高壓大功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的演化及分析和比較

摘要：闡述了高壓大功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展，同時(shí)對(duì)它們進(jìn)行了分析和比較，指出各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其中重點(diǎn)介紹了級(jí)聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并給出了仿真波形。

引言

變頻調(diào)速技術(shù)的飛速發(fā)展為變頻器性能的提高提供了技術(shù)保障，而環(huán)保和節(jié)能的客觀需要，又為變頻器在生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了發(fā)展空間，但是，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，小容量變頻器已越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)和生活的需要。目前，我國(guó)采用的變頻調(diào)速裝置基本上都是低壓的，即電壓為380～690V，而在節(jié)能方面起著更主要作用的高電壓大容量變頻器在我國(guó)尚處于起步階段。是什么原因阻礙了高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用呢？主要原因一是大容量（200kW以上）電動(dòng)機(jī)的供電電壓高（6kV或者10kV），而電力電子器件的耐壓等級(jí)和所承受的電流的限制，造成了電壓匹配上的困難；二是高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)含量高，難度大，成本高，而一般的風(fēng)機(jī)、水泵等節(jié)能改造項(xiàng)目都希望低投入、高回報(bào)，較少考慮社會(huì)效益和綜合經(jīng)濟(jì)效益。這兩個(gè)原因使得高壓變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和推廣受到了限制，因此，提高電力電子變流裝置的功率容量，降低成本，改善其輸出性能是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，也是當(dāng)前世界各國(guó)相關(guān)行業(yè)競(jìng)相關(guān)注的熱點(diǎn)，為此，國(guó)內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠商八仙過(guò)海，各有高招，雖然其主電路結(jié)構(gòu)不盡一致，但都較為成功地解決了高壓大容量這一難題[5]。

1 大功率電力電子變流裝置的拓?fù)鋵W(xué)進(jìn)展[3]

近年來(lái)，各種高壓變頻器不斷出現(xiàn)，可是到目前為止，高壓變頻器還沒(méi)有像低壓變頻器那樣具有近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)高壓組成方式，可分為直接高壓型和高—低—高型；根據(jù)有無(wú)中間直流環(huán)節(jié)，可以分為交—交變頻器和交—直—交變頻器。在交—直—交變頻器中，根據(jù)中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，又可分為電壓源型(也稱電壓型)和電流源型(也稱電流型)。高—低—高型變頻器采用變壓器實(shí)行降壓輸入、升壓輸出的方式，其實(shí)質(zhì)上還是低壓變頻器，只不過(guò)從電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)兩端來(lái)看是高壓的，這是受到功率器件電壓等級(jí)限制而采取的變通辦法。由于需要輸入、輸出變壓器，而存在中間低壓環(huán)節(jié)電流大、效率低、可靠性下降、占地面積大等缺點(diǎn)，只用于一些小容量高壓電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單調(diào)速。常規(guī)的交—交變頻器由于受到輸出最高頻率的限制，只用在一些低速、大容量的特殊場(chǎng)合。

下面對(duì)直接高壓大功率電力電子裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作一個(gè)分類，分類是針對(duì)單個(gè)器件的電壓或電流承受能力往往不能適應(yīng)容量要求這一特點(diǎn)進(jìn)行的，為此，把大功率電力電子變流裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為兩類：

1）以器件串聯(lián)為基礎(chǔ)的橋臂擴(kuò)展型結(jié)構(gòu)；

2）以變流單元電路串聯(lián)為基礎(chǔ)的多單元變流器結(jié)構(gòu)。

這種分類方式從電路構(gòu)成的角度揭示了名種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系。按照這種分類方式，多管串聯(lián)的兩電平變換電路，二極管鉗位和飛跨電容鉗位型多電平拓?fù)鋵儆谝云骷�串�?lián)為基礎(chǔ)的橋臂擴(kuò)展型結(jié)構(gòu)；級(jí)聯(lián)型多電平變流器屬于以變流單元電路串聯(lián)為基礎(chǔ)的多單元變流器結(jié)構(gòu)。

2 高—低—高結(jié)構(gòu)

該種結(jié)構(gòu)將輸入高壓經(jīng)降壓變壓器變成380V

的低壓，然后用普通變頻器進(jìn)行變頻，再由升壓變壓器將電壓變回高壓。很明顯，該種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可利用現(xiàn)有的低壓變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)高壓變頻，易于實(shí)現(xiàn)，價(jià)格低；其缺點(diǎn)是系統(tǒng)體積大、成本高、效率低、低頻時(shí)能量傳輸困難等。

3 器件串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]

3.1 多管串聯(lián)的兩電平變換電路

將器件串聯(lián)使用，是滿足系統(tǒng)容量要求的一個(gè)簡(jiǎn)單直觀的辦法。串聯(lián)在一起的各個(gè)器件，被當(dāng)作單個(gè)器件使用，其控制也是完全相同的。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可利用較為成熟的低壓變頻器的電路拓?fù)�，控制策略和控制方法；其缺點(diǎn)是串聯(lián)開(kāi)關(guān)管需要?jiǎng)討B(tài)均壓和靜態(tài)均壓。這是因?yàn)榇��?lián)器件開(kāi)、關(guān)時(shí)間不一致，最后開(kāi)通或最先關(guān)斷的器件將承受全部電源電壓，這就必然影響到它的可靠運(yùn)行，所以，電力電子器件串聯(lián)運(yùn)行時(shí)應(yīng)有相應(yīng)的均壓措施，而均壓電路使系統(tǒng)復(fù)雜化，損耗增加，效率下降。另外，為使串聯(lián)器件同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，對(duì)驅(qū)動(dòng)、控制電路的要求也大大提高。圖1為多管串聯(lián)的兩電平主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.2 中點(diǎn)鉗位型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2.1 二極管鉗位型多電平結(jié)構(gòu)

為了解決器件直接串聯(lián)時(shí)的均壓?jiǎn)栴}，逐漸發(fā)展出以器件串聯(lián)為基礎(chǔ)，各器件分別控制的變流器結(jié)構(gòu)。在這方面，日本學(xué)者A.Nabae于1983年提出的中點(diǎn)鉗位型PWM逆變電路結(jié)構(gòu)具有開(kāi)創(chuàng)性的意義。單相中點(diǎn)二極管鉗位型變流器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，該變流器的輸出電壓為三電平。如果去掉兩個(gè)鉗位二極管，這種變流器就是用兩個(gè)功率器件串聯(lián)使用代替單個(gè)功率器件的半橋逆變電路。由于兩個(gè)鉗位二極管的存在，各個(gè)器件能夠分別進(jìn)行控制，因而避免了器件直接串聯(lián)引起的動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴}。與普通的二電平變流器相比，由于輸出電壓的電平數(shù)有所增加，每個(gè)電平幅值相對(duì)降低，由整個(gè)直流母線電壓降為一半直流母線電壓，在同等開(kāi)關(guān)頻率的前提下，可使輸出波形質(zhì)量有較大的改善，輸出dv/dt也相應(yīng)下降，因此，中點(diǎn)鉗位型變流器顯然比普通二電平變流器更具優(yōu)勢(shì)。

圖4

圖2中DA，DA′，DB，DB′為鉗位二極管，分壓電容C1=C2。開(kāi)關(guān)管SA1，SA1′和SB1，SB1′等互補(bǔ)。

增加分壓電容

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