多电平PWM变频器

    随着变频器技术的普及和变频器容量的不断增加，变频器对电动机本身以及对周边环境的影响也越来越受到重视。传统的采用将直流母线电压直接进行PWM输出的变频器（以下简称两电平PWM变频器）的许多弱点也逐渐暴露了出来。这些弱点主要包括：变频器产生的电动机冲击电压引起的电动机绝缘劣化、漏泄电流和轴电流带来的电动机轴承的损坏、传导噪声和辐射噪声过大，等等。    电动机冲击电压指的是变频器输出的PWM脉冲波的上升沿和下降沿在电动机端子变得非常高的现象。虽然连接变频器与电动机之间的电缆过长是造成冲击电压的主要原因，但PWM脉冲电压的急剧变化也是造成冲击电压的重要原因之一。开关器件在进行切换时瞬变电压将集中在电动机线圈上，因而过高的dV/dt值将直接导致电动机的绝缘劣化。    PWM变频器中开关器件的高速切换，使输出电压在高频下发生急剧的变化，该电压通过对大地与电动机电缆以及变频器之间的杂散电容，产生高频漏电流，并通过轴承产生轴电流，过大的轴电流将造成轴承的损坏，从而使电机不能正常运行。近年来，以绝缘栅双极晶体管(IGBT)为功率器件的脉宽调制(PWM)逆变器对异步电动机进行驱动时，感应轴承轴电流的问题变得日趋严重，轴承出现问题和损坏的几率增加，损坏的速度加快。相关研究表明，在采用变频器的交流调速系统中，电机轴承的损坏约占电机损坏总数的40%，而在所有损坏的轴承中，有25%是由于变频器输出电压的d V/dt过大而造成的。相比之下，具有高载波频率（大于12kHz）的IGBT逆变器造成的电机轴承的损害比低载波频率的变频器更大。对于400V级以及电压级别更高的变频器来说，由于变频器的本身的输出电压较高，上述问题更加严重，也将产生较大的传导噪声和辐射噪声，对环境的影响更大。    为了解决上述问题，一些电机公司推出了三电平PWM变频器产品。此类产品通过将变频器的两电平PWM输出改为三电平PWM输出，使变频器输出电压的dV/dt变化降低为传统的两电平PWM变频器的一半左右，从而较好地解决了高电压级别变频器所存在的多种技术问题。    图2-26给出了三电平PWM变频器的工作原理图。图2-26a为三电平PWM变频器逆变电路其中一相电路的构成示意图。在三电平PWM变频器中输出电路的每一相上，4个IGBT以串联方式连接在直流电压的两端，而逆变电路的直流母线电压被电解电容一分为二。在变频器的工作过程中，通过4个IGBT的ON/OFF开关组合，其逆变电路就可以输出如图2-26b所示的具有“+电平”，“-电平”，“0电平”三个电平的PWM输出电压。
    图2-26    三电平PWM变频器逆变电路工作原理图    (a)-逆变电路构成示意图；(b)-三电平的形成    图2-27给出了两电平PWM变频器逆变电路与三电平PWM变频器逆变电路的结构和输出电压波形对比。
    图2-27    两电平PWM变频器与三电平PWM变频器主要特点对比    从图2-27可以看出，三电平PWM变频器输出电压的变化仅为两电平PWM变频器的一半。因此，由变频器输出电压变化过大所引起的电动机绝缘劣化、轴电流带来的电动机轴承的损坏、传导噪声和辐射噪声过大等问题都得到了较好地解决。    除了上述优点之外，三电平PWM变频器还具有以下优点：    (1)每个功率开关器件所承受的关断电压仅为直流环节电压的一半，可以降低对功率开关器件的耐压要求。    (2)变频器输出的多级电压阶梯波形减少了dV/dt对电机绝缘的冲击，而dV/dt的减小对变压器绕组、电力电缆和其他电力设备的影响也都有所减小，因而在使用时可以省去外围滤波器。    (3)逆变电路的单桥能输出三种电平的线（相）电压，从而使输出电压波形更接近于正弦波，电压的失真度减小，谐波减少。    除了三电平PWM变频器之外，随着变频调速技术的发展，多电平PWM变频器也得到了发展和应用。关于三电平PWM变频器和多电平PWM变频器的详细工作原理，请参考有关资料和论文。