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单元串联多单元变频器特点及构成实例

来源：艾特贸易2018-05-28

简介功率单元结构如图 10-37 所示，变压器二次绕组经过熔断器，接到三相二极管整流桥的输入侧，整流后经滤波电容滤波形成直流母线电压，由于输入变压器阻抗设计得较大，所以直流环节

功率单元结构如图10-37所示，变压器二次绕组经过熔断器，接到三相二极管整流桥的输入侧，整流后经滤波电容滤波形成直流母线电压，由于输入变压器阻抗设计得较大，所以直流环节不必设置低压变频器那样的预充电限流电阻。当功率单元额定电压为690V时，直流母线电压为900V左右。逆变器由4个耐压为1700V的IGBT模块组成H桥式单相逆变电路，通过PWM控制，在Tl和T2两端得到变压变频的交流输出，输出电压为单相交流0～690V，频率为0～50Hz(根据电动机的额定频率，可以相应地调整，最高达120Hz)。对于额定电压为480V，直流母线电压为600V可以采用1200V的IGBT的模块。对于额定电压为1275V的功率单元，直流母线电压为1800V左右，可采用3300V的IGBT模块。

根据图10-37可知，每个功率单元存在4种不同的开关组合：VT1和VT4同时导通，T1、T2之间输出正的直流母线电压；VT2和VT3同时导通，输出负的直流母线电压；VT1和VT3同时导通，或者VT2和VT4同时导通，输出电压为0。所以，4种不同的开关状态，输出3种不同的电平，分别为+U、0和-U (U为单元直流母线电压)。实际上，为了防止同一桥臂上下管子同时导通，必须设定互锁延时，即存在一定的死区时间，在死区时间内，上下桥臂IGBT均处于截止状态，输出电压由输出电流的方向决定（电流方向决定电流流经哪个续流二极管，从而决定输出电压极性），严格来说，此时输出电压处于不可控状态，当然也不外乎上述三种电平。由于单元内PWM的载波频率较低，所以死区电压引起的误差占的比例很小，可以忽略不计，不必采用像低压变频器那样的死区电压误差补偿电路。

对于2300V电压等级的变频器，每相由三个功率单元串联而成，串联而成的相电压共有7种不同的电平：0，±U，±2U，±3U。对于6kV电压等级的变频器，则有0，±U，±2U，±3U，±4U，±5U共11种电平，而对应的线电压则有21种电平，如图10-41所示，而一般的三电平变频器输出相电压仅有3种电平。输出电压电平数越多，输出电压波形越接近正弦波。

在PWM调制时，采取移相式PWM，同一相中各串联功率单元的载波信号错开一定的电角度，使得叠加以后输出电压的等效开关频率大大增加。对于6KV的变频器，当每个单元的PWM载波频率为600Hz时，输出相电压的等效开关频率为6kHz，输出波形等效开关频率的提高，有助于改善输出电压波形，降低电流谐波。由图11-42所示的输出电压和电流波形可知，电流波形的正弦度非常高。输出电压的谐波分量中，低次谐波含量很小，谐波主要集中在与输出等效开关频率对应的高频范围。图10-42显示了6kV变频器在满载时的输出电压频谱，谐波主要集中在6kHz左右范围内，且都在-25dB以下。从基波到4500Hz的频率范围内，谐波幅值都在-45dB以下。电动机绕组电感的感抗与频率成正比，所以高次谐波电压很难形成谐波电流，电感本身起到了很好的低通滤波作用，输出总谐波电流失真基本在1%以内。

6kV单元串联多电平变频器输出线电压电平

图10-41 6kV单元串联多电平变频器输出线电压电平

单元串联多电平变频器输出电压频谱

图10-42 单元串联多电平变频器输出电压频谱

下面艾特贸易小编以2300V电压等级的变频器为例，分析多重化功率单元高压变频器的控制原理。

由于每相由3个功率单元串联而成，根据图10-43，采用3对（每对含正反相信号）依次相移为120°的三角载波和参考波进行调制，参考波由主控系统给出。RU表示U相的参考波形，载波频率为600Hz，当输出参考波频率为60Hz时，每个参考波周期内刚好有10个载波波形。L1为RU与第一个载波（无相移）比较结果，当RU大于载波时，L1为高电平，RU小于载波时，L1为低电平。L1用来控制U相第一功率单元U1中左桥臂IGBT，VT1、VT2的通断。L1为高电平时，VT1导通，VT2截止，T1为正直流母线电位；L1为低电平时，VT1截止，VT2导通，T1为负直流母线电位。RU和第一个载波的反向信号比较产生的R1用于控制VT3、VT4的通断，当RA大于反向载波时，R1为低电平，反之，R1为高电平。R1为高电平时，VT3导通，VT4关断，反之亦然，由此可决定输出电压波形。实际上，L1与R1之差，就代表了输出端T1与T2之间的电压波形，也即U相第一单元的输出电压uU1。uU1具有0，+U和-U三种电平。根据同样道理，uU2和uU3分别表示U相的第二和第三功率单元的输出电压波形，它们是用移相120°和240°的两对载波分别和U相参考波RU比较的结果。uU1、uU2和uU3串联相加，即得到U相的相电压输出波形uUN，uUN有7种不同的电平。

U相电压形成

图10-43 U相电压形成

V相和W相的调制采用同样的原理，只是参考波RV、RW依次相移120°。unN与uUN之差，形成电动机线电压uUV。应该注意的是uUN是U相输出对单元串接后形成的中心点N的电压，而不是对电动机中心点的电动机相电压。

改变参考波的幅值和频率，即可实现变压的高压输出。实际上，为了提高电压利用率，参考波并非严格的正弦波，而是注入一定的谐波（比如三次谐波）成为“马鞍形”的波形(见图10-44)，以降低参考波峰值，而三次谐波电压是共模电压，电动机内部不会产生电流，所以不会影响电动机的运行。

马鞍形参考电压

图10-44 马鞍形参考电压

对于3300V电压等级的变频器，每相由4个功率单元串联而成，采用4对依次相移为90°的三角载波和参考波进行调制。对于电压等级为4160V、6kV和10kV的变频器，则采用5对依次相移为72°的三角载波。

功率单元旁路技术，是在每个功率单元输出端T1，T2之间并联一个双向晶闸管(或反并联2个SCR)，当功率单元发生故障时，封锁对应功率单元IGBT的触发信号，然后让SCR导通，保证电动机电流能流过，仍形成通路。当然，为了保证三相输出电压对称，在旁路故障功率单元的同时，另外两相对应的两个功率单元也同时旁路。对于6kV的变频器而言，每相由5个功率单元串联而成，当每相1个单元被旁路后，每相剩下4个功率单元，输出最高电压为额定电压的80%，输出电流仍可达到100%，这样，输出功率仍可达到80%左右，对于风机、水泵等平方转矩负载而言，转速仍可达92%以上，基本能维持生产要求，大大提高系统运行的可靠性。然后可以在生产允许的条件下，有准备地停止变频器，更换新的功率单元或对单元进行维修。如果负载十分重要，还可以进行冗余设计，安装备用功率单元。例如，对6kV的变频器，本来每相由5个功率单元串联而成，现可以设计成每相6个单元串联，正常工作时，每个单元输出电压仅为原来的5/6，如果出现功率单元故障，一组单元（每相各一个）被旁路后，单元的输出电压恢复正常，总的输出电压仍可达到100%，变频器还能满载运行。