图2:功率单元结构
每个功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。如采用每相六单元串联的形式，则每个功率单元承受全部的输出电流，但仅承受1/6的输出相电压和1/18的输出功率；对于6KV的电机系统，每单元输出电压0~590V可调，频率0~50Hz可调，从而可实现变频控制。
单元串联型高压变频器各的功率单元采用载波相移PWM技术进行控制，对于图1所示的变频器由n对依次相移60°/n的三角载波对参考波电压进行调制。对A相基波调制所得的n个信号，分别控制A1～An n个功率单元，经叠加即可得具有2*n+1级阶梯的相电压波形。它相当于6*n脉波变频，理论上6*n-1次以下的谐波都可以抵消，总的电压和电流畸变可低至1％左右，因此也堪称完美无谐波变频器。该系列变频器同一相的功率单元输出相同的基波电压，串联各单元之间的载波错开一定的相位，每个功率单元的IGBT开关频率若为1KHz，则当每相有6个功率单元串联时，等效的输出相电压开关频率为12KHz。功率单元采用低的开关频率可以降低开关损耗，而高的等效输出开关频率和多电平可大大改善输出波形。波形改善除减小输出谐波外，还可降低噪音、du/dt值和电机的转矩脉动。所以这种变频器用于调速电源对电机无特殊要求，可用于普通的高压电机，且不必降额，对输出电缆长度也没有特殊限制。
二 单元串联型高压变频器故障处理方法分析
为了提高单元串联型变频器的可靠性，使其在部分功率单元发生故障后仍能够继续运行，传统的故障处理方法是采用屏蔽掉故障单元与另外两相中相应的非故障单元，以保持变频器的平衡运行，这样势必会造成非故障单元的浪费，因而最大输出能力较低。该方法的优点在于原理简单，技术成熟可靠。
为了在单元故障后充分利用所有的非故障单元，进一步提高多电平逆变器的输出性能，可以采用中性点移位技术。中性点移位原理是利用变频器的中性点是浮动的，且不连接到负载中点（例如目前广泛应用的三相电动机），因此变频器中性点可以偏离负载中点。尽管变频器输出三相相电压不平衡，但通过调整相电压的相位可以得到三相平衡的负载线电压。这样的调整方式，相当于故障后在各相剩余单元输出的不对称电压上共同叠加一个零序分量，以合成三相对称的线电压。由于两个中点不直接连接，因此该线电压在负载上可以产生对称的负载相电压，从而保证负载的对称稳定运行。但是由于三相不再对称，此时通过注入三次谐波以提高单元电压利用率的优化控制方法不再适用，因此，中性点移位的处理方式并没有充分利用系统的最大输出能力。某些故障状态下，其最大输出能力甚至比传统的屏蔽故障单元及其对应另外两相非故障单元的处理方式还要低。
以六单元级联系统为例，当A相一个单元故障时，三种故障处理方式的原理及输出情况对比如图3所示。
图3:三种故障处理方式对比
为了验证分析级联型变频器上述三种故障处理方法的输出性能，利用LabVIEW虚拟仪器软件平台和凌华PCI-9846高速数字化仪搭建了测试系统。LabVIEW采用图形化系统设计理念以及独特的并行数据流特征，在主控界面搭建、故障处理方法设计、信号采集与处理以及电压信号性能分析等方面具有明显的优势。由于级联型变频器等效的输出相电压开关频率为每个开关器件开关频率的若干倍，输出电压谐波分布在较高频段，因此变频器输出特性分析系统对数据采集设备的采样率要求较高，普通的数据采集设备难以满足如此高的采样要求。凌华科技公司的模块化仪器PCI-9846具有高采样率和高采样精度、兼容性好等优点,该设备最高采样频率为40MHz,内置四个高线性度的16位高精度A/D,并能实现四通道同时采样，在对高频信号的采集上具有很大的优势,非常适合对级联型变频器三相输出高频信号的采集和处理。凌华科技同样提供针对LabVIEW的驱动程序，无需过多考虑兼容性问题，缩短了系统开发时间。
基于LabVIEW虚拟仪器软件平台和凌华PCI-9846数字化仪的级联型变频器输出特性测试系统原理框图如图4所示。
图4:测试系统原理框图
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