1.8 高壓變頻器的多電平逆變器

1.8.1 采用多電平技術(shù)的原因

世界上很多公司開發(fā)了高耐壓、低損耗、高速度的功率器件，如西門子公司研制的HV-IGBT耐壓可達(dá)4.5kV，ABB公司研制的新型功率器件——集成門極換流晶閘管（IGCT），耐壓可達(dá)6kV。但是對(duì)于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中的6kV和10kV電壓等級(jí)電動(dòng)機(jī)，若直接變頻調(diào)速，即使用上述耐壓等級(jí)的功率器件，仍需串聯(lián)使用，這使得器件數(shù)量增加，電路復(fù)雜，成本增加，可靠性大為降低。為了避免由功率器件串并聯(lián)引起的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}，同時(shí)也為降低輸出諧波及du/dt的影響，高壓變頻器的逆變器采用的一種方法是直接應(yīng)用于高壓（如6kV）、不使用變壓器和電抗器的二極管鉗位式多電平方式。

多電平電壓源型逆變器有多種結(jié)構(gòu)，通常有二、三、四、五、六電平之分。逆變器額定輸出電壓正比于有源開關(guān)的數(shù)量。這就意味著，如果開關(guān)數(shù)量加倍，則逆變器最大輸出電壓和輸出功率也將增加為原來(lái)的兩倍，然而隨著電壓等級(jí)的上升，鉗位二極管的數(shù)量急劇增加，過多的器件數(shù)量以及直流電容電壓平衡控制增加了逆變器的制造難度和成本。如三電平二極管鉗位式逆變器只需要6個(gè)鉗位二極管，五電平二極管鉗位式逆變器則需要36個(gè)，見表1-5。實(shí)際上，這是四電平、五電平或六電平逆變器很少用于工業(yè)中的一個(gè)主要原因。

本書僅介紹二極管鉗位式二電平、三電平逆變器。

表1-5 多電平二極管鉗位式逆變器的器件數(shù)量

注：?表示所有二極管和有源開關(guān)具有相同的電壓等級(jí)。

1.8.2 二電平電壓源型10kV傳動(dòng)逆變器

二電平電路形式采用電壓源型的交-直-交結(jié)構(gòu)的變頻器，其基本電路由整流器、直流環(huán)節(jié)和逆變器三部分組成。整流器可由6脈沖、12脈沖、18脈沖、甚至30脈沖整流二極管橋組成。電壓源型逆變器（Voltage Source Inverter，VSI）的主要功能是將恒定的直流電壓變換為幅值和頻率可變的三相交流電壓。圖1-38和圖1-39所示逆變部分給出了大功率系統(tǒng)中應(yīng)用的二電平電壓源型逆變器（簡(jiǎn)稱為二電平逆變器）的主電路。逆變器主要由6組功率開關(guān)器件V₁～V₆組成，每個(gè)開關(guān)反并聯(lián)了一個(gè)續(xù)流二極管，反并聯(lián)的二極管為反饋能量（包括電動(dòng)機(jī)繞組電感反饋能量、降速時(shí)拖動(dòng)系統(tǒng)釋放機(jī)械能及線路中分布電感反饋能量）提供回路。根據(jù)逆變器工作的直流電壓不同，每組功率器件可由兩個(gè)或多個(gè)IGBT或IGCT等串聯(lián)組成。開關(guān)器件V₁～V₆的控制取決于調(diào)制波和載波的比較結(jié)果，常采用的控制方式有正弦波脈寬調(diào)制（Sinusoidal PWM，SPWM）和空間矢量調(diào)制（Space Vector Modulation，SVM），器件的開關(guān)頻率一般低于1kHz。

圖1-38 6脈沖直接高進(jìn)高出（沒有變壓器）二電平主電路

圖1-38和圖1-39所示直流環(huán)節(jié)主要由濾波電路（由電容器C₁、C₂和均壓電阻R₁、R₂構(gòu)成）和限流回路（由預(yù)充電電阻R_L、接觸器KM或晶閘管構(gòu)成）組成。

圖1-39 12脈沖直接高進(jìn)高出二電平主電路

目前，電解電容器的耐壓能到450V，對(duì)于6～10kV系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，為增大電容量和改善濾波效果，可將若干電容器并聯(lián)，然后再串聯(lián)。

在濾波電路中，由于每個(gè)電容器的電容量不可能絕對(duì)相同，其電容量的離散型較大，若干個(gè)電容器并聯(lián)后，組成的兩組電容器C₁和C₂之間的電容量差異是比較明顯的。串聯(lián)以后，C₁和C₂上的電壓分配將是不均衡的，這將導(dǎo)致兩組電容器使用壽命的不一致。解決電壓不均衡的方法是在兩組電容器的兩端分別并聯(lián)電阻值相等的均壓電阻R₁和R₂，由于電阻的阻值容易做得比較準(zhǔn)確，從而保證了均壓的效果。

在預(yù)充電環(huán)節(jié)，當(dāng)變頻器剛接通電源時(shí)，濾波電容器C₁和C₂上的電壓為零，而電源電壓為6～10kV（前面介紹為了提高濾波效果，濾波電容器的電容量又很大），因此在剛接通電源的瞬間，必將產(chǎn)生很大的沖擊電流，這有可能損壞整流二極管，而且使電源電壓瞬間下降為零，對(duì)網(wǎng)絡(luò)形成干擾。

在多脈沖橋式整流器和濾波電容器之間，接入預(yù)充電電阻R_L和電感元件，將濾波電容器的充電電流限制在一個(gè)允許范圍內(nèi)，降低網(wǎng)絡(luò)電壓波形受到的影響。

但R_L長(zhǎng)期接在電路內(nèi)，將影響直流電壓和變頻器輸出電壓的大小。因此，當(dāng)濾波電容器已充電完畢后，由接觸器KM將預(yù)充電電阻R_L短接。

在許多系列的變頻器里，KM已經(jīng)由晶閘管（SCR）代替。

二電平VSI具有如下特性：

1）模塊化設(shè)計(jì)。將IGBT模塊、柵極驅(qū)動(dòng)、旁路開關(guān)和吸收電路集成到一個(gè)開關(guān)模塊，以便組裝和規(guī)模化生產(chǎn)，從而可以降低生產(chǎn)成本。模塊化設(shè)計(jì)也有助于傳動(dòng)系統(tǒng)的維護(hù)和檢修，如在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)可快速更換故障模塊。

2）控制方案簡(jiǎn)單。采用正弦波脈寬調(diào)制和空間矢量調(diào)制方案，所需柵極信號(hào)的數(shù)量不隨開關(guān)串聯(lián)個(gè)數(shù)的變化而變化，6組同步開關(guān)器件只需要6個(gè)柵極信號(hào)。

3）對(duì)串聯(lián)IGBT的有源過電壓鉗位作用。IGBT關(guān)斷時(shí)，其最大動(dòng)態(tài)電壓可被柵極驅(qū)動(dòng)有效鉗位，能夠避免開關(guān)暫態(tài)過電壓可能造成的損害。

4）便于實(shí)現(xiàn)高可靠性的N+1冗余方案。在可靠性要求較高的系統(tǒng)中，可以在逆變器的每個(gè)橋臂中都增加一個(gè)冗余模塊。當(dāng)某個(gè)模塊不能正常工作時(shí)，可通過旁路電路將其切除，從而使得逆變器系統(tǒng)仍可在滿載下連續(xù)運(yùn)行。

5）直流電容預(yù)充電電路簡(jiǎn)單。二電平逆變器只需要一個(gè)預(yù)充電電路，而多電平逆變器通常需要多套預(yù)充電電路。

6）可提供四象限運(yùn)行和再生制動(dòng)能力。采用與逆變器結(jié)構(gòu)類似的有源前端，來(lái)代替多脈沖二極管整流器，采用輸入輸出雙PWM控制，即可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的四象限運(yùn)行和再生制動(dòng)能力。

二電平VSI存在的缺點(diǎn)如下：

1）逆變器輸出的du/dt較高。由于IGBT的開關(guān)速度較快，所以其輸出電壓波形上升沿和下降沿會(huì)產(chǎn)生較高的du/dt。當(dāng)IGBT串聯(lián)并一起導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)，逆變器輸出的du/dt尤其高，可使電動(dòng)機(jī)繞組絕緣和電動(dòng)機(jī)軸承過早損壞，以及產(chǎn)生波反射等損害。

2）電動(dòng)機(jī)諧波損耗大。二電平逆變器通常運(yùn)行在較低的開關(guān)頻率下，造成電動(dòng)機(jī)和電流的嚴(yán)重畸變，而畸變產(chǎn)生的諧波會(huì)在電動(dòng)機(jī)里產(chǎn)生附加損耗。

3）共模電壓高。任何變換器的整流和逆變過程都會(huì)產(chǎn)生共模電壓，如果不采取措施，這些電壓將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)繞組的絕緣過早損壞。

通過在逆變器輸出和電動(dòng)機(jī)之間增加LC濾波器（見圖1-38和圖1-39），可有效地解決上述的前兩個(gè)問題。增加濾波器后，逆變器輸出過高的du/dt將被濾波器電感承受，而不是電動(dòng)機(jī)。因此，電感應(yīng)具有足夠的絕緣強(qiáng)度，能夠承受較高的du/dt。濾波器通常安裝在傳動(dòng)裝置的柜體里，并通過較短的電纜與逆變器連接，以避免波反射。濾波器可使電動(dòng)機(jī)的電流和電壓接近正弦波，從而減小電動(dòng)機(jī)的諧波損耗。

然而，濾波器的引入會(huì)產(chǎn)生一些實(shí)際問題，如制造成本的增加、基波電壓的下降以及濾波器和直流電路之間的環(huán)流等。逆變器輸出PWM電壓中的諧波，還可能引起LC濾波器的諧振。

對(duì)于二電平逆變器的共模電壓高問題，可通過使用圖1-39中的移相變壓器，以阻斷共模電壓，使其有效降低。值得指出的是，移相變壓器并不能完全消除共模電壓。

圖1-38和圖1-39所示為四川省佳靈電氣有限公司生產(chǎn)的二電平10kV—VSI傳動(dòng)系統(tǒng)。它采用最新的HV-IGBT，使用該公司的容性母版技術(shù)1+N（只）串聯(lián)，較好地解決了動(dòng)態(tài)與靜態(tài)的均壓?jiǎn)栴}。容量小于1200kW時(shí)，可采用圖1-38所示系統(tǒng)；容量不小于1200kW時(shí)，可采用圖1-39所示系統(tǒng)。系統(tǒng)載波頻率為0.6～1.2kHz。由于在輸出端采用了專用的濾波器，諧波分量符合IEEE 519—1992《電源系統(tǒng)諧波控制推薦規(guī)程和要求》。這里的介紹僅供選型參考，必要時(shí)需和廠家聯(lián)系。

圖1-39的前端采用12脈沖二極管整流器，以減小網(wǎng)側(cè)電流的諧波畸變。在對(duì)諧波要求更嚴(yán)格的應(yīng)用中，可以用18、24或36脈沖二極管整流器（這在前面幾節(jié)中已有介紹）。

1.8.3 三電平電壓源型二極管鉗位式逆變器的優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)電壓源型變頻器輸出電壓為6～10kV時(shí)，為了避免整流及逆變器串聯(lián)引起的動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}，并降低輸出的諧波分量，其主電路一般為電壓源型的交-直-交結(jié)構(gòu)，逆變器形式上多采用三電平電路。

圖1-40給出了三電平二極管鉗位式逆變器（Neturai Point Clamped，NPC，通常稱為中性點(diǎn)鉗位式逆變器）簡(jiǎn)化電路圖。逆變器每相橋臂的結(jié)構(gòu)是相同的，逆變器A相橋臂由反并聯(lián)二極管（VD₁～VD₄）的4個(gè)有源開關(guān)（V₁～V₄）組成，在中、高壓變頻器實(shí)際應(yīng)用中，逆變器的開關(guān)器件一般采用IGBT、IGCT或GCT。

中性點(diǎn)鉗位式三電平變頻器整流后的母線電壓經(jīng)兩組相串聯(lián)的電解電容濾波，兩組電容的連接點(diǎn)即為此電路的中性點(diǎn)，該點(diǎn)與變頻器中每相兩個(gè)恢復(fù)二極管的連接點(diǎn)相連，構(gòu)成二極管中性點(diǎn)電壓鉗位電路。

圖1-40 三電平二極管鉗位式逆變器簡(jiǎn)化電路圖

1.中性點(diǎn)鉗位式三電平變頻器的特性

1）無(wú)須采用器件串聯(lián)，就可以應(yīng)用于一定電壓等級(jí)的中壓傳動(dòng)系統(tǒng)。如圖1-40所示，直流側(cè)兩個(gè)電容器容量相等，且電壓相等，均為U_dc/2（U_dc為母線電壓），變頻器每個(gè)功率開關(guān)管承受的最大電壓為母線電壓的1/2，從而實(shí)現(xiàn)了用中低壓器件無(wú)須采用器件串聯(lián)即可完成高壓大容量的逆變。

2）三電平輸出諧波分量比二電平少。如圖1-40所示，以鉗位點(diǎn)為參考點(diǎn)，每相均可以輸出U_dc/2、0和-U_dc/23個(gè)電平，比二電平變頻器多了一個(gè)電平，其輸出諧波和電壓變化率du/dt明顯低于二電平逆變器，從而使輸出波形更加優(yōu)化。

3）無(wú)動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}。二極管中性點(diǎn)鉗位式三電平逆變器的開關(guān)狀態(tài)見表1-6，逆變器每個(gè)橋臂有3個(gè)開關(guān)狀態(tài)（P，O，N），“P”表示橋臂上端的兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，“O”表示中間的兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通，“N”表示下端的兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通。由表1-6可以看出，三電平電壓源型高壓變頻器逆變器的一個(gè)橋臂中，V₁和V₃互補(bǔ)、V₂和V₄互補(bǔ)（即V₁和V₃、V₂和V₄任何時(shí)候都不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通或同時(shí)關(guān)斷的情形），因此不存在器件串聯(lián)的均壓?jiǎn)栴}。在換相過程中，三電平逆變器的每個(gè)有源開關(guān)均只承受總直流電壓的1/2。

表1-6 二極管中性點(diǎn)鉗位式三電平逆變器的開關(guān)狀態(tài)

開關(guān)狀態(tài)從[O]轉(zhuǎn)換到[P]、從[P]轉(zhuǎn)換到[O]、從[N]轉(zhuǎn)換到[O]（或相反的過程）中，三電平逆變器的每個(gè)有源開關(guān)均只承受總直流電壓的1/2，這還說(shuō)明不存在動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}。

4）三電平逆變器輸入一般采用12脈沖整流方式，要達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)諧波抑制的要求，可在網(wǎng)側(cè)加有效的濾波器。對(duì)諧波抑制有更高要求時(shí)，可以采用24脈沖、30脈沖、甚至更多脈沖的整流電路。

5）三電平逆變器輸出側(cè)使用普通電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須附加輸出濾波器。假設(shè)每個(gè)整流橋整流輸出電壓為E，兩個(gè)整流橋的串聯(lián)點(diǎn)為參考電位點(diǎn)，根據(jù)V₁～V₄4個(gè)器件的開關(guān)狀態(tài)變化，每相輸出對(duì)中性點(diǎn)O的電壓可為E、0、-E共3個(gè)狀態(tài)，所以稱為三電平，相應(yīng)的另一相對(duì)中性點(diǎn)O的電位也是E、0、-E3個(gè)狀態(tài)，兩個(gè)相電壓相減后形成的線電壓將有2E、E、0、E、-2E共5個(gè)電平狀態(tài)，如圖1-41所示。

由于逆變器輸出側(cè)線電壓為5電平波形，諧波含量較高，du/dt較大，仍然需要濾波器（一般在設(shè)備內(nèi)置）。否則影響電動(dòng)機(jī)絕緣。采用12脈沖整流方式的三電平電壓源型變頻器輸出的電流總諧波失真可以達(dá)到17%左右，會(huì)引起電動(dòng)機(jī)諧波發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。輸出電壓跳變臺(tái)階為直流母線電壓的1/2，會(huì)影響電動(dòng)機(jī)絕緣，所以一般需配置特殊電動(dòng)機(jī)；若要使用普通電動(dòng)機(jī)，必須附加輸出濾波器。

圖1-41 三電平逆變器輸出相電壓及線電壓波形

6）無(wú)需額外的器件就可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)電壓均衡。當(dāng)逆變器的最上端“P”和最下端“N”有源開關(guān)的漏電流小于中間開關(guān)“O”端的漏電流時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)靜態(tài)電壓均衡。

7）在相同的電壓容量和器件開關(guān)頻率下，THD和du/dt比二電平逆變器小。表1-6給出三電平電壓源型高壓變頻器逆變橋A臂的開關(guān)狀態(tài)，由于三電平逆變器是三相橋臂，共可以組成27種開關(guān)狀態(tài)組合，去掉其中8種重復(fù)的組合，對(duì)應(yīng)19種空間電壓矢量，空間電壓矢量按幅值分為4種，即大矢量、中矢量、小矢量和零矢量，對(duì)應(yīng)的幅值分別為2U_d/3、、U_d/3和0。在相同的電壓容量和器件開關(guān)頻率下，三電平逆變器的輸出諧波和電壓變化率du/dt明顯小于二電平逆變器，采用三電平空間矢量調(diào)制（SVPWM）方法可以進(jìn)行開關(guān)序列優(yōu)化，而且直流母線利用率高，易于數(shù)字化，使輸出波形更加優(yōu)化，現(xiàn)已成為其最常用的控制算法。

2.三電平二極管鉗位式逆變器的缺點(diǎn)

1）需要額外的鉗位二極管，較為復(fù)雜的PWM開關(guān)模式以及因直流側(cè)兩個(gè)電容值有限，中性點(diǎn)電流對(duì)電容器充放電會(huì)使中性點(diǎn)電壓產(chǎn)生偏移。

2）三電平電壓源型高壓變頻器主電路器件發(fā)生故障時(shí)，只能停機(jī)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)“帶病”降額運(yùn)行。

3）若電動(dòng)機(jī)電壓和電網(wǎng)電壓不等，不便于系統(tǒng)旁路（采用星/三角轉(zhuǎn)換方式的6kV電動(dòng)機(jī)必須重新改回星形聯(lián)結(jié)）。

三電平電壓源型高壓變頻器的進(jìn)一步發(fā)展有待于更高耐壓功率器件的出現(xiàn)和現(xiàn)有產(chǎn)品可靠性的進(jìn)一步提高。

1.8.4 三電平3kV等級(jí)逆變器及其拓?fù)?/span>

3kV三電平電壓源型高壓變頻器的典型電路結(jié)構(gòu)是：輸入端采用12脈沖整流，兩個(gè)三相全橋串聯(lián)。直流回路采用電容器儲(chǔ)能，逆變器由IGBT或IGCT組成三電平電路。這種變頻器的典型代表是ABB公司生產(chǎn)的ACS1000系列和ACS6000系列、西門子公司采用高壓IGBT生產(chǎn)的與此類似的變頻器——SIMOVERT MV。圖1-42所示為ACS100012脈沖整流三電平電壓源型變頻器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為敘述方便，中性點(diǎn)鉗位的三電平方式3kV等級(jí)逆變器，以ACS1000系列變頻器為例，介紹如下。

圖1-42 ACS1000三電平IGCT逆變器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖

圖1-42中，將兩組三相橋式整流電路用整流變壓器聯(lián)系起來(lái)，其一次繞組接成三角形，二次繞組則一組接成三角形，另一組接成星形。整流變壓器兩個(gè)二次繞組的線電壓相同，但相位相差30°，這樣5次和7次諧波在變壓器的一次側(cè)將會(huì)有180°的相移，因而能夠互相抵消，同樣的17、19次諧波也會(huì)互相抵消。這樣經(jīng)過2個(gè)整流橋的串聯(lián)疊加后，即可得到12脈沖的整流輸出波形，比6個(gè)脈沖更平滑，并且每個(gè)整流橋的二極管耐壓可降低一半。采用12相整流電路減少了特征諧波含量，網(wǎng)側(cè)特征諧波只有11次、13次、23次、25次等。如果對(duì)抑制諧波有更高要求，整流電路還可以采用24脈沖、30脈沖或更多脈沖的整流電路，若采用與逆變器結(jié)構(gòu)類似的有源前端來(lái)代替多脈沖二極管整流器，并采用輸入輸出雙PWM控制，則可實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)的四象限和再生制動(dòng)運(yùn)行。

ACS1000系列變頻器的逆變器采用傳統(tǒng)的三電平方式，因而輸出波形中會(huì)不可避免地產(chǎn)生較大的諧波分量（THD達(dá)12.8%），這是三電平逆變方式所固有的，其線電壓波形如圖1-43所示。因此，在變頻器的輸出側(cè)必須配置輸出LC濾波器才能用于普通的籠型電動(dòng)機(jī)。經(jīng)過LC濾波器濾波后，可使其THD小于1%。但由于諧波的原因，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率都會(huì)受到一定的影響，只有在額定工況點(diǎn)才能達(dá)到最佳的工作狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)速的下降，功率因數(shù)和效率都會(huì)相應(yīng)降低。

圖1-43 ACS1000三電平PWM逆變器輸出線電壓波形圖

ACS1000系列變頻器的三電平逆變器采用高耐壓的IGCT功率器件，使用功率器件數(shù)量最少（12只），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低，避免了器件的串聯(lián)，提高了裝置的可靠性。根據(jù)目前IGCT及高壓IGBT的耐壓水平，三電平逆變器的輸出電壓等級(jí)有2.3kV、3.3kV和4.16kV。當(dāng)輸出電壓要求達(dá)到6kV時(shí)，采用12只功率器件已不能滿足要求，可采用ACS5000變頻器或IGCT器件串聯(lián)（見1.8.5節(jié)），這增加了成本，還會(huì)帶來(lái)均壓?jiǎn)栴}，失去了三電平結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，并且會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性。

若采用9kV耐壓的IGCT，則三電平變頻器可直接輸出6kV，但諧波及du/dt也相應(yīng)增加，必須加強(qiáng)濾波功能以滿足THD指標(biāo)。

1.8.5 三電平6kV逆變器及其拓?fù)?/span>

采用一般的三電平電路無(wú)法滿足6kV電動(dòng)機(jī)輸入要求，下面介紹兩種適應(yīng)6kV電壓要求的由三電平逆變器構(gòu)成的變頻器。

1.適應(yīng)6kV電壓要求的ACS5000變頻器

為適應(yīng)6kV電壓要求，ABB推出了ACS5000變頻器。它的每一相都是三電平H橋結(jié)構(gòu)，如圖1-44所示。每相通過左右橋臂開關(guān)的不同組合，可以輸出5個(gè)電平，最高輸出相電壓為3.96kV；線電壓9電平，最高輸出線電壓為6.9kV。

圖1-44 ACS5000單相電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1-45所示為ACS5000多電平無(wú)熔斷器電壓源型三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（6kV），逆變器是三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，36脈沖二極管整流器共有6個(gè)移相組，每?jī)蓚€(gè)移相組為一個(gè)變頻單元供電，功率器件為IGCT，沒有并聯(lián)或串聯(lián)設(shè)備。

圖1-45 ACS5000多電平無(wú)熔斷器電壓源型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（6kV）

此電路的優(yōu)點(diǎn)是避免了IGCT器件直接串聯(lián)可能帶來(lái)的問題，成功借鑒了ACS1000的電路結(jié)構(gòu)；缺點(diǎn)是由于無(wú)法采用共用直流母線結(jié)構(gòu)，直流電容的容量將會(huì)非常大，成本大大增加，控制變得相對(duì)復(fù)雜。

2.適應(yīng)6kV電壓要求的IGCT串聯(lián)三電平變頻器

為了充分利用三電平結(jié)構(gòu)共用母線的優(yōu)點(diǎn)，以及IGCT器件可以直接串聯(lián)使用的特點(diǎn)，廣東明陽(yáng)龍?jiān)措娏﹄娮佑邢薰九c清華大學(xué)合作，采用IGCT串聯(lián)三電平結(jié)構(gòu)，成功研制了IGCT串聯(lián)三電平結(jié)構(gòu)高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)（國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目2002BA219C），直接輸出6.3kV電壓，取得了多項(xiàng)專利并填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。圖1-46所示為該系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)已在熱電廠、供水廠、鋼廠等不同工藝要求的風(fēng)機(jī)、水泵負(fù)載上得到應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制，完全滿足工藝要求，節(jié)能效果明顯。

圖1-46 IGCT串聯(lián)三電平結(jié)構(gòu)6kV變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1-46中，輸入整流使用了多重化整流技術(shù)，采用24脈沖整流供電，從而降低了交流輸入側(cè)電流的諧波含量，使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)得到了較好的改善，也使得變壓器一次電流波形接近正弦波，電網(wǎng)諧波污染小；直流環(huán)節(jié)采用IGCT快速保護(hù)技術(shù)和直流電抗母線過電流抑制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)快速保護(hù)和母線過電流快速抑制；逆變器部分采用二極管鉗位三電平IGCT串聯(lián)技術(shù)，可直接輸出6.3kV電壓；能量吸收部分可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的快速制動(dòng)，為控制上實(shí)現(xiàn)矢量控制等高精度的快速算法提供硬件基礎(chǔ)；逆變輸出采用了LC濾波器，大大減少了輸出電壓的諧波含量，使輸出電壓波形接近正弦波。