PWM电流源型变频器

如果电流源型变频器的逆变桥采用全控型器件，则逆变桥也可以采用PWM控制，此类变频器称为PWM式电流源型变频器。晶闸管电流源型变频器低速时谐波增大，转矩脉动明显，与此相比，PWM式电流源型变频器有很多优点。目前，越来越多的大容量电流源型变频系统采用GTO-PWM控制。

GTO-PWM式电流源型变频器采用GTO作为逆变部分的功率器件，如图6-4所示。其电路结构为交-直-交电流源型，逆变器功率开关采用GTO串联形式，省去了强迫换流电路，简化了主电路结构。逆变器输出端的电容器用于吸收GTO关断时产生的过电压，也对输出的PWM电流波形起到滤波作用。由于采用PWM技术，输出谐波降低，滤波器可大大减小。

GTO是在晶闸管基础上发展起来的全控型电力电子器件，目前的电压电流等级可达6000V/6000A。GTO开关速度较低，损耗大，需要庞大的缓冲电路和门极驱动电路，这使得系统的复杂性增加、成本提高，应用受到限制。GTO中数千只独立的开关单元做在一个硅片上，由于开关不均匀，需要缓冲电路来维持工作，以限制器件承受的du/dt，缓冲电路一般采用RCD型结构，二极管和电容必须有与GTO相同的耐压等级，二极管要求用快速恢复二极管。缓冲电路的损耗产生热量，影响器件的可靠运行，并且影响变频器的效率。为了降低损耗，可采取能量回馈型缓冲电路方案，通过DC/DC变换电路把缓冲电容中储存的能量返回到中间直流环节，降低了损耗但增加了装置的复杂性。GTO的开关频率较低，一般在几百赫兹，比如300Hz，在大功率应用条件下，考虑到GTO的开关特性及损耗等因素，GTO-PWM电流源型变频器通常选用的开关频率在几百赫兹左右。因此，所采用的PWM控制策略，应在这种较低的开关频率下，达到较好的调制性能。若整流电路也采用GTO作电流PWM控制，可以得到较低的输入电流谐波和较高的输入功率因数，当然系统的成本也会相应增加。在电流型变频器中，直流环节的电流和逆变器频率是两个关键的控制参量，其中可以通过控制前端GTO整流器改变电流。

图6-4 GTO-PWM式电流源型变频器主电路结构

GTO电流源型变频器可以说是晶闸管变频器的改进，目前GTO的最高研究水平为6kV/6kA以及9kV/10kA，实用水平为6kV/3kA，采用器件串联方式，装置容量可达7500kVA以上。但GTO作为高压变频调速系统的电力电子器件仍有需要改进的地方，ABB公司的高压变频器PowerFlex7000系列，用新型功率器件-对称门极换流晶闸管（SGCT）代替GTO，具有集成门极驱动、开关频率高等优点，简化了驱动和吸收电路，提高了系统效率，6kV系统每个桥臂采用3只耐压为6500V的SGCT串联。采用功率器件串联的二电平逆变电路方案，结构简单，使用的功率器件少。但器件串联带来静态和动态均压的问题，且二电平输出的du/dt会对电动机的绝缘造成危害，要求提高电动机的绝缘等级。(www.xing528.com)

GTO-PWM式电流源型变频器输出滤波电容的容量低，因此电容的滤波效果差，输出电流波形的质量低。电机电流质量的提高可以通过GTO采用谐波消除的电流PWM开关模式来实现。在低频时，输出电流每个周期内相应的PWM波形个数较多，谐波消除会比较有效。但是，由于受到GTO开关频率的限制，高速时谐波消除效果大大下降。如果需要降低或消除PWM电流源型变频器的输入输出的低次谐波，可采用双边PWM式电流源型变频器，其电路如图6-5所示。变频器的整流部分与逆变部分均采用全控型器件GTO构成，而且在输入侧接入一组星形联结的滤波电容，对输入电流进行滤波的同时，还用来吸收由整流侧GTO关断时引起的过电压（为整流侧GTO换相提供通路）。

图6-5 双边PWM电流源型变频器原理图

双边PWM式电流源型变频器需要采用全控型器件，现有的全控型器件中，GTO的门极功率很大，其驱动与保护电路也很复杂，故使用得较少，而IGCT、SGCT为近些年发展起来的新型器件，市场销量不是特别大，价格较贵，IGBT、MOSFET等器件在电流源型变频器使用中需要串联二极管，同时其耐压和电流容量均远远不如晶闸管，所以在高压电流源型变频器中最常用的还是晶闸管，晶闸管电流源型变频器的输入和输出谐波可以通过加装输入输出滤波器及采用输入、输出多重化的办法来加以改善。