淺談高壓變頻器的電路拓撲結構

樊玉霞

（大同電力高級技工學校，山西 大同 037039）

淺談高壓變頻器的電路拓撲結構

樊玉霞

（大同電力高級技工學校，山西 大同 037039）

文章基于高壓變頻器的發展，論述了高壓變頻器的電路拓撲結構的分類，比較了高壓變頻器兩電平電路拓撲結構和三電平電路拓撲結構的優缺點，并對兩種拓撲結構進行了分析比較。

高壓變頻器；電路拓撲結構

1 高壓變頻器的概況

隨著交流變頻調速技術的不斷發展，低壓變頻器以其通用性廣、可靠性高、控制靈活以及通信的網絡化、容量的擴大化等特點在各個領域已得到了廣泛應用。同時，由于新型電力電子器件如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、集成門極換向晶閘管(IGCT)等的出現，以及計算機技術的發展和新型的控制理論(如矢量控制技術、直接轉矩控制技術)的應用，使得高壓變頻器也得到了快速發展。其應用主要是在冶金、紡織、化工等工業領域，近年來得到了廣泛應用。

2 高壓變頻器的電路拓撲結構分類

根據當前高壓變頻器的特點，用于高壓（6～10 kV）電動機的變頻器也就出現了多種接線方案。常見的通用變頻器的拓撲結構有3種情況:高-低-高方案，高-低方案，直接高壓方案。

2.1 高-低-高方案

這種方案是將電源電壓經過輸入變壓器(整流變壓器)降壓，再經過低壓變頻器變頻變壓，最后經過輸出變壓器升壓，供給高壓電動機。該方案的優點是經濟性較好，可靠性較高。缺點是整個系統復雜、占地面積大、損耗大。該方案適用于改造項目、有空間或中小容量的電動機，對于新建項目、大容量的電動機，各制造商均不推薦該方案。

2.2 高-低方案

這種方案是將電源電壓經過輸入變壓器(整流變壓器)降壓，再經過低壓變頻器變頻變壓后，直接供給低壓電動機。同高-低-高方案相比，該方案不但具備了高-低-高方案的優點，而且減少了一臺輸出變壓器、節省了占地面積、降低了初始投資和運行費用。該方案只適用于中小容量的電動機，而且輸入變壓器和變頻器距離電動機不能太遠。

2.3 直接采用高壓變頻器的方案

脈沖電壓源型高壓變頻器的輸入變壓器二次側有多個繞組，通過接線方式消除特定的諧波電流，以達到提高功率因數，減小注入系統的諧波電流等目的。輸入變壓器的二次側有兩個繞組，一個為Y形，另一個為△形。采用這種變壓器的目的第一是產生12脈沖操作需要的相位差;第二是變壓器阻抗可以抑制對電網所產生的諧波。同時，由于輸入變壓器的分布電容遠大于電動機繞組對機殼的電容，因此輸入變壓器承擔了大量的共模電壓，降低了對電動機絕緣的要求。同前兩種方案相比，這種方案減小了損耗、提高了效率，而且占地面積較小，變頻器同變壓器可分開布置，缺點是投資比較高。該方案特別適用于高壓大容量電動機。

3 兩電平變頻器的拓撲結構

在分析比較了高壓變頻器分類的基礎上，以下進一步討論變頻器主電路的拓撲結構。

兩電平能量回饋變頻器的主電路結構見圖1，主要包括網側濾波器、聯結電抗器、網側逆變器、直流濾波電容器和電機側逆變器幾部分。

圖1 兩電平能量回饋變頻器主電路拓撲結構圖

該電路的優點：結構簡單，兩電平逆變器技術成熟；效率高，可達到98%；動態性能好、過載能力強；可實現四象限運行；體積小、質量輕、成本低。

缺點：6脈沖整流網側諧波大，需采用進線電抗器；兩電平逆變輸出諧波大，需采用優化的PWM技術及輸出濾波器加以解決。

4 三電平變頻器的拓撲結構

三電平能量回饋變頻器的主電路拓撲結構見圖2。為了直觀起見，圖中略去電機側濾波器。

該電路的優點：結構簡單、體積小、成本低，使用的功率器件數最少（12只），避免了器件的串聯，提高了裝置的可靠性。

5 結論

圖2 三電平能量回饋變頻器主電路拓撲結構圖

二電平控制方式原則上要求配用的電機應為變頻電機。但實際上，幾乎所有需要改造的門機所采用的電機都為普通繞線電機，這種電機不但啟動電流要比同功率的變頻電機大，而且絕緣等級也比變頻電機低。采用二電平控制的缺點是施加在電機軸的沖擊電壓對繞線電機軸承及電機線圈的損害。而采用三電平控制方式用電解電容將直流電壓一分為二，通過IGBT的開關動作得到3個電平，使三電平控制時直流側電壓的變化是二電平控制方式的1/2。三電平控制變頻器既繼承了二電平控制的優點，又解決了原來二電平控制的缺點和不足。三相二極管鉗位三電平逆變器與二電平逆變器相比，具有如下優點：

（1）二極管鉗位三電平逆變器能夠很好地解決開關器件耐壓不高的問題。于每一相輸出電壓，在P～0或者0～N之間，開關器件承受的關斷電壓就是直流電源電壓E的1/2，而在兩電平逆變器中，開關管承受的電壓為E。可以看出二極管鉗位三電平逆變器，可以使相同耐壓水平的開關器件應用到中高壓大功率的逆變器中。由于沒有兩電平逆變器中的兩個串聯器件同時導通和同時關斷問題，故對開關器件的動態性能要求低，開關器件承受的電壓應力小。

（2）由于輸出電壓的電平數比兩電平逆變器多，各梯級電平之間的變化小、du/dt低，因此對外電路的電磁干擾小，對負載電動機的沖擊小，在開關頻率附近的諧波幅值也比較小。

（3）三電平逆變的輸出波形比兩電平逆變器更接近正弦波，諧波含量小，適合于高壓大功率逆變器的開關器件頻率要低、開關損耗要小，要求在高壓大功率條件下，由于兩電平逆變器開關器件承受的耐壓為E，當一個開關器件的耐壓不夠時必須采用兩個開關器件串聯使用，因此三電平逆變器可以降低開關器件的耐壓值。

故經過分析比較，采用三電平電路拓撲結構優于二電平電路拓撲結構。參考文獻：

[1] 張皓，等.高壓大功率交流變頻調速技術.北京：機械工業出版社，2006

[2] 倚鵬.高壓大功率變頻器技術原理與應用.北京：人民郵電出版社，2008

Discuss the High-voltage Inverter Circuit Topology Structure

Fan Yuxia

Based on the development of the high voltage inverter，discusses the high voltage inverter circuit topology structure of classification.Compared the high-voltage inverter circuit topology structure and two level tri-level sync.With the two topological structures are analyzed and compared.

high-voltage inverter；circuit topology

TM 921.51

A

1000-8136(2010)32-0008-02