目前，國內(nèi)外高壓變頻器種類很多，但還沒有形成像低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓撲結(jié)構(gòu)。日本長岡科技大學的A Nabae等人于1980年首次提出三電平逆變器，為高壓大容量電壓型逆變器的研制開辟了一條新思路。一般結(jié)構(gòu)是由幾個電平臺階合成階梯波以逼近正弦波輸出電壓。這種變換器由于輸出電壓電平數(shù)的增加，使得輸出波形具有更好的諧波頻譜，每個開關(guān)器件所承受的電壓應力較小，無需均壓電路，開關(guān)損耗小，dU/dT較小，對電機絕緣十分有利。
單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器正是基于這一思想，采用若干個低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實現(xiàn)直接高壓輸出。該變頻器對電網(wǎng)諧波污染小，諧波輸入電流很低，輸入功率因數(shù)高，不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補償裝置。
1 變頻器的結(jié)構(gòu)及工作原理
單元串聯(lián)多電平變頻器采用若干個低壓功率單元串聯(lián)方式實現(xiàn)高壓輸出。以6kV輸出電壓等級變頻器為例，電網(wǎng)電壓經(jīng)過二次側(cè)多重化的隔離變壓器降壓后向功率單元供電，功率單元為三相輸入、單相輸出的交-直-交PWM電源型逆變器結(jié)構(gòu)。將相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y聯(lián)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機。各功率單元分別由輸入變壓器的一組二次繞組供電，功率單元之間及變壓器二次繞組間相互絕緣。
6kV變頻器的輸入變壓器實行多重化設(shè)計，以達到降低輸入諧波電流的目的。變壓器副邊有15個二次繞組，采用延邊三角形聯(lián)結(jié)，分為5個不同的相位組，互差12°電角度。每相由5個功率單元串聯(lián)而成時，形成30脈波的二極管整流電路結(jié)構(gòu)。所以理論上29次以下的諧波都可以消除，輸入電流波形接近正弦波，總的諧波電流失真率可低于1%。在變壓器二次繞組分配時，組成同一相位組的每三個二次繞組，分別給屬于電動機三相的功率單元供電。這樣，即使在電動機電流出現(xiàn)不平衡的情況下，也能保證每個相位組的電流基本相同，達到理想的諧波抵消效果。
每相由5個額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)而成，輸出相電壓最高可達3450V，線電壓可達6kV左右，如圖1所示。每個功率單元承受全部的輸出電流，但只提供1/5的相電壓和1/15的輸出功率。變壓器的15個二次繞組經(jīng)過熔斷器，分別接到每個功率單元三相二極管整流橋的輸入端，功率單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示，功率單元的電壓等級和串聯(lián)數(shù)量決定了變頻器輸出電壓，功率單元的額定電流決定變頻器輸出電流。三相交流電整流后經(jīng)濾波電容濾波形成直流母線電壓，由于輸入變壓器阻抗設(shè)計得較大（一般為8%左右），直流環(huán)節(jié)不必設(shè)置低壓變頻器那樣的預充電限流電阻。當功率單元額定電壓為690V時，直流母線電壓為900V左右。逆變器由4個 耐壓為1700V的IGBT模塊組成H橋式單相逆變電路，通過PWM控制，在T1和T2兩端得到變壓變頻的交流輸出，輸出電壓為單相交流0～690V，頻率為0～50Hz（根據(jù)電動機的額定功率，可以響應調(diào)整，最高可達120Hz）。
圖1 6kV變頻器主電路拓撲結(jié)構(gòu)
圖2 功率單元原理圖
由于變頻器不是用傳統(tǒng)的器件串聯(lián)的方式來實現(xiàn)高壓輸出，而是采用整個功率單元串聯(lián)，所以不存在器件串聯(lián)引起的均壓問題。
2 變頻器的SPWM控制技術(shù)
逆變器輸出采用多電平移相式PWM技術(shù)，同一相的功率單元，輸出相同幅值和相位的基波電壓，但串聯(lián)各單元的載波之間互相錯開一定電角度，實現(xiàn)多電平PWM，疊加以后輸出電壓的等效開關(guān)頻率和電平數(shù)大大增加，輸出電壓非常接近正弦波。對于6kV的變頻器，每相由5個額定電壓為690V的功率單元串聯(lián)而成，采用5個依次相移為72°的三角載波和參考波比較，產(chǎn)生PWM控制信號，使逆變器輸出相電壓有11種電平，而對應的線電壓則有21種電平。這種變頻器對電動機沒有特殊的要求，可用于普通的高壓電動機，且不必降額使用。
每個功率單元脈沖控制都是采用SPWM控制，逆變器的控制脈沖波形，由參考正弦波和三角波比較產(chǎn)生。實際上，為了防止同一橋臂上下管子同時導通，必須設(shè)定互鎖延時，即存在一定的死區(qū)時間，在死區(qū)時間內(nèi)上下橋臂IGBT均處于截止狀態(tài)，輸出電壓由輸出電流的方向決定（電流方向決定電流流經(jīng)哪個續(xù)流二極管，從而決定輸出電壓極性），嚴格說來，此時輸出電壓處于不可控狀態(tài)。由于單元內(nèi)PWM的載波頻率很小，死區(qū)電壓的誤差占的比重很小，可以忽略不計，不必采用像低壓變頻器那樣的死區(qū)電壓誤差補償電路。功率單元與主控系統(tǒng)之間通過光纖進行通信，以解決強弱電之間的隔離問題和干擾問題。
根據(jù)功率單元結(jié)構(gòu)，每個功率單元的逆變電路存在4種不同的開關(guān)組合：VT1和VT4同時導通，T1和T2之間輸出正的直流母線電壓；VT2和VT3同時導通，輸出負的直流母線電壓；VT1和VT3同時導通，或者VT2和VT4同時導通，輸出電壓為0。所以，4種不同的開關(guān)狀態(tài)，輸出3種不同的電平，分別為+U、0和-U（U為單元直流母線電壓）。
3 仿真分析
采用Matlab軟件內(nèi)部所含的Simulink工具箱對6kV電壓等級的變頻器進行了仿真，仿真電路中取M為0.85，三角型載波頻率為600Hz，圖3為6kV電壓等級的變頻器相電壓仿真波形, 圖4為變頻器輸出的線電壓波形和諧波分析。從圖3、圖4中可以看出，變頻器每相有0、±U、±2U、±3U、±4U、±5U共11種電平，而對應的線電壓則有21種電平。由于采用多電平技術(shù)，穩(wěn)態(tài)時輸出電壓、電流非常接近正弦波，總的電壓諧波失真為5.38%，大大低于普通的電流源型變頻器和三電平變頻器，改善了輸出波形，降低了輸出諧波。
圖3 6kV變頻器的輸出相電壓波形
圖4 變頻器輸出線電壓波形和諧波分析
從圖4還可以看出，由于采用多電平移相式PWM控制，輸出的諧波頻率主要集中在4.5～7.5kHz范圍內(nèi)，且都低于5%。對于一般的電動機來說，工頻時阻抗為16%左右，所以對于5kHz的諧波而言，其阻抗約為1600%，所產(chǎn)生的各次諧波電流均小于0.5%，基本上不會產(chǎn)生諧波發(fā)熱、噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動，電動機的轉(zhuǎn)矩脈動分量極小，因而，諧波引起的電動機發(fā)熱、噪聲和轉(zhuǎn)矩脈動都將大大降低，可以不必設(shè)置輸出濾波器，使用普通的異步電動機。
4 結(jié) 語
單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器與采用高壓器件直接串聯(lián)的變頻器相比，因為功率單元中采用目前低壓變頻中廣泛使用的低壓IGBT功率模塊，技術(shù)成熟、可靠。門極驅(qū)動功率較低，驅(qū)動線路非常簡單，系統(tǒng)在效率方面仍具有較大的優(yōu)勢，變頻器效率可達98.5%以上。而且由于功率單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，所有的功率單元可以互換，維修也比較方便，采用功率單元自動旁路技術(shù)還可以使變頻器在功率單元損壞的情況下繼續(xù)運行（降額運行），大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器結(jié)構(gòu)獨特的拓撲形式和顯著的性能優(yōu)點，使其非常適用于風機、泵類等的變頻調(diào)速。目前，美國羅賓康公司和國產(chǎn)的單元串聯(lián)多電平PWM電壓源型變頻器已經(jīng)在國內(nèi)許多行業(yè)中得到了推廣和普及，且收到了很好的節(jié)能效果，因而該類變頻器在交流傳動領(lǐng)域的應用前景非常樂觀。
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