中压变频器主电路拓扑结构的分析与比较

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1、制造业自动化中压变频器主电路拓扑结构的分析与比较丁少杰（西门子(中国)有限公司I&S，北京100102）摘要：分析比较了中压变频器目前应用的主要几种主电路拓扑结构，指出其各自的优缺点和适用场合，并得出结论。关键词：中压变频器;主电路;拓扑结构中图分类号：TP273文献标识码：B文章编号：1009-0134(2004)05-0069-030引言本文对目前中压变频调速领域技术比较成熟且已实用的主要几种电路拓扑结构进行分析比较,指出中压变频器不象低压变频器一样具有成熟的一其各自的优缺点和适用场合。致性

2、的拓扑结构，而是受限于功率器件的耐压，出现了多种拓扑结构。中压变频器主电路结构早期采1电流型中压变频器用低压变频器和输入输出变压器组成“高-低-高”电流源型变频器（CurrentSourceInverter简称方案，这种方案实质上还是低压变频器，只不过从CSI）采用大电感作为中间直流滤波环节，整流电路电网和电机两端来看是高压的，存在中间低压环节的功率器件一般采用晶闸管，少数也有采用GTO或电流大，变频器输出含有高次谐波和直流分量，升SGCT的，主要目的是采取电流PWM控制，以改善压变压器须特殊设

3、计，两个变压器有较大损耗，效输入电流波形。逆变部分采用晶闸管或GTO或率较低，装置占地面积大等缺点。为了克服这些缺SGCT作为功率器件。目前工业应用的功率器件最点，“高-低-高”方案已基本被“高-高”方案所取高电压：晶闸管为8kV，GTO为6kV，SGCT为代。“高-高”方案就是取消输出变压器，变频器输6.5kV。当电网电压较高时，可采用功率器件串联的出高压直接驱动高压电动机。办法。比如，当电网电压为6kV时，考虑器件串联“高－高”方案国内外一般采用两种思路，一时的均压问题和器件耐压使用安全裕度

4、，需要2个是采用功率器件串联的方法，主电路结构仍采用常耐压为8kV的晶闸管串联，或3个耐压为6kV的GTO规的三相桥式逆变器，产品主要有功率器件为SCR、串联，或3个耐压为6.5kV的SGCT串联，才能满足GTO或SGCT的电流源中压变频器，输出滤波采用8500V峰值电压时的耐压要求。电容滤波，输出电流电压波形都接近正弦波。二是两电平电流型中压变频器的种类较多，主要有采用多电平结构。多电平结构的思想最早是由日本串联二极管式、输出滤波器换向式、负载换向式、长冈科技大学的ANabae等人于80年代提

5、出的【1】。GTO-PWM或SGCT-PWM式等。串联二极管式电流它的一般结构是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近源变频器利用换向电容和电机电感之间的谐振实现正弦波输出电压。这种变换器的优点是：由于输出晶闸管的换流，用二极管隔离电机反电动势，使它电压电平数的增加，合成的输出波形有更多的台阶，不影响换向电容的放电过程。变频器运行与电机参这些台阶形成一种梯状波形，近似于正弦波。当波数关系较大，换向电容的容量要与电机电感和负载形合成中台阶数增多时，输出波形具有更好的谐波电流相匹配。频谱，每个开关器件所承受

6、的电压应力较小，无需输出滤波器换向式电流源型变频器利用输出滤均压电路，开关损耗小，dv/dt较小对电机绝缘十分波器对晶闸管进行换向，电机和滤波器一起具有超有利。多电平变换器的电路结构目前主要有3种【2】：前的功率因数，所以逆变器的晶闸管可以实现自然级联多电平逆变器（CascadedMultilevelInverters换流，滤波器的容量基本上和变频器容量相当。withseparateDCsources简称CMI）、二极管钳位负载换向式电流源型变频器（LCI）的负载为同（Diode─Clamp）、

7、飞跨电容（Flying─Capacitors）。步电动机，可以提供逆变器晶闸管关断的超前电流，收稿日期：2004-01-14作者简介：丁少杰(1968－)，男，河南省人，研究方向为自动控制与驱动技术。第26卷第5期2004-05【69】制造业自动化在起动和低速时，一般采取断续换流的办法，LCI在输出的，而是通过若干单元的输出串联后叠加得到有一些超大容量的系统中应用较为成功。的，这样对于每个功率单元来说，不必承受高压，就图1所示为西门子公司LCI中压变频器的主电可以采用低压的功率器件。路。其功率单

8、元由两套完全隔离的6脉波电流源变频器,构成12脉波系统。每套6脉波变频器分别由整流器、直流耦合电路及逆变器3部分组成。整流器和逆变器采用晶闸管模块，构成三相全控桥式整流组件。在直流耦合电路中置有平波电抗器。输出电压可达23kV，容量达100MW。图2单元串联多电平中压变频器（6kV）的主电路拓扑结构图从这种电路拓扑结构可以看出，单元的电压等级和串联数量决定中压变频器的输出电压，单元的电流额定决定了变频器的输出电流。由于不是采用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是整个功率单元串联，所以不存在器