實現了無級調速，滿足了生產工藝過程對電機調速控制的要求，提高產品質量，并大幅度地節約能源降低生產成本。近年來，各種高壓變頻器不斷涌現，高壓變頻器不像低壓變頻器那樣有成熟致的拓撲結構，而是限于采用目前電壓耐量的功率器件。對如何滿足高壓使用條件高壓變頻器具有運行穩定調速范圍寬輸出波形好功率因數高等優點，應用較為廣泛。本文對中性點箝位電平，變頻器單元串聯多電平，賈觸變頻器和變壓器耦合輸出變頻器3種較為新型的電壓源型高壓變頻器主電路特點進行了分析比較。

　　之電平砰賊電壓源型變頻器，對0而言，為了避免器件串聯引起的動靜態均壓問，同時降低輸出諧波和心，逆變器部分可采用1的電平方式即中性點箝位方式，功率器件可采用高壓扣80或1.

　　為電力電子技術在電力系統中的應用。

　　以高壓18了為例，目前實用的電壓等級主要有3.3和4.5.按1電路，采用個3.3的131構成電平變頻器，其輸出交流電壓。41比較高為2.3kV；若采用耐壓不超過6kV的GTO或1構成電平變頻器，其比較高！4.也只能達到4.16kV；若要求更高等級的輸出電壓u.，就必須采用器件的直接串聯，例如，用2個4.5，的81串聯成功率開關，共要用24個4.51的沁8丁，才能達到6kV的w這樣就會帶來靜動態的均壓問動靜態均壓問的優點叫降低了系統的可靠性。

　　電平變頻器若不設置輸出濾波器，就會增大輸出電流。的總諧波失真度，諧波電流4將引起電機附加發熱，產生轉矩脈動。輸，1〃出雖然相對于普通電平變頻器有所下降，但仍較大，會影響電機的絕緣，所以般需配特殊電機。若使用普通電機，必須附加輸出濾波器。這樣會導致系統的整體相式，1站調制技術1同相的功率單元輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯各單元的載波之間互錯定的電角度，使得疊加后，的等效開關頻率大大提高，接近正弦波。由于異步電機的低通濾波作用，輸出相電流波形非常接近正弦波。

　　達6kV，每個功率單元將承受全部的電機電流，但只承擔13的相電壓，并提供19的輸出功率尸只要改變每相功率單元的串聯個數或功率單元的，等級，就可實現不同電壓等級的高壓輸出。

　　器1中組次級繞組供電的相極管整流器給直流電容器組充電，該直流電壓給由81或0高壓功率開關構成的單相1形橋式逆變電路供電。

　　當每個功率單元分別由的組次級繞組供電時，功率單元之間及變壓器次級繞組之間相互絕緣。

　　次級繞組采用延邊角形接法，通過改變所取繞組的匝比可實現任意角度的相移，從而構成多重化整流電路，以達到降低輸入剪的目的。對于6電壓等級的變頻器而言，給功率單元供電的9個次級繞組每3個為組，分為3個不同的相位組，互差20.電角度，形成18脈沖的整流電路結構。由于變壓器次級繞組之間產生相移消除諧波，理論上，中17次以下的諧波都可消除所以變頻器從電網汲取的電流也近似于正弦波，總的4失真率在3以下，滿足1519 1992中54失真率的要求。由于的諧波失真很低，對于極管不可控整流電路來說，相電流滯后相電壓的電角度般小于15.，對應的基波久0.966，所以采用多重化18脈沖及以上極管整流電路的變頻器，輸入總A可達到0.95以上。5出6kV單元串聯多電平電壓源型變頻器滿載時的和，的波形，其峰值分別為1.76，349.

　　效率下降，且濾波器滿載時的損耗也會使變頻系統電平變頻器的整流電路標準配置為12脈沖整流電路，當電網要求較高時，仍需采用輸入諧波濾波器。2出12脈沖整流電路的輸入電壓1和輸入電流波形。電平變頻器的冗余設計比較困難，由于逆變器橋臂中4個位置的開關作用各不相同，所以冗余設計意味著增加12個逆變功率器件，而且很難實現。若不采取冗余設計，只要有個功率器件發生故障，整個系統就會停機。

　　3單元串聯多電平，砰賊電壓源型變頻器08賊1該變頻器采用若干個低壓，賈變頻功率單元串聯方式實現直接高壓輸出，具有對電網諧波污染小輸入功率因數人，1高無須使用輸入諧波濾波器和功率因數1補償裝置的特點，且輸出波形質量好，不存在諧波引起的電機附加發熱轉矩脈動噪聲及共模電壓等問。不必加裝輸出濾波器，就能使用普通的異步電機。3出其工作原理。

　　6讓的電網電壓經移相隔離變壓器降壓后給相輸入單相輸出的交直交，賈觸電壓源型逆變器功率單元供電。將同相中相鄰功率單元的輸出端串接起來，使之形成形結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出。以6kV的u.等級為例，若每相由3個額定電壓為1.15kV的功率單元串聯而成，則輸出相電壓。=6，比較高可達3.45，線電壓可電力電子技術6出單元串聯多電平，評觸電壓源型變頻器的1和Z.！t波形，其峰值分別為3.45kV，289A.

　　由于采用整個功率單元串聯實現高壓輸出，故器件承受的比較高電壓為單元內直流母線的電壓，可使用耐壓較低的功率器件，而且不存在因器件串聯引起的均壓問。當然，采用這種電路結構會使器件的數量增加，但功率單元中可采用低壓103丁功率模塊，驅動電路簡單，技術成熟可靠。

　　功率單元設計可采用模塊化結構，同變頻器內的所有功率單元可互換，安裝維修也非常方便。由于采用極管不可控整流電路，能量不能回饋電網，變頻器不能象限運行。因為采用了功率單元串聯結構，可便于采取功率單元旁路技術和功率單元冗余設計，當功率單元故障時，控制系統可將故障單元自動旁路，變頻器仍可繼續運行有所下降仍可達到額定值。若采取+1冗余設計，即每相多增加個功率單元，正常運行時，每個單元的。為常規設計的斯祝+當有單元故障時，單元恢復正常，整個變頻器仍可輸出額定電壓，滿載運行。

　　4變壓器耦合輸出中壓變頻器丁，喊1999年，861等人提出種新型的100式主電路結構。其主要思想是用變壓器將3個由高壓瓜81或1構成的常規電平相逆變器單元的輸出疊加起來，實現更高電壓的輸出，并且這3個常規逆變器可采用普通低壓變頻器的控制方法，使得變頻器的電路結構及控制方法大大簡化14.7出新型高壓變頻器的主電路結構。該方案由1個18脈沖的可基本實現無諧波3個常規電平的相逆變器3個變比為的1及高壓電機組成。

　　1電壓關系考慮電機的線電壓，可得由于輸出變壓器的變比為，也即每個逆變器都采用正弦，肘或空間電壓矢量賈肘控制方法，每個逆變器的輸出線電壓有效值為2為調制深度，為直流母線電壓值。由式2可得電機線電壓的有效值為3了，了心對于線電壓為化的高壓電機= 1.97，可采用額定電壓為3.3的1081當高壓電機的線電壓為6時，=3.13，應采用額定電壓為4.5kV的IGCT，因此該方案具有很強的適應性。

　　控制策略將3個逆變器的，1站信號相互錯開13個開關周期，對31肘來說就是3個逆變器各自采用個角波，且這3個角波之間相位互差120.，線電壓輸出為7電平。

　　優點，以3個常規的變頻器為核心可構成高壓變頻器；3個常規變頻器平衡對稱運行，各自分擔總尸。的13；整個變頻器的輸出可等效為7電平線電壓，觸輸出，波形優于普通電平變頻器，如山也較低；輸出變壓器的容量只需總容量的13，可內置，也可外裝，18脈沖輸入極管整流電路，網側諧波小，功率因數高。

　　5種電路方案比較器件數量以6kV的F.變頻器為例，逆變部分采用即0方式時，需36個耐壓為3.3的高壓或24個耐壓為4.5的高壓扣8丁或10采用，方式時，需9個功率單元，共計36個耐壓為3.3的8丁或15個功率單元，共計60個耐壓為1.7的低壓1采用冗0方式時，需18個耐壓為4.5kV的高壓IGCT.從器件數量上看，采用10方式所用器件的數量比較少，但要求器件耐壓值高，03腦方式的器件數量般多于，方式，但，方式可采用低壓8相對于高壓功率器件而言，低壓器件的技術更加成熟可靠成本也較低。03方式對器件的選擇也比較靈活。

　　均壓問靜動態均壓問是影響高壓變頻器可靠性的重要因素，采用，方式時，當，為6時，只能采用器件直接串聯，這必然帶來均壓問統的可靠性；采用，3方式時，不存在均壓問，唯的問是當變頻器處于快速制動時，各單元的直流母線電壓上升程度可能存在差異，可通過檢測出當任何單元的直流母線電壓超過某閥值時，自動延長減速時間來解決，即過電壓失速保護功能，該技術在低壓變頻器中也廣泛使用，技術條件成熟，易于實現；采用10方式時，輸出端是利用變壓器耦合疊加實現壓輸出的，每相所使用的個常規電平相逆變器，其內部的1031無須串聯使用就4滿足耐壓要求，也不存在均壓問。

　　對電網的諧波污染和功率因數由于03觸1方式整流電路的脈沖數可通過調整輸入隔離變壓器次級繞組的移相角達到30脈沖，甚至36脈沖，明顯超過10方式的18脈沖整流電路和0方式的12脈沖整流電路，前者在輸入諧波方面的優勢明顯，因此在綜合功率因數方面也具優勢。

　　輸出波形0方式的1是3電平，線電壓是5電平。6等級的沈0方式的，是4電平，線電壓是7電平。03觸1方式若每相采用了單元串聯，則，為電平，線電壓為21電平。而且后者的等效開關頻率大大高于前兩者，所以后者在輸出波形質量方面也擁有明顯的優勢。

　　直流母線電壓，對于6kV輸出變頻器而言，為4kV左右。03方式的，跳變臺階為單元的直流母線電壓，若串聯功率單元數大于3個，可使如由10方式的，跳變臺階也為單元的直流母線電壓，為3kV左右。所以3者在輸出ckdi方面的差異也很明顯。

　　象限運行0方式在輸入采用對稱的1肘整流電路時，可實現象限運行，可用于乳機卷揚機等設備。03肘1方式和0，方式無法實現象限運行，只能用于風機泵類等負載。

　　設計很難實現。，3方式可方便地采用功率單元旁路技術和冗余功率單元設計方案，有利于大大提高系統的可靠性。

　　可維護性，3，方式可采用模塊化設計，更換功率單元只要拆除3個輸入端子和2個輸出端子，以及個光纖插頭，就可抽出整個單元，十分方便，它的可維護性明顯優于呢方式。10方式每相中的個兩電平逆變器也可當作個模塊使用，拆裝方便，只是比03肘1方式中的功率單元多個交流輸出端子。

　　6結論電平電壓源型變頻器結構簡單，且可實現象限運行，因目前器件耐壓水平的限制，只能達到4.16kV，若要輸出6kV，必須采用器件直接串聯，因而帶來均壓輸出諧波和如山等問，般要設置輸出濾波器，在電網對諧波失真要求嚴格時，還要設置輸入諧波濾波器。單元串聯多電平，肘電壓源型變頻器不存在均壓問，且在輸入諧波輸出諧波和如山等方面有明顯的優勢，但只能兩象限運行并且系統復雜，器件數量多，體積龐大。改進以減少單元數量，縮小體積，但它是以犧牲波形為代價的，要加裝輸出濾波器，以滿足諧波要求。

　　從負載種類而言，風機泵類等是不要求象限運行設備，單元串聯多電平巧1電壓源型變頻器有較大的應用前景，對軋機卷揚機等要求象限運行的設備，適合采用輸入輸出雙，肘結構的電平變頻器。從電壓等級來看，在目前的電力電子器件耐壓水平下，考慮到器件串聯帶來的均壓問，在電壓等級61時，03觸方式明顯優于呢0方式。

　　變壓器耦合輸出變頻器，有望采用目前耐壓水平的器件實現6kV，10kV高壓輸出，同時具有結構簡單可靠性高器件數量少效率高的優點，是種很有前途的新型高壓變頻方案，但在輸入諧波方面和輸出波形質量方面卻不如，3，1方式。另方面，隨著功率器件的不斷發展，在中等功率高壓變頻器中即將退出舞臺，高壓，沁0是很有發展前途的器件，是解決中壓變頻的希望。沁0丁由于其導通壓降低，損耗小而占有定的優勢，將會成為中壓變頻器的主要功率器件。

　　陳伯時，陳敏遜。交流調速系統。北京機械工業出版社，1998.

　　韓安榮。通用變頻器及其應用北京機械工業出版社，2000.