廣東石油化工學(xué)院自動(dòng)化系 羅如山 劉 美 王 濤

廣州東芝白云菱機(jī)電力電子有限公司 曾 光 石 罡 彭云華

1 引言

本文將對(duì)國(guó)內(nèi)外高壓變頻器采用的主電路拓?fù)溥M(jìn)行綜述介紹，通過(guò)比較各種拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)以及優(yōu)缺點(diǎn)，在分析和比較的基礎(chǔ)上，對(duì)高壓變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究以及發(fā)展方向進(jìn)行深入探討，希望對(duì)大容量高壓變頻器變換技術(shù)進(jìn)一步的研究提供了一個(gè)參考。

2 傳統(tǒng)的大容量變換器結(jié)構(gòu)

2.1 大功率整流電路

工業(yè)中最常用的電路是整流電路，整流電路可用于直流調(diào)速、變頻器輸入部分整流、電解電鍍等場(chǎng)合，這些場(chǎng)合需要比較高的輸出直流電壓以及電流，帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路

隨著負(fù)載的增加，整流電路的輸出功率也增加，這時(shí)整流電路所帶來(lái)的高次諧波、無(wú)功功率等將對(duì)電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，為減輕對(duì)電網(wǎng)的沖擊，可在普通整流電路進(jìn)行多重化。進(jìn)行多重化整流電路的拓?fù)湎嗤敵鰰r(shí)可達(dá)到更大的功率。電路的多重化設(shè)計(jì)可減少電源側(cè)輸入電流的高次諧波，同時(shí)提高輸入電路的功率因數(shù)，減輕對(duì)供電電網(wǎng)的沖擊以及影響。

2.2 大功率直接變頻電路

晶閘管交交變頻電路，也稱(chēng)周波變換器，主要用于兆瓦級(jí)的交流電機(jī)調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)際使用的主要是三相交交變頻電路。把電網(wǎng)頻率的交流電變成更低頻率可調(diào)的交流電的變換電路，屬于直接變頻電路，如圖2所示。其不足之處在于只能降低頻率，一般只能達(dá)到原來(lái)頻率的一半。

圖2 三相交交變頻電路

圖3 三電平中點(diǎn)箝位式逆變器主電路結(jié)構(gòu)

3 多電平逆變器

二極管中點(diǎn)箝位逆變器是一種目前采用比較多的主電路拓?fù)?，其?yōu)點(diǎn)有：電力電子器件所承受電壓比較低，可用低壓器件實(shí)現(xiàn)高壓輸出；輸出電壓波形比傳統(tǒng)兩電平結(jié)構(gòu)更接近正弦電壓波形，諧波電流含量相對(duì)較少；EMI特性更好等。二極管中點(diǎn)箝位逆變器的主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，每一相橋臂由四個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)組成，直流電源的中點(diǎn)O（由電容分壓得到）由二極管VD1、VD2（A相）引出接到每個(gè)橋臂的中點(diǎn)處。

圖4 單相H橋串聯(lián)五電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

二極管中點(diǎn)箝位逆變器中電力電子器件串聯(lián)，不可避免出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}，也可以使用相對(duì)獨(dú)立的獨(dú)立直流電源，每個(gè)獨(dú)立電源輸出不同的電平，即H橋串聯(lián)多電平變換器。在所有的H橋串聯(lián)多電平變換器拓?fù)渲?，最基本的是?jí)聯(lián)型串聯(lián)結(jié)構(gòu)，圖4為這類(lèi)級(jí)聯(lián)型電路的結(jié)構(gòu)圖。

這種電路不需要使用中點(diǎn)鉗位二極管或者懸浮電容，獨(dú)立電源可以采用電池，也可以采用多輸出電壓電源。H橋串聯(lián)多電平變換器結(jié)構(gòu)在使用中不足之處在于：輸出電壓等級(jí)越高，需要更多的獨(dú)立直流電源，這將使電路復(fù)雜化。

圖5 混合型多電平結(jié)構(gòu)

4 混合型多電平變換器結(jié)構(gòu)

混合型多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。每一相由三電平二極管鉗位型逆變器和全橋逆變電路兩部分組成。其中三電平二極管鉗位型逆變器負(fù)責(zé)提供主要的輸出功率，起主逆變橋的作用；全橋逆變電路提供輔助作用，用于改善輸出波形的和輸出小部分功率，因此將采用該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的逆變器稱(chēng)為主從式混合多電平逆變器。從兩個(gè)逆變電路的開(kāi)關(guān)模式和輸出電壓效果來(lái)看，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與圖6所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是類(lèi)似的，區(qū)別在于三電平二極管鉗位型逆變器只需要單個(gè)電源供電，但是二極管鉗位型中增加6個(gè)鉗位二極管。二極管鉗位型電路輸出均為三電平，而輔助逆變電路輸出兩電平。

5 雙頻變換器結(jié)構(gòu)

為了提高高壓變頻器的容量和可靠性，有學(xué)者提出了不同類(lèi)型的多臺(tái)逆變器并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電流型逆變器和電壓型逆變器并聯(lián)運(yùn)行，其中電流型逆變器采用晶閘管等大功率器件，工作頻率比較低，承擔(dān)大部分負(fù)載功率，電壓型逆變器主電路開(kāi)關(guān)器件頻率比較高，輸出小部分負(fù)載功率，這樣的結(jié)構(gòu)效率比較高，并且有比較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。由于兩部分相對(duì)獨(dú)立，當(dāng)其中一個(gè)電路出現(xiàn)故障時(shí)，另外一個(gè)電路可以正常工作，可以從根本上提高可靠性。雙頻逆變器是由電流型和電壓型逆變電路的基礎(chǔ)上組成的，如圖6所示，在該電路圖中Sap～Scn屬于電壓逆變電路部分，工作在高頻狀態(tài)；Slap～Slcn，Lla～Llc屬于電流逆變電路部分，工作在低頻狀態(tài)。

圖6 三相橋式雙頻逆變電路結(jié)構(gòu)

6 總結(jié)與展望

本文對(duì)目前幾種常見(jiàn)的高壓變頻器的主電路拓?fù)溥M(jìn)行了比較和分析，二極管鉗位型高壓變頻器在變頻調(diào)速領(lǐng)域已經(jīng)有很廣泛的應(yīng)用，但是由于二極管鉗位型中點(diǎn)電容電壓難以控制平衡，主要還是應(yīng)用三電平，從中我們可以看出，不同類(lèi)型的高壓變頻變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出都是往高性能方向發(fā)展的，因?yàn)橹挥羞@樣才能夠使得高壓變頻變換器變得更加實(shí)用。

本文同時(shí)介紹了一些高壓變頻變換器研究的最新成果，高壓變頻變換器結(jié)構(gòu)若要進(jìn)一步發(fā)展，其研究的重點(diǎn)將是如何通過(guò)軟硬件結(jié)合的方式控制中點(diǎn)電容電壓平衡，從而實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)的提高。而新型大功率電力電子器件技術(shù)的發(fā)展也將為大容量變頻技術(shù)的發(fā)展提供基礎(chǔ)和源泉，向著高電壓，高可靠性，低成本的方向發(fā)展。大容量變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，新型電力電子器件的不斷更新，必將推動(dòng)大容量變換器技術(shù)的更進(jìn)一步發(fā)展。

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[2]吳斌.大功率變頻器及交流傳動(dòng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

[3]Rodriguez, J.; Jih-Sheng Lai; Fang Zheng Peng; “Multilevel inverters: a survey of topologies, controls, and applications”, IEEE Transaction on Industrial ,Volume 49,Issue 4,Aug.2002 Page(s):724–738.