当今国外高压变频器主电路拓扑方案的分析

　　经计算THD%=1.94%(单位：％)

图3输入电压、电流波形

表1串联单元个数后的线电压

　　实现大幅节能

　　因为无需输出变压器的直接式高压变频器，可维持约97％的高电力转换效率，不会造成不必要的能源浪费。由于电源功率因数一直确保0.95，不会因运行速度而变化，因此无需用于改善功率因数的电容器。

图4电力转换效率比、功率因数

　　2、中性点钳位（NPC）三电平PWM主电路见图5

　　2-1电路简介

　　在PWM电压源型变频器中，当输出电压较高时，为了避免器件串联引起的静态和动态均压问题，同时降低输出谐波及du/dt的影响，逆变器部分可以采用中性点钳位的三电平方式。逆变器的功率器件可采用高压IGBT或IGCT。图5是中性点钳位三电平PWM中高压变频器的结构示意图。

图5中性点钳位三电平PWM中高压变频器的结构示意图
表3三电平变频器输出电压组合

　　由此组合，三相三电平变频器输出的空间矢量可以有33＝27种，去掉其中8种重复的，实际是19种，包括一个零矢量。

　　电压空间矢量法的基本思想是用三相三电平变频器的上述六边形的矢量轨迹，通过对输出电压的频率、电压（幅值）和PWM的调制（又称菱形调制），使之逼近理想的正弦连续系统所具有的圆形电压矢量轨迹。

　　在三电平变频器中，每个桥臂虽有4个功率器件串联，但不存在任何两个串联器件同时导通或关断，所以没有均压问题。在输出电压相同的情况下，对器件要求较低。与普通PWM变频器相比，由于输出电压的电平数增加，易于实现谐波的相互补偿，输出波形有很大的改善。功率因数接近于1，谐波失真2％以下。

　　2-2国外三电平的变频调速装置的三种实施方案（见图6、图7、图8）

　　（1）ABB公司

图6ABB中压变频器系统简图

　　（2）西门子公司

图7西门子公司系统简图

　　（3）日本东芝三菱公司、提迈克TMEIC

　　AC/DC整流或回馈DC/AC逆变

图8东芝三菱三电平中压变频器简图（四象限运行可以的）

　　2-3上述三种方案比较见表4

表4国外三电平变频调速装置实施方案简单比较

2-4有源整流（AFE制式）

　　在6000V、1000KW高压变频调速装置中，ABB、AB（罗克伟尔）和西门子、东芝－三菱公司均采用有源整流（AFE），以减少耗电、耗材、耗财的移相变压器，控制方式仍为PWM方式，通过拓扑结构设计和软件配合，实现五电平控制，达到24脉冲可四象限运行，也可二象限运行。二象限运行时，AFE有源整流还有功率因数补偿功能。

　　2-5生产厂商

　　瑞士ABB

　　德国西门子

　　日本提迈克TMEIC

　　美国通用GE、罗克伟尔A-B

　　3、多相整流输入、功率单元输出H桥三电平主电路

　　3-1目前单元串联多电平电路的不足之处

　　1）移相输入变压器，尤其是二次绕组数量多，绕组型式多种，有延边△、Y、△，因此结构、工艺都较复杂，体积大，重量大，散热大，一般都是干式的，选冷轧结晶硅钢片制造的，所以造价较贵，就这个变压器要占约40％以上的整机价值，能否不用移相方式，而选用多相脉冲输入，相同型式的绕组整流变压器来替代呢？回答是肯定的，目前国外于2010年问世有产品，例瑞士ABB、日本富士、法国施耐德已有新产品问世，经实践应用测试，效果不错，甚至更优越，超过移相方法，这样整机价格就会下降，具体分析见下一节。

　　2）功率单元输出是H桥型式，单相二电平，其电路是较简单的，但其综合性能不是最佳的，可否改为三电平桥式呢？回答是肯定的，见图10根据三电平高压变频器实践应用结果。

　　3）三电平比二电平有下列明显优势点：

　　①输出电流更接近正弦波，见图14谐波含量更小，见表5、表6

　　②输出电压峰值只有二电平的的1/2，可直接用于普通电动机，不需加LC滤波器

　　③输出漏电流只有二电平的1/2（即共模电流更小）

　　④输入干扰较二电平降低约20dB

　　⑤可选用IGBT范围更宽（可做机型多，散热面积大），耐压可降低，安全系数可更高，成本亦下降

　　4）通过上述三条改进后，使高压变频器结构简化

　　减少器件使用数量，电路更简化，连接点减少，可靠性更高，性能亦更好，指标亦更高，具有真正的高压变频器应该具有的各项性能技术要求，国内近50家制厂商，应认真考虑的一件大事，何乐而不为呢？要只争朝夕呀！

　　3-2多相整流输入，三电平输出的改进方法及性能介绍

　　1）多相整流输入性能介绍

　　根据资料介绍对不同输出电压，例3KV、6KV、10KV应采用多相整流，见表5

2）电源侧电压、电流波形见图13

3）高次谐波电流含有率见表6

　　4）整机性能

　　综合效率97％，功率因数>0.95，见图12输出电压、电流波形见图14

　　5）控制方式

　　矢量控制，无速度矢量传感器控制或直接转矩控制DTC以及可四象限运行具有能量回馈功能。

　　6）主回路构成介绍见图9、图10

　　7）工变频旁路切换相位同步跟踪见图15、16，能做到工频切换变频或变频切换工频的无冲击切换。

　　8）冷却散热

　　风冷<5000KW，水冷>5000-22000KW，逆变器模块可用IGBT或IGCT

　　3-3应用范围：电力——风机、水泵，采矿选矿——破碎机、风机、水泵、压缩机、起重机、皮带机、吊笼、升降机，水处理——泵、鼓风机，石油天然气——泵、压缩机、鼓风机，水电站——水泵、闸门提升下降，港口码头——起重机、皮带输送机。

图910KV等级的主回路构成图

图10变频器单元内部构成

　　注：三相输入电压就是单相输出电压（考虑压降提高20V约4－5％）

　　动作原理

　　FRENIC4600FM5e系列变频器结构如图9所示，10KV级别变频器由输入变压器和15个变频单元构成（6KV级别由9个变频单元构成，3KV级别由6个变频单元构成）。

　　每个变频器单元是一个单相3电平变频器，可以获得输出电压1155V。如图9所示，10KV等级每一相有5个变频器单元串联，相电压约5775V，三相以星形连接，可以得到10000线电压。此外，单相3电平变频器与单相2电平变频器相比，每个变频器单元的输出电压可以大2倍，因此只需用较少的变频器单元就可以得到10/6/3KV电压。（参照图11、12）

　　大幅减少了电源侧高次谐波电流量

　　由于电力电子技术的飞速发展，近年工业用电气设备以及家用电器中半导体的使用越来越广泛，在提高产品性能，方便操作的另一方面，这些电器产生的高次谐波使得电网的电压失真，乃至于影响与电网相连接的其他电气设备不能正常工作的现象日益严重。然而，电力电子技术应用到电气设备上去是大势所趋，为此有必要对抑制高次谐波的对策作更深入的研究和探讨。FRENIC4600FM5e，通过采用多相二极管整流方式（相当于36相整流）抑制高次谐波，与现有的方案相比，高次谐波发生量大幅度降低，远远小于IEEE-519(1992)规定的高次谐波发生量，是一种不污染电源的变频器。

图13电源侧电流波形

　　高效率：综合效率约97％

　　●不需要输出变压器，没有输出变压器的损耗

　　●独特的多电平PWM控制方式，降低了开关损耗

　　●电源侧高次谐波电流减少，降低了输入变压器一次绕组的高次谐波损耗

图14综合效率曲线

　　功率因数高：电源功率因数大于95％

　　●通过多相二极管全波整流，电源侧功率因数提高，可以以高功率因数运转

　　●不需要加装改善电源侧功率因数的进相电容器和直流电抗器

　　●变频器可以在较小容量的电源下运转

图15电源侧功率因数曲线

　　注：以上效率，功率因数数据在3.3KV，390KVA时的输出为315KW，是额定速度运行时的计算数据，效率数据为标准4极电动机驱动时的数据。

　　保护电机稳定运行

　　变频器的输出电流如果含有高次谐波，电机轴的输出便会发生脉动转矩。脉动转矩会导致转速波动，如果脉动转矩的脉动频率与机械系统的频率一致，而且脉动转矩很大，就会引起很大的机械振动。FRENIC4600FM5e采用多电平（最大21电平）PWM控制方式，输出侧高次谐波极少，脉动转矩的主要成分在载波频率（数kHz）附近，脉动转矩对机械系统几乎没有影响。

　　●采用多电平PWM控制方式，输出电流波形非常接近正弦波。大大减少了电机的转矩脉动。

　　●输出电流波形非常接近正弦波，降低了电机高次谐波损耗。

　　●采用多电平(最大21电平)PWM控制方式．开关浪涌电压减低到最小，降低了电机的电动应力。

　　●使用变频器驱动．不需要降低电机的容量。

　　●变频器驱动，不需要特殊电缆。

　　●不仅用于平方递减转矩负载，象挤压机之类恒转矩负载也能应用。

　　●在电源容量较小的系统中驱动大容量电机时，会因电机启动电流引起电源电压波动，而变频器是软启动，可以抑制电动机的启动电流，即使在电源容量较小的系统中也能正常驱动大容量电机。

图16为10KV、6.6KV、3.3KV输出电压、电流波形

　　关于浪涌电压和多电平输出

　　PWM变频器输出电压波形是以直流中间回路的电压Ed为振幅的直流限幅电压（称做脉冲电压）。该变频器输出的脉冲电压通过电缆加在电机上之后，在电机端子和变频器端子之间反复反射，结果在电机端子上产生大于变频器输出电压的上升非常陡峭的过电压，从而造成绕组绝缘破坏。这个过程电压最大值接近变频器直流中间回路电压Ed的2倍。

　　富士高压变频器采用多电平PWM控制，抑制该直流中间电压，输出电压波形10KV等级为21电平，6KV等级为13电平，3KV等级为9电平，有效抑制了电动机端子上发生的过电压。

　　10KV等级输出电压波形（21电平）

　　10KV等级富士高压变频器，在1/4周期内输出电压分成21个阶梯变化（相当于21电平）。每个阶梯的电压值相当于直流中间回路电压Ed，因此，在输出相同电压时，阶梯数越多，每个阶梯的电压值就越低。

　　因此电机端子上产生的浪涌电压也就越低，使得电机承受的应力得以降低。

　　3-4工频旁路回路／瞬停再启动功能

　　●通过按系统电压进行相位控制，可以实现从变频器驱动切换到工频电源驱动，或从工频电源驱动切换至变频器驱动的无冲击切换。（参照图17）

　　(同步投入·解列功能：选件)

　　此功能需要在变频器输出侧配置电抗器。

　　●在变频器的输出侧设置切换控制柜(选件)，可以切换到工频(电网)启动回路运转。

　　由此构成双回路电机驱动电源，只要切换到工频电网上即可让电机在额定转速上运转。(参照图18)

　　●当电压发生瞬时降低时，可以根据用途选择运转方式。

　　1．选择瞬时电压降低为重故障。变频器重故障停止，电机处于自由停车状态。

　　2．选择自由停车再启动

　　变频器停止运转，电机处于自由停车状态。电源复电时通过速度搜索功能，让正在自由停车减速中或者已经停止的电动机自动再加速。

　　3．选择瞬时电压降低时继续运转

　　即使瞬时电压降低，电机也不会处于自由停车状态，变频器可以继续运转。电源电压恢复后，立刻再加速，恢复运转速度。

　　注1)瞬时电压降低于额定电压的85％以下时。

　　注2)瞬时电压降低时继续运转时间为300ms以内。

图18电源系统图

　　4、二电平电流源型CSI主电路

　　世界各国生产的高压变频器其主电路大都是电压源型VSI方式，唯独美国罗克伟尔ROCKWELLA-B公司生产的是电流源型CSI方式交－交直变的，它的特点是电路简单，使用器件少、功率很大、成本较低、有独到之处，所以在某些场合亦有应用。性能是谐波略大，可以四象限运行，频率一般低于输入，下面就A-B1557型及A-B7000型作简介如下：

　　功率器件串联二电平电流型中高压变频器

　　这种类型的变频器多为电流源型变频器，采用大电感作为中间直流滤波环节。整流电路一般采用晶闸管(SCR)作为功率器件，根据电流电压的不同，每一个桥臂需由SCR串联，而逆变器则采用SCR或GTO、SGCT等功率器件串联。图19是功率器件串联二电平电流型中高压变频器的结构示意图。

图19功率器件串联二电平电流型中高压变频器的结构示意图

　　美国罗克韦尔(A-B)公司生产的中压变频器Bulletinl557系列，其电路结构为交一直一交电流源型，采用功率器件GTO串联的两电平逆变器。其控制方式采用无速度传感器直接矢量控制，电动机转矩可快速变化而不影响磁通，综合了脉宽调制和电流源结构的优点，其运行效果近似直流传动装置。在Bulletinl557系列的基础，A-B公司又推出了Powerflew7000系列，用新型功率器件——对称门极换流晶闸管(SGCT)代替原先的GTO，使驱动和吸收电路简化，系统效率提高，6kV系统每个桥臂采用3只耐压为6500V的SGCT串联。Powerflew7000系列产品具有如下特点：

　　①电流源型变频器的优点是易于控制电流，便于实现能量回馈和四象限运行；缺点是变频器的性能与电动机的参数有关，不易实现多电动机联动，通用性差，电流的谐波成分大，污染和损耗较大，且共模电压高，对电动机的绝缘有影响。

　　②Powerflew7000系列变频器采用功率器件串联的二电平逆变方案，结构简单，使用的功率器件少，但器件串联带来均压问题，且二电平输出的du/dt会对电动机的绝缘造成危害，要求提高电动机的绝缘等级。谐波成分大，需要专门设计输出滤波器，才能供电动机使用。

　　③输入端采用可控器件实现PWM整流，可方便地实现能量回馈和四象限运行的，同时也使网侧谐波增大，需加进线电抗器滤波．方能满足电网的要求，而且增加了成本。

　　④由于是直接高压变频，电网电压和电动机相同，便于实现旁路控制功能，以保证在装置出现故障时电动机的正常运行。

　　5、其它类型主电路

　　除以上介绍的四种高压变频器主电路比较通用外，尚有应用较少的主电路型式，本文例举多电平(例四电平)、多重化、自换向式电流型四种电路简介如下；

　　5-1多电平中高压变频器

　　随着现代拓扑技术的发展，采用多电平结构的变频调速系统得到了发展和应用。多电平中高压变频器的代表应是法国AISTOM公司生产的AISPAVDM6000系列中高压变频器。图20是四电平中高压变频器的结构示意图，从图20中可以得到如下结论：系统采用模块化结构，有效保证了功率器件的串联连接，它不是元器件的简单串联，而是结构上的串联，这样就保证了电压的安全和自然分配。采用电容器分压方式。

　　多电平电压变频器具有如下特点：

　　①通过整体单元装置的串／并联拓扑结构以满足不同的电压等级(如3.3kV、6.6kV、10kV)的需要。

　　②这种结构可使系统普遍采用直流母线方案，以实现在多台中高压变频器之间能量互相转换。

　　③这种结构没有传统结构中的各级功率器件上的众多分压分流装置，消除了系统的可靠性低的因素，从而使系统结构非常简单，可靠，易于维护。

　　④输出波形非常接近正弦波，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对电动机绝缘等的影响，电动机没有额外的温升，是一种技术比较先进的中高压变频器。

　　⑤AISPAVDM6000系列中高压变频器可根据电网对谐波的不同要求采用12脉波、18脉波的二极管整流或晶闸管整流；若要将电能反馈回电网，可用晶闸管整流桥；若要求控制电网的谐波功率因数及实现四象限运行，可选择有源前端。（AFE）整流。

图20四电平中高压变频器的结构示意图

　　5-2中高压变频器的多重化结构

　　“多重化”的含义是将变频器的交流模块单元[整流器和(或)逆变器]进行并联或串联，以达到用较低电压／电流等级的功率器件实现较高电压和(或)更大容量变频的要求。这种方法在中高压变频器中使用很普遍。
5-2-1多重化电流型，图21所示为一个使用输出变压器实现多重化的电流型变频器原理图，图中以二重化为例。图中，两个电流型逆变单元相并联，两逆变单元的相位彼此错开30°，因此又叫12脉波变频器(或12相电流型变频器)。两个逆变器相互交错叠加的结果，不仅使变频器容量增加一倍，而且合成的输出电流具有阶梯波的特性(见图22)，更接近于正弦波。因为12脉波变频器的输出谐波分量最低是11、13次．只含12k±1(k=1，2，…)的奇次谐波，因此比六相变频器小得多。

图21二重化的电流型变频器原理图

图2212脉波变频器的电流波形

　　如果将N个逆变器并联，就是N重变频器，此时电流容量增加到N倍，高次谐波只有6kN±1(k=1，2，…)的频率。

　　电流谐波减小的同时，电动机的转矩脉动也大为降低。计算表明，电动机与N变频器连接时，脉动转矩幅度可降低到1/N以下。

　　5-2-2多重化PWM电压型

　　图23所示为并联多重化PWM电压型变频器电路。采用二极管构成二组三相桥式整流电路，按12脉波组态，输出为二重式，每组由6个IGBT构成一个桥式逆变单元。输出滤波器用来去除PWM的调制波中的高频成分并减少du/dt、di/dt的影响，由于频率高，滤波器的体积很小。

图23并联多重化PWM电压型变频器电路

　　变频器的驱动(逆变)单元设计成模块化独立单元的形式，直流母线(DC-BUS)上可任意连接1～6个驱动单元。驱动单元可驱动同一台电动机，也可以驱动不同的电动机(驱动同一台电动机的逆变单元一般不超过两个)。

　　这种设计使工厂中不同地方的设备可采用公共的直流母线供电，从而减少设备总投资，并使多电动机调速系统的总功率平衡达到最优化。如果已投产的变频器逆变单元没有用足，以后设备增加，要求增加输出，只要在直流母线上并接更多的单元即可。

　　这种变频器具备了PWM技术带来的各项优点，在额定功率下效率可达到98％以上，在整个调速范围内达到0.95以上的功率因数。无需输入滤波器就可达到IEEE519一1992《电力系统中谐波控制的要求》中对谐波的要求。

　　此方案的不足之处在于IGBT器件的电压和容量的限制。目前，高压IGBT的水平已达到4000V/1500A或更高，但为可靠性起见实用上均留有余地；又因为IGBT器件一般少用串联，故本系列变频器逆变器二重化时的输出功率通常不超过2400V/200kW。

　　5-3SCR电流型变频器

　　SCR电流型变频器采用晶闸管三相桥式整流电路将交流变为直流，然后再在逆变部分也采用晶闸管三相桥式电路将直流变为频率可调的交流，将其输出以控制电动机运行和调速。由于在它的直流母线上串联有平波电抗器，此种变频器因此具有电流源特性，故得名。

　　根据晶闸管换流方式的不同，有多种电流型变频器。目前用得最成功的，当属“负载换向式”电流型变频器。它通过负载所供给的超前电流使晶闸管关断，以实现自然换向。由于同步电动机可以通过励磁电流的调整达到功率因数超前，实现起来比较容易，因此，负载换向式电流型变频器(LCI)特别适合于同步电动机的变频调速和起动。

　　当电流型变频器用于异步电动机调速时，必须在变频器的输出端加设LC滤波器，以达到自然换向的目的，这称为“输出滤波器换向式”变频器或“自换向式”变频器(SSI)，以区别于用于同步电动机调速的“负载换向式”变频器(LCI)。

　　图24所示是自换向式变频器(SSI)较好的一种形式。该变频器的逆变器和整流器具有相同的结构，器件可互换。位于直流回路上的分流电路用于辅助换向。当频率较低或起动初期，由于滤波器不能有效换向，可通过分流器使直流回路中的电流迅速旁路，使逆变器的晶闸管有效关断，实现换向。大约达到额定频率的60％时(视电动机特性而定)，分流器断开，逆变器通过输出滤波器和交流电动机自身反电动势的联合作用自然换向。

　　输出滤波器的另一个作用是减小输出波形畸变并抑制di/dt。滤波器的参数应根据特性由计算机仔细选择。滤波器与电动机之间的接触器用来隔断电容器和电动机之间的联系，以防止一旦变频器停止功率输出时电动机的自激发电。

图24自换向式变频器

　　电流型变频器的优点是能量可以回馈到电网，因此系统可以四象限运行。由于存在大的平波电抗器和快速电流调节器，过电流保护较容易实现。但是由于采用三相桥式晶闸管整流，电流型变频器的输入波形畸变较为严重，功率因数也会随电动机转速的下降而有所下降。实际上常采用接入输入滤波器或多重化(如12脉波)的方法，使输入电压和电流畸变达到IEEE519一1992《电力系统中谐波控制的要求》规定量值。

　　由于晶闸管(SCR)器件生产工艺成熟，可做到其他器件尚不能达到的电压和容量(10kV/10kA以上)，所以，此种变频器在3000kW以上的大型调速系统，尤其是在大型同步电动机调速系统中仍有优势。

　　美国ANSALDOROSSHILL公司最早开发和成批生产VF系列中高压变频器，用于大型异步/同步电动机的调速，见表7。

　　表7VF系列电流型变频器

　　注：1hp=745.700W。

　　意大利ANSALDO公司还生产SilcovertS系列变频器，专门用于大型同步电动机调速和起动，标准产品为6kV/25MW，特殊订货产品为22.5kV/MW。

　　德国SIEMENS公司Simoverts系列，也是一种电流型的交－直－交变频器。其功率单元由两套完全隔离的6脉波电流型变频器构成2脉波系统。产品规格与ANSALDO相似。

　　6、结论

　　本文介绍了当今国外流行并生产的中高压变频器11种主电路构成及特性，八种类型是①单元串联多电平②中心点钳位(NPC)三电平③多相整流输入功率单元输出H桥三电平④二电平电流型⑤多电平⑥多重化电流型⑦多重化电压型⑧自换向式电流型。特别是第③种电路方案是2010年才问世的新产品，综合性能指标较佳，是今后发展方向之一，也值得国内近50家工厂，现在还在生产的第①种电路方案改进成为第③种的思路借鉴，显得十分的必要，至于究竟选用何种主电路方案，它们各有特色，各有千秋，应用对象，各不相同那就请客户根据自己的设备特性，使用要求、经济实力、各取所需吧！