主电路
三环系列高压变频器通过将多个低压功率单元的输出叠加起来得到 中高压。低压功率单元是简单改进后的标准低压PWM（脉宽调制）电机 变频器，这种低压变频器已广泛应用了许多年。下图所示为6000V三环 系列变频器的典型电路拓扑图，采用630V单元。电机的每相由六个功率 单元串联进行驱动，串联方式采用星型接法，中性线浮空。每个单元由 一个隔离变压器的隔离次级绕组供电。18个次级绕组各自的额定电压均 为630VAC，功率为总功率的18分之一。功率单元与其对应的变压器次 级绕组以及对地绝缘等级为5 kV。对于不同的输出电压等级，只需改变 每相串联的单元数目，其基本原理是一致的。对3000V变频器来说，每 相4个功率单元串联，隔离变压器有12个次级绕组。10KV变频器每相8 个功率单元串联，隔离变压器有24个次级绕组。 每相三个630V AC功率单元串联可产生3000V AC相电压，六个 630V AC功率单元串联时产生的相电压为6000V AC。还可以提供其它单 元电压等级，对于不同的输出电压，单元的数量将不一样，但是，其基 本原理是一样的。所有的功率单元都接收来自同一个中央控制器的指令。 这些指令通过光纤电缆传输以保证绝缘等级达到5kV。
单元控制方式
结合中高压变频器现阶段普通采用的两类波形控制方式之优 缺点，PWM载波移相控制技术和矩形堆波控制技术，三环系列 高压变频器采用一种混合使用两类波形控制方式并实现无扰动 双向切换的新型方案。 当输出频率较低时，采用PWM载波移相 控制技术；当输出频率较高时，则采用矩形堆波控制技术，并 实现当频率由高到低（或由低到高）变化时输出波形的无扰动 切换。当高压变频器输出频率较高时，使用矩形堆波控制技术， 既能满足谐波含有率小的要求，也使功率器件开关频率大大降 低，最大限度地减少了开关损耗。当输出频率较低时，使用 PWM载波移相控制技术，使得输出电压波形更接近正弦波，谐 波含有率小。另外采用无扰动切换技术，保证两种控制方式切 换时输出波形无扰动平滑改变，从而长时间稳定可靠运行。
10
3X12
3X8
最大 5000
75A、100A、150A、200A、300A、 400A、600A、800A
产品内部结构—控制LC接 受诸如目标频率/目标电压等信 息；同时把故障信息/当前频率 /电压等反馈给PLC。 根据目标频率，产生符合频 率/电压/相位的各单元的开关 波形，并通过光纤发送到各单 元驱动板。 从单元驱动板接收故障信号 并做出单元旁路等处理。 与旁路控制板通讯，通知应 被旁路的故障单元号。
功率单元参数表
线电压 (kVAC)
单元输入电压(VAC)
功率单元个数 功率范 围(KW) IGBT选型值
I型
II型
I型
II型
3
3X5
3X4
最大 1600
75A、100A、150A、200A、300A、 400A、600A、800A
6
420
630
3X9
3X6
最大 3200
75A、100A、150A、200A、300A、 400A、600A、800A
一个完整的功率单元主要由熔断器、整流桥、电解电容、 IGBT、单元驱动板等几个部分构成： 熔断器：主要起过流保护作用； 整流桥：把3相交流整流成直流。 电解电容：起存储能量以及平整滤波的作用； IGBT：功率开关器件，通过控制IGBT的开关得到所需的 PWM波形(DC-AC的逆变过程)； 单元驱动板：负责和主控通讯，从主控得到IGBT的开关状 态并把故障情况报告给主控（如过压/欠压/IGBT损坏/通讯异 常等故障）；同时控制/驱动4个IGBT的开关。
原理简介
输入隔离移相工频变压器将输入的高压工频电变换成为 多组彼此间相互绝缘、电位独立的低压工频电输出，并分别 送到各个变频单元中，各变频单元将输入的各组低压交流电 分别经整流滤波变换成直流电。
主控部分的硬件组成
主控部分的硬件构成如上图所示，由一块底板，6块光 纤接口板，1块电源/显示板以及1块FPGA主控板共9块 PCB板构成。
A相波形如下图所示：
RA
L1 R1 A1 L2 R2 A2 L3 R3 A3 AN
6KV 异步电动机
为功率单元提供电源的变压器次级绕组在绕制时相互之间有一 定的相位差，这样消除了大部分由独立功率单元引起的谐波电流， 所以初级电流近似为正弦波，因而功率因数能保持较高—满载时典 型为95％以上。 本例中，由630VAC次级供电的三相二极管整流器将直流电容 器组充电至约900VDC，该直流电压提供给由IGBT组成的单相H形 桥式逆变电路。 在任意时刻，每个单元仅有三种可能的输出电压，如果Q1和 Q4导通，从T1到T2的输出将为+900V，如果Q2和Q3导通，输出将 为-900V，如果Q1和Q3或者Q2和Q4导通，则输出为0V。 每相6个功率单元，所示电路可提供13种不同的相电压 (±5400V，±4500V， ±3600V， ±2700V， ±1800V，±900V 或0V)。每相8个功率单元可提供17种不同的电压等级。可提供许多 不同电压等级的能力使得变频器能产生非常接近正弦波的输出波形。
6KV交流 输入
功率单元 A4 功率单元 B4
功率单元 C3
功率单元 C4 功率单元 A5 功率单元 B5 功率单元 C5 功率单元 A6 功率单元 B6 功率单元 C6
6KV 异步电动机
产品内部结构—功率单元柜
产品内部结构—功率单元
单元采用3相全桥不可控整流，H桥逆变方式， 与控制部分采用光纤通讯，单元3相输入采用熔 断器保护
各PCB板的说明： 底板：底板主要给各子板提供连接线，上有8个120针插座，8块子 板分别通过插座与底板连接；从右至左分别为：电源/显示板，FPGA 主控板以及6块光纤接口板。 电源/显示板：其功能为5V电源接入以及故障显示。 主控板：该板是主控部分的核心，主控部分的主要功能几乎均由该 板控制以及实现。 光纤接口板：6块光纤接口板的原理图和印制板完全相同，可以很 方便地更换。从右至左分别为A相/B相/C相，板上的主要器件为光电 转换模块。另外该板上还有波形采样叠加电路，可以在实验室很方便 地用示波器观察各相波形。
630VAC
630VAC
630VAC
630VAC
630VAC
旁路部分
630VAC
630VAC
630VAC
630VAC
630VAC
3M
630VAC
630VAC
630VAC
630VAC
630VAC
单元输出电压为630V，每相采用4/6/8/9单元串联，输出线 电压3KV/6KV/10KV，中心点采用不接地方式。
核心的部件，包括 变压器 、控制UPS电 源 、直流电源 、动 力电缆等均由同类产 品知名供应商提供。
旁路柜
1100mm×2400mm×1200mm
隔离移相变压器柜
2100mm×2400mm×1200mm
功率单元柜和控制柜
1880mm×2400mm×1200mm
产品内部结构—旁路柜
手动旁路柜
自动旁路柜
产品内部结构—变压器柜
移相变压器实物图
功率单元 A1 功率单元 B1
移相 变压器
功率单元 C1 功率单元 A2 功率单元 B2 功率单元 C2 功率单元 A3 功率单元 B3
为功率单元提供电源的变压器 次级绕组在绕制时相互之间有一定 的相位差，这样既大大降低了输入 谐波电流，也使得功率因数能在较 高或满载负荷时能达到95％以上。 以6KV为例，左图中的移相隔 离变压器采用了36脉冲整流，输 入电流谐波已能满足企业标准和 IEEE519的规定和要求。在实际制 造时，脉冲整流数目还可以更多一 些，例如10KV采用48脉冲整流电 路结构。
采样板的主要功能
采样板是控制系统的一个重要部件，主要完成变频器输出的三相电 压、三相电流的采集以及系统远程转速给定（4～20ma）信号的转换， 然后预留一个通道备用；此外，它也完成PLC指令（急停）信号的传 递，同时在单元故障时，负责采集电机的感应频率和感应电压。
原理简介
中高压变频器为标准三相交流中高压感应电动机应用 而设计。异步电机由于具有经久耐用、结构简单、适应性 强、价格低廉等特点而得到广泛应用。另一方面，同步电 机应用于对效率要求比较高的场合。然而，在由公用电网 （60或50Hz）供电时，电机速度是固定的。三环系列高 压变频器可以在不影响电机性能的前提下进行调速。它通 过将固定频率、固定电压的公用电源转换为可变频率、可 变电压的电源而改变电机速度，这种变换是电子式的，无 任何运动部件。与老式变频器不同，三环系列高压变频器 在转换过程中不会产生用户不希望的副作用。
180 0 载波相位差（三相同一位子单元）= 变频器总单元数
PWM载波移相控制在高压变频器低频输出时不但有完美无谐 波的美誉，输出波形好，谐波含有率低，而且开关频率较低，开 关损耗较小。
波形生成及叠加原理
下面将以每相3单元构成的3KV高压变频器为例，来说明波形生成及 叠加的基本原理。对于其他机型（比如6单元6KV，8单元10KV等）， 原理和本例同理。 本例中，由630VAC次级供电的三相二极管整流器将直流电容器组充 电至约900VDC，该直流电压提供给由IGBT组成的单相H形桥式逆变电 路。 在任意时刻，每个单元仅有三种可能的输出电压，如果Q1和Q4 导通，从T1到T2的输出将为+900V，如果Q2和Q3导通，输出将为900V，如果Q1和Q3或者Q2和Q4导通，则输出为0V。 每相3个功率单元，电路可提供七种不同的相电压(±2700V， ±1800V，±900V或0V)。每相6个功率单元可提供13种不同的电压等 级。可提供许多不同电压等级的能力使得三环高压变频器能产生非常接 近正弦波的输出波形。
特点： 不会使工厂配电系统产生明显的谐波失真；不需要电源滤波器；对 敏感设备无干扰；不会使功率因数补偿电容器产生谐振问题。 功率因数很高，在整个速度范围内典型值为95%或更高，无需进行 功率因数补偿。 无需因输出谐波而降低电机的任何额定值。与直接采用电网电压相 比，电机不产生额外热量。 不会产生引起机械共振的转矩脉动。 与直接使用电网电源相比，不会使电机噪音明显增加。 与直接使用电网电源相比，不会对电机绝缘产生明显影响。 在整个电机速度范围内可以不限制电机额定转矩，而仅受电机本身 过热限值影响。 风机噪音典型小于75分贝，所以即使在满负荷运行的变频器旁边也 可以进行正常的交谈。 采用完全模块化结构，所以，如果需要，可在数分钟内更换损坏的 模块。基于微处理器的高级诊断程序可精确查找任何故障位置。