高压变频器输出电压谐波分析_杨琼涛
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变频 器 输 入 侧 谐 波 对 电 网 的 影 响 可 遵 循 ,---.!/0!//" 文本提出的推荐标准。一般采用方 法是使功率单元的供电二次绕组互相存在一个相 位差， 以实现输入电压多重化， 可以抵消相当次数 的谐波， 能够在各种速度范围内获得比较满意的 正弦波电压和正弦波电流， 有“ 完美无谐波” 的美 誉。输出谐波会引起电机负载的谐波损耗和转矩 脉动， 严重影响调速性能和电机寿命。本文研究 了多电平级联型高压变频器功率单元个数的变化 对输出侧电压谐波的影响及三电平方式下的输出 电压谐波。
!" 前言
随着现代电力电子技术及计算机控制技术的 迅速发展， 促进了电气传动的技术革命。交流调 速取代直流调速， 计算机数字控制取代模拟控制 已成为发展趋势。交流电机变频调速是当今节约 电能， 改善生产工艺流程， 提高产品质量， 以及改 善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效 率， 高功率因数， 以及优异的调速和启制动性能等 诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速 方式。 高压变频调速因其良好的调速性能和巨大的 节能作用成为国内外交流传动领域的热点。高压 变频器主要是指输出为 " ’%% ( ) !% *( 及以上的 变频器， 国外称为中压变频器。进行高压变频器 设计时， 不能简单的将低压变频器的桥路结构直 接移植到高压变频器中， 要考虑功率开关元件， 电 机绕组所承受的 +! " +# 问题、 功率开关元件的耐压 问题、 变频器输出谐波及变频器对电网的谐波污 染等， 另外还必须考虑共模电压对电机的潜在危 害。
压器产生的多路浮动低压 电 源 给 各 功 率 模 块 供 电， 串联后得到了高电压输出。该方案利用低压 器件获得了高电压输出， 在理论上通过改变串联 级数， 输出电压可以达到任意幅值， 其功率器件的 驱动时序也相对比较简单。 ! ! "# 三电平结构方式 三电平结构方式通过二极管、 电容器箝位， 可 以用同样电压等级的功率半导体器件实现两倍的 电压输出， 从而得到较高的输出电压。图 " 是该 方式主电路结构图。其中箝位电路必须采用快速 软恢复高压大电流二极管， 实际使用中可以用 #$% &’ 内部反并联二极管代替。由于目前电解电容 器最高工作电压为 ( ) *++ ,， 因此图中滤波电解 电容器必须是多个串联， 并且需要配置功率较大 的均压电路， 以保证动态及静态的均压， 三电平方 案的功率器件驱动逻辑相对比较复杂， 而一旦驱 动逻辑发生错误， 功率器件将可能承受过电压而 击穿， 造成系统不可逆损坏。
《 冶金自动化》 &((, 年 2"
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图 !" ! # $ %& ’ 时 " $ ( ， )， * 级联型和三电平结构的 输出线电压波形及其 ++,
的正向阻断电压能力， 其多层阶梯形输出电压， 理 论上可通过增加级数而使 输 出 电 压 波 形 接 近 正 弦， 减少谐波， 在同样输出性能指标下， 三电平的 小。随着电 平 数 增 加， 每 个 电 平 幅 值 相 对 降 低， %! " %# 变小， 主电路电流含有的脉动成分减小， 转 矩脉动和电磁噪声都得到有效的抑制。表 & 为三 电平方式不同调制比情况下的输出线电压 $%&。
《 冶金自动化》 "%%5 年 7!
高压变频器输出电压谐波分析
杨琼涛! ， 邵长宏" ， 段# 巍" ， 朱春毅" ， 李崇坚!
（ !$ 冶金自动化研究设计院， 北京 !%%%&! ； "$ 北京金自天正智能控制股份有限公司） 摘要： 大功率变频器的输入谐波对电网的影响以及输出谐波对电动机的影响成为了交流变频系统中突出的问 题。本文对两种有代表性的高压变频器主电路拓扑结构的输出谐波进行了分析。通过一系列的仿真和计算， 研 究了变频器的谐波特性。 关键词： 高压变频器； 三电平； 单元级联； 输出谐波
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#" 高压变频器主电路结构Βιβλιοθήκη Baidu
# 1 #" 多电平级联方式 为了实现中高压领域的变频调压， 多电平变 频器 2 逆变器的拓扑结构于 !/&. 年被首次提出。 多电平级联方式主电路通 过 多 电 平 移 相 叠 加 技 术， 利用低压器件得到高压输出， 图 !（ 3） 是该方 案单模块主电路结构图， 这是一个典型的单相输 出通用变频器电路。图 ! （ 4） 是多个模块串联后 联接成的三相输出原理图。 可以看出通过输入变
［ "］ 陈国呈) /01 变频调速及软开关电力变换技术［ 1］ ) 北京： 机械工业出版社， &((&) ［ 编辑： 徐慰珠］
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图 ." 输出线电压 #"$ 曲线
)" 结论
由于采用多级叠加方式， 多电平级联方式， 各 级模块输出谐波相互抵消， 高次谐波含量很小， 而 输入侧由于采用变压器移相供电， 谐波电流也同 样相互抵消。三电平方式输出电压幅值较高， 因 而谐波较大， 需要加装输出滤波器， 其输入侧也同 样需要加 装 输 入 滤 波 器， 或 采 用 有 源 整 流 电 路。 图 $ 为根据仿真实验数据做出的不同条件下的输 出线电压谐波总畸变率曲线。 从仿真数据可以看出， 低频时两种电路结构 对输出谐波的抑制并不明显， 随着频率的升高对 输出谐波的控制可以达到比较理想的效果。并且 随级联单元数目的增加在高频时的谐波抑制效果 要优于三电平结构。
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图 #" $ 桥模块主电路结构图
收稿日期： "%%&0!"0". 作者简介： 杨琼涛 （ !/5"0） ， 男， 河南汝州人， 硕士， 主要从事电力电子与电气传动。
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《 冶金自动化》 "++> 年 5.
多电平级联方式与三电平方式同属交 - 直 交变频器， 由于其直流环节需要对输入交流电压 进行整流滤波， 因此除了要使用整流桥外， 还需要 使用大量电容器。
"# 不同结构方式下输出电压谐波分析
.］ 影响输出谐波的因素有很多方面 ［ ， 如 /01
逆变电路可以使输出电压、 电流接近正弦波， 但由 于使用载波对正弦信号波调制， 产生了和载波频 率有关的谐波分量。不同的 /01 调制方式输出 谐波含量也不同。同时影响输出谐波还有级联功 率单元的个数 2、 /01 调制参数（ 如幅值调制比 !3 、 频率调制比 ! 4 ） 和调制方式等。另外， 为防止 逆变桥上下桥臂直通而在功率器件而加入的死区 也对输出谐波有一定的影响。 " ! !# 多电平级联方式输出电压谐波分析 高压变 频 的 控 制 采 用 有 源 滤 波 的 级 联 移 相 5/01 技术， 其基本思想是保持调制信号的相位
图 ( 从上到下依次为为 ! 3 8 +! > 时 " 8 . ， 9， : 级联型结构和三电平结构的输出线电压波形及其 CC’。 " ! "# 三电平方式输出电压谐波分析 与传统的二电平拓扑结构相比较， 中点箝位 式三电平逆变器更适合于 中 高 压 变 频 装 置 高 电 压、 大容量的特点， 特殊的拓扑使得器件具有两倍 ・ * ( A・
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不变， 对级联模块的三角载波信号移动一个角度 其计算公式为 ! 67 ， ! - .） ! 67 8 9:+; < （ （ .）
其中， ! 为级联型变频器单相输出电压电平个数， !8（ "" = .） ； " 为级联模块个数。此调制方式使 各级联功率单元输出电压的叠加波形为多电平的 类正弦波（ 见图 9 ） 。图 9 为 " 8 9 ， ! 4 8 (+ ， !3 8 +! > 的仿真波形， 前 9 层分别为单相三个功率单元 的单个输出电压波形， 第 ( 层为单相三个功率单 元的叠加输出电压波形。可见载波移相 5/01 技 术能 够 以 较 低 的 开 关 频 率 得 到 脉 冲 数 较 多 的 /01 波， " 模块级联最多可产生 " " = . 电 平 的 /01 输出波形。
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图 $# 级联移相 %&’( 波形（ $ 单元）
在输出同样电压的条件下， 级联单元个数越 多输出电压电平数越多就越接近正弦波， 理论上
图 "# 三电平方式主电路结构图
谐波就越小。为简化分析只考虑基于载波调制的 多电平 5/01 波形， 本文通过对典型的单元级联 电压型 /01 逆变电路做出大量仿真分析。表 . 为 " 8 .、 9、 : 的输出线电压 #"$， 其中幅值调制比 ! 3 按照 *+ ?@ 为 . 的比例调制。可以看出总谐波 畸变率 #"$ 与输出线电压电平数近似成反比。
高次谐波问题是 /01 控制方式所固有的， 但 通过单元级联多电平结构能够对抑制输出谐波达 到较好的效果， 但系统结构复杂， 器件数量多， 体 积庞大。三电平结构相对简单， 所需功率器件数 最少， 但受 到 电 平 数 的 限 制 谐 波 抑 制 效 果 稍 差。 级联单元个数越多， 输出电压的谐波就越小， 实际 上不能无限制地增加单元个数， 个数的选择需综 合考虑成本、 输出谐波和输出电压等级等因素。 参考文献：
变频 器 输 入 侧 谐 波 对 电 网 的 影 响 可 遵 循 ,---.!/0!//" 文本提出的推荐标准。一般采用方 法是使功率单元的供电二次绕组互相存在一个相 位差， 以实现输入电压多重化， 可以抵消相当次数 的谐波， 能够在各种速度范围内获得比较满意的 正弦波电压和正弦波电流， 有“ 完美无谐波” 的美 誉。输出谐波会引起电机负载的谐波损耗和转矩 脉动， 严重影响调速性能和电机寿命。本文研究 了多电平级联型高压变频器功率单元个数的变化 对输出侧电压谐波的影响及三电平方式下的输出 电压谐波。
!" 前言
随着现代电力电子技术及计算机控制技术的 迅速发展， 促进了电气传动的技术革命。交流调 速取代直流调速， 计算机数字控制取代模拟控制 已成为发展趋势。交流电机变频调速是当今节约 电能， 改善生产工艺流程， 提高产品质量， 以及改 善运行环境的一种主要手段。变频调速以其高效 率， 高功率因数， 以及优异的调速和启制动性能等 诸多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速 方式。 高压变频调速因其良好的调速性能和巨大的 节能作用成为国内外交流传动领域的热点。高压 变频器主要是指输出为 " ’%% ( ) !% *( 及以上的 变频器， 国外称为中压变频器。进行高压变频器 设计时， 不能简单的将低压变频器的桥路结构直 接移植到高压变频器中， 要考虑功率开关元件， 电 机绕组所承受的 +! " +# 问题、 功率开关元件的耐压 问题、 变频器输出谐波及变频器对电网的谐波污 染等， 另外还必须考虑共模电压对电机的潜在危 害。
压器产生的多路浮动低压 电 源 给 各 功 率 模 块 供 电， 串联后得到了高电压输出。该方案利用低压 器件获得了高电压输出， 在理论上通过改变串联 级数， 输出电压可以达到任意幅值， 其功率器件的 驱动时序也相对比较简单。 ! ! "# 三电平结构方式 三电平结构方式通过二极管、 电容器箝位， 可 以用同样电压等级的功率半导体器件实现两倍的 电压输出， 从而得到较高的输出电压。图 " 是该 方式主电路结构图。其中箝位电路必须采用快速 软恢复高压大电流二极管， 实际使用中可以用 #$% &’ 内部反并联二极管代替。由于目前电解电容 器最高工作电压为 ( ) *++ ,， 因此图中滤波电解 电容器必须是多个串联， 并且需要配置功率较大 的均压电路， 以保证动态及静态的均压， 三电平方 案的功率器件驱动逻辑相对比较复杂， 而一旦驱 动逻辑发生错误， 功率器件将可能承受过电压而 击穿， 造成系统不可逆损坏。
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《 冶金自动化》 "%%5 年 7!
高压变频器输出电压谐波分析
杨琼涛! ， 邵长宏" ， 段# 巍" ， 朱春毅" ， 李崇坚!
（ !$ 冶金自动化研究设计院， 北京 !%%%&! ； "$ 北京金自天正智能控制股份有限公司） 摘要： 大功率变频器的输入谐波对电网的影响以及输出谐波对电动机的影响成为了交流变频系统中突出的问 题。本文对两种有代表性的高压变频器主电路拓扑结构的输出谐波进行了分析。通过一系列的仿真和计算， 研 究了变频器的谐波特性。 关键词： 高压变频器； 三电平； 单元级联； 输出谐波
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［ "］ 陈国呈) /01 变频调速及软开关电力变换技术［ 1］ ) 北京： 机械工业出版社， &((&) ［ 编辑： 徐慰珠］
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由于采用多级叠加方式， 多电平级联方式， 各 级模块输出谐波相互抵消， 高次谐波含量很小， 而 输入侧由于采用变压器移相供电， 谐波电流也同 样相互抵消。三电平方式输出电压幅值较高， 因 而谐波较大， 需要加装输出滤波器， 其输入侧也同 样需要加 装 输 入 滤 波 器， 或 采 用 有 源 整 流 电 路。 图 $ 为根据仿真实验数据做出的不同条件下的输 出线电压谐波总畸变率曲线。 从仿真数据可以看出， 低频时两种电路结构 对输出谐波的抑制并不明显， 随着频率的升高对 输出谐波的控制可以达到比较理想的效果。并且 随级联单元数目的增加在高频时的谐波抑制效果 要优于三电平结构。
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多电平级联方式与三电平方式同属交 - 直 交变频器， 由于其直流环节需要对输入交流电压 进行整流滤波， 因此除了要使用整流桥外， 还需要 使用大量电容器。
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逆变电路可以使输出电压、 电流接近正弦波， 但由 于使用载波对正弦信号波调制， 产生了和载波频 率有关的谐波分量。不同的 /01 调制方式输出 谐波含量也不同。同时影响输出谐波还有级联功 率单元的个数 2、 /01 调制参数（ 如幅值调制比 !3 、 频率调制比 ! 4 ） 和调制方式等。另外， 为防止 逆变桥上下桥臂直通而在功率器件而加入的死区 也对输出谐波有一定的影响。 " ! !# 多电平级联方式输出电压谐波分析 高压变 频 的 控 制 采 用 有 源 滤 波 的 级 联 移 相 5/01 技术， 其基本思想是保持调制信号的相位
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在输出同样电压的条件下， 级联单元个数越 多输出电压电平数越多就越接近正弦波， 理论上
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谐波就越小。为简化分析只考虑基于载波调制的 多电平 5/01 波形， 本文通过对典型的单元级联 电压型 /01 逆变电路做出大量仿真分析。表 . 为 " 8 .、 9、 : 的输出线电压 #"$， 其中幅值调制比 ! 3 按照 *+ ?@ 为 . 的比例调制。可以看出总谐波 畸变率 #"$ 与输出线电压电平数近似成反比。
高次谐波问题是 /01 控制方式所固有的， 但 通过单元级联多电平结构能够对抑制输出谐波达 到较好的效果， 但系统结构复杂， 器件数量多， 体 积庞大。三电平结构相对简单， 所需功率器件数 最少， 但受 到 电 平 数 的 限 制 谐 波 抑 制 效 果 稍 差。 级联单元个数越多， 输出电压的谐波就越小， 实际 上不能无限制地增加单元个数， 个数的选择需综 合考虑成本、 输出谐波和输出电压等级等因素。 参考文献：