1.9 中、高压变频器的多重化单元串联型逆变器

1.9.1 采用多重化单元串联型技术的原因

由于我国大功率电动机一般都采用690V、3kV、6kV、10kV供电，所以必须采用中、高压变频器进行调速。限于目前功率器件（GTO晶闸管、IGBT、IGCT等）的电压耐量有限，上述单只功率器件无法完成6kV或10kV直接变频任务。如果串联使用，由于开关频率较高以及均压等技术问题，实用难度很大。国内外各变频器生产厂商八仙过海，各有高招，因此主电路拓扑结构不尽一致，虽不像低压变频器那样具有成熟的、一致性的拓扑结构，但都较成功地解决了中、高压耐压，大容量这些难题。但归纳起来主要有两种：一是采用1.8节介绍的高耐压器件的多电平技术，另一种就是本节介绍的低耐压器件的多重化单元串联型技术。

所谓多重化单元串联型技术，就是中、高压变频器每相由多个低压PWM功率单元串联，叠波升压实现高压输出，各个功率单元由一个多绕组的移相隔离变压器供电，移相隔离变压器的二次绕组彼此隔离，分别供电。移相电源通过改变串联功率单元数量，可以很方便地得到不同电压等级的输出，而不受功率器件耐压的限制。功率单元为交-直-交结构，相当于一个三相输入、单相输出的低压电压源型变频器，用高速微处理器实现控制和以光纤隔离驱动。所有功率单元在结构和电气性能上完全一致，可充分利用常压变频器的成熟技术，因而具有很高的可靠性。采用功率单元串联，而不是用传统的器件串联来实现高压输出，因此不存在器件均压的问题，且维护简单、置换方便。多重化单元串联型技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。

多重化单元串联型技术比较好地解决了半导体的耐高压问题，减小了脉动转矩，功率因数也较高，电压冲击小，谐波量很小。完美无谐波高压变频器具有下述优点：可靠性高、高压直接输出、无升压变压器；输入功率因数在0.95以上，无需功率因数补偿；正弦波输入，无需滤波器，采用单元串联多电平PWM技术、正弦输出波形（无需输出滤波器）几乎完美，适用普通电动机；当某个功率单元出现故障时，应用功率单元自动旁路技术，可无间断运行；采用内部干式变压器和功率单元模块化设计，维护方便，实现了全数字控制；系统总效率高达97%。虽然多重化单元串联型变频器的功率器件数目多、体积大，但是，目前其他方法无法取代它的市场主流地位，完美无谐波高压变频器被越来越广泛地应用于工业生产。

目前国内外众多厂家生产的多重化单元串联型高压变频器，驱动功率已达到了7000kW，但三电平高压变频器受到器件耐压的限制，尚难以实现6kV和10kV的直接高压输出，虽然1.8节介绍了一些产品，但目前不是市场的主流；而多重化单元串联型技术的输出电压能够达到10kV甚至更高，在我国已经得到了广泛应用。

1.9.2 基于IGBT组成的多重化逆变器功率单元

为了便于生产和维修，多重化单元串联型技术的高压变频器采用了功率单元模块化设计，功率单元的电路结构如图1-47所示。它是由熔断器、三相桥式整流器、直流滤波电容及IGBT单相全桥逆变器组成的电压型功率单元，单元中的直流滤波电容要足够大，以使变频器可以承受30%的电源电压下降和5个周波的电源电压失电。功率单元为三相输入、单相输出的交-直-交PWM电压源型变频器，移相变压器二次侧输出的三相交流电经功率单元的三相二极管整流后，通过滤波电容形成平直的直流电，再经过四个IGBT构成的H形单相逆变桥，逆变器通过光纤接收信号，采用PWM方式（双极性调制法、单极性调制法）控制V₁～V₄（IGBT）的导通和关断，输出单相PWM波形。每个单元仅有三种可能的输出电压状态：当V₁和V₄导通时，L1和L2的输出电压状态为1；当V₂和V₃导通时，L1和L2的输出电压状态为-1；当V₁和V₂或者V₃和V₄导通时，L1和L2的输出电压状态为0。逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元，输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度，实现多电平PWM，叠加以后输出电压的等效开关频率和电平数大大增加，输出电压非常接近正弦波。逆变器的控制脉冲波形由参考正弦波和三角波产生。

图1-47 多重化单元串联型的功率单元的电路结构

1.9.3 多重化单元串联型6kV逆变器及其拓扑

6kV逆变器一般由15个或是18个功率单元构成，每相由5个或6个功率单元组成，功率单元额定电压为690V或640V。若6kV逆变器由15个功率单元组成，每5个功率单元串联构成一相（见图1-48），串联成一相后的相电压为690V×5=3450V，对应的三相星形联结线电压为6kV。

图1-48 5个功率单元串联的6kV逆变器接线

图1-49所示为6kV逆变器主电路的拓扑结构图，图中的变压器有5组三相对称的二次绕组，每组互差12°相位角。图中以中间△接法为参考（0°），上、下方各有两套分别超前（12°、24°）和滞后（-12°、-24°）的4组绕组，所需相差角度可通过变压器的不同联结组标号来实现，这对输出波形更加有利。逆变器采用多重化的脉宽调制（PWM）技术，输出的电压波形如图1-50所示。

图1-49 6kV逆变器主电路的拓扑结构图

图1-49中的每个功率单元都是由低压IGBT构成的三相输入、单相输出的低压PWM电压型逆变器组成的。每个功率单元的输出电压为1、0、-1三种状态电平，每相5个单元叠加，就可产生11种不同的电平等级，分别为±5、±4、±3、±2、±1和0。用这种多重化技术构成的高压变频器也称为单元串联多电平PWM电压型变频器。每个功率单元承受全部的输出电流，但仅承受1/5的输出相电压和1/15的输出功率。变频器由于采用多重化PWM技术，由5对依次相移12°的三角载波对基波电压进行调制。对A相基波调制所得的5个信号，分别控制A₁～A₅五个功率单元，经叠加可得图1-50所示具有11级阶梯电平的相电压波形，它相当于30脉冲变频，理论上19次以下的谐波都可以抵消，总的电压和电流失真率可分别低于1.2%和0.8%。由图1-50可见，这种变频器输出波形很接近正弦波，谐波分量很小，堪称完美无谐波（Perfect Harmony）变频器。

它的输入功率因数可达0.95以上，而不必设置输入滤波器和功率因数补偿装置。变频器同一相的功率单元输出相同的基波电压，串联各单元之间的载波错开一定的相位，每个功率单元的IGBT开关频率若为600Hz，则当5个功率单元串联时，等效的输出相电压开关频率为6kHz。功率单元采用低的开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。波形的改善除能减小输出谐波外，还可以降低噪声、du/dt值和电动机的转矩脉动。所以这种变频器对电动机无特殊要求，可用于普通笼型电动机，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大的滤波电容，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。

图1-50 5个功率单元串联的脉宽调制输出电压波形

1.9.4 多重化单元串联型10kV逆变器及其拓扑

10kV逆变器一般由24个或27个功率单元组成，每8个或9个功率单元串联构成一相。若10kV逆变器由27个功率单元组成，每相由9个功率单元组成（见图1-51），功率单元额定电压为690V，工作电压为640V，串联成一相后的相电压为5773V，对应的三相星形联结线电压为10kV。

图1-52所示为10kV逆变器主电路的拓扑结构图，每个功率单元都是由低压IGBT构成的三相输入、单相输出的低压PWM电压型逆变器组成的。每个功率单元的输出电压为1、0、-1三种状态电平，每相9个单元叠加，就可产生19种不同的电平等级，分别为±9、±8、±7、±6、±5、±4、±3、±2、±1和0。每个功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。二次绕组采用延边三角形接法，实现多重化，以达到降低输入谐波电流的目的。对于10kV电压等级变压器来说，给27个功率单元供电的27个二次绕组，每3个为一组，分为9个不同的相位组，互差约6.7°电角度，形成54脉冲的整流电路结构，可有效地抵消53次以下的谐波，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真可达到1%左右。由于输入电流谐波失真很小，逆变器输入的综合功率因数可达到0.99以上。

图1-51 9个功率单元串联的10kV逆变器接线图

1.9.5 多重化单元串联型高压变频器的星点漂移功能

多重化单元串联型高压变频器每相中的功率单元是串联的，当它的某个功率单元出现故障时，利用它的星点漂移功能，可自动退出系统，而其余的功率单元可继续维持电动机的运行，以减少停机造成的损失，系统采用模块化设计，可迅速替换故障模块。

采用高压变频器的星点漂移功能将故障功率单元旁路，不影响变频器的电流容量，但电压容量将下降。通常，所要求的电动机电压大致与速度成正比，所以变频器满足应用要求的最大速度也将下降。因此，在一个或多个功率单元发生故障后，使电动机有效电压最大是十分重要的。目前，西门子罗宾康完美无谐波高压变频器以及山东新风光电子科技发展有限公司的JD—BP高压系列变频器都采用高压变频器的星点漂移功能。根据山东新风光电子科技发展有限公司的有关资料，下面介绍星点漂移功能。^[5]

图1-53～图1-58说明了变频器的有效输出电压，其中功率单元用圆圈表示为简单的电压源。

图1-52 10kV逆变器主电路的拓扑结构图

图1-53中，15单元变频器中无功率单元故障被旁路，100%的单元在使用，可提供100%的电压。A相电压指令相对B相电压指令有120°的相移，对C相的相移也为120°。

当变频器某相功率单元因故障被旁路时，输出电压将变得不平衡，例如，图1-54中A相两个功率单元故障后被旁路，87%的单元在使用。A相电压指令相对B相电压指令有120°的相移，对C相的相移也为120°。

图1-53 15单元变频器有效输出电压（没有功率单元被旁路）

图1-54 15单元变频器有效输出电压（A相2个功率单元被旁路）

图1-54所示故障情况发生后，为输出三相平衡的电动机电压，有两种方法：

一种方法是在其他没有发生故障的两相中旁路掉相同的单元数，如图1-55所示。很显然，这种方法避免了不平衡，但牺牲了电压容量，87%的功率单元是正常的，但是仅有60%的功率单元在使用，所以只能提供60%的电压。

另一种更好的方法如图1-56所示，这种方法利用功率单元的星形点是浮动的且不连接电动机中性点的事实，所以星形点可以偏离电动机中性点，功率单元电压的相位角可以被调整，因而尽管功率单元组电压不平衡，但是仍可以得到平衡的电动机电压。

图1-55 15单元变频器有效输出电压（每相2个功率单元被旁路）

图1-56中，余下87%的正常功率单元在使用，可提供80%的输出电压。功率单元电压的相位角被调整，因而A相与B相以及A相与C相的相位差为132.5°，而不是通常的120°。

图1-56 15单元变频器有效输出电压（A相2个单元被旁路，相角调整）

同样，中性点漂移方法可应用于更加极端的情况。如图1-57所示，变频器原来每相有5个功率单元（总共15个功率单元），A相5个功率单元全部正常，但B相有1个、C相有2个功率单元发生故障。不使用中性点移动时，所有相的功率单元数要减到与C相功率单元一致以得到平衡的电动机电压，B相必须旁路掉1个正常的功率单元，A相必须旁路掉2个正常的功率单元，仅有60%的功率单元被继续使用，可提供60%的电压。

如果如图1-57所示，使用中性点漂移方法时，只需要将发生故障的功率单元旁路，功率单元电压的相位角被调整，所以A相与B相的相位差为96.9°，而A相与C相的相位差为113.1°，而不是通常的120°。功率单元星形点与电动机电压的中性点不再一致，但电动机电压仍然是平衡的。中性点漂移使得80%的单元被继续使用，可提供70%的电压。图1-58所示为只发生一个单元故障时可提供的电压对比情况。

图1-57 15单元变频器有效输出电压（中性点漂移法）

图1-58 只发生一个单元故障时可提供的电压

1.9.6 多重化单元串联型高压变频器的优缺点

多重化单元串联型高压变频器的优点如下：

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，无须输出变压器，通过串联单元的个数即可得到3kV、6kV、10kV不同的输出电压要求。

2）中、高压变频器采用单元串联矢量控制正弦波脉宽调制叠波输出，完美的输出波形大大削弱了输出谐波含量，输出波形几近完美的正弦波，无须输出滤波装置，可以驱动普通高压电动机，而不会增加电动机温升、降低电动机容量，电动机电缆一般无长度限制。

3）由于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，维护简单，可实现冗余设计。即使在少数功率单元故障时也可通过单元旁路功能将该功率单元短路，系统仍能正常或降额运行，可减少停机时造成的损失。

4）高压主电路与控制器之间为光纤连接，安全可靠。

5）输入功率因数高，网侧不需要添加功率因数补偿装置。

6）对电缆、电动机绝缘无损害，电动机谐波少，减小了轴承、叶片的机械振动，不会因为谐波转矩而降低设备使用寿命。

其缺点如下：

1）使用的功率单元及功率器件数量太多，6kV系统约使用150只功率器件（90只二极管，60只IGBT），装置的体积大、重量大，10kV系统使用的功率器件更多，体积和重量也更大。

2）无法实现能量回馈及四象限运行。

3）当电网电压和电动机电压不同时，无法实现旁路切换控制。

目前，对于我国标准中的6kV和10kV电压等级电动机，其他的方式一般需要串联功率器件，高压器件应用的可靠性不是太高，采用多重化单元串联型高压变频器成为市场的主流。