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关 频 率 可 以 降 低 开 关 损 耗 ， 而 高 的 等 效 输 出 开 关 频 率 和 多 电 平 可 以 大 大 改 善 输 出 波 形 。 波 形 的 改 善 除 减 小 输 出 谐 波 外 ， 还 可 以 降 低 噪 声 、 dv/dt值 和 电 机 的 转 矩 脉 动 。 所 以 这 种 变 频 器 对 电 机 无 特 殊 要 求 ， 可 用 于 普 遍 笼 型 电 机 ， 且 不 必 降 额 使 用 ， 对 输 出 电 缆 长 度 也 无 特 殊 限 制 。 由 于 功 率 单 元 有 足 够 的 滤 波 电 容 ， 变 频 器 可 承 受 － 30％ 电 源 电 压 下 降 和 5个 周 期 的 电 源 丧 失 。 这 种 主 电 路 拓 扑 结 构 虽 然 使 器 件 数 量 增 加 ， 但 由 于 IGBT驱 动 功 率 很 低 ， 且 不 必 采 用 均 压 电 路 、 吸 收 电 路 和 输 出 滤 波 器 ， 可 使 变 频 器 的 效 率 高 达 96％ 以 上 。
单 元 串 联 多 重 化 变 频 器 的 优 点 是 ：
1） 由 于 采 用 功 率 单 元 串 联 ， 可 采 用 技 术 成 熟 ， 价 格 低 廉 的 低 压 IGBT组 成 逆 变 单 元 ， 通 过 串 联 单 元 的 个 数 适 应 不 同 的 输 出 电 压 要 求 ；
2） 完 美 的 输 入 输 出 波 形 ， 使 其 能 适 应 任 何 场 合 及 电 机 使 用 ；
3） 由 于 多 功 率 单 元 具 有 相 同 的 结 构 及 参 数 ， 便 于 将 功 率 单 元 做 成 模 块 化 ， 实 现 冗 余 设 计 ， 即 使 在 个 别 单 元 故 障 时 也 可 通 过 单 元 旁 路 功 能 将 该 单 元 短 路 ， 系 统 仍 能 正 常 或 降 额 运 行 。
其 缺 点 是 ：
1） 使 用 的 功 率 单 元 及 功 率 器 件 数 量 太 多 ， 6 kV系 统 要 使 用 150只 功 率 器 件 （ 90只 二 极 管 ， 60只 IGBT） ， 装 置 的 体 积 太 大 ， 重 量 大 ， 安 装 位 置 成 问 题 ；
2） 无 法 实 现 能 量 回 馈 及 四 象 限 运 行 ， 且 无 法 实 现 制 动 ；
3） 当 电 网 电 压 和 电 机 电 压 不 同 时 无 法 实 现 旁 路 切 换 控 制 。
用 功 率 单 元 串 联 构 成 高 压 变 频 器 的 另 一 种 改 进 方 案 是 采 用 高 压 IGBT器 件 ， 以 减 少 串 联 的 功 率 单 元 数 。 例 如 ， 用 3 300 V耐 压 的 IGBT器 件 ， 用 两 个 功 率 单 元 串 联 的 变 频 器 可 输 出 4.16 kV中 压 ； 若 要 6 kV输 出 ， 只 要 三 个 单 元 串 联 。 功 率 单 元 和 器 件 数 量 的 减 少 ， 使 损 耗 和 故 障 也 减 少 了 ， 有 利 于 提 高 装 置 的 效 率 和 可 靠 性 ， 缩 小 装 置 体 积 。 但 由 于 电 平 级 数 的 减 少 ， 输 出 谐 波 增 加 ， 为 获 得 优 良 的 输 出 波 形 ， 必 须 加 输 出 滤 波 器 。 另 外 由 于 高 压 IGBT比 普 通 低 压 IGBT要 贵 得 多 ， 所 以 虽 然 功 率 器 件 减 少 了 ， 但 成 本 不 一 定 下 降 。
4 中 性 点 钳 位 三 电 平 PWM变 频 器
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 dv/dt的 影 响 ， 逆 变 器 部 分 可 以 采 用 中 性 点 钳 位 的 三 电 平 方 式 （ Neutral point clamped： NPC） 。 逆 变 器 的 功 率 器 件 可 采 用 高 压 IGBT或 IGCT。 ABB公 司 生 产 的 ACS1000系 列 变 频 器 为 采 用 新 型 功 率 器 件 — — 集 成 门 极 换 流 晶 闸 管 （ IGCT） 的 三 电 平 变 频 器 ， 输 出 电 压 等 级 有 2.2 kV、 3.3 kV和 4.16 kV。 图 6所 示 为 ACS1000 12脉 冲 整 流 三 电 平 电 压 源 变 频 器 的 主 电 路 拓 扑 结 构 图 。 西 门 子 公 司 采 用 高 压 IGBT器 件 ， 生 产 了 与 此 类 似 的 变 频 器 SIMOVERT MV系 列 。
整 流 部 分 采 用 12脉 波 二 极 管 整 流 器 ， 逆 变 部 分 采 用 三 电 平 PWM逆 变 器 。 由 图 6可 以 看 出 ， 该 系 列 变 频 器 采 用 传 统 的 电 压 型 变 频 器 结 构 ， 通 过 采 用 高 耐 压 的 IGCT功 率 器 件 ， 使 得 器 件 总 数 减 少 为 12个 。 随 着 器 件 数 量 的 减 少 ， 成 本 降 低 ， 电 路 结 构 简 洁 ， 从 而 使 体 积 缩 小 ， 可 靠 性 更 高 。
由 于 变 频 器 的 整 流 部 分 是 非 线 性 的 ， 产 生 的 高 次 谐 波 将 对 电 网 造 成 污 染 。 为 此 ， 图 6所 示 的 ACS1000系 列 变 频 器 的 12脉 波 整 流 接 线 图 中 ， 将 两 组 三 相 桥 式 整 流 电 路 用 整 流 变 压 器 联 系 起 来 ， 其 初 级 绕 组 接 成 三 角 形 ， 其 次 级 绕 组 则 一 组 接 成 三 角 形 ， 另 一 组 接 成 星 形 ， 整 流 变 压 器 两 个 次 级 绕 组 的 线 电 压 相 同 ， 但 相 位 则 相 差 30° 角 ， 这 样 5次 、 7次 谐 波 在 变 压 器 的 初 级 将 会 有 180° 的 相 移 ， 因 而 能 够 互 相 抵 消 ， 同 样 的 17、 19次 谐 波 也 会 互 相 抵 消 。 这 样 经 过 2个 整 流 桥 的 串 联 叠 加 后 ， 即 可 得 到 12脉 波 的 整 流 输 出 波 形 ， 比 6脉 波 更 平 滑 ， 并 且 每 个 整 流 桥 的 二 级 管 耐 压 可 降 低 一 半 。 采 用 12相 整 流 电 路 减 少 了 特 征 谐 波 含 量 ， 由 于特 征 谐 波 次 数 N=KP± 1（ P为 整 流 相 数 、 K为 自 然 数 ） 。 所 以 网 侧 特 征 谐 波 只 有 11、 13、 23、 25次 等 。 如 果 采 用 24脉 波 整 流 电 路 ， 网 侧 谐 波 将 更 进 一 步 被 抑 制 。 两 种 方 案 均 可 使 输 入 功 率 因 数 在 全 功 率 范 围 内 保 证 在 0.95以 上 ， 不 需 要 功 率 因 数 补 偿 电 容 器 。
变 频 器 的 逆 变 部 分 采 用 传 统 的 三 电 平 方 式 ， 所 以 输 出 波 形 中 会 不 可 避 免 地 产 生 比 较 大 的 谐 波 分 量 （ THD达 12.8％ ） ， 这 是 三 电 平 逆 变 方 式 所 固 有 的 ， 其 线 电 压 波 形 见 图 7。 因 此 在 变 频 器 的 输 出 侧 必 须 配 置 输 出 LC滤 波 器 才 能 用 于 普 通 的 鼠 笼 型 电 机 。 经 过 LC滤 波 器 后 ， 可 使 其 THD<1％ 。 同 样 由 于 谐 波 的 原 因 ， 电 动 机 的 功 率 因 数 和 效 率 都 会 受 到 一 定 的 影 响 ， 只 有 在 额 定 工 况 点 才 能 达 到 最 佳 的 工 作 状 态 ， 随 着 转 速 的 下 降 ， 功 率 因 数 和 效 率 都 会 相 应 降 低 。
三 电 平 逆 变 器 的 结 构 简 单 ， 体 积 小 ， 成 本 低 ， 使 用 功 率 器 件 数 量 最 少 （ 12只 ） ， 避 免 了 器 件 的 串 联 ， 提 高 了 装 置 的 可 靠 性 指 标 。 根 据 目 前 IGCT及 高 压 IGBT的 耐 压 水 平 ， 三 电 平 逆 变 器 的 最 高 输 出 电 压 等 级 为 4.16 kV， 当 输 出 电 压 要 求 6 kV时 ， 采 用 12个 功 率 器 件 已 不 能 满 足 要 求 ， 必 须 采 用 器 件 串 联 ， 除 了 增 加 成 本 外 ， 必 然 会 带 来 均 压 问 题 ， 失 去 了 三 电 平 结 构 的 优 势 ， 并 且 会 大 大 影 响 系 统 的 可 靠 性 。 若 将 来 采 用 9 kV耐 压 的 IGCT， 则 三 电 平 变 频 器 可 直 接 输 出 6 kV， 但 是 谐 波 及 dv/dt也 相 应 增 加 ， 必 须 加 强 滤 波 功 能 以 满 足 THD指 标 。 或 者 采 用 下 面 要 讲 到 的 四 电 平 逆 变 器 。
在 9 kV耐 压 的 器 件 出 现 之 前 ， 对 于 6 kV高 压 电 机 ， 可 采 用 Y/△ 改 接 的 办 法 ， 将 Y型 接 法 的 6 kV电 机 改 为 △ 接 法 ， 线 电 压 为 3.47 kV， 采 用 3.3 kV或 4.16 kV输 出 的 变 频 器 即 能 满 足 要 求 ， 同 时 也 满 足 了 IGCT电 压 型 变 频 器 对 电 机 的 绝 缘 等 级 提 高 一 级 的 要 求 ， 因 此 这 个 方 案 可 能 是 最 经 济 合 理 的 。 但 在 进 行 Y/△ 改 接 后 ， 电 机 电 压 与 电 网 电 压 不 一 致 ， 无 法 实 现 旁 路 功 能 ， 当 变 频 器 出 现 故 障 时 ， 又 要 保 证 生 产 的 正 常 进 行 ， 必 须 首 先 将 电 机 改 回 Y型 接 法 ， 再 投 入 6 kV电 网 。 为 此 ， 电 机 的 Y/△ 改 接 应 通 过 Y/△ 切 换 柜 实 现 ， 以 便 实 现 旁 路 功 能 。 而 ACS1000系 列 本 身 的 旁 路 切 换 是 在 电 机 电 压 与 电 网 电 压 一 致 时 完 成 的 。
若 采 用 有 源 输 入 前 端 ， 则 可 实 现 能 量 回 馈 及 四 象 限 运 行 ， 但 三 电 平 结 构 不 易 实 现 冗 余 设 计 。
5 多 电 平 高 压 变 频 器
随 着 现 代 拓 扑 技 术 的 发 展 ， 多 电 平 高 压 变 频 调 速 技 术 得 到 了 实 际 的 应 用 。 这 种 高 压 变 频 器 的 代 表 是 法 国 阿 尔 斯 通 （ ALSTOM） 公 司 生 产 的 ALSPA VDM6000系 列 高 压 变 频 器 ， 其 逆 变 器 结 构 如 图 8所 示 。
由 图 8可 见 ， 功 率 器 件 不 是 简 单 地 串 联 ， 而 是 结 构 上 的 串 联 ， 通 过 电 容 钳 位 ， 保 证 了 电 压 的 安 全 分 配 。 其 主 要 特 点 是 ：
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 3.3 kV、 4.16 kV、 6.6 kV、 10 kV） 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 之 间 能 量 互 相 交 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 机 和 同 步 电 机 调 速 ， 而 无 需 降 低 容 量 ， 没 有 dv/dt对 电 机 绝 缘 等 的 影 响 ， 电 机 没 有 额 外 的 温 升 ， 是 一 种 技 术 先 进 的 高 压 变 频 器 。 输 出 电 压 和 电 机 电 流 波 形 如 图 9所 示 。
5） ALSPA VDM6000系 列 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 。
6 多 电 平 ＋ 多 重 化 变 频 器
日 本 富 士 公 司 采 用 高 压 IGBT开 发 的 中 压 变 频 器 FRENIC 4600 FM4系 列 ， 它 汇 集 了 多 电 平 和 多 重 化 变 频 器 的 许 多 优 点 ， 它 以 多 个 中 压 三 电 平 PWM逆 变 器 功 率 单 元 多 重 化 串 联 的 方 式 实 现 直 接 高 压 输 出 ， 因 此 构 成 了 一 个 双 完 美 无 谐 波 系 统 ： 对 电 网 为 多 重 叠 加 整 流 ， 谐 波 符 合 IEEE519 1992的 要 求 ； 对 电 动 机 为 完 美 无 谐 波 正 弦 波 输 出 ， 可 以 直 接 驱 动 任 何 品 牌 的 交 流 鼠 笼 型 电 动 机 。
该 型 变 频 器 由 于 采 用 了 高 压 整 流 二 极 管 和 高 压 IGBT， 因 此 系 统 主 电 路 使 用 的 器 件 大 为 减 少 ， 可 靠 性 提 高 ， 损 耗 降 低 ， 体 积 缩 小 。 变 频 器 的 综 合 效 率 可 达 98％ ， 功 率 因 数 高 达 0.95， 不 需 要 加 设 进 相 电 容 器 或 交 直 流 电 抗 器 ， 也 不 需 要 输 出 滤 波 器 ， 使 系 统 结 构 大 为 简 化 。 图 10所 示 为 FRENIC 4600 FM4的 主 电 路 及 功 率 单 元 结 构 图 。
但 是 仔 细 分 析 ， 该 型 变 频 器 的 性 能 价 格 优 势 并 不 大 ， 与 其 同 时 采 用 多 电 平 和 多 重 化 两 种 技 术 ， 还 不 如 采 用 前 面 提 到 的 高 压 IGBT的 多 重 化 变 频 器 ， 反 而 显 得 有 些 不 伦 不 类 。 因 为 ， 用 三 电 平 技 术 构 成 单 相 逆 变 功 率 单 元 ， 在 器 件 数 量 上 并 不 占 优 势 ， 要 比 同 样 电 压 和 功 率 等 级 的 三 电 平 三 相 逆 变 器 足 足 多 用 一 倍 的 器 件 ， 同 样 比 普 通 单 相 逆 变 功 率 单 元 也 正 好 多 出 一 倍 的 器 件 。 例 如 ： 用 3 300 V耐 压 的 IGBT器 件 ， 采 用 单 元 串 联 多 重 化 电 路 6 kV系 统 每 相 需 三 个 单 元 串 联 ， 总 共 9个 单 元 ， 共 需 54只 整 流 二 极 管 ， 36只 IGBT； 而 采 用 三 电 平 功 率 单 元 ， 每 相 需 两 个 单 元 串 联 ， 总 共 6个 单 元 ， 共 需 72只 整 流 二 极 管 ， 48只 IGBT， 足 足 多 用 了 1/3的 器 件 并 且 使 功 率 单 元 的 冗 余 成 本 增 加 了 一 倍 ， 降 低 了 多 重 化 变 频 器 冗 余 性 能 好 的 优 点 ， 同 时 增 加 了 装 置 的 成 本 。 所 以 该 型 变 频 器 实 际 上 并 不 可 取 。
7 变 压 器 耦 合 输 出 高 压 变 频 器
中 高 压 变 频 器 的 主 电 路 拓 扑 结 构 ， 除 了 前 面 提 到 的 二 电 平 、 多 电 平 和 单 元 串 联 多 重 化 方 案 外 ， 1999年 ， 有 人 提 出 了 一 种 新 型 的 变 压 器 耦 合 式 单 元 串 联 高 压 变 频 器 主 电 路 拓 扑 结 构 。 其 主 要 思 想 是 用 变 压 器 将 三 个 由 高 压 IGBT或 IGCT构 成 的 常 规 二 电 平 三 相 逆 变 器 单 元 的 输 出 叠 加 起 来 ， 实 现 更 高 电 压 输 出 ， 并 且 这 三 个 常 规 逆 变 器 可 采 用 普 通 低 压 变 频 器 的 控 制 方 法 ， 使 得 变 频 器 的 电 路 结 构 及 控 制 方 法 都 大 大 简 化 。
图 11 是 这 种 新 型 高 压 变 频 器 的 拓 扑 结 构 图 ， 该方 案 由 下 列 部 分 组 成 ：
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