IGBT高壓變頻調速電源

圖4兩功率單元串聯變頻器的電氣連接

功率單元串聯而成，不是用傳統的器件串聯來實現高壓輸出，所以不存在器件均壓問題。每個功率單元承受全部的輸出電流，但僅承受1/5的輸出相電壓和1/15的輸出功率。變頻器采用多重化PWM技術，圖1變頻器由5對（每對含正反相信號）依次相移12°的三角載波對基波電壓進行調制。對A相基波調制所得的5個信號，分別控制A1～A55個功率單元，經疊加即可得圖3所示具有11級階梯的相電壓波形。它相當于30脈波變頻，理論上29次以下的諧波都可以抵消，總的電壓和電流失真可分別低至1.2％和0.8％，堪稱“完美無諧波”（Harmony）變頻器。它的輸入功率因數可達0.95以上，不必設置輸入濾波器和功率因數補償裝置。該系列變頻器同一相的功率單元輸出相同的基波電壓，串聯各單元之間的載波錯開一定的相位，每個功率單元的IGBT開關頻率若為600Hz，則當每相有5個功率單元串聯時，等效的輸出相電壓開關頻率為6kHz。功率單元采用低的開關頻率可以降低開關損耗，而高的等效輸出開關頻率和多電平可大大改善輸出波形。波形改善除減小輸出諧波外，還可降低噪音、du/dt值和電機的轉矩脈動。所以這種變頻器用于調速電源對電機無特殊要求，可用于普通的高壓電機，且不必降額，對輸出電纜長度也沒有特殊限制。

電壓型功率單元由于有足夠的濾波電容，變頻器可承受－30％電源電壓下降和5個周期電源喪失。這種主電路拓樸結構雖然使器件數量增加，但由于IGBT驅動功率很低（峰值為5W左右，平均不到1W），且不必采用均壓電路、吸改電路和輸出濾波器，使變頻器效率高達96％以上。

由功率單元構成高壓變頻器的另一種方案是采用高壓IGBT器件，以減少串聯功率單元。例如，用3.3kVIGBT器件，由兩個功率單元串聯的PWM電壓源變頻器，可輸出4160V中壓；若欲6000V高壓輸出，則只要用三單元串聯。功率單元和器件數量減少，損耗和故障率也減少。圖4為由兩功率單元串聯的變頻器電氣連接圖。由于輸出電壓電平級數減少，為獲得優良性能，這時變頻器需帶有輸出濾波器。

上述變頻器的每一功率單元都從一個由微處理器構成的中央控制器接受命令，控制和通訊信號由光導纖維傳送，能維持5kV的絕緣并保證良好的抗干擾性和可靠性。另外，由于采用模塊化結構，所有功率單元完全相同，可以互換，每個功率單元與裝置的聯系僅為3個交流輸入、2個交流輸出及三路通信插頭，單元的維修更換十分方便；如采用功率單元旁路技術，可使變頻器在功率單元損壞的情況下繼續降額運行。

4結語

工業中，中、高壓電動機有著大量的應用。要實現變頻調速，以前多采用所謂“高低高”方案，即中間仍采用低壓變頻器，而在它的輸入和輸出兩邊分別用降壓和升壓變壓器來適配電壓等級。這樣可利用價格相對較低、使用已很普遍的低壓變頻器。但這種方式，中間環節電流大，加上升降壓變壓器的損耗，系統效率低，體積龐大，可靠性下降。現在，已有了上述兩種結構的高壓變頻器產品，采用直接變頻調速，特別是1000kW以上的大功率電動機，無疑是更為合理的選擇。而且可以預計，隨著技術的進步，在電力傳動領域，二十一世紀將是高壓變頻器大顯神威的年代。