图6-7所示为一种三电平变频调速系统的主电路结构。该整流电路采用12脉波二极管整流器，逆变部分采用PWM三电平逆变电路，功率器件可以采用IGCT，由于受到器件开关损耗，尤其是关断损耗的限制，IGCT的开关频率为600Hz左右。每一相的上、下桥臂各有两个功率器件串联，每个功率器件都有反并联二极管，每一相上、下桥臂的中点通过箝位二极管与直流侧电容的中点连接。
图6-7 三电平变频调速系统主电路结构
注：①保护用功率器件；②共模电抗器；③di/dt限制电路；④滤波器。
直流环节主要包括两组分压电容，di/dt限制电路，共模电抗器，保护用IGCT等。其中两组电容分压，得到中心点。IGCT器件本身不能控制di/dt，所以必须外加di/dt限制电路，该限制电路主要由di/dt限制电抗器、与之反并联的续流二极管和电阻组成，主要作用是将逆变器IGCT反并联续流二极管的反向恢复控制在安全运行范围内，并限制短路时的电流上升率。共模电抗器一般应用在变压器与变频器分开安置，且变压器二次侧和整流桥输入之间电缆较长时的情形，当变压器和变频器一起放置时，可以省去。其作用主要是承担共模电压、限制高频漏电流，因为当输出设置滤波器时，由于滤波电容的低阻抗，电机承受的共模电压极小，共模电压由输入变压器和逆变器共同承担，当变压器与变频器之间电缆较长，线路分布电容较大，容抗下降，导致变压器承受的共模电压下降，逆变器必须承受较高的共模电压，为避免影响功率器件安全，故设计共模电抗器来承受共模电压。另外高频的共模电压还会通过输出滤波电容，变压器分布电容，电缆分布电容形成通路，产生高频漏电流，影响器件安全，此时共模电抗器也起到抑制高频漏电流的作用。保护用IGCT的作用是当逆变器发生短路等故障时，切断短路电流，起到相当于快速熔断器的作用。由于逆变电路采用IGCT作为功率器件，而IGCT本身不像IGBT那样存在过电流退饱和效应，可以通过检测集电极电压上升来进行短路检测，并通过门极关断进行保护，所以必须通过霍尔电流传感器，检测到过电流，然后通过串联在上下直流母线的两个保护用IGCT进行关断。由于直流环节存在共模电抗器和di/dt限制电抗器，导致整流桥输出和滤波电容之间存在较大阻抗，这样电网的浪涌电压要通过整流桥形成浪涌电流，再通过滤波电容吸收的效果大大降低，为了保护整流二极管免受浪涌电压的影响，在整流桥输出并联了阻容吸收电路。箝位二极管保证了桥臂中最外侧的两个IGCT承受的电压不会超过一半的直流母线电压，确切地说，应该是对应侧滤波电容的电压，所以最外侧的两个IGCT不存在过电压问题。内侧的两个器件仍要并联电阻，以防止产生过电压。因为在同侧两个器件同时处于阻断状态时，内侧的器件承受的电压可能超过一半的直流母线电压，具体电压取决于同侧两个器件的漏电流匹配关系。
如果不加输出滤波器，三电平变频器输出时，电动机电流总谐波失真可以达到17%左右，会引起电机谐波发热，转矩脉动。输出电压跳变台阶为一半直流母线电压，du/dt也较大，会影响电动机绝缘，所以一般需配特殊电动机。若要使用普通电动机，必须附加输出滤波器。输出滤波器有du/dt滤波器和正弦波滤波器两种，du/dt滤波器容量较小，只对电压变化率起抑制作用，使电机绝缘不受du/dt的影响，对电动机运行动态性能的影响较小，如果系统动态性能要求较高时，适合采用，而且成本较低。正弦波滤波器容量较大，输出电压波形可大大改善，接近正弦波，由于滤波器的阻抗较低，而且滤波器中点接地，使电动机承受的共模电压很小，电动机绝缘不受影响。正弦波滤波器的滞后作用会影响系统的动态响应，同时由于滤波器对输出电压的衰减作用，也会限制变频器的最低运行频率。由于滤波器采取低通设计，还限制了变频器的输出上限频率。滤波器在满载时的损耗会降低变频系统效率0.5%左右。
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图6-8 三电平变频器输出电压和滤波后电压
图6-8为三电平变频器输出电压和经滤波器后输出至电动机的电压波形。图6-9a和6-9b分别显示了未经滤波和经滤波后电压的谐波分布图。滤波前，输出总电压谐波失真为29%，经过滤波后，可降低到4%左右，电动机的电流谐波失真可从17%降低到2%左右。
图6-9 三电平变频器输出电压谐波和滤波后电压谐波
a）变频器输出电压谐波 b）滤波后电压谐波
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