1 引言
我國發電總量60％以上是通過電動機消耗的，其中一半以上用于各種風機和水泵。如果以調速傳動代替原有的不調速傳動，通過改變轉速來調節流量和壓力，取代傳統的用風擋和閥門調節的方法，平均可節約電力30％左右，估計全年可節電數百億kwh，可取得巨大的經濟和社會效益，并且用變速傳動取代傳統的恒速傳動還能優化工藝過程，提高產品產量和質量。因此在世界能源緊張、能源費用高漲的今天，交流調速技術作為節約能源的一個重要手段應該大力推廣，開發各種適合國情的調速裝置成為許多學者和企業努力的方向。
由電機理論可知:
式中:n為電動機轉速;
f為電源頻率;
s為轉差率;
p為極對數。
從式(1)可知，電動機調速的方法大致分為變極對數、變頻率和改變轉差率三種。變極調速設備簡單，機械特性較硬，缺點是轉速只能成倍變化，而不是連續可調，屬于有級調速，應用場合受限。調節轉差率的電磁離合器，即滑差離合器調速方法，能平滑調速，閉環時調速范圍較寬，但調速效率低，存在不可控區。液力耦合器調速雖然也有節能效果，但屬機械耗能型變速方法，在變速過程中有很大的滑差損耗，系統運行成本較高，不經濟。由于是機械聯接，變速系統故障時，無法快速轉換到全速運行狀態，系統必須停機檢修，無法保證系統安全可靠運行的要求。綜上所述，調速方法比較好的應該是定子端變頻調速和轉子端改變轉差率的串級調速。其中定子端的變頻調速是性能最好、最有發展前途的一種交流調速方式。然而對于那些調速性能要求不是很高的大容量高壓風機、水泵，如果直接在定子端采用高壓變頻器來調速，其調速性能雖然比較好，但其價格比較昂貴。因此對于這種調速范圍不是很大、調速性能要求不是很高的高壓大功率電動機，串級調速是一種比較好的方案。而對于那些要求調速范圍寬、動態響應快、調速精度高的場合，采用定子端直接變頻的高壓變頻器比較適合。因此下文將重點介紹轉子端改變轉差率的串級調速和定子端直接改變頻率的高壓變頻器。
第一部分 轉子端改變轉差率的串級調速
1 串級調速系統簡介
眾所周知，作為異步電機，必然有轉差功率，要提高調速系統的效率，除了盡量減小轉差功率外，還可以考慮如何去利用它。但要利用轉差功率，就必須使異步電機的轉子繞組有與外界實現電氣聯接的條件，顯然籠型電機難以勝任，只有繞線轉子電機才能做到。對于繞線轉子異步電機，除了轉子回路串電阻調速以外，定、轉子電路同時與外電路相連的串級調速是一種更重要的調速方法，其理論早在20世紀30年代就已被提出，到了60~70年代，當可控電力電子器件出現以后，這一理論才得到更好的應用。串級調速的主要優點就是可以用容量較小的變流裝置在轉子端來調節高壓、大功率繞線式異步電動機的速度，從而把定子端的高壓調速轉變成轉子端的低壓調速，把轉差功率饋送到電網中去。
2 串級調速系統的工作原理
在異步電機轉子回路中附加交流電動勢調速的關鍵就是在轉子側串入一個可變頻、可變幅的電壓。比較方便的辦法是將轉子電壓先整流成直流電壓，然后再引入一個附加的直流電動勢，控制此直流附加電動勢的幅值，就可以調節異步電動機的轉速。這樣，就把交流變壓變頻這一復雜問題，轉化為與頻率無關的直流變壓問題，對問題的分析與工程實現都方便多了。當然對這一直流附加電動勢要有一定的技術要求。首先，它應該是可平滑調節的，以滿足對電動機轉速平滑調節的要求;其次，從節能的角度看，希望產生附加直流電動勢的裝置能夠吸收從異步電動機轉子側傳遞來的轉差功率并加以利用。例如，把轉差功率回饋給交流電網，或把它轉換成機械功率送到電氣傳動裝置的軸上等，關鍵是不要讓它在轉子回路中無謂地損耗掉，這樣才能提高調速系統的效率。根據以上兩點要求，較好的方案是采用工作在有源逆變狀態的晶閘管可控整流裝置作為產生附加直流電動勢的電源，串級調速系統主電路結構如圖1所示。
圖1 傳統串級調速系統主電路結構圖
圖1中，m為三相繞線轉子異步電動機，其轉子相電動勢ser0經三相不可控整流裝置ur整流，輸出直流電壓ud。工作在有源逆變狀態的三相可控整流裝置ui除提供可調的直流電壓ui作為電機調速所需的附加直流電動勢外，還可將經ur整流輸出的轉差功率逆變后回饋到交流電網。ti為逆變變壓器，其功能和特點以后將詳細討論，l為平波電抗器。兩個整流裝置電壓ud和ui的極性以及直流電路電流id的方向如圖1中所示。顯然，系統在穩定工作時，必有ud>ui。圖1中ti為逆變變壓器，l為平波電抗器。
由此可以寫出整流后的轉子直流回路電壓平衡方程式
式中:k1、k2—ur與ui兩個整流裝置的電壓整流系數，如兩者都是三相橋式整流電路，則k1=k2=2.34;
ut2—逆變變壓器的二次相電壓;
β—工作在逆變狀態的可控整流裝置ui的逆變角;
r—轉子直流回路總電阻。
根據以上對串級調速系統工作原理的討論可以得出下列結論:
(1) 串級調速系統能夠靠調節逆變角β實現平滑無級調速;
(2) 系統能把異步電動機的轉差功率回饋給交流電網，從而使扣除裝置損耗后的轉差功率得到有效利用，大大提高了調速系統的效率。
一般串級調速系統在高速運行時的功率因數為0.6~ 0.65，比正常接線時電動機的功率因數減少0.1左右，在低速時可降到0.4~0.5(對調速范圍為2的系統)，這是串級調速系統的主要缺點。
對于寬調速的串級調速系統，隨著轉差率的增大，系統的功率因數還要下降，這是串級調速系統能否被推廣應用的關鍵問題之一，所以人們研究了多種改善功率因數的方法。
通常有以下幾種:
l 逆變器的不對稱控制
這是利用兩組可控整流器組成逆變器連接并進行不對稱控制。這種方法適用于大功率系統。
l 采用具有強迫換相功能的逆變器
這是在逆變器工作時晶閘管在自然換流點之后換相，這時逆變器的輸入電流呈容性，可以補償異步電動機從電網吸收的電感性無功電流，從而使系統功率因數大大提高。但這種方法電路較復雜，價格也昂貴。
l 在電動機轉子直流回路中加斬波控制
采用這種方法可以把逆變器的逆變角β固定在某一最小角，這樣就可把逆變器從電網吸收的無功功率減小到最低，從而提高系統的功率因數。但這種方法還有一個最小角的限制，不可能使β等于零，因此功率因數不可能達到1。
l 斬波加pwm整流
眾所周知，相控有源逆變器總存在最小控制角的問題，不可能使電流和電壓保持同相位，功率因數提高有限，而且相控有源逆變有逆變顛覆的缺點。因此一種新的方法就是將晶閘管組成的相控有源逆變器換成由igbt構成的pwm逆變。pwm逆變不僅可以實現電流和電壓保持同相位，還可以通過調節繞組向電網提供容性功率，補償整個系統的功率因數。根據pwm整流原理可知，直流母線電壓必須高于調節繞組線電壓峰值，所以在中間部分還需要加上boost斬波電路，滿足電機在不同轉速范圍內的電壓匹配關系。這種方式也是本作者所采樣的系統方案。
3 內反饋斬波串級調速系統
內反饋串級調速以繞線型感應電動機轉子串附加電勢進行調速的理論為基礎，其調速電機是一種能夠自身產生附加電勢源的特種異步電機，制作時在定子上增設了一套三相對稱繞組，稱為調節繞組，而原來的定子繞組稱為主繞組。轉子采用高強度不銹鋼滑環，配以金屬石墨電刷，使滑環和電刷的耐磨性能大為改善，壽命得以延長。附加電勢就是由調節繞組從主繞組感應過來的電勢所提供的，通過可控硅變流系統將該電勢串入電機的轉子繞組，改變其串入電勢的大小即可實現調速。同時，調節繞組吸收轉子的轉差功率，并通過與轉子旋轉磁場相互作用產生正向的拖動轉矩，達到調速節能的目的。
由于帶斬波器串級調速系統的調速是通過改變斬波器的占空比來實現的，而不是通過改變逆變器的逆變角，因此在本系統中逆變器的控制角可取為最小值，且固定不變，故無功損耗減少到最低程度，從而提高系統了的功率因數。同時也避免了因調速深而帶來的功率因數進一步降低的因素。在串級調速系統中加入一個斬波器后，功率因數的提高使定子電流中的無功成分降低，從而定子電流諧波成分減少，減少了對電網的污染。同時，直流斬波器開關的作用使直流回路電阻減少，進而使系統的機械特性硬度有一定的提高。
因此內反饋串級調速系統除具有普通串級調速系統的優點外，還具有以下特點:
l 取消了逆變變壓器及其網側控制設備;
l 依靠反饋繞組的短矩、分布及角形連接，基本上抵消了5次諧波，大大削弱了7次諧波，3次及3的倍數次諧波僅在反饋繞組內部流動，有效抑制了諧波對電網的污染;
l 為避免有源逆變器的諧波通過反饋繞組再感應到轉子電路，反饋繞組在調速狀態下還外接有補償及濾波電路，用以補償反饋繞組內的滯后電流，減小損耗，使系統的功率因數由原來的0.4～0.6，可提高到0.9以上;
l 轉子的轉差功率回饋到電機內部(反饋繞組)，從而提高了串級調速系統的效率。
串級調速系統功率因數差的一個重要原因就是采用了相位控制的逆變器，控制角β越大時，逆變器從電網吸收的無功功率越多。如果用斬波器來控制直流電壓，而將逆變器的控制角設定為允許的最小值不變，即可降低無功的消耗，而提高系統功率因數。圖2繪出了斬波控制的串級調速系統原理圖。
圖2 斬波式內反饋串級調速系統
由圖2所示的斬波控制調速系統的主電路可知，內反饋繞線式異步電動機的轉子輸出電壓接至三相橋式不可控整流器ur，通過igbt直流斬波器與電源換相的三相橋式可控硅逆變器ui相連。ui是普通可控硅組成的橋式變流器，它的觸發控制角α不需要調節，從工作原理考慮，它可以固定在某一個大于90°的角度觸發，但實際上為了提高功率因數，降低無功分量，總是把它控制在最大觸發角也即最小逆變角βmin的地方。圖3的波形為斬波工作波形示意圖。設igbt斬波開關的工作周期為t，在τ的時間里，斬波開關閉合，整流橋ur被短路，而在t-τ的時間里，斬波開關斷開，改變占空比τ就可調節電動勢的大小，從而調節電動機的轉速。
整流橋的輸出電壓為
式中er0為轉子開路相電壓。逆變器的輸出電壓為
經斬波器輸至整流橋的電壓為
,它應與整流橋輸出電壓相平衡，則有
由串調原理和式(2)、(3)、(4)可以得到轉速公式如下:
式中:n0為不同占空比時的理想空載轉速;
nsyn為異步電動機的同步轉速。
由上式顯然可見，改變斬波器開關閉合時間τ的大小就可以改變電機轉速nsyn的大小。
4 pwm整流技術在內反饋斬波串級調速系統中的應用
雖然采用斬波控制技術可以提高串級調速系統的功率因數，但是沒有改變晶閘管逆變橋通過電網電壓換流的本質，依然有相位滯后，還是需要從電網吸收大量的無功功率，功率因數想再次提高很難。針對這個問題，作者引進pwm整流技術，改變原有串級調速系統的拓撲結構成分，把晶閘管逆變結構換成igbt的pwm整流結構，外接電感l2起儲存、傳遞能量和平衡電壓的作用，其結構圖如圖4所示。采用這種方案不僅可以使調節繞組電流和電壓同相位，甚至可以按照需要，產生容性功率，補償電網的無功，使整個系統的功率因數得到提高。由于igbt具有自關斷能力，在調節繞組失電的情況下，可以克服可控硅不能克服的逆變顛覆故障，使系統的可靠性得到提高。
圖4 應用pwm整流技術的內反饋串級調速系統
第二部分
定子端直接變壓變頻的多電平技術
變頻調速以其優異的調速和啟動性能，高效率、高功率因數和節電效果等眾多優點而被認為是最有發展前途的調速方式之一，變頻調速技術的飛速發展反過來又為變頻器性能的提高提供了技術保障，而環保和節能的客觀需要，為變頻器在生產和生活的各個領域的應用提供了發展空間。隨著國民經濟的發展，小容量變頻器越來越不能滿足現代化生產和生活的需要，而目前我國大量采用的變頻調速裝置基本上都是低壓變頻器, 即電壓為380~690v，但根據中國的國情，大容量高電壓的交流變頻裝置將會在節能方面起著更主要作用。可是我國高壓大容量的變頻器尚處于起步階段。那么是什么阻礙了變頻調速技術在高壓大功率的應用呢？主要有兩個問題: 一是我國大容量（200kw以上）電動機的供電電壓高（6kv、10kv），但長期以來由于電力電子元器件的耐壓等級和所承受的電流受到限制，造成電壓匹配上的難題; 二是高壓大功率變頻調速系統技術含量高，難度大，成本高，而一般的風機、水泵等節能改造都要求低投入、高回報，從而造成經濟效率上的難題。這兩個世界性的難題使得高壓變頻調速技術的發展和推廣受到了限制，因此提高電力電子變流裝置的功率容量、降低成本、改善其輸出性能是現代電力電子技術的重要發展方向之一，也是當前世界各國相關行業競相關注的熱點。因此國內外各變頻器生產廠商八仙過海，各有高招，因此其主電路結構不盡一致，但都較為成功地解決了高壓大容量這一難題。當然在性能指標及價格上也各有差異。如美國羅賓康(robicon)公司生產的完美無諧波變頻器; 羅克韋爾(ab)公司生產的bulletin 1557和power flex 7000系列變頻器; 德國西門子公司生產的simovert mv中壓變頻器; 瑞典abb公司生產的acs1000系列變頻器；意大利ansaldo公司生產的silcovert-th變頻器以及日本三菱、富士公司生產的完美無諧波變頻器和國內北京的凱奇、先行、利德華福公司和成都佳靈公司生產的高壓變頻器等。
1 大功率電力電子變流裝置的拓撲結構
近年來，各種高壓變頻器不斷出現，可是到目前為止，高壓變頻器還沒有像低壓變頻器那樣近乎統一的拓撲結構。根據高壓組成方式，可分為直接高壓型和高-低-高型；根據有無中間直流環節，可以分為交-交變頻器和交-直-交變頻器。在交-直-交變頻器中，根據中間直流濾波環節的不同，又可分為電壓源型(也稱電壓型)和電流源型(也稱電流型)。高-低-高型變頻器采用變壓器實行輸入降壓、輸出升壓的方式，其實質上還是低壓變頻器，只不過從電網和電動機兩端來看是高壓的，是受到功率器件電壓等級技術條件的限制而采取的變通辦法，需要輸入、輸出變壓器，存在中間低壓環節電流大、效率低下、可靠性下降、占地面積大等缺點，只用于一些小容量高壓電動機的簡單調速。常規的交-交變頻器由于受到輸出最高頻率的限制，只用在一些低速、大容量的特殊場合。下面就將針對目前使用較為廣泛的幾種直接高壓輸出交-直-交型變頻器及其派生方案進行分析，指出各自的優缺點。
評價高壓變頻器的指標主要有成本、可靠性、對電網的諧波污染、輸入功率因數、輸出諧波、dv/dt、共模電壓、系統效率、能否四象限運行等。下面就將針對直接高壓大功率電力電子裝置拓樸結構作一個分類，其分類方式一般是以電路拓樸中輸出端是否使用了變壓器為標準，這種標準主要是從裝置本身的效率、體積和性能價格比等方面考慮的; 這種分類方式也是很有意義的，在目前也是很普遍的一種分類方式。按照這種方式，下面提到的中點箝位型變流器、二極管電容箝位型多電平變流器、級聯型多電平變流器，統稱為多電平變流器; 多重化變流器和組合變流器等磁耦合變流器被分為另一類。現在也有另一種分類方式，在前面提到在解決單個器件的電壓或電流承受能力往往不能適應容量要求這一問題上，有兩種常用的思路: 一種是器件串、并聯使用; 另一種是變流器單元串、并聯使用。尋著這兩種思路，可以把大功率電力電子變流器裝置的拓樸結構分為兩類:
(1) 以器件串、并聯為基礎的橋臂擴展型結構;
(2) 以變流單元電路串、并聯為基礎的多單元變流器結構。這種分類方式從電路構成的角度揭示了各種拓樸結構的內在聯系。按照這種分類方式，組合變流器與級聯型多電平變流器同屬于以變流單元電路串、并聯為基礎的多單元變流器結構，在控制上有明顯的相似性。
1.1 高-低-高結構
這種結構將輸入的高壓經降壓變壓器變成380v的低電壓，然后用普通變頻器進行變頻，再由升壓變壓器將電壓變回高壓。很明顯，該種高壓變頻裝置的優點是可利用現有的低壓變頻技術來實現高壓變頻，易于實現，價格低；其缺點是使用了降壓和升壓2臺變壓器，系統體積大、成本高、效率低、低頻時能量傳輸困難等。其拓撲結構如圖5所示。
圖5 高－低－高變頻器結構
1.2 多管直接串聯的兩電平變換電路
將器件串、并聯使用，是滿足系統容量要求的一個簡單直觀的辦法。串、并聯在一起的各個器件，被當作單個器件使用，其控制也是完全相同的。這種結構的優點是可利用較為成熟的低壓變頻器的電路拓撲、控制策略和控制方法; 其缺點是串聯開關管需要動態均壓和靜態均壓，為什么呢？這是因為各種電力電子器件，即使同一批生產出來的同型號，同容量的器件，在靜態伏安特性和開關特性上也不完全相同，當具有這樣特性的兩個元件串聯，在阻斷狀態及相同的漏電流下，器件承受的電壓不同，因而電源電壓的波動就可能造成器件的損壞。此外，串聯器件由于開、關時間不一致，最后開通或最先關斷的器件將承受全部電源電壓，這就必然影響到它的可靠運行，所以電力電子器件串聯運行時應有相應的均壓措施。可是均壓電路使系統復雜化、損耗增加、效率下降。同時，為使串聯器件同時導通和關斷，對驅動、控制電路的要求也大大提高，還需要解決dv/dt，抗共模電壓技術、正弦波濾波技術等問題。國內成都佳靈電氣制造有限公司生產的高壓變頻器采用這種拓撲結構并申請了專利，解決了igbt直接串聯的世界難題，代表了高壓變頻器的一個發展方向。其拓樸結構如圖6所示，它完全舍棄了輸入輸出變壓器，使得igbt直接串聯高壓變頻器成為目前世界上體積與占地面積最小的產品。
圖6 igbt直接串聯高壓變頻器
1.3 二極管箝位型三電平變換電路
為了解決器件直接串聯時所需要的均壓問題，逐漸發展出以器件串、井聯為基礎，各器件分別控制的變流器結構; 在這方面，日本學者a.nabae于1983年提出的中點箝位型pwm逆變電路結構具有開創性的意義。二極管箝位型變流器的結構如圖7所示，該變流器的輸出相電壓為三電平。如果去掉兩個箝位二極管，這種變流器就是用兩個功率器件串聯使用代替單個功率器件的半橋逆變電路。由于兩個箝位二極管的存在，各個器件能夠分別進行控制，因而避免了器件直接串聯引起的動態均壓問題。與普通的二電平變流器相比，由于輸出電壓的電平數有所增加，每個電平幅值相對降低，由整個直流母線電壓降為一半直流母線電壓，在同等開關頻率的前提下，可使輸出波形質量有較大的改善，輸出dv/dt也相應下降，因此中點箝位型變流器顯然比普通二電平變流器更具優勢。
圖7 二極管箝位型三電平變頻器
增加分壓電容、箝位二極管、功率開關管可以得到多電平變換電路。若要得到m電平，則需要(m-l)個直流分壓電容，每一橋臂需要2(m-l)主開關器件和(m-l)×(m-2)個箝位二極管。在需要四象限可逆運行的場合，可將兩組相同的多電平變換器按照“背靠背”的方式進行連接。
二極管箝位型變流器同時具有多重化和脈寬調制的優點:輸出功率大，器件開關頻率低，等效開關頻率高; 交流側不需要變壓器連接，動態響應好，傳輸帶寬較寬等。
缺點是:
l 箝位二極管的耐壓要求較高，數量龐大。對于m電平變流器，如果使每個二極管的耐壓等級相同，每相所需的二極管數量為(m-1)×(m-2)。這些二極管不但大大提高了成本，而且會在線路安裝方面造成相當的困難；因此在實際應用中一般僅限于7電平或9電平變流器的研究。
l 開關器件的導通負荷不一致。靠近母線的開關和靠近輸出端的導通負荷不平衡，這樣就導致開關器件的電流等級不同。在電路中，如果按導通負荷最嚴重的情況設計器件的電流等級，則每相有2×(m-2)個外層器件的電流等級過大，造成浪費。
l 在變流器進行有功功率傳送的時候，直流側各電容的充放電時間各不相同，從而造成電容電壓不平衡，增加了系統動態控制的難度。
1.4 飛跨電容箝位型5電平變換電路
圖8所示為飛跨電容5電平變換器的拓撲結構圖。
圖8 飛跨電容箝位型5電平變換電路
圖9 電容電壓自平衡式5電平單相變換電路
通過圖7和圖8的比較不難看出，飛跨電容箝位型5電平主電路只是用飛跨電容取代箝位二極管，因此其工作原理與二極管箝位電路相似。這種拓撲結構雖省去了大量的二極管，但又引入了不少電容。對高壓系統而言，電容體積大、成本高、封裝難。不過在電壓合成方面，由于電容的引進，開關狀態的選擇更加靈活，使電壓合成的選擇增多，通過在同一電平上不同開關狀態的組合，可使電容電壓保持均衡。由此可知，電容箝位型多電平變流器的電平合成自由度和靈活性高于二極管箝位型多電平變流器。其優點是開關方式靈活、對功率器件保護能力較強，既能控制有功功率，又能控制無功功率，適合高壓直流輸電系統等，但控制方法非常復雜，而且開關頻率增高，開關損耗增大，效率隨之降低。其主要缺點是:
l 需要大量的存儲電容。如果所有電容器的電壓等級都與主功率器件的相同，那么一個m電平的電容箝位型多電平變流器每相橋臂需要(m-1)×(m-2)/2個輔助電容，而直流側上還需要(m-1)個電容。電平數較高時就增加了安裝的難度，同時也增加了造價。
l 為了使電容的充放電保持平衡，對于中間值電平需要采用不同的開關組合。這就增加了系統控制的復雜性，器件的開關頻率和開關損耗大。
l 同二極管箝位型多電平變流器一樣，電容箝位型多電平變流器也存在導通負荷不一致的問題。
1.5 電容自舉多電平變換電路
這種結構是2000年由peng fangzheng首次提出的[4]，是以電容箝位的半橋結構為基本單元組成的。多級電路是由基本單元按金字塔結構形成的。圖9為5電平的電容電壓自平衡式逆變器。在圖8中，開關器件sp1，sp2，sp3，sp4，sn1，sn2，sn3，sn4和二極管dp1，dp2，dp3，dp4，dn1，dn2，dn3，dn4用來在輸出端輸出所需電平，其它開關器件、二極管和電容用于電平箝位以實現單元的自動均壓。
這種結構與上述的二極管箝位式和飛跨電容箝位式結構比較有以下優點:
l 實現了電容電壓的自動箝位，不需要復雜的電容電壓平衡控制算法；
l 將此結構的輸出端和輸入端交換，可以用相同電路實現功率的雙向流動，所以，這種結構應用廣泛，可以實現dc/dc，dc/ac，ac/dc的功率轉換。
這種結構的缺點是:
l 當電平增加時，所需要的電容和功率開關管數目會增加許多，使得系統成本和體積增大；
l 由于使用了大量的功率開關和箝位電容，使得電路在工作時的開關損耗增大；
l 隨著電路級數的增加，由于功率開關的通態壓降引起的每級電壓降落將越來越明顯。
1.6 多個獨立直流電壓源的級聯型拓撲結構
圖10為串聯h橋多電平主電路變換器的示意圖。每相串聯的單元數為m,則輸出相電壓波形所含電平數為2m+1。設每個h橋開關函數為hk(k=1,2,…,m)，開關狀態是s1，s2，s3，s4，那么輸出電壓vok和它們之間的關系可用表2來表示。圖11為級聯型等于3的7電平輸出電壓波形。
圖10 級聯型多電平變換電路
圖11 級聯型7電平輸出電壓波形
注: s1，s4=1 表示功率開關s1，s4開通;
s1，s4=0 表示功率開關s1，s4關斷。
這是一種較為新穎的多電平變換器拓撲結構。級聯型多電平變流器，采用若干個低壓pwm變流單元直接級聯的方式實現高壓輸出，有這種拓撲結構組成的電壓源型變頻器由美國羅賓康公司發明并申請專利，取名為完美無諧波變頻器，我國北京利德華福等公司生產的高壓變頻器也是采用這種結構。該變頻器結構具有對電網諧波污染小、輸入功率因數高、不必采用輸入諧波濾波器和功率因數補償裝置。輸出波形好，不存在由諧波引起的電動機附加發熱和轉矩脈動、噪聲、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電動機。
這種多電平拓撲結構有一個特點: 即電路的每個基本單元都需要用一個獨立的直流電源來實現箝位功能，雖然使用單獨的直流電源可以使電路的各個單元彼此隔離，從而解決單元級聯時的動態均壓和電壓箝位問題，但是隨著輸出波形電平數的增加, 所需要的直流電源數也將增加，因此這既是級聯型拓撲結構的一個優點, 也是它的一個缺點。
從表2可以得到單個h橋輸出電壓vok，輸入電流iin,k(流過直流母線上的電流)用下式表示:
式中:為功率因數角;
io為輸出電流;
ipk為輸出電流峰值;
k表示第k號h橋單元。
這種結構相對于傳統中點箝位逆變電路具有下列優點:
l 直流側采用相互分離的直流電源，不存在電壓均衡問題;
l 結構簡單清晰，控制方法相對簡單，可分別對每級進行pwm控制;
l 無需箝位二極管或箝位電容，易于封裝、模塊化，單元模塊化為實際安裝、使用、故障維護提供了很大便利，當h橋出現故障，可將其旁路，余下的單元可以繼續工作;
l 不存在中間直流電壓中性點偏移問題。
然而串級電路結構的缺點也比較明顯:
l 電路的每個基本單元都要用一個獨立的直流電源來實現箝位功能。雖然使用單獨的直流電源可以使電路的各個單元彼此隔離，從而解決單元串聯時的動態均壓和電壓箝位問題，但隨著電平數增加，串級電路單元使用的直流電源數也將大量增加。
l 使用的功率單元及功率器件數量較多, 增加了設備投入, 造價昂貴, 裝置的體積大, 需要占用一定的安裝空間。
l 無法實現能量回饋及四象限運行，只適用于風機、水泵等一般不要求四象限運行的設備。
1.7 不對稱的混合級聯型多電平變換電路
全橋級聯型多電平逆變技術中獨立直流電源采用的是電壓等級相同的電源，為了增加輸出波形電平數，往往要大量增加獨立直流電源數量。為了簡化電路拓撲，同時結合igbt和gto等功率開關器件兩者的優點(開關速度快的器件，例如mosfet、igbt的電壓容量比較低，而高電壓容量的器件，例如gto、igct的開關頻率又較低)。可以采用獨立直流電源電壓不等的級聯式多電平逆變技術。這種結構是傳統功率單元級聯型多電平逆變電路的推廣，可以用更少的單元得到更多的輸出電平。其電路拓撲如圖12所示，其一個單元使用igbt，另一個單元使用igct，igct單元上的電壓2倍于igbt單元。在控制上，以基波開關igct，以pwm方式調制igbt。比起功率單元級聯型逆變電路，這種不對稱的混合級聯型多電平電路有一個優點:由于2個單元預先給定的電壓不同，igbt單元和igct單元可以通過控制各自功率器件的開斷來相互協調，從而實現單相7電平的輸出，如圖13所示，這種結構達到了用更少的單元得到更多電平的目的。
圖12 混合級聯型多電平變換電路
圖13 改進型級聯逆變器輸出波形
1.8 組合型多電平變換器
圖14為組合型混合多電平變流器拓撲結構。逆變端是由一個gto變頻器和一個中心點箝位(npc)igbt三電平變頻器構成，兩個變頻器共用一個直流電壓源，通過變壓器(傳輸比1:1)串行連接起來。gto變頻器工作在方波模式，其開關頻率和參考輸出頻率一致，因而開關損耗小。相反，igbt變頻器以較高的開關頻率工作在pwm模式下，兩者結合起來，輸出電平可以達到9個，因而輸出波形非常接近正弦波，如圖15所示。系統的輸出電壓大部分由gto變頻器產生，大約為63.7%，igbt變頻器的功能則是產生剩余的輸出電壓，同時還對gto變頻器產生的諧波進行補償。這種電路顯然也是結合了igbt和gto等元器件的優點，但它不同于混合級聯型拓撲結構的是輸出端不是直接級聯，而是通過變壓器進行疊加而成。
圖14 組合型多電平變換器拓撲
圖15 組合型變換器輸出電壓仿真波形
隨著電力電子技術、計算機技術和自動控制技術及電機控制理論的發展，當然也少不了各國學者的科研努力，人們對功率變換規律更進一步的認識，以后會出現更新、更好的新型電路拓撲結構，特別是近年來“電力電子積木”pebb（power electronics building block）技術的興起，使多個功率器件的集成化和低成本化逐步成為可能，也為多電平變換電路拓撲的發展提供了有力的技術支持，從而引起中高壓功率變換技術的更大發展。
2 大功率電力電子變流裝置的控制策略
開關調制策略的選擇對于變流器而言，是至關重要的。對于上面談到的大功率電力電子裝置來說，目前有以下幾種開關調制策略:階梯波脈寬調制、特定諧波消去法、基于載波組的pwm技術、多電平電壓空間矢量調制、載波相移pwm技術等。衡量一種開關調制策略的優劣，一般從以下幾個方面進行分析:變流器輸出的諧波特性、器件的開關頻率、動態輸出特性及傳輸帶寬等。下面，就從這幾個方面依次分析上面提到的幾種開關調制策略。
2.1 階梯波調制
階梯波調制就是用階梯波來逼近正弦波，這是一種比較直觀的方法。在階梯波調制中，可以通過選擇每一個電平持續時間的長短，來實現諧波的消除和抑制。這種策略的優點是實現簡單、開關頻率最低(等于基波頻率)，因而效率高。主要缺點是輸出電壓的調節依靠直流母線電壓或移相角，輸出中仍含有較多的低次諧波分量。為了減少低次諧波含量，可以采用低次諧波含量最少原則法來產生階梯波調制。另外這種方法用于調速系統時，因為輸出頻率不斷變化，需要實時計算各h橋單元的導通時間，計算量非常大。
圖16 低次諧波最少原則法原理示意圖
圖16(a)中θ1、θ2、θ3、θ4的計算是按照低次諧波最少原則進行的，因此其原理要求圖16(a)階梯波輸出波形面積等于正弦波面積，也就是圖16(b)中陰影面積相等。由于圖16（b）中θa、θb可以根據h橋模塊串聯數量計算可得，所以θ4可以通過下面的式子來計算得到:
2.2 特定諧波消去法
這種方法是將應用于普通二電平變流器的定次諧波消去法引入多電平，其基本思想是通過傅立葉級數分析，得出在特定開關角下的傅立葉級數展開式，然后令某些特定的低次諧波為零，從而得到一個反映n個開關角的n個非線性獨立方程，按求解的開關角進行控制，則必定不含這些特定的諧波。即把所需要的性能指標構造成目標函數，以開關角為參考變量，尋求最優的開關角，以消除選定的諧波。通常，這種方法著眼于消除低次諧波，因為高次諧波的幅值較小，同時諧波頻率增高，濾波相對容易一些。這種方法具有以下顯著優點:
l 在同樣的開關頻率下，可以產生最優的輸出電壓波形，從而減小電流紋波和電動機的轉矩脈動，從整體上提高控制性能;
l 波形質量有所改善，減小了直流側電流紋波，使得直流側濾波器的尺寸有所減小;
l 利用特定諧波消去法可有效降低開關損耗, 提高轉換效率, 這一點對高壓大功率設備來講有特別的重要意義。
特定諧波消除法的困難在于必須采用牛頓迭代法求解一組非線性方程組，而且選取合適的初值是收斂的必要條件，這就決定了運算要多花費較多的時間，不利于在線計算，因而多采用離線計算。采用查表法取得開關切換時刻，這就需要較大的數據表格。隨著以dsp為代表的高速計算技術的發展和一些優化算法的出現，在線求解非線性方程組已不是難事，因而在線計算諧波消除法成為可能；另一方面，廉價大容量存儲芯片的出現，也為基于查表法的離線特定諧波消除法來實現在寬頻率范圍內的高性能功率處理提供了更好的基礎。
下面將闡述一下諧波消去法的算法。由于輸出電壓脈沖序列滿足dirichlet定理, 因而可表示為如下傅立葉級數:
考慮到多電平功率變換器主要用于高壓大功率場合，只需考慮三相的情況，所以，只要消除低頻次非3倍頻次諧波。
2.3 基于載波組的pwm技術
這種控制方式適用于二極管箝位型多電平變流器。基本原理是在n電平變流器中，n-1個具有相同頻率和相同幅值的三角載波并排放置，形成載波組，以載波組的水平中線作為參考零線，共同的調制波與其相交，得到相應的開關信號。這種控制方式下，變流器的輸出特性良好，器件的開關頻率較低而等效開關頻率較高，輸入輸出成線性關系，能夠輸出一定的帶寬；但器件的導通負荷不一致，尤其在深調制的情況下，處于變流器外圍的功率器件幾乎不導通，而內部的功率器件開關頻率較高。為解決在深調制下出現的這種情況，也出現一些改進的控制方式。至于調制波，可以采用標準正弦波，也可以采用采用三次諧波注入正弦波，目的是為了提高直流母線電壓的利用率，圖17為它們的示意圖。
圖17 載波組的pwm技術原理
2.4 多電平電壓空間矢量調制
這是常規的二電平電壓空間矢量調制技術(svm)在多電平變流器上的擴展應用。常規的二電平svm技術是根據不同的開關組合方式，生成八個電壓空間矢量，其中六個非零矢量，兩個為零矢量; 在空間旋轉坐標系下，對于任意時刻的矢量由相鄰的兩個非零矢量合成，通過在一個調制周期內對兩個非零矢量和零矢量的作用時問進行優化安排，得到pwm輸出波形。對于多電平svm技術，其基本原理與二電平svm技術相似，只是開關組合的方式隨著電平數的增加而有所增加; 其規律是對干m電平變流器，其電壓空間矢量的數目為m3個，當然這些電平中有些在空間上是重合的。比如對于三電平變流器，如圖18所示。其電壓空間矢量的數目為27個，有24種非零矢量(6種空間位置重合)，即有獨立的電壓空間矢量為19個，一個零矢量(三種零矢量重合)。根據模長的不同，可將27種空間矢量分為長矢量、中矢量、短矢量和零矢量四種。24種非零矢量將空間分成12個30°的區域。同樣的，在空間旋轉坐標下，對于任意時刻的矢量由相鄰的三個非零矢量合成，在一個開關調制周期內對三個非零矢量與零矢量的作用時間進行優化安排，得到pwm輸出波形。由于隨著電平數與電壓空間矢量的數目之間是立方關系，所以多電平svm技術在電平數較高時受到很大限制; 因此目前多電平svm技術的研究一般只限于五電平以下。
圖18 三相三電平空間矢量圖
從圖7三電平逆變器拓撲結構可知，每個橋臂共有四個主開關vta1、vta1′、vta2、vta2′, 這4個主開關可構成4個開關邏輯，但4個開關邏輯中真正對逆變器輸出起決定作用的獨立邏輯卻僅有2個(vta1、vta1′)，另外2個邏輯(vta2、vta2′)可由前面2個獨立邏輯運算得出。由于vta1、vta1′、vta2、vta2′的宏觀邏輯互反關系，也同時確立了它們之間的互鎖關系。換言之，控制系統只需要發出vta1、vta1′信號就可以通過硬件的三變六電路得到最終所需要的12個驅動信號(如tms320f2407dsp)。
(1) 矢量合成過程中，其逼近原則具有的特點
l 從某一短矢量出發并在第四段返回其對偶短矢量（每個短矢量均以成對方式出現，故稱為對偶短矢量），然后按相反的規律再回到起始短矢量;
l 矢量變化過程中保證最優矢量組中每個矢量至少采用1次;
l 每次矢量變化時僅有1位(一相)發生變化，它表明三相逆變器的3個橋臂在每個時間段僅有1個橋臂發生邏輯輸出變化，從而使逆變器按最低的載波頻率工作;
l 狀態變化服從最小變化原理, 即從z←→p或z←→n，不會出現p←→n之間的突變。它保證了逆變器線電壓輸出dv/dt最小。事實上，該原則還有一個最大特點是它已經把npc的開關時序與微控制器(如tms320f2407dsp)的數字pwm功能結合起來，有利于數字實現。
(2) 空間矢量脈寬調制具有的優勢
l 在大范圍的調制比內具有很好的性能;
l 無須大量的存儲空間來存放角度值;
l 結構簡單，控制方便;
l 直流母線電壓利用率高;
l 不僅可以降低輸出諧波含量，更具有靈活, 實時性好等優點，故而成為國際上最流行的波形生產手段。缺點是中間電容電壓平衡問題和窄脈沖問題。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
