圖1 不同電平結(jié)構(gòu)圖和輸出波形圖

    近年來在電力電子元器件發(fā)展的同時(shí)，變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也在隨之得到開發(fā)，伴隨著電力電子元器件的耐壓和承受電流的限制，變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相繼出現(xiàn)了三電平、四電平和多電平結(jié)構(gòu)的形式。對于三電平、四電平和多電平結(jié)構(gòu)的變頻器，它提供給電動機(jī)非常小的諧波電流且電流波形也更接近交流電動機(jī)要求的正弦波電流波形，如圖1所示。通過這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)我們可知隨著多電平的增加，其電壓幅值在相應(yīng)的降低，這使功率元器件所承受的電壓降低，更加有利于減少裝置產(chǎn)生的dv/dt。當(dāng)前的大容量、高壓變頻器，既要保證大功率的輸出，又要確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，還要保證輸出波形更趨近于正弦波。目前在高壓、大容量的變頻器中常常采用的多電平的結(jié)構(gòu)和輸出波形如圖1所示。三電平的結(jié)構(gòu)方案在近年來的發(fā)展中既使用有GTO(以及最近的IGCT中)元器件，也采用在IGBT的方案中(目前幾個(gè)著名的大公司如西門子，ABB和阿爾斯通都有此類產(chǎn)品)。但它的不足是元器件的導(dǎo)通或阻斷是由箝位二極管來加以保證的，箝位二極管的耐壓要求較高，數(shù)量龐大；開關(guān)器件的導(dǎo)通負(fù)荷不一致；在變流器進(jìn)行有功功率傳送時(shí)，直流側(cè)各電容的沖放電時(shí)間各不相同，容易造成電容電壓的不平衡，增加了系統(tǒng)動態(tài)控制的難度；同時(shí)這種結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展能力也很有限。

    隨著現(xiàn)代拓?fù)浼夹g(shù)的發(fā)展，多電平的變頻技術(shù)結(jié)構(gòu)方案得以在工業(yè)系統(tǒng)中應(yīng)用。圖2就是最近我國從歐洲阿爾斯通公司引進(jìn)的應(yīng)用于軋機(jī)控制的高壓、大容量、四電平變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，從圖2中可以清楚地看到它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即模塊化的結(jié)構(gòu)。這種變頻器的特點(diǎn)是保證了元器件的串并聯(lián)連接，同時(shí)它又不是元器件的簡單的串并聯(lián)而是從結(jié)構(gòu)上的串聯(lián)連接，它確保了電壓安全和自然分配。其最為明顯的特點(diǎn)為：

       目前我們知道在工業(yè)中采用的高壓標(biāo)準(zhǔn)為3.3kV，4.2kV，5.5kV，6.6kV，按照這些標(biāo)準(zhǔn)，通過整體的單元裝置的串并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)技術(shù)去滿足不同等級的電壓要求；
      由于這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使當(dāng)今系統(tǒng)普遍采用的多臺變頻共用一條直流母線的方案非常容易實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到在系統(tǒng)內(nèi)部的能量互相交換；
      這種結(jié)構(gòu)取消了我們傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的在各級元器件上的眾多分壓分流保護(hù)裝置，可以使電路的各個(gè)單元彼此相互隔離，使得系統(tǒng)既簡單，又可靠且易于維護(hù)。從而消除了串并列多個(gè)半導(dǎo)體元件所帶來的系統(tǒng)可靠性差的因素；
      由于此結(jié)構(gòu)采用的是IGBT元器件，它的開管頻率高，觸發(fā)電流小，且IGBT非常容易在市場找到，從而為我們的開發(fā)和應(yīng)用帶來了極大的選擇機(jī)會。

圖2 四電平結(jié)構(gòu)原理圖 

    從圖2可以看出，這種結(jié)構(gòu)的輸出波形非常接近于正弦波形。大容量的交流變頻傳動系統(tǒng)對傳輸電纜以及電機(jī)和變壓器繞組的危害性最大。而對于多電平結(jié)構(gòu)系統(tǒng)正好在這方面是它的優(yōu)勢，應(yīng)該說電平級數(shù)越多其輸出波形越接近于正弦波。

3、四電平傳動結(jié)構(gòu)的控制原理

    四電平控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主回路的大功率元器件的分布是以成對的方式構(gòu)成的，而每一對都是基于傳統(tǒng)的二電平的控制思想去進(jìn)行控制的。圖3表明了此四電平的運(yùn)行原理圖和各大功率元器件所承受的電壓以及各電容上分布的電壓。從電路結(jié)構(gòu)上可以看出整個(gè)電路所承受的電壓為：V，2/3V，1/3 V，但在每一處于阻斷狀態(tài)的功率元器件的電壓總是1/3V。這種結(jié)構(gòu)技術(shù)圓滿解決了各功率元器件上所承受的電壓動態(tài)和靜態(tài)的問題，同時(shí)不同的一對元器件的控制是在不同的時(shí)間段也限制了dv/dt的問題。實(shí)際上各元器件上所承受的浮動電壓是由各電容來提供的，電路在換相過程中對各電容進(jìn)行充放電，其電容電壓遵守著如下的規(guī)則[2]：

       我們知道對于這種四電平結(jié)構(gòu)所采用的大功率元器件是IGBT，而在控制回路則采用的是PWM方式的調(diào)制技術(shù)。其控制回路采用了目前在工業(yè)系統(tǒng)中大量應(yīng)用的高性能控制器(工業(yè)用計(jì)算機(jī))，用它來分配系統(tǒng)的工作周期和發(fā)送控制周期，在一個(gè)控制周期分成幾個(gè)階段，在每一階段嚴(yán)格按照導(dǎo)通和關(guān)斷的規(guī)律去控制IGBT功率元器件開關(guān)動作。從圖3中我們可以很直觀地看到各階段各開關(guān)元器件的導(dǎo)通，關(guān)斷的過程。例如在A段：1#，2#和3#的開關(guān)導(dǎo)通C1上充有正向電流；而在C段：2#，1#和3#的開關(guān)導(dǎo)通，而C1此時(shí)為放電狀態(tài)。不管怎樣我們的負(fù)載側(cè)在一個(gè)周期內(nèi)的各個(gè)階段得到都是1/3V。同時(shí)我們很直觀地看出在電容上的平均電流為0，電容在這里起到分壓和使系統(tǒng)達(dá)到自然換相的目的。通過這種高速的分配控制，系統(tǒng)可以避免多個(gè)串聯(lián)功率元器件在瞬間同時(shí)導(dǎo)通，有使輸出電壓波形更趨于所希望的正弦波形。

    圖4表明了在太鋼實(shí)際采用的2個(gè)IGBT和電容模塊化的結(jié)構(gòu)圖。這種通過雙母排把IGBT和浮動電容組合在一起，最大化地減小了IGBT的開關(guān)電感，同時(shí)也使整<