三电平PWM变频电源

    采用三电平PWM方式的变频电源，可以避免器件串联的动态均压问题，同时降低输出谐波和du/dt，三电平PWM方式整流电路采用二极管，逆变部分功率器件采用GTO、IGBT或IGCT。每个桥臂虽由4个功率器件串联，但是不存在同时导通和关断以及由此引起的动态均压问题。由于输出相电压电平数增加到了3个，每个电平的幅值下降，且提高了谐波消除算法的自由度，可使输出波形比二电平PWM变频电源有了较大的提高，输出du/dt也有所减少，若输入也采用对称的PWM结构，可以做到系统功率因数可调，输入谐波也很低，且可四象限运行。但为减少输出谐波和转矩脉动，希望有较高的开关频率，但会导致变频电源损耗增加，效率下降。三电平变频电源输出若不设滤波器，一般需要特殊电动机，若使用普通电动机应降额应用。ABB公司生产的ACS1000系列变频电源为采用新型功率器件——集成门极换流晶闸管(IGCT)的三电平变频电源，输出电压等级有2.2、3.3kV和4.16kV。图2-7所示为ACS100012脉冲整流三电平电压源变频电源的主电路拓扑结构图。

    图2-7    ACS1000变频器主电路拓扑结构图

    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2-7可以看出，该系列变频电源采用传统的电压型变频电源结构，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。

    由于变频电源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2-7所示的ACS1000系列变频电源的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，其一次侧绕组接成三角形，其二次侧绕组则一组接成三角形，另一组接成星形，整流变压器两个二次侧绕组的线电压相同，但相位则相差30°，这样5、7次谐波在变压器的一次侧将会有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极管耐压可降低一半。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。

   ACS100012脉冲整流三电平电压源变频电源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，其线电压波形如图2-8所示。

    图2-8    三电平PWM变频器输出线电压波形图

    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，则三电平变频电源可直接输出6kV，但是谐波及du/dt也相应增加，必须加强滤波功能以满足THD指标。

    在二极管钳位型变流器电路中由于两个钳位二极管的存在，各个功率器件能够分别进行控制，因而避免了器件直接串联引起的动态均压问题。与普通的二电平变流器相比，由于输出电压的电平数有所增加，每个电平幅值相对降低，由整个直流母线电压降为一半直流母线电压，在同等开关频率的前提下，可使输出波形质量有较大的改善，输出du/dt也相应下降，因此二极管钳位型变流器显然比普通二电平变流器更具优势。

    二极管钳位型变流器同时具有多重化和脉宽调制的优点，输出功率大、器件开关频率低、等效开关频率高、交流侧不需要变压器连接、动态响应好、传输带宽较宽等。

    二极管钳位型变流器的缺点如下：

   (1)钳位二极管的耐压要求较高，数量庞大。对于m电平变流器，如果使每个二极管的耐压等级相同，每相所需的二极管数量为（m-1）×（m-2）。这些二极管不但大大提高了成本，而且会在线路安装方面造成相当的困难，因此在实际应用中一般仅限于7电平或9电平变流器。

   (2)开关器件的导通负荷不一致。靠近母线的开关和靠近输出端的导通负荷不平衡，这样就导致开关器件的电流等级不同。在电路中，如果按导通负荷最严重的情况设计器件的电流等级，则每相有2×（m-2）个外层器件的电流等级过大，造成浪费。

   (3)在变流器进行有功功率传送的时候，直流侧各电容的充放电时间各不相同，从而造成电容电压不平衡，增加了系统动态控制的难度。

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