電源設計指南：拓撲結構（二）

7變壓器耦合輸出高壓變頻器

中高壓變頻器的主電路拓撲結構，除了前面提到的二電平、多電平和單元串聯多重化方案外，1999年，有人提出了一種新型的變壓器耦合式單元串聯高壓變頻器主電路拓撲結構。其主要思想是用變壓器將三個由高壓IGBT或IGCT構成的常規二電平三相逆變器單元的輸出疊加起來，實現更高電壓輸出，并且這三個常規逆變器可采用普通低壓變頻器的控制方法，使得變頻器的電路結構及控制方法都大大簡化。

圖11是這種新型高壓變頻器的拓撲結構圖，該

圖11變壓器耦合輸出變頻器主電路拓撲結構圖

(a)3相AC6600V主電路

(b)富士完美無諧波功率單元

圖10富士FRENIC4600FM4變頻器電路結構圖

方案由下列部分組成：

——一個18脈波的輸入變壓器，可基本實現輸入電流無諧波；

——三個常規兩電平的三相DC/AC逆變器；

——三個變化為1：1的輸出變壓器；

——高壓電機。

下面從幾個方面分析其工作原理。

1）電壓關系

考慮電機的線電壓，可得：

UKL=Ua1b1＋Ub1a2＋Ua2b2

ULM=Ub2c2＋Uc2b3＋Ub3c3（1）

UMK=Uc3a3＋Ua3c1＋Uc1a1

由于輸出變壓器的變比為1：1，也就是

Ub1a2=Ua3b3，Uc2b3=Uc1b1，

Uc1a3=Ua2b2，于是可得到，

UKL=Ua1b1＋Ua2b2＋Ua3b3

ULM=Ub1c1＋Ub2c2＋Ub3c3（2）

UMK=Uc1a1＋Uc2a2＋Uc3a3電壓間的這種關系體現在圖12中。每個逆變器都采用SPWM或空間電壓矢量PWM（SVPWM）控制方法，每個逆變器輸出線電壓的有效值為〔〕aE，其中E為逆變器輸入直流電壓，a為調制深度，在諧波注入SPWM和SVPWM中a最大可為1.15。由式（2）可得電機線電壓的有效值為〔〕aE。

對線電壓為2300V的高壓電機，E=1090V，采用額定電壓為1700V的IGBT就可構成本系統；對線電壓為4160V的高壓電機，E=1970V，可采用額定電壓為3300V的IGBT；而當高壓電機的線電壓為6600V時，E=3130V，則應采用額定電壓為4500V的IGCT；因此本方案具有很強的適應性。

2)電流關系

設電機三相電流平衡，電流的有效值為I，在不考慮電流諧波的情況下ia1=Isin(ωt)ib2=Isin(ωt－120°)（3）ic3=Isin(ωt＋120°)

在圖12中，ia1=i4－i6，ib2=i6－i2，i2＋i4＋i6=0，從而有ia1=Isin(ωt＋90°)ib2=Isin(ωt－30°)（4）ic3=Isin(ωt－150°)

考慮到輸出變壓器原邊和副邊電流相等，可計算得到第一個逆變器的三個輸出電流為，ia1=Isin(ωt)ib1=Isin(ωt－120°)（5）ic1=Isin(ωt＋120°)

另外兩個逆變器的三個輸出電流也滿足以上關系，即：ia1=ia2=ia3=Isin(ωt)ib1=ib2=ib3=Isin(ωt－120°)(6)ic1=ic2=ic3=Isin(ωt＋120°)

也就是說三個逆變器輸出電流完全平衡。

3）功率關系在得出電壓電流關系式后，我們很容易得到該高壓變頻器各部分間的功率關系。很顯然三個逆變器的視在功率VA1，VA2，VA3為VA1=VA2=VA3=〔〕aEI，而整個高壓變頻器的視在功率VA為VA=〔〕aEI，也就是說三個逆變器均分了整個變頻器的輸出。

4）PWM策略

由于三個逆變器電壓、電流和功率完全對稱，因此三個逆變器可采用完全相同的控制規律，這時加在電機的線電壓等于一個逆變器輸出線電壓的三倍，相當于一個兩電平的PWM高壓變頻器，這種方法雖然簡單，但由于dv/dt太大，不宜采用。

一種比較好的方法是將三個逆變器的PWM信號相互錯開1/3個開關周期，對SPWM來說就是三個逆變器各自采用一個三角波，且這三個三角波之間相位互差120°。圖13是采用這種方法后得到的電機線電壓波形，其中電壓頻率為40Hz，注入了15％的三

中高壓變頻器主電路拓撲結構的分析比較

次諧波。可以看出這就是一個線電壓為7電平的高壓變頻器，相當于四電平變頻器的線電壓波形。

5）輸出變壓器輸出變壓器在本方案中起著十分重要的作用，也可能是本方案的薄弱環節，因為太大容量的變壓器會限制它的應用。一般情況下該變壓器可采用圖14所示結構。從前面分析知道，輸出變壓器各繞組間的電壓有效值都為〔〕aE，且流過各繞組的電流相等，有效值都為，于是可得到該變壓器的容量為〔〕aE，也就是說輸出變壓器的容量為變頻器總容量的1/3，比高－低－高方案中的輸出變壓器的容量要小的多。

這種高壓變頻器方案具有如下突出的優點：

1）以三個常規的變頻器為核心可構成高壓變頻器；

2）三個常規變頻器平衡對稱運行，各自分擔總輸出功率的1/3；

3）整個變頻器的輸出可等效為7電平PWM輸出波形優于普通三電平變頻器，與四電平變頻器相同。總諧波畸變THD0.3％，dv/dt也較低；

4）輸出變壓器的容量只需總容量的1/3，可以內置，也可以外裝；

5）18脈波輸入二極管整流器，網側諧波小，功率因數高。8結語

功率器件串聯二電平電流型變頻器由于其本身的缺點，使用越來越受到限制。

單元串聯多重化變頻器是由于當時功率器件耐壓太低的產物，系統復雜，器件數量多，體積龐大，故障率高；但卻歪打正著，贏得了無可比美的輸入輸出波形，堪稱“完美無諧波”；改進的方法是用高壓IGBT或IGCT組成功率單元，以減少單元數，縮小體積，但卻是以犧牲波形為代價的，要加輸出濾波器，使諧波達標。

采用高壓IGBT、IGCT的三電平變頻器具有結構簡單，可靠性高，器件數量少，效率高的優點，在高壓供電面前，能用多電平，誰還會去用多重化呢？但波形稍差，需加LC輸出濾波器，即使如此其成本也比多重化變頻器低。目前由于器件耐壓的限制，輸出電壓只能達到4.16kV，若要輸出6kV，可采用電機Y/△改接的辦法，看來這是6kV電機節能改造最經濟合理的方案。

變壓器耦合輸出高壓變頻器，有望用目前耐壓水平的器件實現6kV、10kV高壓輸出，是一種很有前途的新型高壓變頻方案。

隨著功率器件的不斷發展，在中等功率高壓變頻器中，GTO即將退出舞臺，而高壓IGBT、IGCT是很有發展前途的器件，是解決中高壓變頻的希望；IGCT由于其導通壓降低、損耗小而占有一定的優勢，將成為高壓變頻器的主要功率器件。