中压变频技术动态与市场展望

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4）三电平PWM方法把第一组谐波分布带移至2倍开关频率的频带区,利用电机绕组电感能较好地抑制高次谐波对电机的影响。

5）三电平拓扑能产生3×3×3=27种空间电压矢量,较二电平大大增加,矢量的增多带来谐波消除算法的自由度,可得到很好的输出波形。

3中压变频技术动态

3?1多单元串联中压变频技术

国际上具有研制生产新型大功率中压变频装置能力的均是各大知名电气公司，诸如美国AB公司、罗槟康（ROBICON）公司和日本东芝公司等，并有抢占我国中压变频器市场的趋势。

近年来，国内外一些公司都在研制新型“无电网污染”的高压变频器。据报道，这类变频装置具有高功率因数、高效率、无谐波污染、无需专用电机等优点，在技术上以达到国际先进水平，其三相系统主电路结构如图2所示。三相高压电经移相变压器，由其副边每相的5个二次线圈将电压分别移相12°供给5个功率单元，各功率单元电路如图3所示。为常规交—直—交电压型逆变器，输入侧为三相全桥二极管整流，中间为电容滤波环节，输出侧为IGBT单相全控形式。即在A.B两点之间得到PWM波形,5个功率单元相叠加即可输出高电压正弦波给交流感应电动机。例如每个功率单元承受电压为690V，5个单元串联后相电压为3450V，对应线电压为6000V。该装置在系统设计上采用了多项先进技术。

图3大功率逆变器单元主电路结构图

图2三相系统主电路结构图

1）逆变器直流侧通过曲折变压器移相实现30脉波整流,理论上29次以下的谐波电流都可以消除,使装置的谐波抑制能力大大加强，使电网侧电压与电流之间几乎无相移，因此功率因数可以接近于1。

2）采用IGBT作为主电路的开关器件,可以提高开关频率,以减小电流和转距的脉动。

3）全数字化光纤控制技术的应用,控制柔性和可靠性大大提高。

4）多级PWM输出波形生成技术,单元逆变桥输出PWM波形以及5级移相叠加后得到的变频器输出电压呈现电平台阶梯形逐级错开的理想状态，实现了高质量的功率输出，大大减少了输出电压的du/dt对电机绕组的冲击，在这种PWM控制方法下，器件开关频率是电机绕组的等效开关频率的10倍，以较小的器件开关损耗实现了较高的电机运行性能。

5）功率单元标准模块化,IGBT驱动电路智能化,并在功率单元电路设计中应用了功率母线技术。系统有着完善的检测及保护功能，并具有与PC机现场总线的标准接口，采用键盘操作和大屏幕液晶汉显界面。

3?2主流器件

中压变频技术主电路拓扑结构是随着电力电子器件的发展而不断发展的，早期产品应用的晶闸管器件已处于逐步被淘汰的趋势。GTO具有高电压、大电流的发展潜力，但驱动（关断）电路复杂，影响可靠性，J3结特性很软，耐压很低的P—N结，若GTO未处于导通状态就连续对G—K所在的J3结施加强的负门极脉冲是很危险的，因此在应用中GTO状态识别和逻辑保护是十分重要的。而采用内部MOS结构关断的GTO，因工艺复杂，目前未能实现大功率化。为实现可关断MOS结构的GTO，已开发研制出把MOS结构置于GTO外面来协助关断的IGCT。IGCT适用于大电流（1000A以上）、低频率（1000Hz以下）的应用，由于其从研制生产到应用的一系列技术受到专利的保护，在推广应用和器件竞争中未能完全取代GTO。IGBT作为第三代电力电子器件，因其工作电压较低，在多电平级联式变频装置中有其广阔的发展前景。其作为主电路器件的中压变频装置具有改善输出电流波形，减少谐波对电网的污染及减少系统和电动机的电应力。IEGT是最为崭新的电力电子器件，其吸取了IGBT和GTO两者的优点，称为“注入增强栅晶体管”，它是在沟槽型IGBT基础上，把部分沟道同P区相联使发射极区注入增强，使得IEGT具有高电压大电流和高的工作频率，使其更适合于高电压大功率、高频率的变频装置。

目前，应用在中压大功率变频领域的电力电子器件，已形成GTO、IGCT、IGBT、IEGT相互竞争不断创新的局面，在大功率（1000kW），低频率（1000Hz）的传动领域，如电力牵引机车领域GTO、IGCT有着独特的优势，而在高载波频率、高斩波频率下IGBT、IEGT有着广阔的发展前景，在现阶段中压大功率变频领域将由这四种电力电子器件构成其主流器件。

3?3主流结构

目前就中压大功率变频器的主流结构为中—中方式及其派生的形式。

1）电压源型中—中变频器电压源型中—中变频器由整流器和逆变器两部分组成，在逆变器的直流侧并有大电容，用来缓冲无功功率，当要求输出电压高于普通PWM电压源型变频器时，可采用三电平PWM方式，以避免器件串联的动态均压问题，同时降

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中压变频技术动态与市场展望

低输出谐波和du/dt。三电平PWM方式整流电路采用二极管，逆变部分功率器件采用GTO、IGBT或IGCT。每个桥臂虽由4个功率器件串联，但是不存在同时导通和关断以及由此引起的动态均压问题。由于输出相电压电平数增加到了3个，每个电平的幅值下降，且提高了谐波消除算法的自由度，可使输出波形比二电平PWM变频器有了较大的提高，输出du/dt也有所减少。若输入也采用对称的PWM结构，可以做到系统功率因数可调，输入谐波也很低，且可四象限运行。为减少输出谐波和转距脉动，希望有较高的开关频率，但会导致变频器损耗增加，效率下降。三电平变频器输出若不设滤波器，一般需要特殊电动机，若使用普通电动机应降额应用。