中高壓變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析比較

還有效率問題，變頻調(diào)速裝量的容量愈大，系統(tǒng)的效率問題也就愈加重要。采用不同的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用的功率器件的種類、數(shù)量的多少，以及變壓器，濾波器等的使用，都會影響系統(tǒng)的效率。為了提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法盡量減少功率開關(guān)器件和變頻調(diào)速裝置的損耗。

可靠性和冗余設(shè)計(jì)問題，一般的高壓大功率拖動系統(tǒng)都要求很高的系統(tǒng)可靠性，尤其是國民經(jīng)濟(jì)的重要部門如電力、能源、冶金、礦山和石化等行業(yè)，一旦出現(xiàn)故障，將會造成人民生命財(cái)產(chǎn)的巨大損失，因此高壓變頻裝置設(shè)計(jì)中是否便于采用冗余設(shè)計(jì)及旁路控制功能也是至關(guān)重要的。

目前世界上的高壓變頻器不象低壓變頻器那樣具有成熟的、一致性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而是限于采用目前電壓耐量的功率器件，如何面對高壓使用條件的要求，國內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠商八仙過海，各有高招，因此其主電路結(jié)構(gòu)不盡一致，但都較為成功地解決了高電壓大容量這一難題。當(dāng)然在性能指標(biāo)及價(jià)格上也各有差異。如美國羅賓康（ROBICON）公司生產(chǎn)的完美無諧波變頻器；洛克韋爾（AB）公司生產(chǎn)的Bulletin1557和PowerFlex7000系列變頻器，德國西門子公司生產(chǎn)的SIMOVERTMV中壓變頻器；瑞典ABB公司生產(chǎn)的ACS1000系列變頻器；意大利ANSALDO公司生產(chǎn)的SILCOVERT?TH變頻器以及日本三菱、富士公司生產(chǎn)的完美無諧波變頻器和國內(nèi)北京的凱奇、先行、利德華福公司和成都佳靈公司生產(chǎn)的高壓變頻器等。

本文對中高壓變頻器幾種常用的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析比較，對不同電路結(jié)構(gòu)的中高壓變頻器的可靠性、冗余設(shè)計(jì)、諧波含量以及dv/dt等指標(biāo)進(jìn)行了深入的討論，并對中高壓變頻器的發(fā)展方向提出了自己的看法。

2功率器件串聯(lián)二電平電流型高壓變頻器

美國洛克韋爾公司的中壓變頻器Bulletin1557系列，其電路結(jié)構(gòu)為交?直?交電流源型，采用功率器件GTO串聯(lián)的兩電平逆變器。其控制方式采用無速度傳感器直接矢量控制，電機(jī)轉(zhuǎn)矩可快速變化而不影響磁通，綜合了脈寬調(diào)制和電流源結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，其運(yùn)行效果近似直流傳動裝置。該公司可提供幾種方案以滿足諧波抑制的要求，如標(biāo)準(zhǔn)的12脈沖和18脈沖及PWM整流器，標(biāo)準(zhǔn)的諧波濾波器及功率因數(shù)補(bǔ)償器，以使其諧波符合IEEE519?1992標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。圖1所示為18脈沖整流器的Bulletin1557變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

AB公司于近期推出新一代的中壓變頻器PowerFlex7000系列，用新型功率器件——對稱門極換流晶閘管（SGCT）代替原先的GTO，使驅(qū)動和吸收電路簡化，系統(tǒng)效率提高，6kV系統(tǒng)每個(gè)橋臂采用三只耐壓為6500V的SGCT串聯(lián)。

電流源變頻器的優(yōu)點(diǎn)是易于控制電流，便于實(shí)現(xiàn)能量回饋和四象限運(yùn)行；缺點(diǎn)是變頻器的性能與電機(jī)的參數(shù)有關(guān)，不易實(shí)現(xiàn)多電機(jī)聯(lián)動，通用性差，電流的諧波成分大，污染和損耗較大，且共模電壓高，對電機(jī)的絕緣有影響。

AB公司的變頻器采用功率器件串聯(lián)的二電平逆變方案，結(jié)構(gòu)簡單，使用的功率器件少，但器件串聯(lián)帶來均壓問題，且二電平輸出的dv/dt會對電機(jī)的絕緣造成危害，要求提高電機(jī)的絕緣等級；且諧波成分大，需要專門設(shè)計(jì)輸出濾波器，才能供電機(jī)使用，即使如此其總諧波畸變THD也僅能達(dá)到4％左右。

輸入端采用可控器件實(shí)現(xiàn)PWM整流，便于實(shí)現(xiàn)能量回饋和四象限運(yùn)行，但同時(shí)使網(wǎng)側(cè)諧波增大，需加進(jìn)線電抗器濾波才能滿足電網(wǎng)的要求，這也增加了體積和成本。

因?yàn)槭侵苯痈邏鹤冾l，電網(wǎng)電壓和電機(jī)電壓相同，容易實(shí)現(xiàn)旁路控制功能，以便在裝置出現(xiàn)故障時(shí)將電機(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)行。

3單元串聯(lián)多重化電壓源型變頻器 美國羅賓康公司利用單元串聯(lián)多重化技術(shù)，生產(chǎn)出功率為315kW～10MW的完美無諧波(PERFECTHARMONY)高壓變頻器，無須輸出變壓器實(shí)現(xiàn)了直接3.3kV或6kV高壓輸出；首家在高壓變頻器中采用了先進(jìn)的IGBT功率開關(guān)器件，達(dá)到了完美無諧波的輸出波形，無須外加濾波器即可滿足各國供電部門對諧波的嚴(yán)格要求；輸入功率因數(shù)可達(dá)0.95以上，THD<1％，總體效率（包括輸入隔離變壓器在內(nèi)）高達(dá)97％。達(dá)到這么高指標(biāo)的原因是采用了三項(xiàng)新的

圖1Bulletin1557變頻器主電路結(jié)構(gòu)圖

圖2多重化變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖3五功率單元串聯(lián)變頻器的電氣連接

高壓變頻技術(shù)：一是在輸出逆變部分采用了具有獨(dú)立電源的單相橋式SPWM逆變器的直接串聯(lián)疊加；二是在輸入整流部分采用了多相多重疊加整流技術(shù)；三是在結(jié)構(gòu)上采用了功率單元模塊化技術(shù)。

所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個(gè)低壓PWM功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個(gè)多繞組的隔離變壓器供電，用高速微處理器實(shí)現(xiàn)控制和以光導(dǎo)纖維隔離驅(qū)動。多重化技術(shù)從根本上解決了一般6脈沖和12脈沖變頻器所產(chǎn)生的諧波問題，可實(shí)現(xiàn)完美無諧波變頻。圖2為6kV變頻器的主電路拓?fù)鋱D，每組由5個(gè)額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)，因此相電壓為690V×5=3450V，所對應(yīng)的線電壓為6000V。每個(gè)功率單元由輸入隔離變壓器的15個(gè)二次繞組分別供電，15個(gè)二次繞組分成5組，每組之間存在一個(gè)12°的相位差。圖3中以中間△接法為參考(0°)，上下方各有兩套分別超前（＋12°、＋24°）和滯后（－12°、－24°）的4組繞組。所需相差角度可通過變壓器的不同聯(lián)接組別來實(shí)現(xiàn)。

圖3中的每個(gè)功率單元都是由低壓絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）構(gòu)成的三相輸入，單相輸出的低壓PWM電壓型逆變器。功率單元電路見圖4。每個(gè)功率單元輸出電壓為1、0、－1三種狀態(tài)電平，每相5個(gè)單元疊加，就可產(chǎn)生11種不同的電平等級，分別為±5、±4、±3、±2、±1和0。圖5為一相合成的正波輸出電壓波形。用這種多重化技術(shù)構(gòu)成的高壓變頻器，也稱為單元串聯(lián)多電平PWM電壓型變頻器，采用功率單元串聯(lián)，而不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。每個(gè)功率單元承受全部的輸出電流，但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15的輸出功率。變頻器由于采用多重化PWM技術(shù)，由5對依次相移12°的三角載波對基波電壓進(jìn)行調(diào)制。對A相基波調(diào)制所得的5個(gè)信號，分別控制A1～A5五個(gè)功率單元，經(jīng)疊加可得圖5所示的具有11級階梯電平的相電壓波形，線電壓波型具有21階梯電平，它相當(dāng)于30脈波變頻，理論上19次以下的諧波都可以抵消，總的電壓和電流失真率可分別低于1.2％和0.8％，堪稱完美無諧波變頻器。它的輸入功

圖4功率單元電路

圖5五功率單元串聯(lián)輸出電壓波形 [!--empirenews.page--]

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中高壓變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析比較

圖6ACS1000變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

率因數(shù)可達(dá)0.95以上，不必設(shè)置輸入濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。變頻器同一相的功率單元輸出相同的基波電壓，串聯(lián)各單元之間的載波錯(cuò)開一定的相位，每個(gè)功率單元的IGBT開關(guān)頻率若為600Hz，則當(dāng)5個(gè)功率單元串聯(lián)時(shí)，等效的輸出相電壓開關(guān)頻率為6kHz。功率單元采用低的開關(guān)頻率可以降低開關(guān)損耗，而高的等效輸出開關(guān)頻率和多電平可以大大改善輸出波形。波形的改善除減小輸出諧波外，還可以降低噪聲、dv/dt值和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動。所以這種變頻器對電機(jī)無特殊要求，可用于普遍籠型電機(jī)，且不必降額使用，對輸出電纜長度也無特殊限制。由于功率單元有足夠的濾波電容，變頻器可承受－30％電源電壓下降和5個(gè)周期的電源喪失。這種主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然使器件數(shù)量增加，但由于IGBT驅(qū)動功率很低，且不必采用均壓電路、吸收電路和輸出濾波器，可使變頻器的效率高達(dá)96％以上。

單元串聯(lián)多重化變頻器的優(yōu)點(diǎn)是：

1）由于采用功率單元串聯(lián)，可采用技術(shù)成熟，價(jià)格低廉的低壓IGBT組成逆變單元，通過串聯(lián)單元的個(gè)數(shù)適應(yīng)不同的輸出電壓要求；

2）完美的輸入輸出波形，使其能適應(yīng)任何場合及電機(jī)使用；

3）由于多功率單元具有相同的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，便于將功率單元做成模塊化，實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)，即使在個(gè)別單元故障時(shí)也可通過單元旁路功能將該單元短路，系統(tǒng)仍能正常或降額運(yùn)行。

其缺點(diǎn)是：

1）使用的功率單元及功率器件數(shù)量太多，6kV系統(tǒng)要使用150只功率器件（90只二極管，60只IGBT），裝置的體積太大，重量大，安裝位置成問題；

2）無法實(shí)現(xiàn)能量回饋及四象限運(yùn)行，且無法實(shí)現(xiàn)制動；

3）當(dāng)電網(wǎng)電壓和電機(jī)電壓不同時(shí)無法實(shí)現(xiàn)旁路切換控制。

用功率單元串聯(lián)構(gòu)成高壓變頻器的另一種改進(jìn)方案是采用高壓IGBT器件，以減少串聯(lián)的功率單元數(shù)。例如，用3300V耐壓的IGBT器件，用兩個(gè)功率單元串聯(lián)的變頻器可輸出4.16kV中壓；若要6kV輸出，只要三個(gè)單元串聯(lián)。功率單元和器件數(shù)量的減少，使損耗和故障也減少了，有利于提高裝置的效率和可靠性，縮小裝置體積。但由于電平級數(shù)的減少，輸出諧波增加，為獲得優(yōu)良的輸出波形，必須加輸出濾波器。另外由于高壓IGBT比普通低壓IGBT要貴得多，所以雖然功率器件減少了，但成本不一定下降。

4中性點(diǎn)鉗位三電平PWM變頻器

在PWM電壓源型變頻器中，當(dāng)輸出電壓較高時(shí)，為了避免器件串聯(lián)引起的靜態(tài)和動態(tài)均壓問題，同時(shí)降低輸出諧波及dv/dt的影響，逆變器部分可以采用中性點(diǎn)鉗位的三電平方式（Neutralpointclamped：NPC）。逆變器的功率器件可采用高壓IGBT或IGCT。ABB公司生產(chǎn)的ACS1000系列變頻器為采用新型功率器件——集成門極換流晶閘管（IGCT）的三電平變頻器，輸出電壓等級有2.2kV、3.3kV和4.16kV。圖6所示為ACS100012脈沖整流三電平電壓源變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。西門子公司采用高壓IGBT器件，生產(chǎn)了與此類似的變頻器SIMOVERTMV系列。

整流部分采用12脈波二極管整流器，逆變部分采用三電平PWM逆變器。由圖6可以看出，該系列變頻器采用傳統(tǒng)的電壓型變頻器結(jié)構(gòu)，通過采用高耐壓的IGCT功率器件，使得器件總數(shù)減少為12個(gè)。隨著器件數(shù)量的減少，成本降低，電路結(jié)構(gòu)簡潔，從而使體積縮小，可靠性更高。

由于變頻器的整流部分是非線性的，產(chǎn)生的高次諧波將對電網(wǎng)造成污染。為此，圖6所示的ACS1000系列變頻器的12脈波整流接線圖中，將兩組三相橋式整流電路用整流變壓器聯(lián)系起來，其初級繞組接成三角形，其次級繞組則一組接成三角形，另一組接成星形，整流變壓器兩個(gè)次級繞組的線電壓相同，但相位則相差30°角，這樣5次、7次諧波在變壓器的初級將會有180°的相移，因而能夠互相抵消，同樣的17、19次諧波也會互相抵消。這樣經(jīng)過2個(gè)整流橋的串聯(lián)疊加后，即可得到12脈波的整流輸出波形，比6脈波更平滑，并且每個(gè)整流橋的二級管耐壓可降低一半。采用12相整流電路減少了特征諧波含量，由于

圖7三電平PWM變頻器輸出線電壓波形圖

圖8四電平逆變器結(jié)構(gòu)圖

特征諧波次數(shù)N=KP±1（P為整流相數(shù)、K為自然數(shù)）。所以網(wǎng)側(cè)特征諧波只有11、13、23、25次等。如果采用24脈波整流電路，網(wǎng)側(cè)諧波將更進(jìn)一步被抑制。兩種方案均可使輸入功率因數(shù)在全功率范圍內(nèi)保證在0.95以上，不需要功率因數(shù)補(bǔ)償電容器。

變頻器的逆變部分采用傳統(tǒng)的三電平方式，所以輸出波形中會不可避免地產(chǎn)生比較大的諧波分量（THD達(dá)12.8％），這是三電平逆變方式所固有的，其線電壓波形見圖7。因此在變頻器的輸出側(cè)必須配置輸出LC濾波器才能用于普通的鼠籠型電機(jī)。經(jīng)過LC濾波器后，可使其THD<1％。同樣由于諧波的原因，電動機(jī)的功率因數(shù)和效率都會受到一定的影響，只有在額定工況點(diǎn)才能達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速的下降，功率因數(shù)和效率都會相應(yīng)降低。

三電平逆變器的結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，使用功率器件數(shù)量最少（12只），避免了器件的串聯(lián)，提高了裝置的可靠性指標(biāo)。根據(jù)目前IGCT及高壓IGBT的耐壓水平，三電平逆變器的最高輸出電壓等級為4.16kV，當(dāng)輸出電壓要求6kV時(shí)，采用12個(gè)功率器件已不能滿足要求，必須采用器件串聯(lián)，除了增加成本外，必然會帶來均壓問題，失去了三電平結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，并且會大大影響系統(tǒng)的可靠性。若將來采用9kV耐壓的IGCT，則三電平變頻器可直接輸出6kV，但是諧波及dv/dt也相應(yīng)增加，必須加強(qiáng)濾波功能以滿足THD指標(biāo)。或者采用下面要講到的四電平逆變器。 在9kV耐壓的器件出現(xiàn)之前，對于6kV高壓電機(jī)，可采用Y/△改接的辦法，將Y型接法的6kV電機(jī)改為△接法，線電壓為3.47kV，采用3.3kV或4.16kV輸出的變頻器即能滿足要求，同時(shí)也滿足了IGCT電壓型變頻器對電機(jī)的絕緣等級提高一級的要求，因此這個(gè)方案可能是最經(jīng)濟(jì)合理的。但在進(jìn)行Y/△改接后，電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓不一致，無法實(shí)現(xiàn)旁路功能，當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，又要保證生產(chǎn)的正常進(jìn)行，必須首先將電機(jī)改回Y型接法，再投入6kV電網(wǎng)。為此，電機(jī)的Y/△改接應(yīng)通過Y/△切換柜實(shí)現(xiàn)，以便實(shí)現(xiàn)旁路功能。而ACS1000系列本身的旁路切換是在電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓一致時(shí)完成的。 若采用有源輸入前端，則可實(shí)現(xiàn)能量回饋及四象限運(yùn)行，但三電平結(jié)構(gòu)不易實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)。

5多電平高壓變頻器

隨著現(xiàn)代拓?fù)浼夹g(shù)的發(fā)展，多電平高壓變頻調(diào)速技術(shù)得到了實(shí)際的應(yīng)用。這種高壓變頻器的代表是法國阿爾斯通（ALSTOM）公司生產(chǎn)的ALSPAVDM6000系列高壓變頻器，其逆變器結(jié)構(gòu)如圖8所示。

由圖8可見，功率器件不是簡單地串聯(lián)，而是結(jié)構(gòu)上的串聯(lián)，通過電容鉗位，保證了電壓的安全分配。其主要特點(diǎn)是：

1）通過整體單元裝置的串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可使系統(tǒng)普遍采用直流母線方案，以實(shí)現(xiàn)在多臺高壓變頻器之間能量互相交換。

3）這種結(jié)構(gòu)沒有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的各級功率器件上的眾多分壓分流裝置，消除了系統(tǒng)的可靠性低的因素，從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡單，可靠，易于維護(hù)。

4）輸出波形非常接近正弦波，可適用于普通感應(yīng)電機(jī)和同步電機(jī)調(diào)速，而無需降低容量，沒有dv/dt對電機(jī)絕緣等的影響，電機(jī)沒有額外的溫升，是一種技術(shù)先進(jìn)的高壓變頻器。輸出電壓和電機(jī)電流波形如圖9所示。

5）ALSPAVDM6000系列高壓變頻器可根據(jù)電網(wǎng)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(wǎng)，可用晶閘管整流橋；若要求控制電網(wǎng)的諧波、功率因數(shù)，及實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)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(fā)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析比較

(b)電機(jī)電流

(a)輸出電壓

圖9ALSPAVDM6000輸出電壓電流波形 [!--empirenews.page--]

頻器的許多優(yōu)點(diǎn)，它以多個(gè)中壓三電平PWM逆變器功率單元多重化串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出，因此構(gòu)成了一個(gè)雙完美無諧波系統(tǒng)：對電網(wǎng)為多重疊加整流，諧波符合IEEE519?1992的要求；對電動機(jī)為完美無諧波正弦波輸出，可以直接驅(qū)動任何品牌的交流鼠籠型電動機(jī)。

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(tǒng)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(dá)98％，功率因數(shù)高達(dá)0.95，不需要加設(shè)進(jìn)相電容器或交直流電抗器，也不需要輸出濾波器，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化。圖10所示為FRENIC4600FM4的主電路及功率單元結(jié)構(gòu)圖。

但是仔細(xì)分析，該型變頻器的性能價(jià)格優(yōu)勢并不大，與其同時(shí)采用多電平和多重化兩種技術(shù)，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?yàn)椋萌娖郊夹g(shù)構(gòu)成單相逆變功率單元，在器件數(shù)量上并不占優(yōu)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(lián)多重化電路6kV系統(tǒng)每相需三個(gè)單元串聯(lián)，總共9個(gè)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(gè)單元串聯(lián)，總共6個(gè)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(yōu)點(diǎn)，同時(shí)增加了裝置的成本。所以該型變頻器實(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，除了前面提到的二電平、多電平和單元串聯(lián)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(lián)高壓變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其主要思想是用變壓器將三個(gè)由高壓IGBT或IGCT構(gòu)成的常規(guī)二電平三相逆變器單元的輸出疊加起來，實(shí)現(xiàn)更高電壓輸出，并且這三個(gè)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)及控制方法都大大簡化。

圖11是這種新型高壓變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，該

圖11變壓器耦合輸出變頻器主電路拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)圖