单元串联多重化电压源型变频电源

    所谓多重化技术就是每相采用几个低压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脉冲变频电源所产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频电源。图2-3为6kV变频电源的主电路拓扑图。

    图2-3    多重化变频器拓扑结构图

    由电网引入的三相高压交流电经移相变压器，由其二次侧每相的5个二次绕组将电压移相12°供给5个功率单元各功率单元如图2-4所示，即为常规交-直-交电压型逆变器，输入侧为三相全桥二极不控整流，中间为电容滤波环节，输出侧为IGBT单相全控形式。即在A、B两点之间得到PWM波形，5个功率单元相叠加即可输出高电压正弦波给交流感应电动机。每个功率单元承受电压为690V，5个单元串联后相电压为3450V，对应线电压为6000V。该变频电源在系统设计上采用了多项先进技术如下：

   (1)曲折变压器移相技术，逆变整流侧通过曲折变压器移相而实现的30脉冲整流，从理论上29次以下的谐波电流都可以消除，使变频电源的谐波抑制能力大大加强。因整流桥采用二极管不控整流，任何负载下输入电压与输入电流的相移接近于1，这种关系通过变压器折合到一次侧，使电网侧电压与电流之间几乎无相移，因此功率因数可以接近于1。

   (2)采用高频快速的IGBT作为主回路的开关器件，提供了较高的开关频率，以减小电流和转矩的脉动。

   (3)采用全数字化光纤控制技术，控制柔性和可靠性被大大提高。

   (4)多级PWM输出波形生成技术，单元逆变桥输出PWM波形和以及5级移相叠加后得到的变频电源输出电压，输出电压呈现电平台阶形逐级错开的理想状态，实现了高质量的功率输出，大大减少了输出电压的du/dt脉动对电机绕组的冲击，在这种PWM控制方法下，功率器件开关频率是电动机绕组的等效开关频率的10倍，以较小的器件开关损耗实现了较高的电动机运行性能。

    图2-4    五功率单元串联变频器的电气连接

   (5)实现了功率单元标准模块化，IGBT驱动电路智能化，并在功率单元回路设计中，应用了功率母线技术。系统有着完善的检测及保护功能。

    图24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2-5。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2-6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中压变频电源，也称为单元串联多电平PWM电压型变频电源，采用功率单元串联，而不是用传统的功率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。

    图2-5    功率单元电路

    变频电源由于采用多重化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2-6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电源。它的输入功率因数可达0.95以上，不必设置输入滤波器和功率因数补偿装置。变频电源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、du/dt值和电动机的转矩脉动。所以这种变频电源对电动机无特殊要求，可用于普遍笼型电动机，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，变频电源可承受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，可使变频电源的效率高达96%以上。单元串联多重化变频电源的优点是：

    图2-6    五功率单元串联输出电压波形

   (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动机使用。

   (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。

    单元串联多重化变频电源的缺点是：

   (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，安装位置占用空间大。

   (2)无法实现能量回馈及四象限运行，且无法实现制动。

   (3)当电网电压和电动机电压不同时无法实现旁路切换控制。

    (4)所需高压电缆太多，系统的内阻无形中增大，接线太多，故障点相应的增多。

   (5)一个单元损坏时，单元可旁路，但此时输出电压不平衡中心点的电压是浮动的，造成电压、电流不平衡，从而谐波也相应的增大，长时间运行会导致电动机的损坏。

   (6)输出电压波形在额定负载时尚好，低于25 Hz以下波形畸变突出。

   (7)由于系统中存在着变压器系统效率不高，移相变压器中6kV三相6绕组×3（10kV时需12绕组×3）延边三角形接法，在三相电压不平衡（实际上三相电压是不可能绝对平衡的）时，产生的内部环流，必将引起内阻的增加和电流的损耗，也相应的就造成了变压器的铜损增大。此时，再加上变压器的铁芯的固有损耗，变压器的效率就会降低，也就影响了整个中压变频电源的效率。这种情况在越低于额定负荷运行时，越是显著。10kV时，变压器有近400个接头、近百根电缆。在额定负荷时效率可达96%，但在轻负荷时，效率低于90%。

    用功率单元串联构成中压变频电源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电源可输出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要成本高，虽然功率器件减少了，但成本不一定下降。

（作者稿费要求：需要高清无水印文章的读者3元每篇，请联系客服，谢谢！在线客服：）