电源设计指南：拓扑结构（二）
所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。多重化技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。图2为6kV变频器的主电路拓扑图，每组由5个额定电压为690V的功率单元串联，因此相电压为690V×5=3450V，所对应的线电压为6000V。每个功率单元由输入隔离变压器的15个二次绕组分别供电，15个二次绕组分成5组，每组之间存在一个12°的相位差。图3中以中间△接法为参考(0°)，上下方各有两套分别超前（＋12°、＋24°）和滞后（－12°、－24°）的4组绕组。所需相差角度可通过变压器的不同联接组别来实现。
图3中的每个功率单元都是由低压绝缘栅双极型晶体管（IGBT）构成的三相输入，单相输出的低压PWM电压型逆变器。功率单元电路见图4。每个功率单元输出电压为1、0、－1三种状态电平，每相5个单元叠加，就可产生11种不同的电平等级，分别为±5、±4、±3、±2、±1和0。图5为一相合成的正波输出电压波形。用这种多重化技术构成的高压变频器，也称为单元串联多电平PWM电压型变频器，采用功率单元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，所以不存在器件均压的问题。每个功率单元承受全部的输出电流，但仅承受1/5的输出相电压和1/15的输出功率。变频器由于采用多重化PWM技术，由5对依次相移12°的三角载波对基波电压进行调制。对A相基波调制所得的5个信号，分别控制A1～A5五个功率单元，经叠加可得图5所示的具有11级阶梯电平的相电压波形，线电压波型具有21阶梯电平，它相当于30脉波变频，理论上19次以下的谐波都可以抵消，总的电压和电流失真率可分别低于1.2％和0.8％，堪称完美无谐波变频器。它的输入功
图4功率单元电路
图5五功率单元串联输出电压波形
图6ACS1000变频器主电路拓扑结构图
率因数可达0.95以上，不必设置输入滤波器和功率因数补偿装置。变频器同一相的功率单元输出相同的基波电压，串联各单元之间的载波错开一定的相位，每个功率单元的IGBT开关频率若为600Hz，则当5个功率单元串联时，等效的输出相电压开关频率为6kHz。功率单元采用低的开关频率可以降低开关损耗，而高的等效输出开关频率和多电平可以大大改善输出波形。波形的改善除减小输出谐波外，还可以降低噪声、dv/dt值和电机的转矩脉动。所以这种变频器对电机无特殊要求，可用于普遍笼型电机，且不必降额使用，对输出电缆长度也无特殊限制。由于功率单元有足够的滤波电容，变频器可承受－30％电源电压下降和5个周期的电源丧失。这种主电路拓扑结构虽然使器件数量增加，但由于IGBT驱动功率很低，且不必采用均压电路、吸收电路和输出滤波器，可使变频器的效率高达96％以上。
单元串联多重化变频器的优点是：
1）由于采用功率单元串联，可采用技术成熟，价格低廉的低压IGBT组成逆变单元，通过串联单元的个数适应不同的输出电压要求；
2）完美的输入输出波形，使其能适应任何场合及电机使用；
3）由于多功率单元具有相同的结构及参数，便于将功率单元做成模块化，实现冗余设计，即使在个别单元故障时也可通过单元旁路功能将该单元短路，系统仍能正常或降额运行。
其缺点是：
1）使用的功率单元及功率器件数量太多，6kV系统要使用150只功率器件（90只二极管，60只IGBT），装置的体积太大，重量大，安装位置成问题；
2）无法实现能量回馈及四象限运行，且无法实现制动；
3）当电网电压和电机电压不同时无法实现旁路切换控制。
用功率单元串联构成高压变频器的另一种改进方案是采用高压IGBT器件，以减少串联的功率单元数。例如，用3300V耐压的IGBT器件，用两个功率单元串联的变频器可输出4.16kV中压；若要6kV输出，只要三个单元串联。功率单元和器件数量的减少，使损耗和故障也减少了，有利于提高装置的效率和可靠性，缩小装置体积。但由于电平级数的减少，输出谐波增加，为获得优良的输出波形，必须加输出滤波器。另外由于高压IGBT比普通低压IGBT要贵得多，所以虽然功率器件减少了，但成本不一定下降。
4中性点钳位三电平PWM变频器
在PWM电压源型变频器中，当输出电压较高时，为了避免器件串联引起的静态和动态均压问题，同时降低输出谐波及dv/dt的影响，逆变器部分可以采用中性点钳位的三电平方式（Neutralpointclamped：NPC）。逆变器的功率器件可采用高压IGBT或IGCT。ABB公司生产的ACS1000系列变频器为采用新型功率器件——集成门极换流晶闸管（IGCT）的三电平变频器，输出电压等级有2.2kV、3.3kV和4.16kV。图6所示为ACS100012脉冲整流三电平电压源变频器的主电路拓扑结构图。西门子公司采用高压IGBT器件，生产了与此类似的变频器SIMOVERTMV系列。
整流部分采用12脉波二极管整流器，逆变部分采用三电平PWM逆变器。由图6可以看出，该系列变频器采用传统的电压型变频器结构，通过采用高耐压的IGCT功率器件，使得器件总数减少为12个。随着器件数量的减少，成本降低，电路结构简洁，从而使体积缩小，可靠性更高。
由于变频器的整流部分是非线性的，产生的高次谐波将对电网造成污染。为此，图6所示的ACS1000系列变频器的12脉波整流接线图中，将两组三相桥式整流电路用整流变压器联系起来，其初级绕组接成三角形，其次级绕组则一组接成三角形，另一组接成星形，整流变压器两个次级绕组的线电压相同，但相位则相差30°角，这样5次、7次谐波在变压器的初级将会有180°的相移，因而能够互相抵消，同样的17、19次谐波也会互相抵消。这样经过2个整流桥的串联叠加后，即可得到12脉波的整流输出波形，比6脉波更平滑，并且每个整流桥的二级管耐压可降低一半。采用12相整流电路减少了特征谐波含量，由于
图7三电平PWM变频器输出线电压波形图
图8四电平逆变器结构图
特征谐波次数N=KP±1（P为整流相数、K为自然数）。所以网侧特征谐波只有11、13、23、25次等。如果采用24脉波整流电路，网侧谐波将更进一步被抑制。两种方案均可使输入功率因数在全功率范围内保证在0.95以上，不需要功率因数补偿电容器。
变频器的逆变部分采用传统的三电平方式，所以输出波形中会不可避免地产生比较大的谐波分量（THD达12.8％），这是三电平逆变方式所固有的，其线电压波形见图7。因此在变频器的输出侧必须配置输出LC滤波器才能用于普通的鼠笼型电机。经过LC滤波器后，可使其THD1％。同样由于谐波的原因，电动机的功率因数和效率都会受到一定的影响，只有在额定工况点才能达到最佳的工作状态，随着转速的下降，功率因数和效率都会相应降低。
三电平逆变器的结构简单，体积小，成本低，使用功率器件数量最少（12只），避免了器件的串联，提高了装置的可靠性指标。根据目前IGCT及高压IGBT的耐压水平，三电平逆变器的最高输出电压等级为4.16kV，当输出电压要求6kV时，采用12个功率器件已不能满足要求，必须采用器件串联，除了增加成本外，必然会带来均压问题，失去了三电平结构的优势，并且会大大影响系统的可靠性。若将来采用9kV耐压的IGCT，则三电平变频器可直接输出6kV，但是谐波及dv/dt也相应增加，必须加强滤波功能以满足THD指标。或者采用下面要讲到的四电平逆变器。在9kV耐压的器件出现之前，对于6kV高压电机，可采用Y/△改接的办法，将Y型接法的6kV电机改为△接法，线电压为3.47kV，采用3.3kV或4.16kV输出的变频器即能满足要求，同时也满足了IGCT电压型变频器对电机的绝缘等级提高一级的要求，因此这个方案可能是最经济合理的。但在进行Y/△改接后，电机电压与电网电压不一致，无法实现旁路功能，当变频器出现故障时，又要保证生产的正常进行，必须首先将电机改回Y型接法，再投入6kV电网。为此，电机的Y/△改接应通过Y/△切换柜实现，以便实现旁路功能。而ACS1000系列本身的旁路切换是在电机电压与电网电压一致时完成的。若采用有源输入前端，则可实现能量回馈及四象限运行，但三电平结构不易实现冗余设计。
5多电平高压变频器
随着现代拓扑技术的发展，多电平高压变频调速技术得到了实际的应用。这种高压变频器的代表是法国阿尔斯通（ALSTOM）公司生产的ALSPAVDM6000系列高压变频器，其逆变器结构如图8所示。
由图8可见，功率器件不是简单地串联，而是结构上的串联，通过电容钳位，保证了电压的安全分配。其主要特点是：
1）通过整体单元装置的串并联拓扑结构以满足不同的电压等级（如3.3kV、4.16kV、6.6kV、10kV）的需要。
2）这种结构可使系统普遍采用直流母线方案，以实现在多台高压变频器之间能量互相交换。
3）这种结构没有传统结构中的各级功率器件上的众多分压分流装置，消除了系统的可靠性低的因素，从而使系统结构非常简单，可靠，易于维护。
4）输出波形非常接近正弦波，可适用于普通感应电机和同步电机调速，而无需降低容量，没有dv/dt对电机绝缘等的影响，电机没有额外的温升，是一种技术先进的高压变频器。输出电压和电机电流波形如图9所示。
5）ALSPAVDM6000系列高压变频器可根据电网对谐波的不同要求采用12脉波，18脉波的二极管整流或晶闸管整流；若要将电能反馈回电网，可用晶闸管整流桥；若要求控制电网的谐波、功率因数，及实现四象限运行，可选择有源前端。6多电平＋多重化变频器
日本富士公司采用高压IGBT开发的中压变频器FRENIC4600FM4系列，它汇集了多电平和多重化变
中高压变频器主电路拓扑结构的分析比较
(b)电机电流
(a)输出电压
图9ALSPAVDM6000输出电压电流波形
频器的许多优点，它以多个中压三电平PWM逆变器功率单元多重化串联的方式实现直接高压输出，因此构成了一个双完美无谐波系统：对电网为多重叠加整流，谐波符合IEEE519?1992的要求；对电动机为完美无谐波正弦波输出，可以直接驱动任何品牌的交流鼠笼型电动机。
该型变频器由于采用了高压整流二极管和高压IGBT，因此系统主电路使用的器件大为减少，可靠性提高，损耗降低，体积缩小。变频器的综合效率可达98％，功率因数高达0.95，不需要加设进相电容器或交直流电抗器，也不需要输出滤波器，使系统结构大为简化。图10所示为FRENIC4600FM4的主电路及功率单元结构图。
但是仔细分析，该型变频器的性能价格优势并不大，与其同时采用多电平和多重化两种技术，还不如采用前面提到的高压IGBT的多重化变频器，反而显得有些不伦不类。因为，用三电平技术构成单相逆变功率单元，在器件数量上并不占优势，要比同样电压和功率等级的三电平三相逆变器足足多用一倍的器件，同样比普通单相逆变功率单元也正好多出一倍的器件。例如：用3300V耐压的IGBT器件，采用单元串联多重化电路6kV系统每相需三个单元串联，总共9个单元，共需54只整流二极管，36只IGBT；而采用三电平功率单元，每相需两个单元串联，总共6个单元，共需72只整流二极管，48只IGBT，足足多用了1/3的器件并且使功率单元的冗余成本增加了一倍，降低了多重化变频器冗余性能好的优点，同时增加了装置的成本。所以该型变频器实际上并不可取。
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