中高压变频器主电路拓扑结构的分析比较

——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：

UKL=Ua1b1＋Ub1a2＋Ua2b2

ULM=Ub2c2＋Uc2b3＋Ub3c3（1）

UMK=Uc3a3＋Ua3c1＋Uc1a1

由于输出变压器的变比为1：1，也就是

Ub1a2=Ua3b3，Uc2b3=Uc1b1，

Uc1a3=Ua2b2，于是可得到，

UKL=Ua1b1＋Ua2b2＋Ua3b3

ULM=Ub1c1＋Ub2c2＋Ub3c3（2）

UMK=Uc1a1＋Uc2a2＋Uc3a3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〔〕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〔〕aE。

对线电压为2300V的高压电机，E=1090V，采用额定电压为1700V的IGBT就可构成本系统；对线电压为4160V的高压电机，E=1970V，可采用额定电压为3300V的IGBT；而当高压电机的线电压为6600V时，E=3130V，则应采用额定电压为4500V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ia1=Isin(ωt)ib2=Isin(ωt－120°)（3）ic3=Isin(ωt＋120°)

在图12中，ia1=i4－i6，ib2=i6－i2，i2＋i4＋i6=0，从而有ia1=Isin(ωt＋90°)ib2=Isin(ωt－30°)（4）ic3=Isin(ωt－150°)

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(ωt)ib1=Isin(ωt－120°)（5）ic1=Isin(ωt＋120°)

另外两个逆变器的三个输出电流也满足以上关系，即：ia1=ia2=ia3=Isin(ωt)ib1=ib2=ib3=Isin(ωt－120°)(6)ic1=ic2=ic3=Isin(ωt＋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=〔〕aEI，而整个高压变频器的视在功率VA为VA=〔〕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40Hz，注入了15％的三

图12电压电流关系图

中高压变频器主电路拓扑结构的分析比较

图13电机线电压PWM波形

图14输出变压器绕组图

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THD0.3％，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