中高压变频器主电路拓扑结构的分析

中高压变频器主电路拓扑结构的分析

周继发

（滨州学院航空工程学院山东省滨州市256601）

摘要：文章主要对功率配件IGBT的直接串联电压型高压变频器、电流源性的高压变频器、中性点箝位的三电平PWM变频器以及功率单元级连的电源型高压变频器主要的拓扑结构进行分析。希望本次的研究可以对中高压变频器的科学合理应用提供有效的参考依据。

关键词：中高压变频器；主电路；拓扑结构

前言

随着当今电力与科学技术的不断发展，中高压变频器也得到了良好的发展与应用，但是相比较低压变频器而言，中高压变频器依然没有达到很高的成熟度。在中高压变频器的主电路拓扑结构之中，主要有两个制约的因素存在，第一就是在高电压以及大电流的电子器件方面依然难以对相关要求做到有效满足，在实际的应用过程中，就要应用到相应的器件或者是低功率单元串联以及并联的技术。第二就是在很多的低压通用变频器之中，都可以接受或者是很容易解决的问题，如果出现在中高压变频器之中，却会十分突出，并且很难加以解决。在当今的中低压变频器之中，已经将现有的功率器件为基础，形成了多种的拓扑结构，这样就使得中高压变频器之中高电压以及大容量等的难题得以有效解决。

一、IGBT直流的串联电压型变频器主电路拓扑结构分析

IGBT直接串联的电压型高压变频器的系统是直接从电网的高压端经过高压断路器到达变频器之中，在高压二极管的全桥整流以及肿瘤平波电抗器与电容的滤波之后，由逆变器对其加以逆变，再加上正弦波的滤波器，就可以让高压频的输出得以简单实现，并直接为高压电动机进行供给。

IGBT直接与二级电平的电压型高压变频器在串联的过程中所应用的变频器已经有着十分成熟的技术，通过简单而又独特的控制技术，可以成功进行不需要输入输出的变压器设计、IGBT直流串联的逆变设计，使高压调速系统的输出的效率可以达到98%。

这种中高压变频器在起重机械、轧机、电力机车的牵引、风机、传播的主传动、压缩机以及水泵等机械之中比较适用。

（一）优点

IGBT直接串联的电压型高压变频器有着简单的结构，二电平逆变器的技术十分成熟，同时有着高达98%的效率和良好的过载能力与动态性能。这种变频器可以实现四象限的运行，不会对电机的绝缘造成影响，对于电缆的长度也没有限制。它的体积很小，重量很轻，价格低廉。

缺点

因为这一变频器没有输出的变压器，脉冲整流网侧有着很多的谐波，因此在使用的时候需要应用到进线的电抗器。同时，由于而电平逆变较大，而且会输出较大的谐波，因此需要应用到优化的PWM技术和输出滤波器才可以解决这一问题。

二、GTO电流源型变频器的主电路拓扑结构分析

GTO电流源型的变频器在锅炉给水泵、压缩机以及风机等的机械之中比较适用。

（一）优点

电流源型的高压变频器应用合适的PWM脉冲形式，进而可以使其所获得的转矩脉动很低。它有着很高的输出频率，最高可以达到200HZ。同时，这种变频器的电机有着很小的损耗，可以实现四象限的运行，也有着很高的能动性，可以进行无熔断器的设计，有着很高的可靠性。这种变频器也不会对电机的绝缘造成损害，对于电缆的长度也没有限制。

（二）缺点

这种变频器不适宜在弱磁的条件下运行，在运行的过程中，其功率因数和速度有着直接的联系，网测的晶闸管整流，有着较大的输出谐波，同时其产生的共模电压也很大，因此在没有输出变压器的情况下，共模电压就会在电动机的定子绕组中心点和地面之间施加，进而对电动机的绝缘效果造成不利影响。这种变频器对于电网的电压谐波传动也比较敏感，在电压下降15%的条件下就会出现保护停机的情况。另外，这种变频器对于电动机负载的特性也比较敏感，这就提升了现场调试的难度。

三、中性点箝位的三电平PWM变频器主电路拓扑结构分析

在PWM电压源型的变频器之中，如果输出的电压比较高，为防止期间的串联所引起的动态均压以及静态均压问题，并使得输出谐波和du/dt的影响作用得以有效降低，可以在逆变器的部分应用中性点箝位的三点平方。在逆变器功率器件之中，可以应用高压的IGBT或者是IGC三电平的电压源变频器，这种变频器的功率可以达到9100KVA，电压可以高达6600V，其输出功率可以高达150HZ。

中性点的箝位三电子PWM高压变频器的主电路拓扑结构之中，整流的部分应用了12脉冲的二极管整流器，逆变器的部分应用的是三电平PWM逆变器。在这一系列的变频器之中，主要的变频器结构依然应用的传统电压型，利用耐压性很高的IGBT或者是IGCT功率器件，让器件的总数变为12个，这样就实现了成本的显著降低，并使得电路的结构得以有效简化，在原来的基础上实现了体积的进一步缩小，并实现了可靠性的显著提升。

四、功率单元级联电压源型的变频器

美国的洛滨康公司通过单元串联的多重化技术，制造出的完美无谐波高压变频器，其功率可以达到315KVA到10000KVA，不需要输出变压器就可以直接实现3.3KV到3KV的高压输出，它的输入功率因数可以超过0.95，THD小于1%，总体的功率高达97%。之所以会有着如此高的功率，主要是对三项全新的高压变频技术加以应用，第一是在输出的部分应用单相桥式的APWM逆变器，它有着独立的电源，可以直接实现串联叠加。第二是对输入整流的部分应用了多项多重叠加的整流技术。第三是在结构方面应用功率单元的模块化技术。

（一）优点

这种变频器采用功率单元的串联形式，所应用的技术十分成熟，价格也十分低廉，主要是用低压的IGBT实现逆变单元的组成，可以用不同的串联单元个数来满足输出电压不同的要求，实现波形的完美输入以及输出，这就使得这一变频器可以适用于任何的电机之中。同时，因为多功能单元在结构以及参数方面都是相同的，所以功率单元的模块化也很容易实现，在使用的过程中，如果个别的某一个单元出现故障，就可以将其进行短路处理，这样就可以实现系统的降额运行甚至是正常运行。

（二）缺点

因为功率单元和功率的器件有着太多的数量，这就极大程度地增加了装置的体积和重量，给装置的安装造成更大的不便，安装的位置也是一个重要问题。同时，这种变频器不能实现四象限的运行以及能量的回馈，并且不能实现制动。另外，如果电网的电压与电机的电压不相同，旁路的切换控制也就不能实现。结束语：

综上，中高压变频器主电路拓扑结构的良好设计可以保障中高压变频器应用质量的显著提升。因此，在对中高压变频器进行应用的过程中，一定要对其拓扑结构加以重视。这样才可以让中高压变频器之中的问题得以有效解决，使其实现自身作用的充分发挥。

参考文献：

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[3]国产中压变频器在海洋石油平台的应用[J].徐建东，李长伟，郝明，刘树慰.中国修船.2018（03）

[4]模块化多电平高压变频技术研究综述[J].徐殿国，李彬彬，周少泽.电工技术学报.2017（20）

[5]电力电子装置智能化研究综述[J].曹军威，杨洁，袁仲达，吴扣林，方太勋，杨飞.电力建设.2017（05）

作者简介：

周继发（1998.4.11））男，山东省临清市，汉族，本科在读，滨州学院航空工程学院，256601，智能电子方向（电子信息工程专业）。