IGBT功率单元多级串联电压型变频器的主电路结构

    功率单元串联的方法解决了用低电压的IGBT实现高（中）压变频的困难，它既保留了IGBT和PWM技术相结合所具有的各项优点，且在减小谐波分量等方面有更大的改进，变频器的功率得以提高。山东风光JD - BP37系列高（中）压变频器的系统结构如图6-11所示。

    图6-11    山东风光JD - BP37系列高（中）压变频器的系统结构

    多级串联高（中）压变频器采用多级小功率低电压IGBT的PWM变频单元，分别进行整流、滤波、逆变，将其串联叠加起来得到高（中）压三相变频输出。例如，对于6 kV输出，每相采用6组低压IGBT功率单元，每个功率单元由一体化的输入隔离变压器二次绕组分别供电，二次绕组采用延边三角形接法，18个二次绕组分成3个位组，互差20°，实现输入多重化接法，可消除各功率单元产生的谐波。电源侧电压畸变率小于1. 2%，电流畸变率小于0.8%，因此变频器对电网污染小。

    改变每相串联功率单元数就可以得到不同电压等级的高（中）压变频器，山东风光JD - BP37系列高（中）压变频器有6000 V、10000 V等不同电压等级，功率200~5000 kW，功率因数为0. 95，效率为98%。日本东芝公司的该系列变频器的电压为2.3~13.8 kV，容量800~5600 kW，功率因数为0.95，效率为96%。

    图6-12    功率单元电路

    图6-13    电压叠加的原理

    图6-14    变频器输出的相电压阶梯PWM波形

    图6-12所示为功率单元电路图，每个功率单元结构上完全一致，可以互换，这样不但调试、维修方便，而且备份也十分经济，假如某一功率单元发生故障，该单元的输出端能自动通过旁路而整机可以暂时降额工作，直到慢慢停止运行。

    图6-13所示为电压叠加的原理图。例如，对于额定输出电压为6 kV的变频器，每相由6个低压为580 V的IGBT功率单元串联而成，则叠加后输出相电压最高可达3480 V，线电压为√3×3480 V≈6028 V。由图6-13可以看出每个功率单元将承受全部输出电流，但只提供1/6的相电压和1/18的输出功率。

    多级串联高（中）压变频器由每个单元的U、V输出端子相互串联而成Y形接法给电动机供电，通过对每个单元的PWM波形进行多重化组合，使输出波形正弦度好，du/dt小，如图6-14所示为变频器输出的相电压阶梯PWM波形。变频器输出谐波小可减少对电缆和电动机的绝缘损坏，无须输出滤波器就可以使输出电缆加长，电动机不需要降额使用，且转矩脉动小。同时，电动机谐波损耗大为减少，消除了由此引起的机械振动，减小了轴承和叶片的机械应力。

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