刘凤君
北京航天工业总公司二院206所 北京100854
1前言
国外某公司利用一种新的高压变频技术，生产出功率为315kW～10000kW的完美无谐波高压变频器（PERFECTHARMONY），无需附加输出变压器实现了直接3kV或6kV高压输出；首家在高压变频器中采用了先进的IGBT开关器件；达到了完美的输入输出波形，无需附加任何滤波器就可以满足各国供电部门对谐波的严格要求；输入功率因数达到095以上；总体效率（包括输入隔离变压在内）高达97％。达到这样高指标的原因是因为采用了三项新的高压变频技术：一是在输出逆变器部分采用了具有独立电源单相桥式SPWM逆变器的直接串联叠加；二是在输入整流部分采用了多相多重叠加整流技术；三是在结构上采用了功率单元模块化技术。
2单相桥式SPWM逆变器的直接串联叠加
单相桥式SPWM逆变器的直接串联叠加法，是通过N个具有独立直流电源的单相桥式SPWM逆变器直接串联的方式级联而成的，这是专为高压大功率逆变器使用的一种串联叠加法。此法是用N个依次移开2π/N相位角的载波三角波，与同一个正弦调制波进行比较产生出N组控制信号，用这N组控制信号（N组信号依次相差2π/N相位角）去依次控制N个具有独立直流电源的单相桥式SPWM逆变器，使每一个单相桥式逆变器输出相同的基波电压，然后将N个单相桥式逆变器的输出电压串联起来，就可以得到多电平SPWM无谐波电压输出，这种串联不存在均压问题。
2.1两个单相桥式SPWM逆变器的串联叠加
现个具有独立直流电源单相桥式SPWM逆变器的直接串联叠加电路如图1所示。由于
N=2 ，所以载波三角波的移相角  。对于三相输出逆变器来说，其A相电路由两个单相桥式SPWM逆变器A1和A2串联组成。A1的载波三角波的移相角α=0；A2的载波三角波的移相角
 。A1和A2的载波三角波用同一个A相的正弦波进行调制。这样就可以得到A1的输出电压up1、A2的输出电压up2。up1和up2具有相同的基波电压。A1和A2串联后的输出电压uA=up1＋up2就是输出为正弦波的无谐波电压、其波形如图2所示。
为了求出单相桥式SPWM逆变器A1、A2的输出电压up1、up2的SPWM波形，必须先求出SPWM波形中各脉冲前、后沿a、b点的座标，为此先列出载波三角波的方程式：
对于单相逆变器A1 α=0
调制波的方程式为：us(t)=Ussinωst（3）
对于单相逆变器A2的输出电压up2的波形，
从图2中A2的up2波形可知：X=ωct在2πK＋α到2π(K＋1)＋α区间内，在a、b点之间得到up2的正脉冲，故可以得到up2的SPWM波的时间函数式为：
函数up2(X，Y)可以用双重付里叶级数表示：
当n为零或偶数时，1-ejnπ=0，Amn＋jBmn=0，
当n为奇数时，1-ejnπ=2
当n=1时，Bo1=ME；当n≠1时，Bon=0
故得up2的SPWM波形的双重付里叶级数式为：
由于A1的载波三角波的α=0；由于A2的载波三角波的α=π，A1和A2用的又是同一个正弦调制波，所以由式（6）可得：
由于up1（t）和up2（t）的基波电压相同；同时又有sinm(π－0)＋sinm(π－π)=0。对于cosm(π－0)＋coom(π－π)：当m等于偶数时等于2；当m为奇数时等于零，所以式（7）和式（8）相加得到的uA的双重付里叶级数式为：
由式（9）可知：N=2的串联叠加在逆变器A相输出电压中得到的是五电平电压输出。在uA中不再包含2F±1次以下的谐波，仅包含2F±1以上的谐波。uA=up1（t）＋up2（t）的波形如图2所示。
2.2N个单相桥式SPWM逆变器的串联叠加
当N取等于或大于2的任一自然数时，都可以利用上述直接串联叠加的方法，其电路如图3所示，以消除SPWM波形中小于NF±1的谐波成分。其载波三角波的移相角依次移开2π/N。对于A相，单相逆变器A1的α=0，A2的α=2π/N，A3的 (3-1)…AN的·（N－1），A1～AN用同一个A相正弦波作调制波，得到A1～AN的输出电压up1(t)～upN(t)：
和m的值如表1所示。
当N=5时串联叠加后在A相输出电压中将得到11电平电压输出，在uA中将不再包含5F±1以下的谐波，而只包含5F±1以上的谐波，其波形如图4所示。
由式（13）可知：采用N个具有独立电源的单相桥式SPWM逆变器的直接串联叠加后，在A相输出电压中将得到（2N＋1）个电平的电压输出，在uA的双重付里叶级数中可以消除NF±1次以下的谐波，。例如当开关频率fs=6000Hz，载波比 N=5时，在A相输出电压的付里叶级数式中，将可以消除5×120±1=600±1次以下的谐波，故称作无谐波（Harmony）逆变器（意即无低次谐波）。
3多相多重叠加整流
完美无谐波高压变频器的输入整流器部分主要采用的是18相三重叠加整流方式，和30相五重叠加整流方式。
3.1 18相三重叠加整流
18相三重叠加整流电路与波形图如图5所示。输入变压器采用Y/ΔΔΔ接线的18相整流电路，输入变压器的三组次级绕组依次滞后 相位角，并各向一个三相桥式整流器供电、三个三相桥式整流器单独输出，输出直流电流为Id。变压器的初级输入电流 、和为与三个次级绕组相对应的初级供电电流。经过 三重叠加后的初级电流ia变成了十梯级等阶宽阶梯波，因此可以用Biriger公式来计算ia的基波与各次谐波的幅值：
式中：øn为谐波幅值：
T为函数重复周期。
用Biriger公式对ia的十梯级等阶宽阶梯的基波与各次谐波幅值进行计算可得
用此式算出基波与各次谐波幅值为：
由此式可知ia的低次谐波含量大大减小。
3.230相五重叠加整流
用Y/ΔΔΔΔΔ接线输入变压器的30相五重叠加整流电路与输入电流ia的波形如图6所示，输入变压器的五组次级绕组依次滞后 相位角，每一组次级绕组向一个三相桥式整流器供电，五个三相桥式整流器单独输出，输出直流电流为Id。与五个次级绕组相对应的初级输入电流为 变压器初级输入电流 五重叠加后的输入电流ia的波形是16梯级等阶宽阶梯波。用Biriger公式对它的基波与各次谐波幅值进行计算得：
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