高压大功率变频器拓扑及优缺点比较

1、121、 按输出电压方式按输出电压方式高高型高高型：直接输出：直接输出3kV或或6KV高压，变频器输出没有升压变压器高压，变频器输出没有升压变压器高高型特点：可靠性高、效率高、价格贵高高型特点：可靠性高、效率高、价格贵高低高型高低高型：使用低压变频器输出：使用低压变频器输出2300V或或690V，再增加升压变压，再增加升压变压 器升到器升到3KV或或6KV高低高型特点：可靠性差，效率低、故障率高、价格便宜高低高型特点：可靠性差，效率低、故障率高、价格便宜2、按中间环节类型、按中间环节类型电压源电压源：中间直流环节为电容：中间直流环节为电容电流源电流源：中间直流环节为电感：中间直流环节为电感3、

2、按电路结构型式、按电路结构型式三电平三电平(中心点钳位中心点钳位)：输出电压有：输出电压有3个电平个电平GTO/SGCT电流源型逆变器电流源型逆变器: 6脉冲方波电流输出脉冲方波电流输出功率单元电压串联结构功率单元电压串联结构：6KV系列输出电平有系列输出电平有13电平电平常用高压变频器分类常用高压变频器分类3l 主电路拓扑主电路拓扑 输入侧移相变压器实行多重化设计，18套副边绕组，采用延边三角形联结，分为6个不同的相位组，互差10o电角度，形成36脉动的六重化二极管整流电路结构； 模块串联多电平变频器采用串联多重联结，使输入电流谐波大幅减少 ，减少对电网的谐波污染 ； 输出dv/dt和共模电

3、压低，不必加输出滤波器，直接驱动普通的异步电动机。 4l 优点：优点： 输出电压电平数越多，输出电压波形越接近正弦波，其谐波含量越少； 器件在基频下开通关断，损耗小，效率高； 无需大量的钳位二极管或钳位电容； 基于低压小容量变换器级联的组成方式，技术成熟，易于模块化设计，便于互换； 不存在电容电压平衡问题。l 缺点：缺点： 需要多个独立直流电压源； 难以实现四象限运行。5序号 技术方案及技术指标 优点 缺点 备注 1 多重化串联方式 1.输出电压电流均为正弦波，低谐波污染。 2.采用常规的低压 IGBT开关器件及充电电容器。 3.无须输入输出滤波环节 4.dv/dt 及 di/dt 很小，旧电

4、机使用无须降额。 5.无须进行器件的均压保护。 6.系统的安全系数高。 相对三电平方式较复杂 采用此项技术的主要公司为：美国ROBICON 公司、日本TOSHIBA 公司、 中国东方凯奇公司、 利德华福、 明阳龙源采用此项技术 2 三电平输出方案 1. 电路较多重化串联方式简单， 电路器件数量较多重化串联方式少。 2. 相对的可靠性略高于多重化串联方式。 1. 输出电压为三电平迭加波形，谐波污染较大。 2. 需 要 高 电 压IGBT 开关器件与充电电容； 3. 需要输入输出滤波环节 4. dv/dt 、di/dt 较大， 在无较好的滤波环节时， 5. 旧电机需要降额使用。 6. 电磁噪声较大

5、。 采用此项技术的主要公司为：德国 SIEMENS公司、瑞士ABB 公司、明阳龙源采用此项技术 6l 原理比较原理比较 电流型逆变器，中间直流环节采用大电感作为储能元件，负载无功功率由该电感缓冲。由于电感的作用，直流电流Id趋于平稳，电流型变频器的一个较突出的优点是不须在主回路内附加任何设备，只要利用网侧的不可逆变流器改变其输出电压极性，即可将再生电能回馈到交流电网。 电压型逆变器，中间直流环节采用大电容作为储能元件，负载无功功率由该电感缓冲。由于大电容的作用，主回路直流电压Ed比较稳定，其优点是在不超过容量限度的情况下，可以驱动多台电动机并联运行，具有不选择负载的通用性。缺点是无法直接实现能

6、量回馈，必须加相关电路才能实现能量回馈。 7l 不同结构的变频器网侧谐波（理论值）比较不同结构的变频器网侧谐波（理论值）比较 类型 THD 5 次 7 次 11 次 13 次 17 次 19 次 23 次 25 次 29 次 6 脉冲 CSI 28.8 21 128 88 68 53 45 37 32 26 12 脉冲 CSI 11.7 0 0 84 69 0 0 3 26 0 18 脉冲 CSI / / / / / / / / / / 12 脉冲 VSI （6 单元） 74 0 0 64 33 0 0 11 11 0 18 脉冲 VSI （9 单元） 3.47 001 0 0 0 275 1

7、93 0 0 0 30 脉冲 VSI （15 单元） 121 001 0 0 0 0 0 0 0 085 8l 输出侧谐波比较输出侧谐波比较 多级串联电压型变频器采用多重化脉宽调制技术，从根本上消除了多级串联电压型变频器采用多重化脉宽调制技术，从根本上消除了电压谐波。由于级数较多，输出电压波形已经逼近完美的正弦波。此电压谐波。由于级数较多，输出电压波形已经逼近完美的正弦波。此类变频器可直接驱动电机，电机电流谐波非常小。而且此类变频器即类变频器可直接驱动电机，电机电流谐波非常小。而且此类变频器即使是在低速时也能输出很好的波形，低速性能较电流源变频器好。使是在低速时也能输出很好的波形，低速性能较电

8、流源变频器好。 CSI电流源变频器由于受电路拓扑和电流源变频器由于受电路拓扑和GTO开关速度的限制，输出谐开关速度的限制，输出谐波含量大，必须加输出滤波装置才能投入使用。否则由于波含量大，必须加输出滤波装置才能投入使用。否则由于dI/dt的存在的存在会危及电机绝缘，同时由于较大的输出谐波电流引起电机发热和转矩会危及电机绝缘，同时由于较大的输出谐波电流引起电机发热和转矩脉动。脉动。9l 网侧功率因数比较网侧功率因数比较 多级串联电压型变频器功率因数在整个负载范围内均能保持非常高的水平，多级串联电压型变频器功率因数在整个负载范围内均能保持非常高的水平，而电流源变频器则随着负荷的降低，功率因数迅速降

9、低。而在实际运行中，而电流源变频器则随着负荷的降低，功率因数迅速降低。而在实际运行中，系统负载率往往为满负荷的系统负载率往往为满负荷的50%-90%50%-90%，这时必须加功率因数补偿装置才能满，这时必须加功率因数补偿装置才能满足运行要求。足运行要求。 10l 系统效率比较系统效率比较 CSI 电流源变频器必需增加功率因数补偿装置和谐波滤波器装置，电流源变频器必需增加功率因数补偿装置和谐波滤波器装置，且主回路用直流电抗器做为储能元件，这些部件均会带来附加能量损且主回路用直流电抗器做为储能元件，这些部件均会带来附加能量损耗。而多级串联型电压型变频器由于电路拓扑不需要这些耗能部件，耗。而多级串联

10、型电压型变频器由于电路拓扑不需要这些耗能部件，所以系统效率更高。具体数据参见表所以系统效率更高。具体数据参见表2。 表 2、多级串联电压型变频器与电流源变频器系统效率 转速 （%） 无谐波 变频器 CSIPWM 变频器 变频效 率差别 电机效 率差别 电源变压器效率差别 总效率 差别 100 96.73 93.65 3.08 0.50 0.25 3.83 90 96.63 93.09 3.54 0.50 0.25 4.29 80 96.24 91.68 4.56 0.50 0.25 5.31 63 95.83 86.52 9.31 0.50 0.25 10.06 11l 系统故障运行能力比较系

11、统故障运行能力比较 多级串联电压型变频器具有相对较多的功率单元，故障情况多级串联电压型变频器具有相对较多的功率单元，故障情况 下下可带故障降额运行。可带故障降额运行。 CSICSI电流型变频器系统基本无故障运行能力。电流型变频器系统基本无故障运行能力。 能量回馈能力比较能量回馈能力比较 多级串联电压型变频器无法直接实现能量回馈，若要实现能量回馈，多级串联电压型变频器无法直接实现能量回馈，若要实现能量回馈，必须增加相应的必须增加相应的PWM整流电路。整流电路。 CSI电流型变频器具有能量回馈功能。电流型变频器具有能量回馈功能。 12l 系统故障运行能力比较系统故障运行能力比较 多级串联电压型变频

12、器具有相对较多的功率单元，故障情况多级串联电压型变频器具有相对较多的功率单元，故障情况 下下可带故障降额运行。可带故障降额运行。 CSICSI电流型变频器系统基本无故障运行能力。电流型变频器系统基本无故障运行能力。 能量回馈能力比较能量回馈能力比较 多级串联电压型变频器无法直接实现能量回馈，若要实现能量回馈，多级串联电压型变频器无法直接实现能量回馈，若要实现能量回馈，必须增加相应的必须增加相应的PWM整流电路。整流电路。 CSI电流型变频器具有能量回馈功能。电流型变频器具有能量回馈功能。 1314 直接高压技术与多电平技术的对比直接高压技术与多电平技术的对比 多电平技术 直接高压技术 技术 参

13、数 优点 缺点 优点 缺点 输出电平数 多 （2级数+1） 无 无 二电平 输出电压波形 叠加正弦波 无 无 二电平调宽 输出电流 完全正弦 无 无 等效正弦 输出电压谐波注1 谐波极小，符合国标要求 无 无 很大，不符合国标要求 输出电流谐波注1 几乎没有，符合国标要求 无 无 有，需要另加治理装置 输入电压谐波注1 多脉冲移相整流技术， 谐波较小，符合国标要求 无 无 六脉冲整流技术，谐波较大，不符合国标要求 15 直接高压技术与多电平技术的对比直接高压技术与多电平技术的对比 多电平技术 直接高压技术 技术 参数 优点 缺点 优点 缺点 输入电流谐波注1 多脉冲移相整流技术， 谐波较小，符合国标要求 无 无 六脉冲整流技术，谐波较大，不符合国标要求 功率元件连接 通过变压器隔离后连接 无 无 直接串联 功率元件保护 容易 无 无 困难 功率元件驱动 不要求完全同步 无