1 前 言
    众 所 周 知 ， 大 功 率 风 机 、 水 泵 的 变 频 调 速 方 案 ， 可 以 收 到 显 著 的 节 能 效 果 ， 其 直 接 经 济 效 益 很 大 ， 宏 观 经 济 效 益 及 社 会 效 益 则 更 大 。 可 以 预 计 ， 大 功 率 交 流 电 机 变 频 调 速 新 技 术 的 发 展 是 我 国 节 能 事 业 的 主 导 方 向 之 一 。 
    目 前 ， 阻 碍 变 频 调 速 技 术 在 高 压 大 功 率 交 流 传 动 中 推 广 应 用 的 主 要 问 题 有 两 个 ： 一 是 我 国 大 容 量 （200 kW以 上 ） 电 动 机 的 供 电 电 压 高 （ 6 kV、 10 kV） ， 而 组 成 变 频 器 的 功 率 器 件 的 耐 压 水 平 较 低 ， 造 成 电 压 匹 配 上 的 难 题 ； 二 是 高 压 大 功 率 变 频 调 速 系 统 技 术 含 量 高 ， 难 度 大 ， 成 本 也 高 ， 而 一 般 的 风 机 、 水 泵 等 节 能 改 造 都 要 求 低 投 入 、 高 回 报 ， 从 而 造 成 经 济 效 益 上 的 难 题 。 这 两 个 世 界 性 的 难 题 阻 碍 了 高 压 大 容 量 变 频 调 速 技 术 的 推 广 应 用 ， 因 此 如 何 解 决 高 压 供 电 和 用 高 技 术 生 产 出 低 成 本 高 可 靠 性 的 变 频 调 速 装 置 是 当 前 世 界 各 国 相 关 行 业 竞 相 关 注 的 热 点 。 
    一 般 来 讲 ， 在 高 压 供 电 而 功 率 器 件 耐 压 能 力 有 限 的 情 况 下 ， 可 采 用 功 率 器 件 串 联 的 方 法 来 解 决 。 但 是 器 件 在 串 联 使 用 时 ， 因 为 各 器 件 的 动 态 电 阻 和 极 电 容 不 同 ， 而 存 在 静 态 和 动 态 均 压 的 问 题 。 如 果 采 用 与 器 件 并 联 R和 RC的 均 压 措 施 ， 会 使 电 路 复 杂 ， 损 耗 增 加 ； 同 时 ， 器 件 的 串 联 对 驱 动 电 路 的 要 求 也 大 大 提 高 ， 要 尽 量 做 到 串 联 器 件 同 时 导 通 和 关 断 ， 否 则 由 于 各 器 件 开 断 时 间 不 一 ， 承 受 电 压 不 均 ， 会 导 致 器 件 损 坏 甚 至 整 个 装 置 崩 溃 。 
    谐 波 问 题 是 所 有 变 频 器 的 共 同 问 题 ， 尤 其 在 大 功 率 变 频 调 速 中 更 为 突 出 。 谐 波 会 污 染 电 网 ， 殃 及 同 一 电 网 上 的 其 它 用 电 设 备 ， 甚 至 影 响 电 力 系 统 的 正 常 运 行 ； 谐 波 还 会 干 扰 通 讯 和 控 制 系 统 ， 严 重 时 会 使 通 讯 中 断 ， 系 统 瘫 痪 ； 谐 波 电 流 也 会 使 电 动 机 损 耗 增 加 ， 因 而 发 热 增 加 ， 效 率 及 功 率 因 数 下 降 ， 以 至 不 得 不 “ 降 额 ” 使 用 。 
    还 有 效 率 问 题 ， 变 频 调 速 装 量 的 容 量 愈 大 ， 系 统 的 效 率 问 题 也 就 愈 加 重 要 。 采 用 不 同 的 主 电 路 拓 扑 结 构 ， 使 用 的 功 率 器 件 的 种 类 、 数 量 的 多 少 ， 以 及 变 压 器 ， 滤 波 器 等 的 使 用 ， 都 会 影 响 系 统 的 效 率 。 为 了 提 高 系 统 效 率 ， 必 须 设 法 尽 量 减 少 功 率 开 关 器 件 和 变 频 调 速 装 置 的 损 耗 。 
    可 靠 性 和 冗 余 设 计 问 题 ， 一 般 的 高 压 大 功 率 拖 动 系 统 都 要 求 很 高 的 系 统 可 靠 性 ， 尤 其 是 国 民 经 济 的 重 要 部 门 如 电 力 、 能 源 、 冶 金 、 矿 山 和 石 化 等 行 业 ， 一 旦 出 现 故 障 ， 将 会 造 成 人 民 生 命 财 产 的 巨 大 损 失 ， 因 此 高 压 变 频 装 置 设 计 中 是 否 便 于 采 用 冗 余 设 计 及 旁 路 控 制 功 能 也 是 至 关 重 要 的 。 
    目 前 世 界 上 的 高 压 变 频 器 不 象 低 压 变 频 器 那 样 具 有 成 熟 的 、 一 致 性 的 拓 扑 结 构 ， 而 是 限 于 采 用 目 前 电 压 耐 量 的 功 率 器 件 ， 如 何 面 对 高 压 使 用 条 件 的 要 求 ， 国 内 外 各 变 频 器 生 产 厂 商 八 仙 过 海 ， 各 有 高 招 ， 因 此 其 主 电 路 结 构 不 尽 一 致 ， 但 都 较 为 成 功 地 解 决 了 高 电 压 大 容 量 这 一 难 题 。 当 然 在 性 能 指 标 及 价 格 上 也 各 有 差 异 。 如 美 国 罗 宾 康 （ ROBICON） 公 司 生 产 的 完 美 无 谐 波 变 频 器 ； 洛 克 韦 尔 （ AB） 公 司 生 产 的 Bulletin 1557和 Power Flex 7000系 列 变 频 器 ， 德 国 西 门 子 公 司 生 产 的 SIMOVERT MV中 压 变 频 器 ； 瑞 典 ABB公 司 生 产 的 ACS1000系 列 变 频 器 ； 意 大 利 ANSALDO公 司 生 产 的 SILCOVERT? TH变 频 器 以 及 日 本 三 菱 、 富 士 公 司 生 产 的 完 美 无 谐 波 变 频 器 和 国 内 北 京 的 凯 奇 、 先 行 、 利 德 华 福 公 司 和 成 都 佳 灵 公 司 生 产 的 高 压 变 频 器 等 。 
    本 文 对 中 高 压 变 频 器 几 种 常 用 的 主 电 路 拓 扑 结 构 进 行 了 分 析 比 较 ， 对 不 同 电 路 结 构 的 中 高 压 变 频 器 的 可 靠 性 、 冗 余 设 计 、 谐 波 含 量 以 及 dv/dt等 指 标 进 行 了 深 入 的 讨 论 ， 并 对 中 高 压 变 频 器 的 发 展 方 向 提 出 了 自 己 的 看 法 。 
2 功 率 器 件 串 联 二 电 平 电 流 型 高 压 变 频 器 
    美 国 洛 克 韦 尔 公 司 的 中 压 变 频 器 Bulletin1557系 列 ， 其 电 路 结 构 为 交 ? 直 ? 交 电 流 源 型 ， 采 用 功 率 器 件 GTO串 联 的 两 电 平 逆 变 器 。 其 控 制 方 式 采 用 无 速 度 传 感 器 直 接 矢 量 控 制 ， 电 机 转 矩 可 快 速 变 化 而 不 影 响 磁 通 ， 综 合 了 脉 宽 调 制 和 电 流 源 结 构 的 优 点 ， 其 运 行 效 果 近 似 直 流 传 动 装 置 。 该 公 司 可 提 供 几 种 方 案 以 满 足 谐 波 抑 制 的 要 求 ， 如 标 准 的 12脉 冲 和 18脉 冲 及 PWM整 流 器 ， 标 准 的 谐 波 滤 波 器 及 功 率 因 数 补 偿 器 ， 以 使 其 谐 波 符 合 IEEE519? 1992标 准 的 规 定 。 图 1所 示 为 18脉 冲 整 流 器 的 Bulletin1557变 频 器 的 主 电 路 拓 扑 结 构 图 。 
    AB公 司 于 近 期 推 出 新 一 代 的 中 压 变 频 器 Power Flex 7000系 列 ， 用 新 型 功 率 器 件 — — 对 称 门 极 换 流 晶 闸 管 （ SGCT） 代 替 原 先 的 GTO， 使 驱 动 和 吸 收 电 路 简 化 ， 系 统 效 率 提 高 ， 6 kV系 统 每 个 桥 臂 采 用 三 只 耐 压 为 6 500 V的 SGCT串 联 。 电 流 源 变 频 器 的 优 点 是 易 于 控 制 电 流 ， 便 于 实 现 能 量 回 馈 和 四 象 限 运 行 ； 缺 点 是 变 频 器 的 性 能 与 电 机 的 参 数 有 关 ， 不 易 实 现 多 电 机 联 动 ， 通 用 性 差 ， 电 流 的 谐 波 成 分 大 ， 污 染 和 损 耗 较 大 ， 且 共 模 电 压 高 ， 对 电 机 的 绝 缘 有 影 响 。 
    AB公 司 的 变 频 器 采 用 功 率 器 件 串 联 的 二 电 平 逆 变 方 案 ， 结 构 简 单 ， 使 用 的 功 率 器 件 少 ， 但 器 件 串 联 带 来 均 压 问 题 ， 且 二 电 平 输 出 的 dv/dt会 对 电 机 的 绝 缘 造 成 危 害 ， 要 求 提 高 电 机 的 绝 缘 等 级 ； 且 谐 波 成 分 大 ， 需 要 专 门 设 计 输 出 滤 波 器 ， 才 能 供 电 机 使 用 ， 即 使 如 此 其 总 谐 波 畸 变 THD也 仅 能 达 到 4％ 左 右 。 
    输 入 端 采 用 可 控 器 件 实 现 PWM整 流 ， 便 于 实 现 能 量 回 馈 和 四 象 限 运 行 ， 但 同 时 使 网 侧 谐 波 增 大 ， 需 加 进 线 电 抗 器 滤 波 才 能 满 足 电 网 的 要 求 ， 这 也 增 加 了 体 积 和 成 本 。 
    因 为 是 直 接 高 压 变 频 ， 电 网 电 压 和 电 机 电 压 相 同 ， 容 易 实 现 旁 路 控 制 功 能 ， 以 便 在 装 置 出 现 故 障 时 将 电 机 投 入 电 网 运 行 。 
3 单 元 串 联 多 重 化 电 压 源 型 变 频 器 
    美 国 罗 宾 康 公 司 利 用 单 元 串 联 多 重 化 技 术 ， 生 产 出 功 率 为 315 kW～ 10 MW的 完 美 无 谐 波 (PERFECT HARMONY)高 压 变 频 器 ， 无 须 输 出 变 压 器 实 现 了 直 接 3.3 kV或 6 kV高 压 输 出 ； 首 家 在 高 压 变 频 器 中 采 用 了 先 进 的 IGBT功 率 开 关 器 件 ， 达 到 了 完 美 无 谐 波 的 输 出 波 形 ， 无 须 外 加 滤 波 器 即 可 满 足 各 国 供 电 部 门 对 谐 波 的 严 格 要 求 ； 输 入 功 率 因 数 可 达 0.95以 上 ， THD<1％ ， 总 体 效 率 （ 包 括 输 入 隔 离 变 压 器 在 内 ） 高 达 97％ 。 达 到 这 么 高 指 标 的 原 因 是 采 用 了 三 项 新 的高 压 变 频 技 术 ： 一 是 在 输 出 逆 变 部 分 采 用 了 具 有 独 立 电 源 的 单 相 桥 式SPWM逆 变 器 的 直 接 串 联 叠 加 ； 二 是 在 输 入 整 流 部 分 采 用 了 多 相 多 重 叠 加 整 流 技 术 ； 三 是 在 结 构 上 采 用 了 功 率 单 元 模 块 化 技 术 。 
    所 谓 多 重 化 技 术 就 是 每 相 由 几 个 低 压 PWM功 率 单 元 串 联 组 成 ， 各 功 率 单 元 由 一 个 多 绕 组 的 隔 离 变 压 器 供 电 ， 用 高 速 微 处 理 器 实 现 控 制 和 以 光 导 纤 维 隔 离 驱 动 。 多 重 化 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 。 图 2为 6 kV变 频 器 的 主 电 路 拓 扑 图 ， 每 组 由 5个 额 定 电 压 为 690 V的 功 率 单 元 串 联 ， 因 此 相 电 压 为 690 V× 5=3 450 V， 所 对 应 的 线 电 压 为 6 000 V。 每 个 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 分 成 5组 ， 每 组 之 间 存 在 一 个 12° 的 相 位 差 。 图 3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 接 组 别 来 实 现 。 图 3中 的 每 个 功 率 单 元 都 是 由 低 压 绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管 （ IGBT） 构 成 的 三 相 输 入 ， 单 相 输 出 的 低 压 PWM电 压 型 逆 变 器 。 功 率 单 元 电 路 见 图 4。 每 个 功 率 单 元 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。 图 5为 一 相 合 成 的 正 波 输 出 电 压 波 形 。 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 ， 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 ， 所 以 不 存 在 器 件 均 压 的 问 题 。 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 5所 示 的 具 有 11级 阶 梯 电 平 的 相 电 压 波 形 ， 线 电 压 波 型 具 有 21阶 梯 电 平 ， 它 相 当 于 30脉 波 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％ ， 堪 称 完 美 无 谐 波 变 频 器 。 它 的 输 入 功率 因 数 可 达 0.95以 上 ， 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 600 Hz， 则 当 5个 功 率 单 元 串 联 时 ， 等 效 的 输 出 相 电 压 开 关 频 率 为 6 kHz。 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 减 小 输 出 谐 波 外 ， 还 可 以 降 低 噪 声 、 dv/dt值 和 电 机 的 转 矩 脉 动 。 所 以 这 种 变 频 器 对 电 机 无 特 殊 要 求 ， 可 用 于 普 遍 笼 型 电 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 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 。

    单 元 串 联 多 重 化 变 频 器 的 优 点 是 ： 
    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 ， 通 过 串 联 单 元 的 个 数 适 应 不 同 的 输 出 电 压 要 求 ； 
    2） 完 美 的 输 入 输 出 波 形 ， 使 其 能 适 应 任 何 场 合 及 电 机 使 用 ； 
    3） 由 于 多 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 ， 实 现 冗 余 设 计 ， 即 使 在 个 别 单 元 故 障 时 也 可 通 过 单 元 旁 路 功 能 将 该 单 元 短 路 ， 系 统 仍 能 正 常 或 降 额 运 行 。 
    其 缺 点 是 ： 
    1） 使 用 的 功 率 单 元 及 功 率 器 件 数 量 太 多 ， 6 kV系 统 要 使 用 150只 功 率 器 件 （ 90只 二 极 管 ， 60只 IGBT） ， 装 置 的 体 积 太 大 ， 重 量 大 ， 安 装 位 置 成 问 题 ； 
    2） 无 法 实 现 能 量 回 馈 及 四 象 限 运 行 ， 且 无 法 实 现 制 动 ； 
    3） 当 电 网 电 压 和 电 机 电 压 不 同 时 无 法 实 现 旁 路 切 换 控 制 。 
    用 功 率 单 元 串 联 构 成 高 压 变 频 器 的 另 一 种 改 进 方 案 是 采 用 高 压 IGBT器 件 ， 以 减 少 串 联 的 功 率 单 元 数 。 例 如 ， 用 3 300 V耐 压 的 IGBT器 件 ， 用 两 个 功 率 单 元 串 联 的 变 频 器 可 输 出 4.16 kV中 压 ； 若 要 6 kV输 出 ， 只 要 三 个 单 元 串 联 。 功 率 单 元 和 器 件 数 量 的 减 少 ， 使 损 耗 和 故 障 也 减 少 了 ， 有 利 于 提 高 装 置 的 效 率 和 可 靠 性 ， 缩 小 装 置 体 积 。 但 由 于 电 平 级 数 的 减 少 ， 输 出 谐 波 增 加 ， 为 获 得 优 良 的 输 出 波 形 ， 必 须 加 输 出 滤 波 器 。 另 外 由 于 高 压 IGBT比 普 通 低 压 IGBT要 贵 得 多 ， 所 以 虽 然 功 率 器 件 减 少 了 ， 但 成 本 不 一 定 下 降 。 
4 中 性 点 钳 位 三 电 平 PWM变 频 器 
    在 PWM电 压 源 型 变 频 器 中 ， 当 输 出 电 压 较 高 时 ， 为 了 避 免 器 件 串 联 引 起 的 静 态 和 动 态 均 压 问 题 ， 同 时 降 低 输 出 谐 波 及 dv/dt的 影 响 ， 逆 变 器 部 分 可 以 采 用 中 性 点 钳 位 的 三 电 平 方 式 （ Neutral point clamped： NPC） 。 逆 变 器 的 功 率 器 件 可 采 用 高 压 IGBT或 IGCT。 ABB公 司 生 产 的 ACS1000系 列 变 频 器 为 采 用 新 型 功 率 器 件 — — 集 成 门 极 换 流 晶 闸 管 （ IGCT） 的 三 电 平 变 频 器 ， 输 出 电 压 等 级 有 2.2 kV、 3.3 kV和 4.16 kV。 图 6所 示 为 ACS1000 12脉 冲 整 流 三 电 平 电 压 源 变 频 器 的 主 电 路 拓 扑 结 构 图 。 西 门 子 公 司 采 用 高 压 IGBT器 件 ， 生 产 了 与 此 类 似 的 变 频 器 SIMOVERT MV系 列 。 
    整 流 部 分 采 用 12脉 波 二 极 管 整 流 器 ， 逆 变 部 分 采 用 三 电 平 PWM逆 变 器 。 由 图 6可 以 看 出 ， 该 系 列 变 频 器 采 用 传 统 的 电 压 型 变 频 器 结 构 ， 通 过 采 用 高 耐 压 的 IGCT功 率 器 件 ， 使 得 器 件 总 数 减 少 为 12个 。 随 着 器 件 数 量 的 减 少 ， 成 本 降 低 ， 电 路 结 构 简 洁 ， 从 而 使 体 积 缩 小 ， 可 靠 性 更 高 。 
    由 于 变 频 器 的 整 流 部 分 是 非 线 性 的 ， 产 生 的 高 次 谐 波 将 对 电 网 造 成 污 染 。 为 此 ， 图 6所 示 的 ACS1000系 列 变 频 器 的 12脉 波 整 流 接 线 图 中 ， 将 两 组 三 相 桥 式 整 流 电 路 用 整 流 变 压 器 联 系 起 来 ， 其 初 级 绕 组 接 成 三 角 形 ， 其 次 级 绕 组 则 一 组 接 成 三 角 形 ， 另 一 组 接 成 星 形 ， 整 流 变 压 器 两 个 次 级 绕 组 的 线 电 压 相 同 ， 但 相 位 则 相 差 30° 角 ， 这 样 5次 、 7次 谐 波 在 变 压 器 的 初 级 将 会 有 180° 的 相 移 ， 因 而 能 够 互 相 抵 消 ， 同 样 的 17、 19次 谐 波 也 会 互 相 抵 消 。 这 样 经 过 2个 整 流 桥 的 串 联 叠 加 后 ， 即 可 得 到 12脉 波 的 整 流 输 出 波 形 ， 比 6脉 波 更 平 滑 ， 并 且 每 个 整 流 桥 的 二 级 管 耐 压 可 降 低 一 半 。 采 用 12相 整 流 电 路 减 少 了 特 征 谐 波 含 量 ， 由 于特 征 谐 波 次 数 N=KP± 1（ P为 整 流 相 数 、 K为 自 然 数 ） 。 所 以 网 侧 特 征 谐 波 只 有 11、 13、 23、 25次 等 。 如 果 采 用 24脉 波 整 流 电 路 ， 网 侧 谐 波 将 更 进 一 步 被 抑 制 。 两 种 方 案 均 可 使 输 入 功 率 因 数 在 全 功 率 范 围 内 保 证 在 0.95以 上 ， 不 需 要 功 率 因 数 补 偿 电 容 器 。 

    变 频 器 的 逆 变 部 分 采 用 传 统 的 三 电 平 方 式 ， 所 以 输 出 波 形 中 会 不 可 避 免 地 产 生 比 较 大 的 谐 波 分 量 （ THD达 12.8％ ） ， 这 是 三 电 平 逆 变 方 式 所 固 有 的 ， 其 线 电 压 波 形 见 图 7。 因 此 在 变 频 器 的 输 出 侧 必 须 配 置 输 出 LC滤 波 器 才 能 用 于 普 通 的 鼠 笼 型 电 机 。 经 过 LC滤 波 器 后 ， 可 使 其 THD<1％ 。 同 样 由 于 谐 波 的 原 因 ， 电 动 机 的 功 率 因 数 和 效 率 都 会 受 到 一 定 的 影 响 ， 只 有 在 额 定 工 况 点 才 能 达 到 最 佳 的 工 作 状 态 ， 随 着 转 速 的 下 降 ， 功 率 因 数 和 效 率 都 会 相 应 降 低 。 

    三 电 平 逆 变 器 的 结 构 简 单 ， 体 积 小 ， 成 本 低 ， 使 用 功 率 器 件 数 量 最 少 （ 12只 ） ， 避 免 了 器 件 的 串 联 ， 提 高 了 装 置 的 可 靠 性 指 标 。 根 据 目 前 IGCT及 高 压 IGBT的 耐 压 水 平 ， 三 电 平 逆 变 器 的 最 高 输 出 电 压 等 级 为 4.16 kV， 当 输 出 电 压 要 求 6 kV时 ， 采 用 12个 功 率 器 件 已 不 能 满 足 要 求 ， 必 须 采 用 器 件 串 联 ， 除 了 增 加 成 本 外 ， 必 然 会 带 来 均 压 问 题 ， 失 去 了 三 电 平 结 构 的 优 势 ， 并 且 会 大 大 影 响 系 统 的 可 靠 性 。 若 将 来 采 用 9 kV耐 压 的 IGCT， 则 三 电 平 变 频 器 可 直 接 输 出 6 kV， 但 是 谐 波 及 dv/dt也 相 应 增 加 ， 必 须 加 强 滤 波 功 能 以 满 足 THD指 标 。 或 者 采 用 下 面 要 讲 到 的 四 电 平 逆 变 器 。 
    在 9 kV耐 压 的 器 件 出 现 之 前 ， 对 于 6 kV高 压 电 机 ， 可 采 用 Y/△ 改 接 的 办 法 ， 将 Y型 接 法 的 6 kV电 机 改 为 △ 接 法 ， 线 电 压 为 3.47 kV， 采 用 3.3 kV或 4.16 kV输 出 的 变 频 器 即 能 满 足 要 求 ， 同 时 也 满 足 了 IGCT电 压 型 变 频 器 对 电 机 的 绝 缘 等 级 提 高 一 级 的 要 求 ， 因 此 这 个 方 案 可 能 是 最 经 济 合 理 的 。 但 在 进 行 Y/△ 改 接 后 ， 电 机 电 压 与 电 网 电 压 不 一 致 ， 无 法 实 现 旁 路 功 能 ， 当 变 频 器 出 现 故 障 时 ， 又 要 保 证 生 产 的 正 常 进 行 ， 必 须 首 先 将 电 机 改 回 Y型 接 法 ， 再 投 入 6 kV电 网 。 为 此 ， 电 机 的 Y/△ 改 接 应 通 过 Y/△ 切 换 柜 实 现 ， 以 便 实 现 旁 路 功 能 。 而 ACS1000系 列 本 身 的 旁 路 切 换 是 在 电 机 电 压 与 电 网 电 压 一 致 时 完 成 的 。 
    若 采 用 有 源 输 入 前 端 ， 则 可 实 现 能 量 回 馈 及 四 象 限 运 行 ， 但 三 电 平 结 构 不 易 实 现 冗 余 设 计 。 
5 多 电 平 高 压 变 频 器 
    随 着 现 代 拓 扑 技 术 的 发 展 ， 多 电 平 高 压 变 频 调 速 技 术 得 到 了 实 际 的 应 用 。 这 种 高 压 变 频 器 的 代 表 是 法 国 阿 尔 斯 通 （ ALSTOM） 公 司 生 产 的 ALSPA VDM6000系 列 高 压 变 频 器 ， 其 逆 变 器 结 构 如 图 8所 示 。 

    由 图 8可 见 ， 功 率 器 件 不 是 简 单 地 串 联 ， 而 是 结 构 上 的 串 联 ， 通 过 电 容 钳 位 ， 保 证 了 电 压 的 安 全 分 配 。 其 主 要 特 点 是 ： 
    1） 通 过 整 体 单 元 装 置 的 串 并 联 拓 扑 结 构 以 满 足 不 同 的 电 压 等 级 （ 如 3.3 kV、 4.16 kV、 6.6 kV、 10 kV） 的 需 要 。 
    2） 这 种 结 构 可 使 系 统 普 遍 采 用 直 流 母 线 方 案 ， 以 实 现 在 多 台 高 压 变 频 器 之 间 能 量 互 相 交 换 。 
    3） 这 种 结 构 没 有 传 统 结 构 中 的 各 级 功 率 器 件 上 的 众 多 分 压 分 流 装 置 ， 消 除 了 系 统 的 可 靠 性 低 的 因 素 ， 从 而 使 系 统 结 构 非 常 简 单 ， 可 靠 ， 易 于 维 护 。 
    4） 输 出 波 形 非 常 接 近 正 弦 波 ， 可 适 用 于 普 通 感 应 电 机 和 同 步 电 机 调 速 ， 而 无 需 降 低 容 量 ， 没 有 dv/dt对 电 机 绝 缘 等 的 影 响 ， 电 机 没 有 额 外 的 温 升 ， 是 一 种 技 术 先 进 的 高 压 变 频 器 。 输 出 电 压 和 电 机 电 流 波 形 如 图 9所 示 。 
    5） ALSPA VDM6000系 列 高 压 变 频 器 可 根 据 电 网 对 谐 波 的 不 同 要 求 采 用 12脉 波 ， 18脉 波 的 二 极 管 整 流 或 晶 闸 管 整 流 ； 若 要 将 电 能 反 馈 回 电 网 ， 可 用 晶 闸 管 整 流 桥 ； 若 要 求 控 制 电 网 的 谐 波 、 功 率 因 数 ， 及 实 现 四 象 限 运 行 ， 可 选 择 有 源 前 端 。 
6 多 电 平 ＋ 多 重 化 变 频 器 
    日 本 富 士 公 司 采 用 高 压 IGBT开 发 的 中 压 变 频 器 FRENIC 4600 FM4系 列 ， 它 汇 集 了 多 电 平 和 多 重 化 变 频 器 的 许 多 优 点 ， 它 以 多 个 中 压 三 电 平 PWM逆 变 器 功 率 单 元 多 重 化 串 联 的 方 式 实 现 直 接 高 压 输 出 ， 因 此 构 成 了 一 个 双 完 美 无 谐 波 系 统 ： 对 电 网 为 多 重 叠 加 整 流 ， 谐 波 符 合 IEEE519? 1992的 要 求 ； 对 电 动 机 为 完 美 无 谐 波 正 弦 波 输 出 ， 可 以 直 接 驱 动 任 何 品 牌 的 交 流 鼠 笼 型 电 动 机 。 

    该 型 变 频 器 由 于 采 用 了 高 压 整 流 二 极 管 和 高 压 IGBT， 因 此 系 统 主 电 路 使 用 的 器 件 大 为 减 少 ， 可 靠 性 提 高 ， 损 耗 降 低 ， 体 积 缩 小 。 变 频 器 的 综 合 效 率 可 达 98％ ， 功 率 因 数 高 达 0.95， 不 需 要 加 设 进 相 电 容 器 或 交 直 流 电 抗 器 ， 也 不 需 要 输 出 滤 波 器 ， 使 系 统 结 构 大 为 简 化 。 图 10所 示 为 FRENIC 4600 FM4的 主 电 路 及 功 率 单 元 结 构 图 。 
    但 是 仔 细 分 析 ， 该 型 变 频 器 的 性 能 价 格 优 势 并 不 大 ， 与 其 同 时 采 用 多 电 平 和 多 重 化 两 种 技 术 ， 还 不 如 采 用 前 面 提 到 的 高 压 IGBT的 多 重 化 变 频 器 ， 反 而 显 得 有 些 不 伦 不 类 。 因 为 ， 用 三 电 平 技 术 构 成 单 相 逆 变 功 率 单 元 ， 在 器 件 数 量 上 并 不 占 优 势 ， 要 比 同 样 电 压 和 功 率 等 级 的 三 电 平 三 相 逆 变 器 足 足 多 用 一 倍 的 器 件 ， 同 样 比 普 通 单 相 逆 变 功 率 单 元 也 正 好 多 出 一 倍 的 器 件 。 例 如 ： 用 3 300 V耐 压 的 IGBT器 件 ， 采 用 单 元 串 联 多 重 化 电 路 6 kV系 统 每 相 需 三 个 单 元 串 联 ， 总 共 9个 单 元 ， 共 需 54只 整 流 二 极 管 ， 36只 IGBT； 而 采 用 三 电 平 功 率 单 元 ， 每 相 需 两 个 单 元 串 联 ， 总 共 6个 单 元 ， 共 需 72只 整 流 二 极 管 ， 48只 IGBT， 足 足 多 用 了 1/3的 器 件 并 且 使 功 率 单 元 的 冗 余 成 本 增 加 了 一 倍 ， 降 低 了 多 重 化 变 频 器 冗 余 性 能 好 的 优 点 ， 同 时 增 加 了 装 置 的 成 本 。 所 以 该 型 变 频 器 实 际 上 并 不 可 取 。 

7 变 压 器 耦 合 输 出 高 压 变 频 器
    中 高 压 变 频 器 的 主 电 路 拓 扑 结 构 ， 除 了 前 面 提 到 的 二 电 平 、 多 电 平 和 单 元 串 联 多 重 化 方 案 外 ， 1999年 ， 有 人 提 出 了 一 种 新 型 的 变 压 器 耦 合 式 单 元 串 联 高 压 变 频 器 主 电 路 拓 扑 结 构 。 其 主 要 思 想 是 用 变 压 器 将 三 个 由 高 压 IGBT或 IGCT构 成 的 常 规 二 电 平 三 相 逆 变 器 单 元 的 输 出 叠 加 起 来 ， 实 现 更 高 电 压 输 出 ， 并 且 这 三 个 常 规 逆 变 器 可 采 用 普 通 低 压 变 频 器 的 控 制 方 法 ， 使 得 变 频 器 的 电 路 结 构 及 控 制 方 法 都 大 大 简 化 。 
    图 11 是 这 种 新 型 高 压 变 频 器 的 拓 扑 结 构 图 ， 该方 案 由 下 列 部 分 组 成 ： 
    — — 一 个 18脉 波 的 输 入 变 压 器 ， 可 基 本 实 现 输 入 电 流 无 谐 波 ； 
    — — 三 个 常 规 两 电 平 的 三 相 DC/AC逆 变 器 ； 
    — — 三 个 变 化 为 1： 1的 输 出 变 压 器 ； 
    — — 高 压 电 机 。 

    下 面 从 几 个 方 面 分 析 其 工 作 原 理 。 
    1） 电 压 关 系 
    考 虑 电 机 的 线 电 压 ， 可 得 ： 

    电 压 间 的 这 种 关 系 体 现 在 图 12中 。 每 个 逆 变 器 都 采 用 SPWM或 空 间 电 压 矢 量 PWM（ SVPWM） 控 制 方 法 ， 每 个 逆 变 器 输 出 线 电 压 的 有 效 值 为 〔(2) 〕aE， 其 中 E为 逆 变 器 输 入 直 流 电 压 ， a为 调 制 深 度 ， 在 谐 波 注 入 SPWM和 SVPWM中 a最 大 可 为 1.15。 由 式 （2） 可 得 电 机 线 电 压 的 有 效 值 为 〔3/2〕 aE。 

对 线 电 压 为 2 300 V的 高 压 电 机 ， E=1 090 V， 采 用 额 定 电 压 为 1 700 V的 IGBT就 可 构 成 本 系 统 ； 对 线 电 压 为 4 160 V的 高 压 电 机 ， E=1 970 V， 可 采 用 额 定 电 压 为 3 300 V的 IGBT； 而 当 高 压 电 机 的 线 电 压 为 6 600 V时 ， E=3 130 V， 则 应 采 用 额 定 电 压 为 4 500 V的 IGCT； 因 此 本 方 案 具 有 很 强 的 适 应 性 。 
    2)电 流 关 系 
    设 电 机 三 相 电 流 平 衡 ， 电 流 的 有 效 值 为 I， 在 不 考 虑 电 流 谐 波 的 情 况 下

    考 虑 到 输 出 变 压 器 原 边 和 副 边 电 流 相 等 ， 可 计 算 得 到 第 一 个 逆 变 器 的 三 个 输 出 电 流 为 ，
 
   ia1=Isin(ω t) id="_x0000_s1040" type="#_x0000_t75" alt="" style='width:17.25pt;height:10.5pt'/>
    ib1=Isin(ω t－ 120°)             （5）
    ic1=Isin(ω t＋ 120°)
    另 外 两 个 逆 变 器 的 三 个 输 出 电 流 也 满 足 以 上 关 系 ， 即 ：
    id="_x0000_s1041" type="#_x0000_t75" alt="" style='width:17.25pt;height:10.5pt'/>ia1=ia2=ia3=Isin(ω t)
    id="_x0000_s1042" type="#_x0000_t75" alt="" style='width:17.25pt;height:10.5pt'/>ib1=ib2=ib3=Isin(ω t－ 120° )     (6)
    id="_x0000_s1043" type="#_x0000_t75" alt="" style='width:17.25pt;height:10.5pt'/>ic1=ic2=ic3=Isin(ω t＋ 120° ) 
    也 就 是 说 三 个 逆 变 器 输 出 电 流 完 全 平 衡 。 
    3） 功 率 关 系
    在 得 出 电 压 电 流 关 系 式 后 ， 我 们 很 容 易 得 到 该 高 压 变 频 器 各 部 分 间 的 功 率 关 系 。 很 显 然 三 个 逆 变 器 的 视 在 功 率 VA1， VA2， VA3为 VA1=VA2=VA3=〔9/(2)  〕 aEI， 而 整 个 高 压 变 频 器 的 视 在 功 率 VA为 VA=〔3/(2) 〕 aEI， 也 就 是 说 三 个 逆 变 器 均 分 了 整 个 变 频 器 的 输 出 。 
    4） PWM策 略 
    由 于 三 个 逆 变 器 电 压 、 电 流 和 功 率 完 全 对 称 ， 因 此 三 个 逆 变 器 可 采 用 完 全 相 同 的 控 制 规 律 ， 这 时 加 在 电 机 的 线 电 压 等 于 一 个 逆 变 器 输 出 线 电 压 的 三 倍 ， 相 当 于 一 个 两 电 平 的 PWM高 压 变 频 器 ， 这 种 方 法 虽 然 简 单 ， 但 由 于 dv/dt太 大 ， 不 宜 采 用 。 
    一 种 比 较 好 的 方 法 是 将 三 个 逆 变 器 的 PWM信 号 相 互 错 开 1/3个 开 关 周 期 ， 对 SPWM来 说 就 是 三 个 逆 变 器 各 自 采 用 一 个 三 角 波 ， 且 这 三 个 三 角 波 之 间 相 位 互 差 120° 。 图 13是 采 用 这 种 方 法 后 得 到 的 电 机 线 电 压 波 形 ， 其 中 电 压 频 率 为 40 Hz， 注 入 了 15％ 的 三次 谐 波 。 可 以 看 出 这 就 是 一 个 线 电 压 为 7电 平 的 高 压 变 频 器， 相 当 于 四 电 平 变 频 器 的 线 电 压 波 形 。 

    5） 输 出 变 压 器
    输 出 变 压 器 在 本 方 案 中 起 着 十 分 重 要 的 作 用 ， 也 可 能 是 本 方 案 的 薄 弱 环 节 ， 因 为 太 大 容 量 的 变 压 器 会 限 制 它 的 应 用 。 一 般 情 况 下 该 变 压 器 可 采 用 图 14所 示 结 构 。

    从 前 面 分 析 知 道 ， 输 出 变 压 器 各 绕 组 间 的 电 压 有 效 值 都 为aE， 且 流 过 各 绕 组 的 电 流 相 等 ， 有 效 值 都 为 ， 于 是 可 得 到 该 变 压 器 的 容 量 为aE， 也 就 是 说 输 出 变 压 器 的 容 量 为 变 频 器 总 容 量 的 1/3， 比 高 － 低 － 高 方 案 中 的 输 出 变 压 器 的 容 量 要 小 的 多 。 
    这 种 高 压 变 频 器 方 案 具 有 如 下 突 出 的 优 点 ： 
    1） 以 三 个 常 规 的 变 频 器 为 核 心 可 构 成 高 压 变 频 器 ； 
    2） 三 个 常 规 变 频 器 平 衡 对 称 运 行 ， 各 自 分 担 总 输 出 功 率 的 1/3； 
    3） 整 个 变 频 器 的 输 出 可 等 效 为 7电 平 PWM输 出 波 形 优 于 普 通 三 电 平 变 频 器 ， 与 四 电 平 变 频 器 相 同 。 总 谐 波 畸 变 THD<0.3％ ， dv/dt也 较 低 ； 
    4） 输 出 变 压 器 的 容 量 只 需 总 容 量 的 1/3， 可 以 内 置 ， 也 可 以 外 装 ； 
    5） 18脉 波 输 入 二 极 管 整 流 器 ， 网 侧 谐 波 小 ， 功 率 因 数 高 。 
8 结 语 
    功 率 器 件 串 联 二 电 平 电 流 型 变 频 器 由 于 其 本 身 的 缺 点 ， 使 用 越 来 越 受 到 限 制 。 
    单 元 串 联 多 重 化 变 频 器 是 由 于 当 时 功 率 器 件 耐 压 太 低 的 产 物 ， 系 统 复 杂 ， 器 件 数 量 多 ， 体 积 庞 大 ， 故 障 率 高 ； 但 却 歪 打 正 着 ， 赢 得 了 无 可 比 美 的 输 入 输 出 波 形 ， 堪 称 “ 完 美 无 谐 波 ” ； 改 进 的 方 法 是 用 高 压 IGBT或 IGCT组 成 功 率 单 元 ， 以 减 少 单 元 数 ， 缩 小 体 积 ， 但 却 是 以 牺 牲 波 形 为 代 价 的 ， 要 加 输 出 滤 波 器 ， 使 谐 波 达 标 。 
    采 用 高 压 IGBT、 IGCT的 三 电 平 变 频 器 具 有 结 构 简 单 ， 可 靠 性 高 ， 器 件 数 量 少 ， 效 率 高 的 优 点 ， 在 高 压 供 电 面 前 ， 能 用 多 电 平 ， 谁 还 会 去 用 多 重 化 呢 ？ 但 波 形 稍 差 ， 需 加 LC输 出 滤 波 器 ， 即 使 如 此 其 成 本 也 比 多 重 化 变 频 器 低 。 目 前 由 于 器 件 耐 压 的 限 制 ， 输 出 电 压 只 能 达 到 4.16 kV， 若 要 输 出 6 kV， 可 采 用 电 机 Y/△ 改 接 的 办 法 ， 看 来 这 是 6 kV电 机 节 能 改 造 最 经 济 合 理 的 方 案 。 
    变 压 器 耦 合 输 出 高 压 变 频 器 ， 有 望 用 目 前 耐 压 水 平 的 器 件 实 现 6 kV、 10 kV高 压 输 出 ， 是 一 种 很 有 前 途 的 新 型 高 压 变 频 方 案 。 
    随 着 功 率 器 件 的 不 断 发 展 ， 在 中 等 功 率 高 压 变 频 器 中 ， GTO即 将 退 出 舞 台 ， 而 高 压 IGBT、 IGCT是 很 有 发 展 前 途 的 器 件 ， 是 解 决 中 高 压 变 频 的 希 望 ； IGCT由 于 其 导 通 压 降 低 、 损 耗 小 而 占 有 一 定 的 优 势 ， 将 成 为 高 压 变 频 器 的 主 要 功 率 器 件 。