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

　　1引言隨著電氣傳動技術(shù)，尤其是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，大容量高壓變頻調(diào)速技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。高壓電機利用高壓變頻器實現(xiàn)了無級調(diào)速，滿足了生產(chǎn)工藝過程對電機調(diào)速控制的要求，提高產(chǎn)品質(zhì)量，并大幅度地節(jié)約能源降低生產(chǎn)成本。近年來，各種高壓變頻器不斷涌現(xiàn)，高壓變頻器不像低壓變頻器那樣有成熟致的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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(wěn)定調(diào)速范圍寬輸出波形好功率因數(shù)高等優(yōu)點，應(yīng)用較為廣泛。本文對中性點箝位電平，變頻器單元串聯(lián)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(lián)引起的動靜態(tài)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(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)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(gòu)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(gòu)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(lián)，例如，用2個4.5，的81串聯(lián)成功率開關(guān)，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(tài)的均壓問動靜態(tài)均壓問的優(yōu)點叫降低了系統(tǒng)的可靠性。

　　電平變頻器若不設(shè)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(fā)熱，產(chǎn)生轉(zhuǎn)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(dǎo)致系統(tǒng)的整體相式，1站調(diào)制技術(shù)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(lián)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(guān)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(dān)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(lián)個數(shù)或功率單元的，等級，就可實現(xiàn)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(guān)構(gòu)成的單相1形橋式逆變電路供電。

　　當(dāng)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(xiàn)任意角度的相移，從而構(gòu)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(jié)構(gòu)。由于變壓器次級繞組之間產(chǎn)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(wǎng)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(yīng)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(lián)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(tǒng)電平變頻器的整流電路標(biāo)準(zhǔn)配置為12脈沖整流電路，當(dāng)電網(wǎng)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(shè)計比較困難，由于逆變器橋臂中4個位置的開關(guān)作用各不相同，所以冗余設(shè)計意味著增加12個逆變功率器件，而且很難實現(xiàn)。若不采取冗余設(shè)計，只要有個功率器件發(fā)生故障，整個系統(tǒng)就會停機。

　　3單元串聯(lián)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(lián)方式實現(xiàn)直接高壓輸出，具有對電網(wǎng)諧波污染小輸入功率因數(shù)人，1高無須使用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)1補償裝置的特點，且輸出波形質(zhì)量好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱轉(zhuǎn)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(wǎng)電壓經(jīng)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(jié)構(gòu)，實現(xiàn)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(lián)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(shù)6出單元串聯(lián)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(lián)實現(xiàn)高壓輸出，故器件承受的比較高電壓為單元內(nèi)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(lián)引起的均壓問。當(dāng)然，采用這種電路結(jié)構(gòu)會使器件的數(shù)量增加，但功率單元中可采用低壓103丁功率模塊，驅(qū)動電路簡單，技術(shù)成熟可靠。

　　功率單元設(shè)計可采用模塊化結(jié)構(gòu)，同變頻器內(nèi)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(wǎng)，變頻器不能象限運行。因為采用了功率單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)，可便于采取功率單元旁路技術(shù)和功率單元冗余設(shè)計，當(dāng)功率單元故障時，控制系統(tǒng)可將故障單元自動旁路，變頻器仍可繼續(xù)運行有所下降仍可達到額定值。若采取+1冗余設(shè)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(guī)設(shè)計的斯祝+當(dāng)有單元故障時，單元恢復(fù)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(jié)構(gòu)。其主要思想是用變壓器將3個由高壓瓜81或1構(gòu)成的常規(guī)電平相逆變器單元的輸出疊加起來，實現(xiàn)更高電壓的輸出，并且這3個常規(guī)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(jié)構(gòu)及控制方法大大簡化14.7出新型高壓變頻器的主電路結(jié)構(gòu)。該方案由1個18脈沖的可基本實現(xiàn)無諧波3個常規(guī)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(guān)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(diào)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(dāng)高壓電機的線電壓為6時，=3.13，應(yīng)采用額定電壓為4.5kV的IGCT，因此該方案具有很強的適應(yīng)性。

　　控制策略將3個逆變器的，1站信號相互錯開13個開關(guān)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(yōu)點，以3個常規(guī)的變頻器為核心可構(gòu)成高壓變頻器；3個常規(guī)變頻器平衡對稱運行，各自分擔(dān)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(yōu)于普通電平變頻器，如山也較低；輸出變壓器的容量只需總?cè)萘康?3，可內(nèi)置，也可外裝，18脈沖輸入極管整流電路，網(wǎng)側(cè)諧波小，功率因數(shù)高。

　　5種電路方案比較器件數(shù)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(shù)量上看，采用10方式所用器件的數(shù)量比較少，但要求器件耐壓值高，03腦方式的器件數(shù)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(shù)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(tài)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(dāng)，為6時，只能采用器件直接串聯(lián)，這必然帶來均壓問統(tǒng)的可靠性；采用，3方式時，不存在均壓問，唯的問是當(dāng)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(dāng)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(shù)在低壓變頻器中也廣泛使用，技術(shù)條件成熟，易于實現(xiàn)；采用10方式時，輸出端是利用變壓器耦合疊加實現(xiàn)壓輸出的，每相所使用的個常規(guī)電平相逆變器，其內(nèi)部的1031無須串聯(lián)使用就4滿足耐壓要求，也不存在均壓問。

　　對電網(wǎng)的諧波污染和功率因數(shù)由于03觸1方式整流電路的脈沖數(shù)可通過調(diào)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(yōu)勢明顯，因此在綜合功率因數(shù)方面也具優(yōu)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(lián)，則，為電平，線電壓為21電平。而且后者的等效開關(guān)頻率大大高于前兩者，所以后者在輸出波形質(zhì)量方面也擁有明顯的優(yōu)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(lián)功率單元數(shù)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(xiàn)象限運行，可用于乳機卷揚機等設(shè)備。03肘1方式和0，方式無法實現(xiàn)象限運行，只能用于風(fēng)機泵類等負(fù)載。

　　設(shè)計很難實現(xiàn)。，3方式可方便地采用功率單元旁路技術(shù)和冗余功率單元設(shè)計方案，有利于大大提高系統(tǒng)的可靠性。

　　可維護性，3，方式可采用模塊化設(shè)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(yōu)于呢方式。10方式每相中的個兩電平逆變器也可當(dāng)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(jié)論電平電壓源型變頻器結(jié)構(gòu)簡單，且可實現(xiàn)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(lián)，因而帶來均壓輸出諧波和如山等問，般要設(shè)置輸出濾波器，在電網(wǎng)對諧波失真要求嚴(yán)格時，還要設(shè)置輸入諧波濾波器。單元串聯(lián)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(yōu)勢，但只能兩象限運行并且系統(tǒng)復(fù)雜，器件數(shù)量多，體積龐大。改進以減少單元數(shù)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(fù)載種類而言，風(fēng)機泵類等是不要求象限運行設(shè)備，單元串聯(lián)多電平巧1電壓源型變頻器有較大的應(yīng)用前景，對軋機卷揚機等要求象限運行的設(shè)備，適合采用輸入輸出雙，肘結(jié)構(gòu)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(lián)帶來的均壓問，在電壓等級61時，03觸方式明顯優(yōu)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(xiàn)6kV，10kV高壓輸出，同時具有結(jié)構(gòu)簡單可靠性高器件數(shù)量少效率高的優(yōu)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(zhì)量方面卻不如，3，1方式。另方面，隨著功率器件的不斷發(fā)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(fā)展前途的器件，是解決中壓變頻的希望。沁0丁由于其導(dǎo)通壓降低，損耗小而占有定的優(yōu)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(diào)速系統(tǒng)。北京機械工業(yè)出版社，1998.

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