单元串联多电平变频器原理解析

单元串联多电平变频器采用若干个独立的低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。各功率单元通常采用隔离变压器供电，变压器二次绕组采用延边三角形联结，各绕组存在一个相位差以实现输入多重化，达到抑制谐波的目的，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。输出通常采用移相式PWM，以实现较低的输出电压谐波，较小的du/dt和共模电压，不存在由谐波引起的电动机附加发热和转矩脉动，可以使用普通的异步电动机。

单元串联多电平变频器原理如图6-26a所示。6kV输出电压等级的变频器主电路结构如图6-26b所示。电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，每个功率单元为由低压IGBT功率器件组成的三相输入、单相输出的交-直-交PWM电压源型逆变器结构（见图6-26c），将相邻功率单元的输出端串接起来，形成联结结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。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。

对于额定输出电压为6kV的变频器，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联而成，输出相电压最高可达3450V，线电压可达6kV左右，每个功率单元承受全部的输出电流，但只提供1/5的相电压和1/15的输出功率。当每相由3个额定电压为480V的功率单元串联时，变频器输出额定电压为2300V；当每相由4个额定电压为480V的功率单元串联时，变频器输出额定电压为3300V；当每相由5个额定电压为480V的功率单元串联时，变频器输出额定电压为4160V；当每相由5个额定电压为1275V的功率单元串联时，变频器输出额定电压为10kV左右。所以，

图6-26 单元串联多电平变频器

a）电压叠加原理 b）主电路结构 c）功率单元结构

单元的电压等级和串联数量决定变频器输出电压，单元的电流额定决定变频器输出电流。由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联，所以不存在器件串联引起的均压问题。由于串联功率单元较多，对单元本身的可靠性要求很高。这种变频器的一个发展方向是采用额定电压较高的功率单元，比如额定电压为1275V的单元，单元内可采用3300V的IGBT，以达到在满足输入、输出波形质量要求的前提下，尽量减少每相串联单元的个数，降低成本，提高可靠性。

图6-27 单元串联多电平变频器输入波形(www.xing528.com)

输入变压器实行多重化设计，以达到降低输入谐波电流的目的。以6kV变频器为例，各功率单元由输入隔离变压器的15个二次绕组分别供电，15个二次绕组采用延边三角形联结，分成5个不同的相位组，每组之间存在一个12°的相位差，形成30脉波的二极管整流电路结构，所以理论上29次以下的谐波都可以消除，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真可低于1%，如图6-27所示。图6-26b中以中间△联结为参考0°，上下方各有两套，分别超前12°、24°和滞后12°、24°的4组绕组。所需相位差可通过变压器的不同联结方式来实现。即使对于每相3个功率单元串联的结构（2300V电压等级），整流电路是18脉波结构，输入谐波电流失真也在3%以下。在变压器二次绕组分配时，组成同一相位组的每三个二次绕组，分别给分属于电动机三相的功率单元供电，这样，即使在电动机电流出现不平衡的情况下，也能保证各相位组的电流基本相同，达到理想的谐波抵消效果。这种变频器不加任何谐波滤波器就可以满足供电部门对电压和电流谐波失真的要求。由于采用二极管整流的电压源型结构，电动机所需的无功功率可由滤波电容提供，所以输入功率因数较高，基本可保持在0.95以上，不必采用功率因数补偿装置。

图6-28 单元串联多电平变频器输出波形

逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，所谓“移相式”是指同一相中各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，使得叠加以后输出电压的阶梯数增加，等效开关频率提高，输出电压非常接近正弦波，电流谐波明显减少。图6-28为一6kV电压等级变频器的输出电压和电流波形。每个电平台阶只有单元直流母线电压大小，du/dt很小，对电动机绝缘十分有利，对电动机无特殊要求，可用于普通笼型异步电动机，且不会产生输出电缆较长时行波反射引起的浪涌电压增加而造成电动机绝缘破坏问题，所以对变频器输出至电动机之间的电缆长度没有特殊限制。功率单元采用较低的开关频率，以降低开关损耗，且可以不用浪涌吸收电路，提高变频器的效率。由于采取多电平移相式PWM，等效输出开关频率很高，且输出电平数增加，可大大改善输出波形，降低输出谐波，谐波引起的电动机发热、噪声和转矩脉动都大大降低。

与采用高压器件直接串联的变频器相比，采用这种主电路拓扑结构会使器件的数量增加，装置的体积大、重量大、成本高，对于6kV变频器，共使用60个低压IGBT，但低压IGBT门极驱动功率较低，其峰值驱动功率不到5W，平均驱动功率不到1W，驱动电路非常简单。由于开关频率很低，且不必采用均压电路和浪涌吸收电路，图6-28单元串联多电平变频器输出波形显示系统在效率方面仍具有较大的优势，满载时，变频器效率可达98.5%以上，包括输入变压器和变频器的总体效率一般可高达97%。由于功率单元采用电容滤波的电压源型结构，变频器可以承受30%的电源电压下降而继续运行（降额运行），并且在电网瞬时断电5个周期内还能满载运行。功率单元中采用目前低压变频器中广泛使用的低压IGBT功率模块，技术成熟、可靠，通过改变串联单元的个数适应不同的输出电压要求。在满足系统输入、输出波形质量要求的前提下，采用额定电压较高的功率单元，可以减少串联功率单元数目，提高可靠性，降低成本。

由于采用二极管不可控整流电路结构，所以能量不能回馈电网，不能四象限运行，且无法实现制动，主要应用领域为风机和水泵。但变频器对浪涌电压的承受能力较强，雷击或开关操作引起的浪涌电压可以经过变压器（变压器的阻抗一般为8%左右）产生浪涌电流，经过功率单元的整流二极管，给滤波电容充电，滤波电容足以吸收进入到单元内的浪涌能量。另外，变压器一次侧安装了压敏电阻浪涌吸收装置，起到进一步保护作用。而一般的电流源型变频器，输入阻抗很高，对浪涌电压的吸收效果就远远不如电压源型变频器。

功率单元与主控系统之间通过光纤进行通信，以解决强弱电之间的隔离问题和干扰问题。由于各功率单元具有相同的结构及参数，可以互换，维修也比较方便，每个单元与系统的联系仅为有3个交流输入、2个交流输出电气连接端和1个光纤插头端，所以功率单元的更换十分方便。采用功率单元自动旁路技术可使变频器在功率单元损坏的情况下继续运行（降额运行），大大提高系统的可靠性。还可以实现冗余功率单元设计，即使在功率单元损坏的前提下，还能满载运行。