多重化技术就是每相采用几个低压 PWM 功率单元串联组成，各功率单元由一个多绕组隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制并以光导纤维隔离驱动。多重化技术从根本上解决了一般 6 脉冲与 12 脉冲变频电源产生的谐波问题，可实现完美无谐波变频电源。图2-3 为 6 kV 变频电源的主电路拓扑图。

图2-3 多重化变频器拓扑结构图

由电网引入的三相高压交流电经移相变压器，由其二次侧每相 5 个二次绕组将电压移相 12° 供给 5 个功率单元。各功率单元如图2-4 所示，即为常规交-直-交电压型逆变器：输入侧为三相全桥二极管不控整流，中间为电容滤波环节，输出侧为 IGBT 单相全控形式，即 A、B 两点之间得到 PWM 波形，5 个功率单元相叠加即可输出高电压正弦波给交流感应电动机。每个功率单元承受电压 690 V，5 个单元串联后相电压为 3450 V、对应线电压为 6000 V。

图2-4 五功率单元串联变频器的电气连接

该变频电源在系统设计上采用多项先进技术：

（1）曲折变压器移相技术。逆变整流侧通过曲折变压器移相实现 30 脉冲整流，理论上 29 次以下谐波电流都可消除，使谐波抑制能力大大加强。因整流桥采用二极管不控整流，任何负载下输入电压与输入电流相移接近 1，这种关系经变压器折合到一次侧，使电网侧电压与电流几乎无相移，功率因数可接近 1。

（2）采用高频快速 IGBT 作主回路开关器件，提供较高开关频率以减小电流与转矩脉动。

（3）采用全数字化光纤控制技术，控制柔性与可靠性大大提高。

（4）多级 PWM 输出波形生成技术。单元逆变桥输出 PWM 波形和以及 5 级移相叠加后得到的输出电压呈电平台阶逐级错开的理想状态，实现高质量功率输出、大大减小输出 du/dt 对电动机绕组的冲击。在这种 PWM 控制下，功率器件开关频率是电动机绕组等效开关频率的 10 倍，以较小器件开关损耗实现较高电动机运行性能。

图2-5 功率单元电路

图2-6 五功率单元串联输出电压波形

（5）实现了功率单元标准模块化、IGBT 驱动电路智能化，并在功率单元回路设计中应用功率母线技术，系统有完善的检测与保护功能。

图2-4 中每个功率单元都是由低压 IGBT 构成的三相输入、单相输出的低压 PWM 电压型逆变器，功率单元电路见图2-5。每单元输出电压有 1、0、-1 三种状态电平，每相 5 个单元叠加可产生 ±5、±4、±3、±2、±1 与 0 共 11 种不同电平等级。图2-6 为一相合成的正波输出电压波形。用这种多重化技术构成的中压变频电源，也称单元串联多电平 PWM 电压型变频电源。它采用功率单元串联而不是传统功率器件串联实现高压输出，故不存在器件均压问题。每个功率单元承受全部输出电流，但仅承受 1/5 的输出相电压与 1/15 的输出功率。

由于采用多重化 PWM 技术，由 5 对依次相移 12° 的三角载波对基波电压调制。对 A 相基波调制所得 5 个信号分别控制 A1～A5 五个功率单元，叠加可得图2-6 所示 11 级阶梯电平相电压波形，线电压波形有 21 阶梯电平，相当于 30 脉波变频，理论上 19 次以下谐波都可抵消，总电压、电流失真率可分别低于 1.2% 与 0.8%，堪称完美无谐波变频电源。其输入功率因数可达 0.95 以上，不必设置输入滤波器与功率因数补偿装置。

变频电源同一相功率单元输出相同基波电压，串联各单元载波错开一定相位。每单元 IGBT 开关频率若为 600 Hz，则 5 个单元串联时等效输出相电压开关频率为 6 kHz。功率单元用低开关频率可降低开关损耗，高的等效输出开关频率与多电平可大大改善输出波形。波形改善除减小输出谐波外，还可降低噪声、du/dt 值与电动机转矩脉动。故这种变频电源对电动机无特殊要求，可用于普通笼型电动机而不必降额，对输出电缆长度也无特殊限制。由于功率单元有足够滤波电容，变频电源可承受 30% 电源电压下降与 5 个周期的电源丧失。这种主电路拓扑虽使器件数量增加，但 IGBT 驱动功率很低，且不必采用均压电路、吸收电路与输出滤波器，变频电源效率可高达 96% 以上。

单元串联多重化变频电源优点是：①采用功率单元串联，可使用技术成熟、价格低廉的低压 IGBT 组成逆变单元，通过串联单元个数适应不同输出电压要求；②完美的输入输出波形可适应任何场合及电动机使用；③多功率单元结构、参数相同，便于模块化、实现冗余设计，个别单元故障时可通过旁路功能短路该单元，系统仍能正常或降额运行。

其缺点是：①所用功率单元及器件数量太多，6 kV 系统要用 150 只功率器件（90 只二极管、60 只 IGBT），装置体积大、重量大、占用空间大；②无法实现能量回馈及四象限运行，且无法实现制动；③电网电压和电动机电压不同时无法实现旁路切换控制；④所需高压电缆太多、系统内阻增大、接线多、故障点增多；⑤一个单元损坏时可旁路，但此时输出电压不平衡、中心点电压浮动，造成电压电流不平衡、谐波增大，长时间运行会损坏电动机；⑥输出电压波形额定负载时尚好，低于 25 Hz 以下波形畸变突出；⑦由于系统存在变压器、系统效率不高，移相变压器中延边三角形接法在三相电压不平衡（三相电压不可能绝对平衡）时产生内部环流，引起内阻增加与电流损耗、增大变压器铜损，再加铁芯固有损耗，变压器效率降低、影响整个中压变频电源效率，且越低于额定负荷越显著。10 kV 时变压器有近 400 个接头、近百根电缆，额定负荷时效率可达 96%，轻负荷时效率低于 90%。

用功率单元串联构成中压变频电源的另一种改进方案是采用高压 IGBT 器件以减少串联单元数。例如用 3300 V 耐压 IGBT，两个功率单元串联的变频电源可输出 4.16 kV 中压；6 kV 输出只需三个单元串联。功率单元与器件数量减少，使损耗与故障减少，利于提高装置效率与可靠性、缩小体积。但因电平级数减少、输出谐波增加，为获优良输出波形必须加输出滤波器；且高压 IGBT 比普通低压 IGBT 成本高，虽功率器件减少但成本不一定下降。