高壓變頻器（通常指輸出3kV、6kV、10kV甚至更高電壓等級(jí)）的工作原理。其核心思想與低壓變頻器相同：將工頻交流電（50Hz/60Hz）轉(zhuǎn)換成頻率和電壓可調(diào)的交流電，以控制交流電動(dòng)機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩。 難點(diǎn)在于如何在高壓下實(shí)現(xiàn)高效、可靠、波形良好的能量變換。
核心挑戰(zhàn)：
半導(dǎo)體功率器件（如IGBT、IGCT）的單體耐壓有限（通常最高6.5kV或更低），無(wú)法直接承受10kV甚至更高電壓。直接串聯(lián)器件會(huì)帶來(lái)復(fù)雜的均壓、驅(qū)動(dòng)同步等問(wèn)題，成本高、可靠性低。因此，高壓變頻器普遍采用特殊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
主流解決方案：多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
目前高壓變頻器最成熟、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)路線(xiàn)是基于低壓功率單元串聯(lián)的多電平技術(shù)（也稱(chēng)為單元串聯(lián)多電平變頻器）。其核心思想是：“化整為零，積少成高”。
核心組成部分與工作原理詳解
1. 輸入移相變壓器：
作用： 這是高壓變頻器的關(guān)鍵特征之一。它不是簡(jiǎn)單的降壓變壓器。
原理：
變壓器原邊（高壓側(cè)）直接接入高壓電網(wǎng)（如6kV/10kV）。
副邊（低壓側(cè)）設(shè)計(jì)有多組相互隔離的獨(dú)立繞組（數(shù)量與后續(xù)功率單元數(shù)量匹配，通常是6組、12組、18組、24組等）。
移相設(shè)計(jì)： 每個(gè)副邊繞組的相位角被設(shè)計(jì)成彼此錯(cuò)開(kāi)一個(gè)特定的角度（例如，對(duì)于6脈沖單元，相鄰繞組移相20°；對(duì)于更高脈沖數(shù)如24脈沖，移相角更小如15°）。這是關(guān)鍵！
目的：
電氣隔離： 為每個(gè)功率單元提供獨(dú)立的電源，避免單元間短路。
電壓匹配： 將高壓降為適合低壓功率器件（如1700V IGBT）工作的電壓（通常690V或更低）。
諧波治理： 移相設(shè)計(jì)使得各單元輸入電流的諧波在變壓器原邊疊加時(shí)相互抵消，顯著降低電網(wǎng)側(cè)的總諧波電流（THDi），通常能做到<5%，甚至<3%，滿(mǎn)足電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)。這是解決高壓輸入諧波問(wèn)題的核心手段。
2. 功率單元（核心變換單元）：
結(jié)構(gòu)： 每個(gè)功率單元是一個(gè)獨(dú)立的、結(jié)構(gòu)相同的低壓三相輸入、單相輸出的H橋逆變器。主要包含：
輸入整流橋： 通常采用不可控二極管三相全橋整流，將移相變壓器副邊提供的低壓交流電整流成直流電。得益于移相變壓器，輸入電流諧波低。
直流母線(xiàn)電容： 濾波和儲(chǔ)能。
H橋逆變器： 由4個(gè)低壓IGBT（或IGCT）及其反并聯(lián)二極管組成，構(gòu)成一個(gè)全橋電路。每個(gè)IGBT承受的電壓就是該單元直流母線(xiàn)的電壓（如700V DC）。
控制與驅(qū)動(dòng)電路： 接收來(lái)自主控制器的PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)IGBT開(kāi)關(guān)。
輸出： 每個(gè)單元輸出的是一個(gè)幅值等于其直流母線(xiàn)電壓（如±700V）的單相PWM交流電壓。
3. 單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)：
連接方式： 多個(gè)功率單元（例如5個(gè)、6個(gè)、8個(gè)或更多）的輸出端在電氣上串聯(lián)起來(lái)。每個(gè)單元輸出單相電壓，串聯(lián)后形成一相的總輸出電壓。
電平疊加： 假設(shè)每個(gè)單元輸出±Vcell，那么n個(gè)單元串聯(lián)后，該相輸出端相對(duì)于中性點(diǎn)的最大可能電壓就是 ±n Vcell。例如，每個(gè)單元輸出±700V，8個(gè)單元串聯(lián)，則單相最大輸出電壓峰值為 ±5.6kV (≈ 700V 8)，對(duì)應(yīng)線(xiàn)電壓有效值約為6kV (5.6kV √2 / √3 ≈ 6.06kV)。
三相結(jié)構(gòu)： 對(duì)于三相電機(jī)，需要三組這樣的串聯(lián)單元鏈（A相鏈、B相鏈、C相鏈）。每組鏈的單元數(shù)量相同。
4. 多電平PWM控制：
主控制器： 接收速度/轉(zhuǎn)矩指令、電機(jī)反饋信號(hào)（可選），計(jì)算出所需的輸出電壓頻率和幅值（V/f 或矢量控制）。
載波移相SPWM (CPS-SPWM)：
原理： 這是單元串聯(lián)多電平變頻器的核心技術(shù)。
主控制器產(chǎn)生一個(gè)公共的調(diào)制波（正弦波，其頻率和幅值對(duì)應(yīng)目標(biāo)輸出電壓）。
每個(gè)功率單元有自己的載波（三角波）。關(guān)鍵點(diǎn)是：同一相內(nèi)各個(gè)功率單元的載波頻率相同，但相位依次錯(cuò)開(kāi)一個(gè)角度（如 360° / n，n是該相單元數(shù)）。
每個(gè)單元用自己的移相載波和公共調(diào)制波進(jìn)行比較，產(chǎn)生自己那4個(gè)IGBT的開(kāi)關(guān)信號(hào)（PWM信號(hào)）。
效果：
階梯波合成： 同一相內(nèi)各單元輸出的PWM波形在串聯(lián)疊加后，形成接近正弦波的多電平階梯波。單元數(shù)越多，電平數(shù)越多（2n+1電平），階梯越接近正弦波。
等效開(kāi)關(guān)頻率倍增： 雖然每個(gè)單元的開(kāi)關(guān)頻率可能不高（如幾百Hz），但由于載波移相，各單元開(kāi)關(guān)時(shí)刻錯(cuò)開(kāi)，疊加后輸出波形的等效開(kāi)關(guān)頻率是單元開(kāi)關(guān)頻率的n倍（n為每相單元數(shù)）。這大大降低了輸出電壓的諧波含量（THDv）和dv/dt（電壓變化率），對(duì)電機(jī)絕緣更友好，減小了軸承電流和電磁干擾（EMI）。
均流： 由于所有單元串聯(lián)，流過(guò)它們的電流是相同的，自然實(shí)現(xiàn)了電流均衡。
5. 輸出連接：
三組串聯(lián)單元鏈（A, B, C）的輸出端直接連接到高壓電動(dòng)機(jī)的三相定子繞組。
中性點(diǎn)（N）通常不引出（電機(jī)繞組通常是Y型接法但不引出中性點(diǎn)），變頻器輸出是三相三線(xiàn)制。
關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)（源于此拓?fù)洌?br />
1. 無(wú)需高壓器件： 利用成熟、可靠、低成本的低壓IGBT（如1700V）實(shí)現(xiàn)高壓輸出。
2. 輸入諧波低： 移相變壓器設(shè)計(jì)從根本上抑制了電網(wǎng)側(cè)電流諧波。
3. 輸出波形質(zhì)量高： 多電平階梯波輸出，THDv低（通常<5%），dv/dt低，接近正弦波，對(duì)電機(jī)友好。
4. 高可靠性：
模塊化設(shè)計(jì)： 功率單元結(jié)構(gòu)相同，易于生產(chǎn)、維護(hù)和更換。
冗余設(shè)計(jì)（可選）： 可以設(shè)計(jì)冗余單元。當(dāng)某個(gè)單元故障時(shí)，控制系統(tǒng)可以將其旁路（通過(guò)內(nèi)部或外部旁路接觸器），由剩余單元繼續(xù)運(yùn)行（降額運(yùn)行）。這是工業(yè)應(yīng)用非�？粗氐母呖捎眯蕴匦�。
器件應(yīng)力低： 每個(gè)IGBT只承受單元直流母線(xiàn)電壓（低壓）。
5. 效率高： 采用二極管整流（無(wú)開(kāi)關(guān)損耗），逆變部分開(kāi)關(guān)損耗適中，整體效率通常>96%。
6. 功率因數(shù)高： 輸入側(cè)接近1（>0.95），無(wú)需額外功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。
其他高壓變頻拓?fù)洌ê?jiǎn)要對(duì)比）
1. 中性點(diǎn)鉗位三電平（NPC）：
使用高壓器件（如3300V，4500V，6500V IGBT/IGCT）。
每相由4個(gè)（或更多）高壓器件構(gòu)成，通過(guò)鉗位二極管形成三電平輸出（+Vdc, 0, -Vdc）。
結(jié)構(gòu)比單元串聯(lián)簡(jiǎn)單，體積可能更小。
缺點(diǎn)：器件直接承受高壓，可靠性要求高；輸出波形THDv和dv/dt比單元串聯(lián)差；輸入側(cè)通常需要額外諧波濾波器；難以實(shí)現(xiàn)功率單元級(jí)冗余。
2. 模塊化多電平換流器：
源自HVDC技術(shù)。
結(jié)構(gòu)與單元串聯(lián)類(lèi)似，但每個(gè)子模塊通常是半橋或全橋結(jié)構(gòu)，具有直流儲(chǔ)能電容。
控制更復(fù)雜（需電容電壓平衡控制），成本較高。
優(yōu)勢(shì)：可輸出真正正弦波（電平數(shù)極高），dv/dt極低，可四象限運(yùn)行（有功無(wú)功獨(dú)立控制），特別適合大容量、超高壓、電網(wǎng)互動(dòng)場(chǎng)合（如STATCOM功能）。
目前在超大容量（幾十MW以上）高壓變頻領(lǐng)域有應(yīng)用。
總結(jié)
核心原理： 利用移相變壓器為多個(gè)低壓功率單元提供獨(dú)立、移相的低壓電源。每個(gè)功率單元是一個(gè)H橋逆變器，輸出單相低壓PWM波。同一相的多個(gè)功率單元輸出串聯(lián)疊加，形成高壓多電平階梯波輸出。
關(guān)鍵技術(shù)： 移相變壓器（解決輸入諧波）、低壓?jiǎn)卧?lián)（解決器件耐壓）、載波移相SPWM（解決輸出波形質(zhì)量和等效開(kāi)關(guān)頻率）。
主要優(yōu)勢(shì)： 無(wú)需高壓器件、輸入輸出波形質(zhì)量好、可靠性高（模塊化、可冗余）、效率高、功率因數(shù)高。
典型應(yīng)用： 大型風(fēng)機(jī)（鍋爐引/送風(fēng)機(jī)、礦井主扇）、水泵（循環(huán)水泵、給水泵）、壓縮機(jī)（空壓機(jī)、煤氣壓縮機(jī)）、軋機(jī)、皮帶機(jī)等需要調(diào)速節(jié)能、軟啟動(dòng)、過(guò)程控制的大功率場(chǎng)合。
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