功率单元级联型高压变频器原理与应用

旁路柜
变压器柜
功率柜
控制柜
５７７Ｖ Ｎ ５７７Ｖ
５７７Ｖ
５７７Ｖ
５７７Ｖ
５７７Ｖ
５７７Ｖ ５７７Ｖ
５７７Ｖ Ｂ
５７７Ｖ ５７７Ｖ ５７７Ｖ
Ｃ
图 ２ 功率单元级联型高压变频器结构简图
图 ３ 是单元串联多电平 ＳＰＷＭ 电压源型变频器的拓扑结 构， 包括移相输入变压器、变频器主电路和中高压电动机 ３ 大 部分。
图 ３ 功率单元级联型高压变频器拓扑图
按照这种主电路形式拓扑构成的高压变频器可以解决 ２ 个技术难题：
（ １） 高可靠性。每一个功率单元都是 １ 个小型的低压变频 器， 每相的电压由功率单元的输出电压叠加而成， 当 １ 个功率
１ ５７７Ｖ ２
３
Ｄ１ Ｄ３ Ｄ５
Ｒ１
Ｃ１
Ｃ２
Ｑ１ Ｑ３ Ｒ２
Ｃ３ Ｒ３ Ｑ２ Ｑ４
高 压 断 路 器
３－ １０ｋＶ
Ｍ
３－ １０ｋＶ 电机
图 １ 三电平 Ｐ ＷＭ 电压源型高压变频器
１．３ 单元串联多电平变频器 单 元 串 联 多 电 平 技 术 就 是 采 用 多 组 低 电 压 小 功 率 ＩＧＢＴ
（绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管）， ＰＷＭ 变频 单 元 串 联 输 出 为 高 压 变 频 器， 实现大功率集成。其特点是由低压的功率器件所组成的功 率单元相串联， 从而实现高压的输出。由于采用的是功率单元 进行串联， 因此不存在元件之间的动态和静态均压问题， 并且 该方案设计的变频器具有模块化的结构， 便于更换和维护。各 变频单元由一个多绕组的隔离变压器供电， 并以高速微处理 机和光导纤维实现控制和通信。其输出电压为 ２．３～６ｋＶ， 功率 为 ８００～５６００ｋＷ。
功率单元 Ｂ５ 功率单元 Ｂ６
功率单元 Ｃ５ 功率单元Baidu NhomakorabeaＣ６
６０００ＶＡＣ 高压电动机
２．２ 级联型高压变频器单个功率单元结构 对于额定输出电压为 ６ｋＶ 的变频器， 每相由 ６ 个额定电
压 为 ５７７Ｖ 的 功 率 单 元 串 联 而 成 ， 输 出 相 电 压 最 高 可 达 ３４６２Ｖ， 线电压可达 ６ｋＶ。每个功率单元承受全部的输出电流， 但只提供 １／６ 的相电压和 １／１８ 的输出功率。
我国风机、水泵用电现状： （ １） 大量设备陈旧， 运行耗电量 过大， 效率比国外同类产品的效率低 ５％～１０％。设计中过多地 考虑 建 设 前 、后 期 工 艺 要 求的 差 异 ， 选 型 裕 量 过 大 ， 使设 备 长 期在低负载、低运行效率下工作。（ ２） 需要调节流量的场合， 绝 大部分采用挡板和阀门来调节风量或流量， 节流功率损耗非 常大， 如果改为调节转速则可以节约大量的电能。
高压变频器运行在高电压场合， 提高其主电路的可靠性 是一个技术难题， 也是高压变频器能否得到迅速推广的关键 技术。功率单元级联型高压变频器为多电平 ＳＰＷＭ 电压源型 变频器， 采用多个低压 ＳＰＷＭ 功率单元串接的新型结构方式，
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Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｉｍｅｓ电 气 时 空
１ 高压变频器类型及特点
高压变频器根据其高压组成方式可分为直接高压型和 高—低—高 型 。 直 接 高 压 型 根 据 有 无 中 间 直 流 环 节 可 分 为 交 — 交 变 频 器 和 交 — 直 — 交 变 频 器 。在 交 — 直 — 交 变 频 器 中 ， 按中间直流滤波环节的不同又可分为电压源型和电流源型。 １．１ 电流源型高压变频器
三电平方式也称为中心点钳位方式， 当输出电压较高时， 它可以避免器件串联引起的动态均压问题， 且能够降低输出 谐波和 ｄｕ／ｄｔ， 如图 １ 所示。与普通的两电平 ＰＷＭ 变频器相 比， 由于输出相电压电平数由 ２ 个增加到 ３ 个， 线电压电平数 ● 则由 ３ 个增加到 ５ 个， 在同等开关频率下， 能够较大程度地改
编
能效果。功率单元级联型高压变频器因为其简单的模块化结 辑
存在 ２００ 相 位 差 ， 形 成 相 当 于 １８ 个 脉 冲 整 流 ， 使 得 电 压 总 畸 变率只有 ３％， 电流总畸变率小于 ４％。
构和完美无谐波的输出波形， 也将在高压电机变频调速节能 肖
朝
领域有着广泛的应用。
晖
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３ 结束语
（ ２） 解决了对电网的污染问题。它的功率因数高， 每相由
由于传统的高压变频器谐波污染大， 谐波不仅消耗无功，
多个低压变频功率单元相互串联通过叠加来实现高压输出。 增加线损， 影响继电保护可靠运行， 使电机产生附加力矩及损
功率单元供电的二次绕组相互存在一个相位差， 以实现输入 耗， 对弱电系统进行干扰， 而且还会使电网电压产生严重畸
栏
目 善输出波形。在相同输出电压条件下， 这种结构可使功率器件
编
辑 耐压等级降低一半。如果输入同样采用对称 ３ 电平 ＰＷＭ 整流 肖 结构， 则可以做到输入功率因数可调， 输入谐波很低， 且可以
朝
晖 四象限运行， 系统具有较高的动态性能。对于轧机、卷扬机等
要求四象限运行和动态性能较高的场合， 双 ＰＷＭ 结构的三电 平电压源型变频器应用较为广泛。
各功率单元的额定功率和输出电压可根据实际需要设计。其 结构简图如图 ２ 所示。
３４６２Ｖ 相 电 压
Ａ ５７７Ｖ ５７７Ｖ ５７７Ｖ ５７７Ｖ ５７７Ｖ ５７７Ｖ
６０００Ｖ 线 电 压
图 ４ 为高压变频器结构平面图， 其主要由旁路柜、变压器 柜、功率柜和控制柜组成。旁路柜实现整体旁路功能； 变压器 柜安放移相变压器， 为每个功率单元供电； 功率柜安放功率单 元， 为高压变频器的主要工作部分， 实现多脉冲整流输入和高 压变频输出； 控制柜为变频器的核心控制部件， 控制变频器的 运 行 、停 止 等 。
功率单元的结构如图 ５ 所示， 三相交流电整流后经滤波 电 容 滤 波 形 成 直 流 母 线 电 压 。当 功 率 单 元 额 定 电 压 为 ５７７Ｖ 时， 直流母线电压为 ８００Ｖ 左右。逆变器由 ４ 个耐压为 １７００Ｖ 的 ＩＧＢＴ 模块组成 Ｈ 桥式单相逆变电路， 通过 ＰＷＭ 控制， 在 Ｔ１ 和 Ｔ２ 两端得到变压变频的交流输出， 输出电压为单相交流 ０￣５７７Ｖ，频 率 为 ０￣５０Ｈｚ（根 据 电 动 机 的 额 定 功 率 ， 可 以 相 应 的 调整， 最高可达 １２０Ｈｚ）。
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电 气 时 空 Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｔｉｍｅｓ
● 开发应用
功率单元级联型高压变频器原理与应用
● 武汉钢铁集团公司 刘 昀 ● 湖南中科电气有限公司 董湘陵 ● 湖南大学 朱思国
摘 要 介绍了功率单元级联型高压变频器的原理和用 途， 具体分析了它的拓扑结构及单个功率单元的结构。功 率单元级联型高压变频器因其完美的无谐波输出特性， 将 在高压电机的节能变频调速领域有着广泛的应用。 关键词 功率单元级联； 拓扑结构； 谐波； 变频调速
图 ４ 功率单元级联型高压变频器结构平面图
６０００Ｖ
移相变压器 超 钱 ２０°
无相移
滞 后 ２０°
高压变频带
Ａ
Ｂ
功率单元 Ａ１
功率单元 Ｂ１
Ｃ 功率单元 Ｃ１
功率单元 Ａ２
功率单元 Ｂ２
功率单元 Ｃ２
功率单元 Ａ３
功率单元 Ｂ３
功率单元 Ｃ３
功率单元 Ａ４
功率单元 Ｂ４
功率单元 Ｃ４
功率单元 Ａ５ 功率单元 Ａ６
Ｄ７ Ｄ９ Ｔ１
输出
Ｃ４
Ｔ２ Ｄ８ Ｄ１０ Ｒ ４
单元出现故障后， 只会使相电压降低， 通过旁路切除后系统能
Ｄ４ Ｄ６ Ｄ２
继续运行， 不会出现 １ 个单元损坏而导致其它单元损坏的连 环故障。这是一个突出的优点， 也是功率元件直接串联所不能
图 ５ 高压变频器功率单元结构
比拟的。功率元件直接串联， 只要有 １ 个功率元件出现故障， 就会导致整个系统不能工作， 所以可靠性较差。
电流源型变频器技术成熟， 它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作为功率器件， 主要目的 是采取电流 ＰＷＭ 控制， 以改善输入电流波形。由于存在大的 平波电抗器和快速电流调节器， 所以过电流保护比较容易实 现。当逆变侧发生短路时， 由于电抗器存在， 电流不会突变， 而 电流调节器会立即响应， 使整流电路晶闸管的触发延迟角迅 速后移， 电流能控制在安全范围内。为了对接地短路也实现保 护， 通常把滤波电抗器分为两半， 上下直流母线各串一半。 １．２ 三电平 ＰＷＭ 电压源型变频器
２ 功率单元级联型高压变频器拓扑结构
单 元 串 联 多 电 平 ＰＷＭ 电 压 源 型 变 频 器 （ Ｃｅｌｌ Ｓｅｒｉｅｓ Ｍｕｌｔｉ－ ｌｅｌｌ ＰＷＭ： ＣＳＭＬ） 又 称 完 美 无 谐 波 变 频 器 ， 其 性 能 达 到 甚至超过了 ＩＥＥＥ－ ５１９ 国际谐波标准。
单元 串 联 多 电 平 ＰＷＭ 电 压 源 型变 频 器 采 用 若 干 个 低 压 ＰＷＭ 变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器 对电网谐波污染小， 输入功率因数高， 不必采用输入滤波器和 功率因数补偿装置。输出的波形好， 不存在由谐波引起的电动 机附加发热和转矩脉动、噪声、输出 ｄｕ／ｄｔ、共模电压等问题， 可 以使用普通的异步电动机。 ２．１ 级联型高压变频器拓扑结构
电压多样化。以 ６ｋＶ 高压变频器为例， 每相由 ６ 个额定电压为 ５７７Ｖ 的功率单元串联， 三相共有 １８ 个功率单元， 分别由输入 隔离变压器的二次绕组供电。１８ 个二次绕组分 ３ 组， 每组之间
变， 甚至发生电力系统安全事故。我国的高压电机数量庞大， ●
栏
是电能消耗大户， 如大量推广使用高压变频器， 将取得显著节 目