一种可变电压等级恒功率输出的变流器实现方法

中心议题：

• 变流器的组成原理
• 多电压等级恒功率输出的变流器实例

解决方案：

• 变频功率单元串联

1 引言

随着电力电子器件的发展，变流器广泛应用于电信、能源、交通运输、军事装备、材料工程、电力系统和电气传动领域，以驱动电气传动机构或作为变频电源使用。目前，比较先进的高压电机变频调速装置采用igbt功率单元串联（h桥串联）多电平技术、数字控制技术、spwm脉宽调制技术，具有高效节能、高功率因数及高可靠性等特点，结束了传统方法造成的能源和人力浪费，延长了电机、风机、水泵等使用寿命，改善了生产工艺，提高了生产效率。

h桥串联多电平技术的发展为变流器的大容量化开辟了新的途径，电平数量越多，输出波形谐波失真越小，越接近于正弦输出，更适合大容量、高电压的场合。

目前，变频装置在输出电压降低时输出功率也等比的减小，在需要多电压等级恒功率输出的场合，只能选择多个变频调速装置来实现，通过一个变流器能够实现多电压等级恒功率输出的变流器是电力电子设备市场急需的产品。

2 变流器组成原理

a、b、c三相电源接入变流器，其输出接电动机，如图1所示。

全电压等级如图2所示，每相由n个变流功率单元串联组成一个变流链，实现全电压三相交流恒功率输出，其中n为偶数。

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1/2全电压等级如图3所示，由n/2个变频功率单元串联组成1个变流链，每相由2个变流链相并联，实现1/2全电压等级的三相交流恒功率输出，其中n为偶数。

1/4全电压等级如图4所示，由n/4个变频功率单元串联组成1个变流链，每相由4个变流链相并联，实现1/4全电压等级的三相交流恒功率输出，其中n为偶数。

1/8全电压等级如图5所示，由n/8个变频功率单元串联组成1个变流链，每相由8个变流链相并联，实现1/8全电压等级的三相交流恒功率输出，其中n为偶数。

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1/n全电压等级如图6所示，由n个变频功率单元并联组成，实现1/n全电压等级的三相交流恒功率输出。

直流或单相交流恒功率输出如图7所示，如将每相n个变频功率单元并联，再将三相所属变流并联单元再进行并联，可实现直流输出或单相交流恒功率输出。

该方法需要满足的控制条件是：
（1）各变频功率单元的串、并联通过控制相应开关的分、合闸来实现，控制原则是所需恒功率输出的电压等级；
（2）同一个变流链中的各变频功率单元输出同相位、同频率，而且电压幅值相等；
（3）并联的各个变流链输出电流相等。
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3 变流压实例

实施例1:n=8，功率为5000kva。

图8所示的是全电压等级13.2kv的拓扑图：每相由8个变频功率单元串联组成1个变流链，实现全电压13.2kv三相交流恒功率5000kva输出。

图9所示的是1/2全电压等级6.6kv的拓扑图：由4个变频功率单元串联组成1个变流链，每相由2个变流链相并联，实现6.6kv等级的三相交流恒功率5000kva输出。

图10所示的是1/4全电压等级3.3kv的拓扑图：由2个变频功率单元串联组成1个变流链，每相由4个变流链相并联，实现3.3kv等级的三相交流恒功率5000kva输出。

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图11的是1/8全电压等级1.65kv的拓扑图：由1个变频功率单元组成一个变流链，每相由八个变流链相并联，实现1.65kv电压等级的三相交流恒功率5000kva输出。

图12所示的是直流0-1000v或单相交流恒功率输出的拓扑图：如将每相8个变频功率单元并联，再将三相所述变流并联单元再进行并联，可实现直流输出0-1000v恒功率5000kva输出。

图13的是变流器具体原理图：为n=8、功率为5000kva变流器。其输出能力、对应的开关状态和控制方式如表所示。

图13中的每个变频功率单元的具体原理见图14，当变频功率单元为图14（a）时就是四象限变流电，当变频功率单元为图14（b）时就是两（或单）象限变流器。

图14（a）中，此变频功率单元基本拓扑结构为交椫睏交型三相可控整流/单相逆变输出的电压源型变频器，整流侧为三相可控整流桥，将输入的三相交流整流成直流；逆变侧为单相逆变，实现单相可控交流0～950v输出。此变频功率单元能够实现能量的双向流动，电流可从电网经中间直流电容流向电机，也可因电机制动或电机工作在发电工况时，电流从电机经直流环节的电容流向电网，实现四象限运行控制。其中可控整流器件和逆变器件可以是igbt（igct、iegt）。

图14（b）中，此变频功率单元基本拓扑结构为交椫睏交型三相二极管不可控整流/单相逆变输出的电压源型变频器，即此变频单元是三相交流输入，单相输出为可控的交流0～950v。其中逆变器件可以是igbt（igct、iegt）。

此变流器基于多电平h桥串联技术，最高输出达到13.2kv，无需升压变压器，容量为5000kva。
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由电网送来的三相交流电接入整流移相变压器t2，整流移相变压器t2的二次有24个三相绕组分别给24个变频功率单元供电，每相由8个变频功率单元的单相输出首尾串联，而每个变频功率单元的输出电压可控制在0～950v范围内，各变频功率单元输出的pwm波移相叠加后，形成7.6kv的相电压，a、b、c三相采用y形连接，形成了线电压最高为13.2kv的高质量的正弦波输出（频率在0～120hz可设定，电压在0～13.2kv）供给电动机或作为变频电源。

每个变频功率单元是完全成熟的技术，而变频功率单元的输出电压和串联数量决定了此变流器的最高输出电压，每个变频功率单元的额定电流决定此变流器的输出电流。

整流移相变压器的一次绕组是y型，每个二次绕组为延边△型，一次电压根据应用电网的电压设计。

通过对各开关的分合闸控制，实现a、b、c三相每相各自变频单元的并联，而得到不同电压等级的输出。保证了不同电压等级下的功率输出仍然是5000kva。

交流输出端子共有4组，直流输出端子1组，输出能力、开关的刀闸状态、控制方式见附表。

图15是全电压13.2kv等级时四象限型变流器电路原理图。变频功率单元为图14-a时，每相8个变频功率单元串联，实现全电压13.2kv三相交流恒功率5000kva输出。

4 结束语

本文介绍的可变电压恒功率输出的高压大功率变流器，已制成实用的高压变频器产品，是高压电机性能试验的理想设备。因为一台此高压变频器可以用于多种电压等级的高压大功率电机性能试验。这样可以节省大量设备投资，节省设备安装产地，是种很实用的创新产品，即有实用价值，更有推广价值。