5多電平高壓變頻器

隨著現代拓撲技術的發展，多電平高壓變頻調速技術得到了實際的應用。這種高壓變頻器的代表是法國阿爾斯通（ALSTOM）公司生產的ALSPAVDM6000系列高壓變頻器，其逆變器結構如圖8所示。

由圖8可見，功率器件不是簡單地串聯，而是結構上的串聯，通過電容鉗位，保證了電壓的安全分配。其主要特點是：

1）通過整體單元裝置的串并聯拓撲結構以滿足不同的電壓等級（如3.3kV、4.16kV、6.6kV、10kV）的需要。

2）這種結構可使系統普遍采用直流母線方案，以實現在多臺高壓變頻器之間能量互相交換。

3）這種結構沒有傳統結構中的各級功率器件上的眾多分壓分流裝置，消除了系統的可靠性低的因素，從而使系統結構非常簡單，可靠，易于維護。

4）輸出波形非常接近正弦波，可適用于普通感應電機和同步電機調速，而無需降低容量，沒有dv/dt對電機絕緣等的影響，電機沒有額外的溫升，是一種技術先進的高壓變頻器。輸出電壓和電機電流波形如圖9所示。

5）ALSPAVDM6000系列高壓變頻器可根據電網對諧波的不同要求采用12脈波，18脈波的二極管整流或晶閘管整流；若要將電能反饋回電網，可用晶閘管整流橋；若要求控制電網的諧波、功率因數，及實現四象限運行，可選擇有源前端。 6多電平＋多重化變頻器

日本富士公司采用高壓IGBT開發的中壓變頻器FRENIC4600FM4系列，它匯集了多電平和多重化變

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中高壓變頻器主電路拓撲結構的分析比較

(b)電機電流

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(a)輸出電壓

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圖9ALSPAVDM6000輸出電壓電流波形

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頻器的許多優點，它以多個中壓三電平PWM逆變器功率單元多重化串聯的方式實現直接高壓輸出，因此構成了一個雙完美無諧波系統：對電網為多重疊加整流，諧波符合IEEE519?1992的要求；對電動機為完美無諧波正弦波輸出，可以直接驅動任何品牌的交流鼠籠型電動機。

該型變頻器由于采用了高壓整流二極管和高壓IGBT，因此系統主電路使用的器件大為減少，可靠性提高，損耗降低，體積縮小。變頻器的綜合效率可達98％，功率因數高達0.95，不需要加設進相電容器或交直流電抗器，也不需要輸出濾波器，使系統結構大為簡化。圖10所示為FRENIC4600FM4的主電路及功率單元結構圖。

但是仔細分析，該型變頻器的性能價格優勢并不大，與其同時采用多電平和多重化兩種技術，還不如采用前面提到的高壓IGBT的多重化變頻器，反而顯得有些不倫不類。因為，用三電平技術構成單相逆變功率單元，在器件數量上并不占優勢，要比同樣電壓和功率等級的三電平三相逆變器足足多用一倍的器件，同樣比普通單相逆變功率單元也正好多出一倍的器件。例如：用3300V耐壓的IGBT器件，采用單元串聯多重化電路6kV系統每相需三個單元串聯，總共9個單元，共需54只整流二極管，36只IGBT；而采用三電平功率單元，每相需兩個單元串聯，總共6個單元，共需72只整流二極管，48只IGBT，足足多用了1/3的器件并且使功率單元的冗余成本增加了一倍，降低了多重化變頻器冗余性能好的優點，同時增加了裝置的成本。所以該型變頻器實際上并不可取。

7變壓器耦合輸出高壓變頻器

中高壓變頻器的主電路拓撲結構，除了前面提到的二電平、多電平和單元串聯多重化方案外，1999年，有人提出了一種新型的變壓器耦合式單元串聯高壓變頻器主電路拓撲結構。其主要思想是用變壓器將三個由高壓IGBT或IGCT構成的常規二電平三相逆變器單元的輸出疊加起來，實現更高電壓輸出，并且這三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都大大簡化。

圖11是這種新型高壓變頻器的拓撲結構圖，該

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圖11變壓器耦合輸出變頻器主電路拓撲結構圖

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(a)3相AC6600V主電路

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(b)富士完美無諧波功率單元

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圖10富士FRENIC4600FM4變頻器電路結構圖
方案由下列部分組成：

——一個18脈波的輸入變壓器，可基本實現輸入電流無諧波；

——三個常規兩電平的三相DC/AC逆變器；

——三個變化為1：1的輸出變壓器；

——高壓電機。

下面從幾個方面分析其工作原理。

1）電壓關系

考慮電機的線電壓，可得：

UKL=Ua1b1＋Ub1a2＋Ua2b2

ULM=Ub2c2＋Uc2b3＋Ub3c3（1）

UMK=Uc3a3＋Ua3c1＋Uc1a1

由于輸出變壓器的變比為1：1，也就是

Ub1a2=Ua3b3，Uc2b3=Uc1b1，

Uc1a3=Ua2b2，于是可得到，

UKL=Ua1b1＋Ua2b2＋Ua3b3

ULM=Ub1c1＋Ub2c2＋Ub3c3（2）

UMK=Uc1a1＋Uc2a2＋Uc3a3電壓間的這種關系體現在圖12中。每個逆變器都采用SPWM或空間電壓矢量PWM（SVPWM）控制方法，每個逆變器輸出線電壓的有效值為〔〕aE，其中E為逆變器輸入直流電壓，a為調制深度，在諧波注入SPWM和SVPWM中a最大可為1.15。由式（2）可得電機線電壓的有效值為〔〕aE。

對線電壓為2300V的高壓電機，E=1090V，采用額定電壓為1700V的IGBT就可構成本系統；對線電壓為4160V的高壓電機，E=1970V，可采用額定電壓為3300V的IGBT；而當高壓電機的線電壓為6600V時，E=3130V，則應采用額定電壓為4500V的IGCT；因此本方案具有很強的適應性。

2)電流關系

設電機三相電流平衡，電流的有效值為I，在不考慮電流諧波的情況下ia1=Isin(ωt)ib2=Isin(ωt－120°)（3）ic3=Isin(ωt＋120°)

在圖12中，ia1=i4－i6，ib2=i6－i2，i2＋i4＋i6=0，從而有ia1=Isin(ωt＋90°)ib2=Isin(ωt－30°)（4）ic3=Isin(ωt－150°)

考慮到輸出變壓器原邊和副邊電流相等，可計算得到第一個逆變器的三個輸出電流為，ia1=Isin(ωt)ib1=Isin(ωt－120°)（5）ic1=Isin(ωt＋120°)

另外兩個逆變器的三個輸出電流也滿足以上關系，即：ia1=ia2=ia3=Isin(ωt)ib1=ib2=ib3=Isin(ωt－120°)(6)ic1=ic2=ic3=Isin(ωt＋120°)

也就是說三個逆變器輸出電流完全平衡。

3）功率關系在得出電壓電流關系式后，我們很容易得到該高壓變頻器各部分間的功率關系。很顯然三個逆變器的視在功率VA1，VA2，VA3為VA1=VA2=VA3=〔〕aEI，而整個高壓變頻器的視在功率VA為VA=〔〕aEI，也就是說三個逆變器均分了整個變頻器的輸出。

4）PWM策略

由于三個逆變器電壓、電流和功率完全對稱，因此三個逆變器可采用完全相同的控制規律，這時加在電機的線電壓等于一個逆變器輸出線電壓的三倍，相當于一個兩電平的PWM高壓變頻器，這種方法雖然簡單，但由于dv/dt太大，不宜采用。

一種比較好的方法是將三個逆變器的PWM信號相互錯開1/3個開關周期，對SPWM來說就是三個逆變器各自采用一個三角波，且這三個三角波之間相位互差120°。圖13是采用這種方法后得到的電機線電壓波形，其中電壓頻率為40Hz，注入了15％的三

中高壓變頻器主電路拓撲結構的分析比較

次諧波。可以看出這就是一個線電壓為7電平的高壓變頻器，相當于四電平變頻器的線電壓波形。

5）輸出變壓器輸出變壓器在本方案中起著十分重要的作用，也可能是本方案的薄弱環節，因為太大容量的變壓器會限制它的應用。一般情況下該變壓器可采用圖14所示結構。從前面分析知道，輸出變壓器各繞組間的電壓有效值都為〔〕aE，且流過各繞組的電流相等，有效值都為，于是可得到該變壓器的容量為〔〕aE，也就是說輸出變壓器的容量為變頻器總容量的1/3，比高－低－高方案中的輸出變壓器的容量要小的多。

這種高壓變頻器方案具有如下突出的優點：

1）以三個常規的變頻器為核心可構成高壓變頻器；

2）三個常規變頻器平衡對稱運行，各自分擔總輸出功率的1/3；

3）整個變頻器的輸出可等效為7電平PWM輸出波形優于普通三電平變頻器，與四電平變頻器相同。總諧波畸變THD<0.3％，dv/dt也較低；

4）輸出變壓器的容量只需總容量的1/3，可以內置，也可以外裝；

5）18脈波輸入二極管整流器，網側諧波小，功率因數高。 8結語

功率器件串聯二電平電流型變頻器由于其本身的缺點，使用越來越受到限制。

單元串聯多重化變頻器是由于當時功率器件耐壓太低的產物，系統復雜，器件數量多，體積龐大，故障率高；但卻歪打正著，贏得了無可比美的輸入輸出波形，堪稱“完美無諧波”；改進的方法是用高壓IGBT或IGCT組成功率單元，以減少單元數，縮小體積，但卻是以犧牲波形為代價的，要加輸出濾波器，使諧波達標。

采用高壓IGBT、IGCT的三電平變頻器具有結構簡單，可靠性高，器件數量少，效率高的優點，在高壓供電面前，能用多電平，誰還會去用多重化呢？但波形稍差，需加LC輸出濾波器，即使如此其成本也比多重化變頻器低。目前由于器件耐壓的限制，輸出電壓只能達到4.16kV，若要輸出6kV，可采用電機Y/△改接的辦法，看來這是6kV電機節能改造最經濟合理的方案。

變壓器耦合輸出高壓變頻器，有望用目前耐壓水平的器件實現6kV、10kV高壓輸出，是一種很有前途的新型高壓變頻方案。

隨著功率器件的不斷發展，在中等功率高壓變頻器中，GTO即將退出舞臺，而高壓IGBT、IGCT是很有發展前途的器件，是解決中高壓變頻的希望；IGCT由于其導通壓降低、損耗小而占有一定的優勢，將成為高壓變頻器的主要功率器件。