關(guān)于中、高壓變頻器的一些知識

(a)主電路

(b)系統(tǒng)框圖

圖6三電平逆變器的變頻器主電路和系統(tǒng)框圖

(a)三相相電壓與線電壓波形

(b)線電壓波形（放大）

圖7三電平PWM逆變器輸出電壓波形

持?jǐn)?、通不變?、4由通、斷→斷、通時，A端電壓由0→－）。同理，B、C每相電壓亦有＋、0、－三種電平。若每相均采用PWM控制，三相3電平PWM逆變器的輸出電壓波形如圖7(a)或圖7(b)所示。其中圖7(b)為輸出電壓濾波前后的波形。

與常規(guī)只有一個直流電壓，橋臂上、下管交替通斷每相輸出只有＋、－兩種電平的逆變器相比，3電平逆變器由于輸出電壓電平數(shù)增加（相電壓由2個增加到3個，線電壓由3個增加到5個），每個電平幅值下降，同時，每周期開關(guān)狀態(tài)由23=8種增加到33=27種，增加了PWM控制諧波消除算法的自由度，在同等開關(guān)頻率下，可使輸出波形質(zhì)量有較大提高，輸出dv/dt也有所減少。另外，雖然同一臂上有器件串聯(lián)，由于不出現(xiàn)任何兩個串聯(lián)器件同時導(dǎo)通或關(guān)斷，所以不存在器件動態(tài)均壓問題。加之每個主開關(guān)器件所承受的電壓僅為直流側(cè)電壓的一半，很適合高壓大

關(guān)于中、高壓變頻器的一些知識

(a)多重化結(jié)構(gòu)圖

(b)電路圖

(c)功率單元電路圖

圖8單元串聯(lián)多電平變頻器

容量的應(yīng)用場合。圖6(b)為變頻器系統(tǒng)框圖。順便指出，三電平變頻器的概念還可擴展到多電平，例如5電平，輸出電壓的臺階數(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，但器件的數(shù)量和系統(tǒng)的復(fù)雜性也大大增加了。

233多單元逆變器串聯(lián)

變頻器主電路如圖8所示。這是一種多重化結(jié)構(gòu)〔見圖8(a)〕，每相由功率單元串聯(lián)而成〔見圖8(b)〕，每個功率單元均為三相輸入、單相輸出的交直交電壓型低壓逆變器〔見圖8(c)〕。功率單元單相橋式逆變電路采用4種不同的開關(guān)模式可輸出0和±1三種電平。每個單元采用多電平移相PWM控制，即同一相每個單元的調(diào)制信號相同，而載波信號互差一個電角度且正反成對。圖9是3個功率單元串聯(lián)、一相電壓的形成波形，三角載波信號互差120°（4和5單元串聯(lián)則互差90°和72°）。這樣每個單元的輸出便是同樣形狀的PWM波，但彼此相差一個角度。圖10(a)是5單元串聯(lián)聯(lián)結(jié)后一相的輸出電壓波形，它有±5、±4、±3、±2、±1和0共11種電平，線電壓則有21種電平，見圖10(b)，可以看出，它已非常接近正弦波。

采用移相PWM控制，也使疊加后輸出電壓的等效開關(guān)頻率增加。例如，當(dāng)每個單元的PWM載波頻率為600Hz時，5單元串聯(lián)后輸出電壓等效開關(guān)頻率便為6kHz。一方面，開關(guān)頻率的提高更有助于降低電流諧波，另一方面，由于單元內(nèi)PWM載波頻率較低，不僅可減少開關(guān)損耗，還可使逆變器死區(qū)時間引起的誤差所占比例減少。

至于每相串聯(lián)的單元數(shù)決定于輸出電壓等級，當(dāng)每相用3、4、5個輸出電壓為480V的功率單元串聯(lián)，變頻器輸出額定電壓分別為2.3kV、3.3kV、4.16kV，如每相用5個690V或1275V的功率單元串聯(lián)，輸出額定電壓可達(dá)6kV和10kV，由于采用的是單元串聯(lián)，所以不存在器件直接串聯(lián)引起的均壓問題。

多單元串聯(lián)方案線路比較復(fù)雜，功率器件數(shù)量多，如用高壓（HV）IGBT，則可減少功率單元和器件的數(shù)量，例如用3.3kV的HVIGBT，則4.16kV和6kV的變頻器只有2個和3個單元串聯(lián)。

3整流電路

常用的整流器幾乎都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，直流側(cè)則采用電容濾波，這樣就使得它們交流側(cè)的電流呈尖峰性而非正弦波，圖11為單相整流示例。大量使用由這些電路構(gòu)成的裝置已成為電力系統(tǒng)中的主要諧波源，而且消耗大量的無功功率。為此，IEC、EN、IEEE均規(guī)定了諧波標(biāo)準(zhǔn)。參考應(yīng)用較為普遍的IEEE5191992，我國頒布了GB/T1454993《電能質(zhì)量補用電網(wǎng)諧波》國標(biāo)。凡不符合上述標(biāo)準(zhǔn)的電力電子設(shè)備均不允許進(jìn)、出口。

對相控整流電路，當(dāng)電壓為正弦波、電流為非正弦波時，其功率因數(shù)λ為λ=cosφ1=νcosφ1

圖93個功率單元串聯(lián)PWM控制波形

圖105單元串聯(lián)逆變器輸出電壓、電流波形

(b)輸出線電壓與相電流波形

(a)輸出相電壓波形

圖11整流橋及其輸入波形

圖12移相30°二重聯(lián)結(jié)電路

圖1312脈波整流電路電流波形