第21卷第1期2013年3月
JOURNAL OF GUANGZHOU MARITIME COLLEGE
广州航海高等专科学校学报
Vol．21No．1
Mar．2013
船舶中压变频器的拓扑结构及其谐波抑制技术
白
明
（广州航海高等专科学校船舶工程学院，广东广州510725）
摘
要：介绍了船舶中压变频器几种常见的主电路拓扑结构，对其优缺点，特别是谐波抑制问题进
行了深入的讨论，最后对船舶中压变频器的发展方向提出了初步预测．
文章编号：1009－8526（2013）01－0001－03
关键词：中压变频器; 拓扑结构; 谐波抑制中图分类号：U665．11文献标识码：A
随着港口疏浚工程规模的不断扩大，大型挖泥
高压冲水泵等电气设备容量不断加大，为了船泥泵、
减少线路损耗，减小驱动电机的体积和重量，必须提
高输电线路电压等级，相应地需选用高压交流电机，并将调速控制方案由原来的中小功率下常规低压变频器驱动，转变为大功率中压（≥1 10kV ）变频器驱动方式．按国际惯例和我国国家标准对电压等级
1kV 10对供电电压≥10kV 时称高压，的划分，
kV 时称中压．电气行业习惯上称额定电压为3kV ，，特别是6kV 以上的电机为“高压电机”所以工程
上有时又将能驱动6kV 10kV 交流电动机的变频器称之为高压变频器．
由于变频器容量的提高，导致其中的电力电子
［1］
设备所产生的谐波问题日趋严重．变频器谐波会造成电压波形畸变，使电能质量下降、电能损耗增大．谐波可能引起重要的控制和保护装置误动作、船舶电力设备过载或损坏等，对船舶电网及电机负载的影响也会更大，因此，准确分析船舶电力系统谐波产生的根源和机理，进行实时监测，采取有效措施最大限度地抑制其影响，保障船舶电网的安全运行是非常重要和必要的
［2］
功率开关器件的耐压满足不了中、高压变频器的需
加之大功率应用时电网高次谐波严重，为克服这要，
些问题，涌现了诸如多脉冲移相整流、多电平逆变、单元串联多重化、交－交变频等多种中压变频器主电路的拓扑结构及输入输出谐波抑制技术．
1中压变频调速系统的基本形式
按变频器输出电压方式，中压变频调速系统的
高－中型和高－低－高基本形式有直接高－高型、型，其原理图如图1、图2和图3所示
．
图1直接高－
高型变频调速系统
图2高－
中型变频调速系统
．
在低压变频器领域，由于电力电子器件的耐压
问题已解决，而且小功率应用谐波影响很小，其主电路形式已基本成熟，形成了标准的电路拓扑结构．但
图3
高－低－高型变频调速系统
收稿日期：2012－10－27
基金项目：广州市黄埔区科技攻关计划项目（201237）作者简介：白
明（1965—），男，教授，主要从事船舶电气自动控制方面的教学与研究．
1）高－高型变频器直接输出3kV 或6kV 高
IGBT ，IGCT 或SCR 器件串联的办法实压，用GTO ，现直接的高压变频．其优点是能四象限运行，工作可
靠，保护性能好，没有降压、升压变压器，设备紧凑，效率高．缺点则是需要器件串联，均压和缓冲技术复杂．输入侧采用可控硅相控整流，电流型变频器输入电流谐波较大．
2）高－低－高型使用低压变频器输出380V 或690V ，再增加升压变压器升到3kV 或6kV．为避免直接高压变频在技术和成本上的困难，小容量高压变频可以采用高－低－高方式．其优点是传动具四象限运行能力，可以任意匹配电动机电压等级，容量小的时侯改造成本较低．缺点则是降压/升压变压器体积大，装置结构复杂，能量经过多次变换后系统效
率降低．
3）高－中型则兼有两者的优点，其可靠性高、控制简便、价格适中、维护性好，因此在挖泥船建造中广泛选用高－中型变频调速系统．
2中压变频器的拓扑结构与谐波分析
1）三电平12脉冲变频器．当PWM 电压源型变频器输出电压在1 6kV 时，为了避免整流及逆变
［3］器件串联引起的静态和动态均压问题，降低输出端谐波分量，其主电路一般为电压源型的交－直－
交结构，形式上多采用三电平电路，即中性点箝位方
Neutral Point Clamped ），电路如图4所式（NPC ，示
［4］
．
图4三电平12脉冲主电路原理图
三电平整流电路一般是12脉冲，整流变压器一
次侧接成三角形，二次侧一个接成三角形，另一个接成星形，能够滤除3次谐波（零序电压）对电网的影
则它们各相之响．由于两个2次侧绕组线电压相同，
7次谐波会在1次侧抵间相位差为30度，则5次、
17次、19次谐波也会互相抵消．1次电流中的特消，
13、23、25、35、37，征谐波为11、即12k ʃ 1次谐波，2，3，…．如果要求更高，其中k =1，整流电路还可以24脉冲等，采用18脉冲、则对应的整流变压器二次4个绕组，4个侧分别需3个、整流桥分别需3个、串联．
二极管箝位的三电平逆变电路，输出波形中存
在较大的谐波分量，因此必须在变频器输出端配置输出滤波器，谐波指标才能满足国标要求，使得总谐波畸变率THD ＜5%．逆变器的功率器件可采用高压IGBT （西门子公司常用）或IGCT （ABB 公司常用）．
2）单元串联多重化电压源型变频器．当高压变频器输出电压为6 10kV 时，一般采用单元串联多重化电压源型变频器．所谓多重化就是每相由几个
各功率单元由1个低压PWM 功率单元串联组成，
多绕组的隔离变压器供电．
美国罗宾康（ROBICON ）公司利用单元串联多重化技术，生产出功率为315kW 10000kW 的完美无谐波（Perfect Harmony ）高压变频器，无须输出变压器实现了直接3．3kV 或6kV 高压输出．无须外加滤波器即可满足供电部门对谐波的严格要求，其输入功率因数可达0．95以上，THD ＜1%．但是，由于采用二极管不可控整流电路，能量无法回馈电网，所以这种变频器不能四象限运行．
3）输入输出双PWM 结构的三电平变频器．从船舶负载种类而言，风机、泵类等是不要求四象限运行的设备，单元串联多重化电压源型变频器有较大的应用前景．但是，对于电力推进、提升等类负载，则
要求四象限运行，此时适合采用输入输出双PWM 结构的三电平变频器，如图5所示
．
图5双PWM 型变频器
双PWM 变频器的典型产品是AB 公司的Pow-erFlex7000系列中压变频器，采用18脉冲驱动方
4．16kV 和6kV 案，变频器输出电压分别有3．3kV 、可选，也可省去图5中的变压器，属于真正意义的高
－高方案．可靠性高，结构简单，整流桥是PWM 控制，因而电网谐波含量小，输入输出波形好，具有四象限运行和能量回馈功能，将电解电容改为大电感，则为电流源型变频器，能快速响应负荷变化．
器．而且目前由于器件耐压的限制，输出电压只能达
到4．16kV ，无法给6kV 电机供电；单元串联多重化变频器非常适合船上的风机、泵类等是不要求四象限运行的设备；输入输出双PWM 结构的三电平变频器具有电网谐波含量小、输入输出波形好、能四象限运行等诸多优点，具有良好的发展前景．
参考文献：
［1］刘
．船电技术，2005凯，李明勇．多相整流谐波抑制技术［J ］
鹏，倪明杰．大型船舶电力系统关键技术与应用
3结束语
（3）：26－29．［2］邰能灵，王
［M ］．北京：科学出版社，2012．
［3］徐甫荣．中高压变频器主电路拓扑结构的分析比较［J ］．电气
2003（4）：5－12．传动自动化，［4］孟晓芳，李
策，王
钰．西门子系列变频器及其工程应用
［M ］．北京：机械工业出版社，2008．
传统的二电平6脉冲变频器由于其本身的缺
IGCT 的点，大功率使用受到限制．采用高压IGBT 、三电平变频器具有结构简单、可靠性高、器件数量
少、效率高的优点．但波形稍差，需加LC 输出滤波
Ship Medium Voltage Inverter Topology Structure
and Its Harmonic Suppression Technology
BAI Ming
（Department of Ship Engineering ，Guangzhou Maritime Collage ，Guangzhou 510725，Guangdong ，China ）Abstract ：This paper introduces several common ship medium voltage inverter main circuit topology structures ，then has a research on their advantages and disadvantages ，especially the harmonic suppression problem ，and final-ly puts forward a preliminary prediction for the development direction of the ship medium voltage inverter．Key words ：medium voltage inverter ；topology structure ；harmonic suppression