多电平电压型变频器的基本原理及实例

    图10-22为三电平逆变器一相的基本结构，V1～V4代表一相桥臂中的4个功率开关，VD1～VD4为反并联的续流二极管，VD5、VD6为钳位二极管，所有的二极管要求与功率开关相同的耐压等级。Ed为一组电容二端电压，C为中心点。

    图10-22    三电平基本结构

    对于每相桥臂通过控制功率器件V1～V4的开通、关断，在桥臂输出点可获得三种不同电平+Ed、0、=Ed，见表10-5。

    表10-5    三电平变频器每相输出电压组合表

    由表10-5看出，功率开关V1和V3状态是相反的，V2与V4也是相反的。同时规定，输出电压只能是+Ed到0、0到-Ed，或相反地变化，不允许在+Ed和-Ed之间直接变化。所以不存在两个器件同时开通或同时关断，也就不存在动态均压问题。

    对于由三个桥臂组成的三相逆变器，根据三相桥臂U、V、W的不同开关组合，最终可得到三电平变频器的3³=27种开关模式，见表10-6。

    表10-6    三电平变频器输出状态表

    采用中心点钳位方式使输出增加了一个电平，输出电压的台阶高度降低了一半，而且很重要的一点是增加了输出PWM控制的自由度。使输出波形质量在同等开关频率条件下有较大的提高。

    图10-23为三电平变频器主电路结构图，整流电路采用12脉冲二极管整流结构。逆变部分功率器件可以采用IGCT，反并联续流二极管集成在IGCT中。由于受到器件开关损耗，尤其是关断损耗的限制，IGCT的开关频率为600Hz左右。直流环节用两组电容分压，得到中心点。直流环节还有d//dt限制电路、共模电抗器、保护用IGCT等。di/dt限制电路主要由di/dt限制电抗器、与之反并联的续流二极管和电阻组成，因为IGCT器件本身不能控制di/dt，所以必须通过外加di/dt限制电路，使逆变器IGCT反并联续流二极管的反向恢复控制在安全运行范围内，同时该电路也用于限制短路时的电流上升率。共模电抗器一般在变压器与变频器之间分开安置，且在变压器二次绕组和整流桥输入之间电缆较长时采用，当变压器与变频器一起放置时，可以省去。其作用主要是承担共模电压和限制高频漏电流，因为当输出设置滤波器时，由于滤波电容的低阻抗，电动机承受的共模电压极低，共模电压由输入变压器和逆变器共同承担，当变压器与变频器之间电缆较长时，线路分布电容较大，容抗下降，导致变压器承受的共模电压下降，逆变器必须承受较高的共模电压，影响功率器件安全，共模电抗器是设计用来承担共模电压的。

    图10-23    三电平变频器

    另外，高频的共模电压还会通过输出滤波电容、电缆分布电容形成通路，产生高频漏电流，影响器件安全，共模电抗器也起到抑制高频漏电流的作用。保护用IGCT的作用是当逆变器发生短路等故障时，切断短路电流，起到相当于快速熔断器的作用。由于逆变电路采用IGCT作为功率器件，而IGCT本身不像IGBT那样存在过电流退饱和效应，可以通过检测集电极电压上升来进行短路检测，并通过门极关断进行保护，所以必须通过霍尔电流传感器检测过电流，然后通过串联在上下直流母线上的两个保护用IGCT进行关断。由于直流环节存在较大阻抗，这样电网的浪涌电压整流桥形成浪涌电流，再通过滤波电容，吸收的效果大大降低，为了保护整流二极管免受浪涌电压的影响，在整流桥输出端上并联了阻容吸收电路。钳位二极管保证了桥臂中最外侧的两个IGCT承受的电压不会超过一半的直流母线电压（确切地说，应该是对应侧滤波电容的电压），所以最外侧的两个IGCT不存在过电压问题。内侧的两个器件仍要并联电阻，以防止产生过电压。因为在同侧两个器件同时处于阻断状态时，内侧的器件承受的电压可能超过一半的直流母线电压，具体电压取决于同侧两个器件的漏电流匹配关系。

    如果不加输出滤波器，三电平变频器输出时电动机电流总谐波失真可以达到17%左右，会引起电动机谐波发热、转矩脉动。输出电压跳变台阶为一半直流母线电压，du/dt也较大，会影响电动机绝缘，所以一般需配特殊电动机。若要使用普通电动机，必须附加输出滤波器。输出滤波器有du/dt滤波器和正弦波滤波器两种，du/dt滤波器容量较小，只对电压变化率起抑制作用，使电动机绝缘不受du/dt的影响，对电动机运行动态性能的影响较小，如果系统动态性能要求较高时，适合采用这种滤波器，而且成本较低。正弦波滤波器容量较大，输出电压波形可大大改善，接近正弦波，由于滤波器的阻抗较低，而且滤波器中点接地，使电动机承受的共模电压很小，电动机绝缘不受影响。正弦波滤波器的滞后作用会影响系统的动态响应，同时由于滤波器对输出电压的衰减作用，也会限制变频器的最低运行频率。由于滤波器采取低通设计，还限制变频器的输出上限频率。滤波器在满载时的损耗会降低变频系统效率0.5%左右。

    图10-24为三电平变频器输出电压和经滤波器后输出至电动机的电压波形。图10-25 (a)、(b)分别示出了未经滤波和经滤波后电压的谐波分布图。滤波前，输出总电压谐波失真为29%。经过滤波后，可降低到4%左右，电动机的电流谐波失真可从17%降低到2%左右。

    图10-24    三电平变频器输出电压和滤波后电压

    以三电平变频器的例子可扩展到多电平，例如图10-26所示即为用二极管钳位结构的五电平变频器，其原理与三电平变频器基本相同，不同在于输出电压的台阶数更多、波形更好，在相同器件耐压下，可输出更高的交流电压，适合做成更高电压等级的变频器，但器件的数量和系统的复杂性也大大增加了。

    除了前面提到的二极管钳位方式的三电平或多电平变频器外，还有其他钳位方式，如采用电容飞跨钳位式的多电平变频器，如图10-27所示。

    图10-25    三电平变频器输出电压谐波和滤波后电压谐波

   (a)变频器输出电压谐波；(b)滤波后电压谐波

    图10-26    二极管钳位式五电平变频器

   (a)电路；(b)开关状态表；(c)输出波形

    法国AISTOM公司生产的AISPAVDM6000系列高压变频器是四电平变频器，其原理框图如图10-28所示。由图可见，它是一个模块化结构，这就说明它的功率元器件不是简单地串并联，而是结构上的串并联，这就保证了电压的安全和自然分配。

    这种变频器的主要特点是：

    图10-27    电容飞跨钳位式五电平变频器

   (a)电路；(b)开关状态表；(c)输出波形

   1)通过整体单元装置的串并联拓扑技术以满足不同电压等级（如3.3，4.2，5.5，6.6，10kV等）的需要。

   2)这种结构可使系统普遍采用直流母线方案，以实现在多台高压变频器内部的能量互相交换。

   3)这种结构没有传统结构中的各级元器件上的众多分压分流装置，消除了系统可靠性低的因素，从而使系统结构非常简单、可靠、易于保护。

   4)输出波形非常接近于正弦波，可适用于普通感应电动机和同步电动机调速，而无需降低容量，没有du/dt对电动机绝缘等的破坏，电动机没有额外的温升，是一种技术先进的高压变频器。

    图10-28    四电平变频器原理图

   AISPA VDM6000系列高压变频器根据不同的需要配置各种不同的电路。例如根据电网对谐波的需要构成12脉冲、18脉冲的二极管整流或晶闸管整流电路，若要将电能反馈到电网，则有晶闸管反并联组成的整流桥电路；若要求全控制对电网的谐波、功率因数及实现四象限运行，可选择IGBT构成的整流桥（可称为有源前端变频器）。

   AISPA VDM6000系列四电平高压变频器的输出电压、输出电流波形图10-29所示。

    图10-29    AISPAVDM6000系列四电平高压变频器的输出电压、输出电流波形图

   (a)电压波形；(b)电流波形

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