中高压变频器主电路拓扑结构的分析比较

但是仔细分析，该型变频器的性能价格优势并不大，与其同时采用多电平和多重化两种技术，还不如采用前面提到的高压IGBT的多重化变频器，反而显得有些不伦不类。因为，用三电平技术构成单相逆变功率单元，在器件数量上并不占优势，要比同样电压和功率等级的三电平三相逆变器足足多用一倍的器件，同样比普通单相逆变功率单元也正好多出一倍的器件。例如：用3300V耐压的IGBT器件，采用单元串联多重化电路6kV系统每相需三个单元串联，总共9个单元，共需54只整流二极管，36只IGBT；而采用三电平功率单元，每相需两个单元串联，总共6个单元，共需72只整流二极管，48只IGBT，足足多用了1/3的器件并且使功率单元的冗余成本增加了一倍，降低了多重化变频器冗余性能好的优点，同时增加了装置的成本。所以该型变频器实际上并不可取。 

7 变压器耦合输出高压变频器
中高压变频器的主电路拓扑结构，除了前面提到的二电平、多电平和单元串联多重化方案外，1999年，有人提出了一种新型的变压器耦合式单元串联高压变频器主电路拓扑结构。其主要思想是用变压器将三个由高压IGBT或IGCT构成的常规二电平三相逆变器单元的输出叠加起来，实现更高电压输出，并且这三个常规逆变器可采用普通低压变频器的控制方法，使得变频器的电路结构及控制方法都大大简化。 
图11是这种新型高压变频器的拓扑结构图，该方案由下列部分组成： 
——一个18脉波的输入变压器，可基本实现输入电流无谐波； 
——三个常规两电平的三相DC/AC逆变器； 
——三个变化为1：1的输出变压器； 
——高压电机。 

下面从几个方面分析其工作原理。 
1）电压关系 
考虑电机的线电压，可得： 

电压间的这种关系体现在图12中。每个逆变器都采用SPWM或空间电压矢量PWM（SVPWM）控制方法，每个逆变器输出线电压的有效值为〔(2)〕aE，其中E为逆变器输入直流电压，a为调制深度，在谐波注入SPWM和SVPWM中a最大可为1.15。由式（2）可得电机线电压的有效值为〔3/2〕aE。 

对线电压为2300V的高压电机，E=1090V，采用额定电压为1700V的IGBT就可构成本系统；对线电压为4160V的高压电机，E=1970V，可采用额定电压为3300V的IGBT；而当高压电机的线电压为6600V时，E=3130V，则应采用额定电压为4500V的IGCT；因此本方案具有很强的适应性。 
2)电流关系 
设电机三相电流平衡，电流的有效值为I，在不考虑电流谐波的情况下

考虑到输出变压器原边和副边电流相等，可计算得到第一个逆变器的三个输出电流为，
 ia1=Isin(ωt)
ib1=Isin(ωt－120°)（5）
ic1=Isin(ωt＋120°)
另外两个逆变器的三个输出电流也满足以上关系，即：
ia1=ia2=ia3=Isin(ωt)
ib1=ib2=ib3=Isin(ωt－120°)(6)
ic1=ic2=ic3=Isin(ωt＋120°) 
也就是说三个逆变器输出电流完全平衡。 
3）功率关系
在得出电压电流关系式后，我们很容易得到该高压变频器各部分间的功率关系。很显然三个逆变器的视在功率VA1，VA2，VA3为VA1=VA2=VA3=〔9/(2)〕aEI，而整个高压变频器的视在功率VA为VA=〔3/(2)〕aEI，也就是说三个逆变器均分了整个变频器的输出。 
4）PWM策略 
由于三个逆变器电压、电流和功率完全对称，因此三个逆变器可采用完全相同的控制规律，这时加在电机的线电压等于一个逆变器输出线电压的三倍，相当于一个两电平的PWM高压变频器，这种方法虽然简单，但由于dv/dt太大，不宜采用。 
一种比较好的方法是将三个逆变器的PWM信号相互错开1/3个开关周期，对SPWM来说就是三个逆变器各自采用一个三角波，且这三个三角波之间相位互差120°。图13是采用这种方法后得到的电机线电压波形，其中电压频率为40Hz，注入了15％的三次谐波。可以看出这就是一个线电压为7电平的高压变频器，相当于四电平变频器的线电压波形。 

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