高壓變頻器拓撲綜述

廣東石油化工學院自動化系 羅如山 劉 美 王 濤

廣州東芝白云菱機電力電子有限公司 曾 光 石 罡 彭云華

1 引言

本文將對國內外高壓變頻器采用的主電路拓撲進行綜述介紹，通過比較各種拓撲的結構以及優缺點，在分析和比較的基礎上，對高壓變頻器拓撲結構研究以及發展方向進行深入探討，希望對大容量高壓變頻器變換技術進一步的研究提供了一個參考。

2 傳統的大容量變換器結構

2.1 大功率整流電路

工業中最常用的電路是整流電路，整流電路可用于直流調速、變頻器輸入部分整流、電解電鍍等場合，這些場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撲結構如圖1所示。

圖1 帶平衡電抗器的雙反星形可控整流電路

隨著負載的增加，整流電路的輸出功率也增加，這時整流電路所帶來的高次諧波、無功功率等將對電網的平穩運行造成嚴重影響，為減輕對電網的沖擊，可在普通整流電路進行多重化。進行多重化整流電路的拓撲相同，輸出時可達到更大的功率。電路的多重化設計可減少電源側輸入電流的高次諧波，同時提高輸入電路的功率因數，減輕對供電電網的沖擊以及影響。

2.2 大功率直接變頻電路

晶閘管交交變頻電路，也稱周波變換器，主要用于兆瓦級的交流電機調速傳動系統，實際使用的主要是三相交交變頻電路。把電網頻率的交流電變成更低頻率可調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，一般只能達到原來頻率的一半。

圖2 三相交交變頻電路

圖3 三電平中點箝位式逆變器主電路結構

3 多電平逆變器

二極管中點箝位逆變器是一種目前采用比較多的主電路拓撲，其優點有：電力電子器件所承受電壓比較低，可用低壓器件實現高壓輸出；輸出電壓波形比傳統兩電平結構更接近正弦電壓波形，諧波電流含量相對較少；EMI特性更好等。二極管中點箝位逆變器的主電路結構如圖3所示，每一相橋臂由四個電力電子開關器件串聯組成，直流電源的中點O（由電容分壓得到）由二極管VD1、VD2（A相）引出接到每個橋臂的中點處。

圖4 單相H橋串聯五電平變換器拓撲結構

二極管中點箝位逆變器中電力電子器件串聯，不可避免出現的動態均壓問題，也可以使用相對獨立的獨立直流電源，每個獨立電源輸出不同的電平，即H橋串聯多電平變換器。在所有的H橋串聯多電平變換器拓撲中，最基本的是級聯型串聯結構，圖4為這類級聯型電路的結構圖。

這種電路不需要使用中點鉗位二極管或者懸浮電容，獨立電源可以采用電池，也可以采用多輸出電壓電源。H橋串聯多電平變換器結構在使用中不足之處在于：輸出電壓等級越高，需要更多的獨立直流電源，這將使電路復雜化。

圖5 混合型多電平結構

4 混合型多電平變換器結構

混合型多電平逆變器的拓撲結構如圖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責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，因此將采用該拓撲結構的逆變器稱為主從式混合多電平逆變器。從兩個逆變電路的開關模式和輸出電壓效果來看，該拓撲結構與圖6所示的拓撲結構是類似的，區別在于三電平二極管鉗位型逆變器只需要單個電源供電，但是二極管鉗位型中增加6個鉗位二極管。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 雙頻變換器結構

為了提高高壓變頻器的容量和可靠性，有學者提出了不同類型的多臺逆變器并聯的拓撲結構。電流型逆變器和電壓型逆變器并聯運行，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，承擔大部分負載功率，電壓型逆變器主電路開關器件頻率比較高，輸出小部分負載功率，這樣的結構效率比較高，并且有比較好的動態響應。由于兩部分相對獨立，當其中一個電路出現故障時，另外一個電路可以正常工作，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；Slap～Slcn，Lla～Llc屬于電流逆變電路部分，工作在低頻狀態。

圖6 三相橋式雙頻逆變電路結構

6 總結與展望

本文對目前幾種常見的高壓變頻器的主電路拓撲進行了比較和分析，二極管鉗位型高壓變頻器在變頻調速領域已經有很廣泛的應用，但是由于二極管鉗位型中點電容電壓難以控制平衡，主要還是應用三電平，從中我們可以看出，不同類型的高壓變頻變換器拓撲結構的提出都是往高性能方向發展的，因為只有這樣才能夠使得高壓變頻變換器變得更加實用。

本文同時介紹了一些高壓變頻變換器研究的最新成果，高壓變頻變換器結構若要進一步發展，其研究的重點將是如何通過軟硬件結合的方式控制中點電容電壓平衡，從而實現電壓等級的提高。而新型大功率電力電子器件技術的發展也將為大容量變頻技術的發展提供基礎和源泉，向著高電壓，高可靠性，低成本的方向發展。大容量變換器拓撲結構的不斷發展，新型電力電子器件的不斷更新，必將推動大容量變換器技術的更進一步發展。

[1]李永東.大容量多電平變換器:原理.控制.應用[M].北京: 科學出版社, 2005.

[2]吳斌.大功率變頻器及交流傳動[M].北京:機械工業出版社, 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.