种新型中压变频器主电路结构的比较分析刘明林烽21.武汉大学，湖北武汉430072；2.河南电力科学试验研究所，河南郑州450052数量均压问谐波含量办出系统效率和可靠性进行了讨论，比较后对这3种电路结构的中压变频器的选型应用及发展方向提出了看法。

　　1引言随着电气传动技术，尤其是变频调速技术的发展，大容量高压变频调速技术得到了广泛应用。高压电机利用高压变频器实现了无级调速，满足了生产工艺过程对电机调速控制的要求，提高产品质量，并大幅度地节约能源降低生产成本。近年来，各种高压变频器不断涌现，高压变频器不像低压变频器那样有成熟致的拓扑结构，而是限于采用目前电压耐量的功率器件。对如何满足高压使用条件高压变频器具有运行稳定调速范围宽输出波形好功率因数高等优点，应用较为广泛。本文对中性点箝位电平，变频器单元串联多电平，贾触变频器和变压器耦合输出变频器3种较为新型的电压源型高压变频器主电路特点进行了分析比较。

　　之电平砰贼电压源型变频器，对0而言，为了避免器件串联引起的动静态均压问，同时降低输出谐波和心，逆变器部分可采用1的电平方式即中性点箝位方式，功率器件可采用高压扣80或1.

　　为电力电子技术在电力系统中的应用。

　　以高压18了为例，目前实用的电压等级主要有3.3和4.5.按1电路，采用个3.3的131构成电平变频器，其输出交流电压。41比较高为2.3kV；若采用耐压不超过6kV的GTO或1构成电平变频器，其比较高！4.也只能达到4.16kV；若要求更高等级的输出电压u.，就必须采用器件的直接串联，例如，用2个4.5，的81串联成功率开关，共要用24个4.51的沁8丁，才能达到6kV的w这样就会带来静动态的均压问动静态均压问的优点叫降低了系统的可靠性。

　　电平变频器若不设置输出滤波器，就会增大输出电流。的总谐波失真度，谐波电流4将引起电机附加发热，产生转矩脉动。输，1〃出虽然相对于普通电平变频器有所下降，但仍较大，会影响电机的绝缘，所以般需配特殊电机。若使用普通电机，必须附加输出滤波器。这样会导致系统的整体相式，1站调制技术1同相的功率单元输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互错定的电角度，使得叠加后，的等效开关频率大大提高，接近正弦波。由于异步电机的低通滤波作用，输出相电流波形非常接近正弦波。

　　达6kV，每个功率单元将承受全部的电机电流，但只承担13的相电压，并提供19的输出功率尸只要改变每相功率单元的串联个数或功率单元的，等级，就可实现不同电压等级的高压输出。

　　器1中组次级绕组供电的相极管整流器给直流电容器组充电，该直流电压给由81或0高压功率开关构成的单相1形桥式逆变电路供电。

　　当每个功率单元分别由的组次级绕组供电时，功率单元之间及变压器次级绕组之间相互绝缘。

　　次级绕组采用延边角形接法，通过改变所取绕组的匝比可实现任意角度的相移，从而构成多重化整流电路，以达到降低输入剪的目的。对于6电压等级的变频器而言，给功率单元供电的9个次级绕组每3个为组，分为3个不同的相位组，互差20.电角度，形成18脉冲的整流电路结构。由于变压器次级绕组之间产生相移消除谐波，理论上，中17次以下的谐波都可消除所以变频器从电网汲取的电流也近似于正弦波，总的4失真率在3以下，满足1519 1992中54失真率的要求。由于的谐波失真很低，对于极管不可控整流电路来说，相电流滞后相电压的电角度般小于15.，对应的基波久0.966，所以采用多重化18脉冲及以上极管整流电路的变频器，输入总A可达到0.95以上。5出6kV单元串联多电平电压源型变频器满载时的和，的波形，其峰值分别为1.76，349.

　　效率下降，且滤波器满载时的损耗也会使变频系统电平变频器的整流电路标准配置为12脉冲整流电路，当电网要求较高时，仍需采用输入谐波滤波器。2出12脉冲整流电路的输入电压1和输入电流波形。电平变频器的冗余设计比较困难，由于逆变器桥臂中4个位置的开关作用各不相同，所以冗余设计意味着增加12个逆变功率器件，而且很难实现。若不采取冗余设计，只要有个功率器件发生故障，整个系统就会停机。

　　3单元串联多电平，砰贼电压源型变频器08贼1该变频器采用若干个低压，贾变频功率单元串联方式实现直接高压输出，具有对电网谐波污染小输入功率因数人，1高无须使用输入谐波滤波器和功率因数1补偿装置的特点，且输出波形质量好，不存在谐波引起的电机附加发热转矩脉动噪声及共模电压等问。不必加装输出滤波器，就能使用普通的异步电机。3出其工作原理。

　　6让的电网电压经移相隔离变压器降压后给相输入单相输出的交直交，贾触电压源型逆变器功率单元供电。将同相中相邻功率单元的输出端串接起来，使之形成形结构，实现变压变频的高压直接输出。以6kV的u.等级为例，若每相由3个额定电压为1.15kV的功率单元串联而成，则输出相电压。=6，比较高可达3.45，线电压可电力电子技术6出单元串联多电平，评触电压源型变频器的1和Z.！t波形，其峰值分别为3.45kV，289A.

　　由于采用整个功率单元串联实现高压输出，故器件承受的比较高电压为单元内直流母线的电压，可使用耐压较低的功率器件，而且不存在因器件串联引起的均压问。当然，采用这种电路结构会使器件的数量增加，但功率单元中可采用低压103丁功率模块，驱动电路简单，技术成熟可靠。

　　功率单元设计可采用模块化结构，同变频器内的所有功率单元可互换，安装维修也非常方便。由于采用极管不可控整流电路，能量不能回馈电网，变频器不能象限运行。因为采用了功率单元串联结构，可便于采取功率单元旁路技术和功率单元冗余设计，当功率单元故障时，控制系统可将故障单元自动旁路，变频器仍可继续运行有所下降仍可达到额定值。若采取+1冗余设计，即每相多增加个功率单元，正常运行时，每个单元的。为常规设计的斯祝+当有单元故障时，单元恢复正常，整个变频器仍可输出额定电压，满载运行。

　　4变压器耦合输出中压变频器丁，喊1999年，861等人提出种新型的100式主电路结构。其主要思想是用变压器将3个由高压瓜81或1构成的常规电平相逆变器单元的输出叠加起来，实现更高电压的输出，并且这3个常规逆变器可采用普通低压变频器的控制方法，使得变频器的电路结构及控制方法大大简化14.7出新型高压变频器的主电路结构。该方案由1个18脉冲的可基本实现无谐波3个常规电平的相逆变器3个变比为的1及高压电机组成。

　　1电压关系考虑电机的线电压，可得由于输出变压器的变比为，也即每个逆变器都采用正弦，肘或空间电压矢量贾肘控制方法，每个逆变器的输出线电压有效值为2为调制深度，为直流母线电压值。由式2可得电机线电压的有效值为3了，了心对于线电压为化的高压电机= 1.97，可采用额定电压为3.3的1081当高压电机的线电压为6时，=3.13，应采用额定电压为4.5kV的IGCT，因此该方案具有很强的适应性。

　　控制策略将3个逆变器的，1站信号相互错开13个开关周期，对31肘来说就是3个逆变器各自采用个角波，且这3个角波之间相位互差120.，线电压输出为7电平。

　　优点，以3个常规的变频器为核心可构成高压变频器；3个常规变频器平衡对称运行，各自分担总尸。的13；整个变频器的输出可等效为7电平线电压，触输出，波形优于普通电平变频器，如山也较低；输出变压器的容量只需总容量的13，可内置，也可外装，18脉冲输入极管整流电路，网侧谐波小，功率因数高。

　　5种电路方案比较器件数量以6kV的F.变频器为例，逆变部分采用即0方式时，需36个耐压为3.3的高压或24个耐压为4.5的高压扣8丁或10采用，方式时，需9个功率单元，共计36个耐压为3.3的8丁或15个功率单元，共计60个耐压为1.7的低压1采用冗0方式时，需18个耐压为4.5kV的高压IGCT.从器件数量上看，采用10方式所用器件的数量比较少，但要求器件耐压值高，03脑方式的器件数量般多于，方式，但，方式可采用低压8相对于高压功率器件而言，低压器件的技术更加成熟可靠成本也较低。03方式对器件的选择也比较灵活。

　　均压问静动态均压问是影响高压变频器可靠性的重要因素，采用，方式时，当，为6时，只能采用器件直接串联，这必然带来均压问统的可靠性；采用，3方式时，不存在均压问，唯的问是当变频器处于快速制动时，各单元的直流母线电压上升程度可能存在差异，可通过检测出当任何单元的直流母线电压超过某阀值时，自动延长减速时间来解决，即过电压失速保护功能，该技术在低压变频器中也广泛使用，技术条件成熟，易于实现；采用10方式时，输出端是利用变压器耦合叠加实现压输出的，每相所使用的个常规电平相逆变器，其内部的1031无须串联使用就4满足耐压要求，也不存在均压问。

　　对电网的谐波污染和功率因数由于03触1方式整流电路的脉冲数可通过调整输入隔离变压器次级绕组的移相角达到30脉冲，甚至36脉冲，明显超过10方式的18脉冲整流电路和0方式的12脉冲整流电路，前者在输入谐波方面的优势明显，因此在综合功率因数方面也具优势。

　　输出波形0方式的1是3电平，线电压是5电平。6等级的沈0方式的，是4电平，线电压是7电平。03触1方式若每相采用了单元串联，则，为电平，线电压为21电平。而且后者的等效开关频率大大高于前两者，所以后者在输出波形质量方面也拥有明显的优势。

　　直流母线电压，对于6kV输出变频器而言，为4kV左右。03方式的，跳变台阶为单元的直流母线电压，若串联功率单元数大于3个，可使如由10方式的，跳变台阶也为单元的直流母线电压，为3kV左右。所以3者在输出ckdi方面的差异也很明显。

　　象限运行0方式在输入采用对称的1肘整流电路时，可实现象限运行，可用于乳机卷扬机等设备。03肘1方式和0，方式无法实现象限运行，只能用于风机泵类等负载。

　　设计很难实现。，3方式可方便地采用功率单元旁路技术和冗余功率单元设计方案，有利于大大提高系统的可靠性。

　　可维护性，3，方式可采用模块化设计，更换功率单元只要拆除3个输入端子和2个输出端子，以及个光纤插头，就可抽出整个单元，十分方便，它的可维护性明显优于呢方式。10方式每相中的个两电平逆变器也可当作个模块使用，拆装方便，只是比03肘1方式中的功率单元多个交流输出端子。

　　6结论电平电压源型变频器结构简单，且可实现象限运行，因目前器件耐压水平的限制，只能达到4.16kV，若要输出6kV，必须采用器件直接串联，因而带来均压输出谐波和如山等问，般要设置输出滤波器，在电网对谐波失真要求严格时，还要设置输入谐波滤波器。单元串联多电平，肘电压源型变频器不存在均压问，且在输入谐波输出谐波和如山等方面有明显的优势，但只能两象限运行并且系统复杂，器件数量多，体积庞大。改进以减少单元数量，缩小体积，但它是以牺牲波形为代价的，要加装输出滤波器，以满足谐波要求。

　　从负载种类而言，风机泵类等是不要求象限运行设备，单元串联多电平巧1电压源型变频器有较大的应用前景，对轧机卷扬机等要求象限运行的设备，适合采用输入输出双，肘结构的电平变频器。从电压等级来看，在目前的电力电子器件耐压水平下，考虑到器件串联带来的均压问，在电压等级61时，03触方式明显优于呢0方式。

　　变压器耦合输出变频器，有望采用目前耐压水平的器件实现6kV，10kV高压输出，同时具有结构简单可靠性高器件数量少效率高的优点，是种很有前途的新型高压变频方案，但在输入谐波方面和输出波形质量方面却不如，3，1方式。另方面，随着功率器件的不断发展，在中等功率高压变频器中即将退出舞台，高压，沁0是很有发展前途的器件，是解决中压变频的希望。沁0丁由于其导通压降低，损耗小而占有定的优势，将会成为中压变频器的主要功率器件。

　　陈伯时，陈敏逊。交流调速系统。北京机械工业出版社，1998.

　　韩安荣。通用变频器及其应用北京机械工业出版社，2000.