電源設計指南：拓撲結(jié)構(gòu)（二）

所謂多重化技術(shù)就是每相由幾個低壓PWM功率單元串聯(lián)組成，各功率單元由一個多繞組的隔離變壓器供電，用高速微處理器實現(xiàn)控制和以光導纖維隔離驅(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，可實現(xiàn)完美無諧波變頻。圖2為6kV變頻器的主電路拓撲圖，每組由5個額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)，因此相電壓為690V×5=3450V，所對應的線電壓為6000V。每個功率單元由輸入隔離變壓器的15個二次繞組分別供電，15個二次繞組分成5組，每組之間存在一個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)接組別來實現(xiàn)。

圖3中的每個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。每個功率單元輸出電壓為1、0、－1三種狀態(tài)電平，每相5個單元疊加，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)來實現(xiàn)高壓輸出，所以不存在器件均壓的問題。每個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行調(diào)制。對A相基波調(diào)制所得的5個信號，分別控制A1～A5五個功率單元，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

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中高壓變頻器主電路拓撲結(jié)構(gòu)的分析比較

圖6ACS1000變頻器主電路拓撲結(jié)構(gòu)圖

率因數(shù)可達0.95以上，不必設置輸入濾波器和功率因數(shù)補償裝置。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開一定的相位，每個功率單元的IGBT開關(guān)頻率若為600Hz，則當5個功率單元串聯(lián)時，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值和電機的轉(zhuǎn)矩脈動。所以這種變頻器對電機無特殊要求，可用于普遍籠型電機，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個周期的電源喪失。這種主電路拓撲結(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96％以上。

單元串聯(lián)多重化變頻器的優(yōu)點是：

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

2）完美的輸入輸出波形，使其能適應任何場合及電機使用；

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，實現(xiàn)冗余設計，即使在個別單元故障時也可通過單元旁路功能將該單元短路，系統(tǒng)仍能正?；蚪殿~運行。

其缺點是：

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）無法實現(xiàn)能量回饋及四象限運行，且無法實現(xiàn)制動；

3）當電網(wǎng)電壓和電機電壓不同時無法實現(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中性點鉗位三電平PWM變頻器

在PWM電壓源型變頻器中，當輸出電壓較高時，為了避免器件串聯(lián)引起的靜態(tài)和動態(tài)均壓問題，同時降低輸出諧波及dv/dt的影響，逆變器部分可以采用中性點鉗位的三電平方式（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撲結(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。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。經(jīng)過LC濾波器后，可使其THD1％。同樣由于諧波的原因，電動機的功率因數(shù)和效率都會受到一定的影響，只有在額定工況點才能達到最佳的工作狀態(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。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，當輸出電壓要求6kV時，采用12個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也相應增加，必須加強濾波功能以滿足THD指標?；蛘卟捎孟旅嬉v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，可采用Y/△改接的辦法，將Y型接法的6kV電機改為△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，同時也滿足了IGCT電壓型變頻器對電機的絕緣等級提高一級的要求，因此這個方案可能是最經(jīng)濟合理的。但在進行Y/△改接后，電機電壓與電網(wǎng)電壓不一致，無法實現(xiàn)旁路功能，當變頻器出現(xiàn)故障時，又要保證生產(chǎn)的正常進行，必須首先將電機改回Y型接法，再投入6kV電網(wǎng)。為此，電機的Y/△改接應通過Y/△切換柜實現(xiàn)，以便實現(xiàn)旁路功能。而ACS1000系列本身的旁路切換是在電機電壓與電網(wǎng)電壓一致時完成的。若采用有源輸入前端，則可實現(xiàn)能量回饋及四象限運行，但三電平結(jié)構(gòu)不易實現(xiàn)冗余設計。

5多電平高壓變頻器

隨著現(xiàn)代拓撲技術(shù)的發(fā)展，多電平高壓變頻調(diào)速技術(shù)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(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。其主要特點是：

1）通過整體單元裝置的串并聯(lián)拓撲結(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。

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(diào)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(shù)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(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)，及實現(xiàn)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(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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(b)電機電流

(a)輸出電壓

圖9ALSPAVDM6000輸出電壓電流波形

頻器的許多優(yōu)點，它以多個中壓三電平PWM逆變器功率單元多重化串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出，因此構(gòu)成了一個雙完美無諧波系統(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。

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98％，功率因數(shù)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(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。

但是仔細分析，該型變頻器的性能價格優(yōu)勢并不大，與其同時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。因為，用三電平技術(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)每相需三個單元串聯(lián)，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(lián)，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(yōu)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。