01引言

前段时间工作中碰到了有关中高压变频器的一些事情，今天就跟大家聊一聊有关中高压变频器的拓扑，当然，除了主电路的拓扑，还有其他很多外围电路，这里我们聊一聊主电路的相关拓扑。

中高压变频器，显而易见，其工作在一个很高的电压水平，常见的为6KV和10KV。中高压变频器主要应用在大功率风机和水泵的变频调速，变频调速在高压大功率交流传动的应用中面临的主要两个问题是：

①我国大容量(200kW以上)电动机的供电电压高(6kV、10kV)，而组成变频器的功率器件的耐压水平较低, 造成电压匹配上的难题；

②高压大功率变频调速系统技术含量高, 难度大, 成本也高, 而一般的风机、水泵等节能改造都要求低投入、高回报, 从而造成经济效益上的难题。

所以，如何解决高压供电和生产低成本高可靠性的中高压变频器一直是行业关注的热点。

一般而言, 在高压供电而功率器件耐压能力有限的情况下，可采用功率器件串联的方法来解决。但器件在串联使用时，由于各器件的动态电阻和极电容不同, 存在静态和动态均压的问题。如果采用与器件并联R 和RC 的均压措施，会使电路复杂，损耗增加；同时，器件的串联对驱动电路的要求也大大提高，要尽量做到串联器件同时导通和关断,否则由于各器件开断时间不一，承受电压不均，会导致器件损坏甚至整个装置崩溃。

谐波问题(之前我们在整流电路中也简单地叙述了谐波的概念)是所有变频器的共同问题, 尤其在大功率变频调速中更为突出。谐波会污染电网，殃及同一电网上的其他用电设备，甚至影响电力系统的正常运行；谐波还会干扰通讯和控制系统，严重时会使通讯中断，系统瘫痪;谐波电流也会使电动机损耗增加，因而发热增加，效率及功率因数下降，以至不得不“降额”使用。

变频器的容量越大，系统的效率问题也就越重要，所以针对中高压变频器的设计，不像低压变频器那样，有着相对成熟的设计方案，还处于发展的阶段。当然，目前的电路拓扑都解决了高压大电容的问题，随着功率半导的发展，涉及到的各行各业都有可能因此而进一步得到提高。

下面我们就来简单地介绍中高压变频器几种常见的主电路拓扑。

02串联两电平电流型

18脉冲整流器的Bulletin1557变频器主电路拓扑

上图是美国洛克韦尔(A -B)公司的中压变频器起初推出的Bu_lletin1557系列的变频器，其电路结构为交—直—交电流源型，采用功率器件GTO串联的两电平逆变器。其控制方式采用无速度传感器直接矢量控制, 电机转矩可快速变化而不影响磁通, 综合了脉宽调制和电流源结构的优点, 其运行效果近似直流传动装置。并且还提供了相应的谐波抑制方案，如12脉冲和18脉冲及PWM整流器，谐波滤波器和功率因数补偿器。后续经过功率半导器件的发展，使用过对称门极换流晶闸管SCGT代替GTO来使驱动和吸收电路简化，系统效率提高。

电流源变频器的优点是易于控制电流，便于实现能量回馈和四象限运行；缺点是变频器的性能与电机的参数有关，不易实现多电机联动，通用性差，电流的谐波成分大，污染和损耗较大，且共模电压高，对电机的绝缘有影响。

03单元串联多重化电压源型

多重化变频器拓扑

所谓多重化技术就是每相由几个低压PWM功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。多重化技术从根本上解决了一般6脉冲和12脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频。如上图所示为6kV变频器的主电路拓扑图，每组由5个额定电压为690 V的功率单元串联，因此相电压为690V×5=3450V，所对应的线电压为6000V。每个功率单元由输入隔离变压器的15个二次绕组分别供电，15个二次绕组分成5组, 每组之间存在一个12°的相位差。

单元串联多重化变频器的优点是：

①由于采用功率单元串联，可采用技术成熟，价格低廉的低压IGBT组成逆变单元，通过串联单元的个数适应不

同的输出电压要求；

②完美的输入输出波形，使其能适应任何场合及电机使用；

③由于多功率单元具有相同的结构及参数，便于将功率单元做成模块化，实现冗余设计，即使在个别单元故障时也可通过单元旁路功能将该单元短路，系统仍能正常或降额运行。

其缺点是：

①使用的功率单元及功率器件数量太多，6kV系统要使用150只功率器件(90只二极管，60只IGBT)，装置的体积太大，重量大，安装位置成问题；

②无法实现能量回馈及四象限运行，且无法实现制动；③当电网电压和电机电压不同时，无法实现旁路切换控制。

04中性点箝位三电平PWM变频器

在PWM电压源型变频器中,当输出电压较高时，为了避免器件串联引起的静态和动态均压问题，同时降低输出谐波及dv/dt的影响，逆变器部分可以采用中性点箝位的三电平方式。三电平在大功率应用领域中越来越受欢迎，后面我们也会慢慢讲到。

如下图所示为ACS1000 12脉冲整流三电平电压源变频

器的主电路拓扑结构图

整流部分采用12脉冲二极管整流器，逆变部分采用三电平PWM逆变器。由图6 可以看出，该系列变频器采用传统的电压型变频器结构，通过采用高耐压的IGCT功率器件，使得器件总数减少为12个。随着器件数量的减少, 成本降低，电路结构简洁，从而使体积缩小，可靠性更高。

三电平PWM变频器的使用，随着技术的发展，多电平高压变频器的技术也得到相应的应用，下图是一种四电平变频器的拓扑：

可见，功率器件不是简单地串联，而是结构上的串联，通过电容钳位，保证了电压的安全分配。

以上简单地介绍了中高压变频器的几种常见主电路拓扑，当然，一些拓扑可能由于成本、效率、可靠性等问题，已经不被行业所采用。这便是现代电力电子技术发展的趋势，并且伴随着大功率半导体的发展，使更多的方案变得越来越可行。