高壓變頻器
發(fā)布時間：2009-09-22 來源：揚子工具集團 瀏覽次數(shù):40528在工業(yè)場合，前者主要是由于采用各種變流器后產(chǎn)生的諧波電流失真引起的，后者主
要是由于采用大量電感性負載，如異步電機引起的。所以功率因數(shù)的控制要從上述二
方面入手。
由于采用了三電平PWM 整流電路，整流器三相輸入端和三電平變頻器三相輸出端
具有相似的電壓波形，輸入側(cè)的電感(也有用高阻抗輸入變壓器的漏感代替的，比如變
壓器設(shè)計為20%的漏感)能起到很好的濾波作用，對高次諧波電流的抑制作用尤為明
顯，輸入電流諧波失真為3%左右。有些方案，除了電感，還加上電容，組成LC 濾波
電路，輸入諧波電流失真可達1%以下。在降低輸入諧波同時，還解決了由于輸入電流
畸變引起的功率因數(shù)下降問題。
對于位移功率因數(shù)的控制，則是通過圖19 所示的功率因數(shù)控制電路實現(xiàn)的。通
過鎖相環(huán)電路PLL，得到電網(wǎng)三相電壓合成空間矢量s V
ρ
的位置角信號θ ，采取類似矢
量控制中磁場定向的辦法，將輸入電流空間矢量按電網(wǎng)電壓空間矢量位置(參考坐標(biāo))
進行定向，在電網(wǎng)電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上，將輸入電流矢量s I
ρ
分解為與電網(wǎng)電壓
矢量同向和與之垂直的二個分量，前者代表輸入電流的有功分量，后者代表無功分
量。在圖中，直流母線電壓給定信號*
d E 與直流母線電壓反饋信號d E ，經(jīng)過直流母線
電壓調(diào)節(jié)器AVR，輸出電流有功分量的給定值*
p I (通過調(diào)節(jié)輸入電流的有功分量，即
可調(diào)節(jié)直流母線電壓)，該給定值與根據(jù)實際檢測得到的電流經(jīng)坐標(biāo)變換得到的電流有
功分量反饋值p I 進行比較，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器ACR，輸出p V 。電流無功分量的給定值
*
q I 與根據(jù)實際檢測電流經(jīng)過坐標(biāo)變換得到的電流無功分量反饋值q I 進行比較，經(jīng)電流
調(diào)節(jié)器ACR，得到q V 。p V 和q V ，經(jīng)過電壓矢量計算，得到整流器輸入的空間電壓矢
量c V
ρ
，控制整流器功率開關(guān)的動作。
當(dāng)*
q I =0 時，控制輸入功率因數(shù)為1；當(dāng)*
q I 為恒定值時，為恒無功功率控制模
式；當(dāng)*
q I 跟隨*
p I 正比變換，其比值保持恒定時，可實現(xiàn)恒功率因數(shù)控制方式。
圖19 輸入功率因數(shù)控制原理
2.4 三電平變頻器的派生方案
三電平變頻器的概念還可擴展到多電平，比如圖20 所示的即為采用二極管
箝位結(jié)構(gòu)的五電平變頻器，其原理與三電平變頻器大同小異，輸出電壓臺階數(shù)更多，
波形更好，在相同器件耐壓下，可輸出更高的交流電壓，適合做成更高電壓等級的變
頻器，但器件的數(shù)量和系統(tǒng)的復(fù)雜性也大大增加了。
圖20 二極管箝位式五電平變頻器
除了前面提到的采用二極管箝位式的三電平或多電平變頻器，還有采用電容飛跨
箝位式的多電平變頻器，如圖21 所示，限于篇幅，詳細原理不再介紹。
圖21 電容飛跨箝位式五電平變頻器
3 單元串聯(lián)多電平PWM 電壓源型變頻器
單元串聯(lián)多電平PWM 電壓源型變頻器采用若干個低壓PWM 變頻功率單元串聯(lián)的方
式實現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器具有對電網(wǎng)諧波污染小，輸入功率因數(shù)高，不必采用
輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置。輸出波形好，不存在諧波引起的電機附加發(fā)熱
和轉(zhuǎn)矩脈動，噪音，輸出dv/dt，共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機。
3.1 單元串聯(lián)多電平變頻器原理
單元串聯(lián)多電平變頻器采用若干個獨立的低壓功率單元串聯(lián)的方式來實現(xiàn)高壓輸
出，其原理如圖22a 所示。6KV 輸出電壓等級的變頻器主電路結(jié)構(gòu)如圖22b。電網(wǎng)電壓
經(jīng)過副邊多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，功率單元為三相輸入，單相輸
出的交直交PWM 電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)(圖22c)，相鄰功率
單元的輸出端串接起來，形成Y 接結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電
動機。每個功率單元分別由輸入變壓器的一組副邊供電，功率單元之間及變壓器二次
繞組之間相互絕緣。
圖22 單元串聯(lián)多電平變頻器
a) 電壓迭加原理 b)主電路結(jié)構(gòu) c)功率單元結(jié)構(gòu)
對于額定輸出電壓為6KV 的變頻器，每相由5 個額定電壓為690V 的功率單元串
聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達3450V，線電壓可達6KV 左右，每個功率單元承受全部
的輸出電流，但只提供1/5 的相電壓和1/15 的輸出功率。當(dāng)每相由3 個額定電壓為
480V 的功率單元串聯(lián)時，變頻器輸出額定電壓為2300V，當(dāng)每相由4 個額定電壓為
480V 的功率單元串聯(lián)時，變頻器輸出額定電壓為3300V，當(dāng)每相由5 個額定電壓為
480V 的功率單元串聯(lián)時，變頻器輸出額定電壓為4160V，當(dāng)每相由5 個額定電壓為
1275V 的功率單元串聯(lián)時，變頻器輸出額定電壓為10KV 左右。所以，單元的電壓等級
和串聯(lián)數(shù)量決定變頻器輸出電壓，單元的電流額定決定變頻器輸出電流。由于不是采
用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)的方式來實現(xiàn)高壓輸出，而是采用整個功率單元串聯(lián)，所以不存在
器件串聯(lián)引起的均壓問題。這種變頻器的一個發(fā)展方向是采用額定電壓較高的功率單
元，比如額定電壓為1275V 的單元，單元內(nèi)可采用3300V 的IGBT，以達到在滿足輸
入，輸出波形質(zhì)量要求的前提下，盡量減少每相串聯(lián)單元的個數(shù)，降低成本。
輸入變壓器實行多重化設(shè)計，以達到降低輸入諧波電流的目的。以6KV 變頻器為
例，變壓器的15 個副邊，采用延邊三角形接法，分為5 個不同的相位組，互差12°電
角度，形成30 脈沖的二極管整流電路結(jié)構(gòu)，所以理論上29 次以下的諧波都可以消
除，輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真可低于1%，見圖23。即使對于每相
3 個功率單元串聯(lián)的結(jié)構(gòu)(2300V 電壓等級)，整流電路是18 脈沖結(jié)構(gòu)，輸入諧波電流
失真也在3%以下。在變壓器副邊分配時，組成同一相位組的每三個副邊，分別給分屬
于電機三相的功率單元供電，這樣，即使在電機電流出現(xiàn)不平衡的情況下，也能保證
各相位組的電流基本相同，達到理想的諧波抵消效果。這種變頻器不加任何諧波濾波
器就可以滿足供電部門對電壓和電流諧波失真的要求。由于采用二極管整流的電壓源
型結(jié)構(gòu)，電機所需的無功功率可由濾波電容提供，所以輸入功率因數(shù)較高，基本可保
持在0.95 以上，不必采用功率因數(shù)補償裝置。
圖23 單元串聯(lián)多電平變頻器輸入波形
逆變器輸出采用多電平移相式PWM 技術(shù)，同一相的功率單元輸出相同幅值和相位
的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯開一定電角度，實現(xiàn)多電平PWM，輸出
電壓非常接近正弦波。圖24 為一6KV 電壓等級變頻器的輸出電壓和電流波形。每個電
平臺階只有單元直流母線電壓大小，dv/dt 很小，使得電機絕緣不會受到影響。功率
單元采用較低的開關(guān)頻率，以降低開關(guān)損耗，且可以不用浪涌吸收電路，提高變頻器
的效率。由于采取多電平移相式PWM，等效輸出開關(guān)頻率很高，且輸出電平數(shù)增加，
可大大改善輸出波形，降低輸出諧波，諧波引起的電機發(fā)熱，噪音和轉(zhuǎn)矩脈動都大大
降低。所以這種變頻器對電機沒有特殊的要求，可用于任何普通的高壓電機，也可用
于舊電機，且不必降額使用。由于輸出dv/dt 很低，不會產(chǎn)生輸出電纜較長時行波反
射引起浪涌電壓增加造成電機絕緣破壞問題，所以對變頻器輸出至電機之間的電纜長
度沒有特殊限制。
圖24 單元串聯(lián)多電平變頻器輸出波形
與采用高壓器件直接串聯(lián)的變頻器相比，采用這種主電路拓撲結(jié)構(gòu)會使器件的數(shù)
量增加，對于6KV 變頻器，共使用60 個低壓IGBT，但低壓IGBT 門極驅(qū)動功率較低，
其峰值值驅(qū)動功率不到5W，平均驅(qū)動功率不到1W，驅(qū)動電路非常簡單。由于開關(guān)頻率
很低，且不必采用均壓電路和浪涌吸收電路，所以系統(tǒng)在效率方面仍具有較大的優(yōu)
勢，變頻器效率可達98.5%以上，包括輸入變壓器和變頻器的總體效率一般可高達
97%。由于功率單元采用電容濾波的電壓源型結(jié)構(gòu)，變頻器可以承受30%的電源電壓下
降而繼續(xù)運行(降額運行)，并且在電網(wǎng)瞬時斷電5 個周期內(nèi)還能滿載運行。功率單元
中采用目前低壓變頻器中廣泛使用的低壓IGBT 功率模塊，技術(shù)成熟，可靠。
由于采用二極管不可控整流電路結(jié)構(gòu)，所以變頻器對浪涌電壓的承受能力較強，
雷擊或開關(guān)操作引起的浪涌電壓可以經(jīng)過變壓器(變壓器的阻抗一般為8%左右)，產(chǎn)生
浪涌電流，經(jīng)過功率單元的整流二極管，給濾波電容充電，濾波電容足夠吸收進入到
單元內(nèi)的浪涌能量。另外，變壓器原邊安裝了壓敏電阻浪涌吸收裝置，起到進一步保
護作用。而一般的電流源型變頻器，輸入阻抗很高，對浪涌電壓的吸收效果就遠遠不
如電壓源型變頻器。
功率單元與主控系統(tǒng)之間通過光纖進行通訊，以解決強弱電之間的隔離問題和干
擾問題。功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，所有的功率單元可以互換，維修也比較方便，每
個單元只有3 個輸入，2 個輸出電氣連接端和一個光纖插頭與系統(tǒng)連接，所以功率單
元的更換十分方便。采用功率單元自動旁路技術(shù)可使變頻器在功率單元損壞的情況下
繼續(xù)運行(降額運行)，大大提高系統(tǒng)的可靠性。若采用冗余功率單元設(shè)計方案，即使
在功率單元損壞的前提下，還能滿載運行。由于采用二極管整流電路，所以能量不能
回饋電網(wǎng)，不能四象限運行，主要應(yīng)用領(lǐng)域為風(fēng)機和水泵。如需要應(yīng)用于要求能量回
饋的場合，需要把整流橋采用IGBT 做PWM 整流，但成本會大大提高。
3.2 多重化整流電路
將幾個橋式整流電路多重聯(lián)結(jié)可以減少輸入諧波電流，采用自換相整流電路可以
提高位移功率因數(shù)。本變頻器采用的就是多重化聯(lián)結(jié)的自換相整流電路。多重化輸入
變壓器的設(shè)計方法很多，下面介紹其中一種多重化的原理。
在下面分析中不考慮變壓器漏抗引起的重疊角，并且假設(shè)整流變壓器各繞組的線
電壓之比為1:1。為了分析方便，假定直流環(huán)節(jié)電流為恒定值，這個條件一般在電流
源型變頻器中近似成立，在電壓源型變頻器中，直流環(huán)節(jié)電流則為脈動狀。
1 移相30°構(gòu)成的12 脈沖整流電路 圖25 是這種電路的原理圖，整流
變壓器二次繞組分別采用星形和三角形聯(lián)結(jié)，構(gòu)成相位差30°，大小相等的兩組電
壓，接到二組整流橋。因繞組聯(lián)結(jié)不同，變壓器一次繞組和兩組二次繞組的匝比如圖
所示，為1:1: 3 。
圖25 12 脈沖整流電路結(jié)構(gòu)
圖26 為該電路輸入電流波形圖。其中圖c 的′
ab2 i 在圖中未標(biāo)出，它是
第Χ 組整流橋iab2折算到變壓器一次側(cè)A 相繞組中的電流。圖d 的中輸入電流iA 為圖
a 的ia1和圖c 的′
ab2 i 之和。
圖26 12 脈沖整流電路電流波形
對圖26 波形 iA進行傅利葉分析，可得其基波幅值A(chǔ)1和n 次諧波
幅值A(chǔ)n分別如下：
d A I
π
4 3
1 =
k d I
k
A
π
4 3
12 1
1
12 1 ±
= ± (k=1,2,3…)
即輸入電流諧波次數(shù)為11，13，23，25，35，37，…。其幅值與次數(shù)成反比而降
低。
該電路的其它特性如下：
輸入電流有效值 d I 1.577I 1 =
輸入電流總畸變率 THDi = 0.1522
位移因數(shù)cosϕ cosα 1 =
基波因數(shù) ( 2) 0.9886 1 1 ν = A I =
功率因數(shù) λ ν cosϕ 0.9886cosα 1 = =
2 移相20°構(gòu)成的18 脈沖整流電路 圖27 是其電路圖，其中整流橋
采用簡化畫法。對于整流變壓器來說，采用星形，三角形聯(lián)結(jié)組合無法移相20°，這
里第I，III 繞組采用了延邊三角形曲折聯(lián)結(jié)。這種連接的每相由對應(yīng)于一次側(cè)不同相
的繞組串聯(lián)而成，改變所取繞組的匝比可以實現(xiàn)任意角度的相移。以一次側(cè)每相繞組
為1 時，通過求解圖27 中第I 組橋a1相繞組的三角形可得圖中繞組
Wx，Wy的匝數(shù)分別為
0.395
sin120
= sin 20 = °
°
x N
0.742
sin120
= sin 40 = °
°
y N
圖27 18 脈沖整流電路結(jié)構(gòu)
圖28 為整流變壓器一次側(cè)輸入電流波形iA，其基波和諧波幅值分別為：
d A I
π
6 3
1 =
k d I
k
A
π
6 3
18 1
1
12 1 ±
= ± (k=1,2,3…)
即輸入電流諧波次數(shù)為17，19，35，37，53，55，…。其幅值與次數(shù)成反比而降
低。
圖28 18 脈沖整流電路輸入電流波形
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