变频器内部主电路分析

目前，无论是低压变频器（≤500V），还是高压变频器（≥1～10kV），其主电路多数采用交-直-交结构形式，由主电路和控制电路组成，主电路又包括整流电路、中间直流环节和逆变器。整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。对于如矢量控制变频器这种需要大量运算的变频器来说，有时还需要一个进行转矩计算的CPU以及一些相应的电路。

交-直-交结构形式包括电压源型和电流源型两种形式，与电流源型相比，电压源型具有运行稳定、调速范围宽、输出波形好、输入电流谐波含量低、功率因数高、效率高、电路简单、适应性好等优点，因而应用十分广泛。

根据输出电压的高低、电动机功率的大小、谐波分量的要求、输出波形的平滑性要求、系统设备的占地面积、器件的耐压允许值、可靠性、使用设备的特性和技术要求以及设备成本大小等不同，常见有以下几种主电路形式。

1.二电平电路形式

采用电压源型的交-直-交结构形式的变频器，其基本电路由整流器、DC环节和逆变3部分组成，如图4-4所示。整流器由二极管VD₁～VD₆构成；逆变器由6个IGBT（绝缘栅双极型晶体管）V₁～V₆以及反并联的二极管VD₈～VD₁₃构成，反并联的二极管为反馈能量提供回路（包括电动机绕组电感反馈能量、降速时拖动系统释放机械能及线路中分布电感反馈能量）；DC环节主要包括滤波电路和限流电路，滤波电路由电容C_F1、C_F2和电阻R_C1、R_C2组成；预充电电阻R_L、接触器KM（或晶闸管VT）构成限流电路（预充电环节）。

1）交-直变换。从R、S、T端输入频率固定的三相交流电源，经整流器全波整流成直流电，电压为U_D。

2）直-交变换。从整流器和DC环节输出的直流电，经逆变器把直流电“逆变”成频率和电压任意可调的三相交流电，从U、V、W端输出。

3）滤波电路。目前，电解电容器的耐压能到450V，而三相380V的电源电压经全波整流后，直流电压的峰值为537V，平均值也有513V。因此，需要将两个（或两组）电解电容器串联组成滤波电容器。为了增大电容量，改善滤波效果，变频器内总是先将若干个电解电容器并联成一组，然后再将两组电容器串联起来。

图4-4 二电平6脉冲主电路形式

由于每个电容器的电容量不可能绝对相同，尤其是电解电容器，其电容量的离散性较大，若干个并联以后，两组电容器的电容量之间的差异是比较明显的。串联以后，两个电容器组上的电压分配将是不均衡的，这将导致两组电容器使用寿命的不一致。解决电压不均衡的方法，便是在两组电容器组的两端分别并联电阻值相等的均压电阻R_C1和R_C2。由于电阻的阻值容易做得比较准确，从而保证了均压的效果。

4）限流电路（预充电环节）。当变频器刚接通电源时，滤波电容器上的电压为0V，而电源电压为380V，直流电压的峰值为537V（振幅值为537V），且为了提高滤波效果，滤波电容器的电容量又很大。所以，在刚接通电源的瞬间，必将产生很大的冲击电流，有可能损坏整流二极管；而且使电源电压瞬间下降为0V，对网络形成干扰，如图4-5a所示。

图4-5 预充电电阻的作用

a）无预充电电阻 b）有预充电电阻

在三相整流桥和滤波电容器之间，接入预充电电阻R_L，将滤波电容器的充电电流限制在一个允许范围内，降低网络电压波形受到的影响，如图4-5b所示。

但R_L长期接在电路内，将影响直流电压和变频器输出电压的大小。因此，当滤波电容器已经充电完毕后，由接触器KM将预充电电阻R_L短接。

在许多系列的变频器里，KM已经由晶闸管（SCR）代替，如图4-4中虚线所示。

2.三电平电路形式

当电压源型变频器输出电压在1～6kV时，为了避免整流及逆变器件串联引起的动态均压问题，降低输出的谐波分量，其主电路一般为电压源型的交-直-交结构，形式上多采用三电平电路，即中心点钳位方式（NPC），电路如图4-6所示。

图4-6 三电平12脉冲主电路形式

三电平电路整流电路一般是12脉冲，整流变压器一次侧接成三角形，二次侧需要两个绕组，一个接成三角形，另一个接成星形。由于两个二次侧绕组线电压相同，则它们各相之间相位差为30°，这样5次、7次谐波会在一次侧抵消，17次、19次谐波也会互相抵消。当经过两个整流桥的串联叠加后，可得到12个波头的整流输出波形，比图4-4中的6个波头更平滑。如果要求更高，整流电路还可以采用18脉冲、24脉冲，甚至30脉冲，此时整流变压器二次侧分别需3个、4个、5个绕组，整流桥分别需3个、4个、5个串联。若采用对称的PWM整流电路，可以实现四象限运行。

三电平逆变的变频器，输出波形中会不可避免地产生较大的谐波分量，因此在变频器的输出侧必须配置输出滤波器才能用于普通的笼型电动机。经LC滤波后，总谐波畸变率THD<1%，已符合规定要求。但由于还要受到谐波的一些影响，电动机的功率因数与效率也会受到一定影响。

三电平逆变的变频器，电路结构较简单、体积小、成本低、效率高；不需用常规的串并联方式来提高电压、增大电流，可靠性进一步提高；另外输出谐波较小，功率因数较高（>0.95）。西门子公司用IGBT、ABB公司用IGCT等器件生产的变频器都属于这种类型。

3.多电平电路形式

当高压变频器输出电压为6～10kV时，一般采用多电平电路形式（CMSL）。多电平电路形式是由若干个电压PWM变频功率单元，以输出电压串联方式来实现直接高压输出的方法。

采用多电平电路形式的变频器，具有对电网谐波污染小、输入功率因数高、无须使用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置的特点，且输出波形质量好，不存在谐波引起的电动机附加发热、转矩脉动、噪声及共模电压等问题。不必加装输出滤波器，就能使用普通的异步电动机。图4-7示出其工作原理，图中以中间△接法为参考（0°），上下方各有两套分别超前（+12°、+24°）和滞后（-12°、-24°）的4组绕组，所需相差角度可通过变压器的不同联结组别来实现。

将同一相中相邻功率单元（见图4-8）的输出端串接起来，使之形成形结构，实现变压变频的高压直接输出。

多电平电路的变压器的二次绕组个数应与三相功率单元数相等，而且二次绕组采用多重化的方法，因此对电网谐波污染最小时约为1%，功率因数大于0.95，效率大于96%，其综合性能优于三电平电路结构，载波频率高达6kHz，但只能二象限运行。技术特点：采用多重化脉宽调制技术，输出谐波最小（即完美无谐波型变频器），消除了谐波引起的转矩脉动，电动机的发热及噪声大大减小了，可以使用普通电动机。但使用器件数量大大增加了，主变压器结构复杂，成本高，投资大。国内国外均有变频器采用这种电路形式。

图4-8示出典型的功率单元原理图。由输入变压器T_in中一组二次绕组供电的三相二极管整流器给直流电容器组充电。该直流电压给由IGBT或IGCT高压功率开关构成的单相桥式逆变电路供电。(https://www.chuimin.cn)

图4-7 单元串联多电平变频器工作原理

图4-8 多电平电路形式的功率单元

当每个功率单元分别由T_in的一组二次侧绕组供电时，功率单元之间及变压器二次侧绕组之间相互绝缘。二次侧绕组采用延边三角形接法。通过改变所取绕组的匝数比可实现任意角度的相移，从而构成多重化整流电路。

由于采用整个功率单元串联实现高压输出，故器件承受的最高电压为单元内直流母线的电压，可使用耐压较低的功率器件。而且不存在因器件串联引起的均压问题。

功率单元设计可采用模块化结构，同一变频器内的所有功率单元可互换，安装维修也非常方便。由于采用二极管不可控整流电路，能量不能回馈电网，所以变频器不能四象限运行。

4.TCO式主电路结构形式

中高压变频器的主电路拓扑结构，除了上述二电平、多电平和单元串联多重化方案外，还有变压器耦合式单元串联高压变频器主电路拓扑结构（TCO式主电路结构形式）。

TCO式主电路结构形式采用变压器将3个由高压IGBT或IGCT器件构成的常规二电平三相逆变器单元的输出叠加起来，实现更高电压的输出，并且这3个常规逆变器可采用普通低压变频器的控制方法，使得变频器的电路结构及控制方法大大简化。图4-9示出了新型高压变频器的主电路结构，该方案由1个18脉冲的输入变压器（可基本实现输入电流无谐波）、3个常规二电平的三相DC/AC逆变器、3个电压比为1∶1的输出变压器及高压电动机组成。

图4-9 TCO式主电路结构形式

这种高压变频器方案具有如下突出的优点：以3个常规的变频器为核心可构成高压变频器；3个常规变频器平衡对称运行，各自分担总输出功率的1/3；整个变频器的输出可等效为7电平PWM输出波形，优于普通三电平变频器，与四电平变频器相同，总谐波畸变THD<0.3%，du/dt也较低；输出变压器的容量只需总容量的1/3，可以内置，也可以外装；18脉冲输入二极管整流器，电网侧谐波小，功率因数高。

5.其他电路形式

电压源型变频器的主电路形式还有直接高进高出电路形式，如成都佳灵公司的ZJM方案，采用HV—IGBT串联直接高压二电平方式的SPWM变频器，效率超过96%，功率因数大于0.95，谐波符合要求。

另外，还有电流源型变频器，采用大电感作为中间直流滤波环节，最早的整流电路一般采用晶闸管作为功率器件，少数也有采用GTO，采用电流PWM控制，以改善电流输入波形。由于存在着大的平波电抗器和快速电流调节环节，所以过电流保护比较容易。为了对接地短路也实现保护，通常把滤波电容器分为两半，上下直流母线各串一半。虽然直流电流环节的电流的方向不能改变，但整流电压可以反向（当整流电流工作在有源逆变状态时），电流型变频器可以四象限运行，能量可以回馈到电网。美国洛克韦尔公司A-B品牌就是电流源型高压变频器。

电流源型变频器种类很多，主要有串联二极管式、输出滤波器换向式、负载换向式等。在系统应用时，采用电压-频率协调控制，电流源型变频器的输出电压是由输出电流和负载决定的，所以为了实现电压-频率协调控制，必须设置电压环，以实现输出电压的闭环控制。高性能是通常采用磁场定向矢量控制。

电流源型变频器对电网电压的波动较为敏感，一般当电压下降15%时，变频器就会自动跳闸停机。

6.高压变频器电路主要方式

目前国内采用的高压变频器主要有高-高、高-低-高、高-低等几种方式，各有优缺点。

高-高方式采用直接高压的方式，输入6kV或10kV高压，输出带6kV或10kV高压电动机。高-高方式的优点在于直接高压，节省了变压器，占地面积较小，功率因数和效率较高，控制灵活；缺点是一次性投资较大。

目前美国罗宾康公司完善无谐波系列、日本FUJI公司、西门子MV系列、AB公司POWER FLEX 7000系列均为直接高压方式。

高-低-高方式是在变频器输入、输出端加上降压和升压变压器，先将6kV电压降至380～1000V，经过变频器后，再由升压器升至6kV或10kV。该方式的优点是不用改动电动机，可实现高压电动机的变频调速，投资比较低，应用实例较多。其缺点是占地面积较大，有的还需加滤波器，影响了功率因数和效率。西门子公司、ABB公司均有这种方式。

高-低方式这种方式实际上是将高压6kV或10kV经降压变压器降至380V，然后用低压变频器变频后驱动低压电动机，实际上是低压变频调速。其优点是利用低压变频器，可靠性、效率、功率因数较高，占地较小、投资很低。其缺点是要将高压电动机改为低压电动机，改动电动机基础，增加了土建工作量。

7.小结

目前，通用的低压变频器的主电路较成熟，具有一致性的拓扑结构，但是高压变频器的主电路形式是多种多样，各有所长。

三电平电压源型变频器结构简单，且可实现四象限运行，因目前器件耐压水平的限制，只能达到4.16kV，若要输出6kV，必须采用器件直接串联，因而带来均压、输出谐波和du/dt等问题，一般要设置输出滤波器。在电网对谐波失真要求严格时，还要设置输入谐波滤波器。

单元串联多电平PWM电压源型变频器不存在均压问题，且在输入谐波、输出谐波和du/dt等方面有明显的优势，但只能两象限运行并且系统复杂，器件数量多，体积庞大。改进的方法是采用高压IGBT或IGCT组成功率单元，以减少单元数量，缩小体积，但它是以牺牲波形为代价的，要加装输出滤波器，以满足谐波要求。

从负载种类而言，风机、泵类等是不要求四象限运行的设备，单元串联多电平PWM电压源型变频器有较大的应用前景；对轧机、卷扬机等要求四象限运行的设备，适合采用输入输出双PWM结构的三电平变频器。从电压等级来看，在目前的电力电子器件耐压水平下，考虑到器件串联带来的均压问题，在电压等级≥6kV时，CMSL方式明显优于NPC方式。

变压器耦合输出变频器有望采用目前耐压水平的器件实现6kV或10kV高压输出，同时具有结构简单、可靠性高、器件数量少、效率高的优点，是一种很有前途的新型高压变频方案。但在输入谐波方面和输出波形质量方面却不如CMSL方式。另一方面，随着功率器件的不断发展，在中等功率高压变频器中，GTO即将退出舞台。高压IGBT、IGCT是很有发展前途的器件，是解决中压变频的希望。IGCT由于其导通压降低，损耗小而占有一定的优势，将会成为中压变频器的主要功率器件。