二极管箝位中压三电平变频器系统设计(1)
日期：2010-12-1 21:39:58 点击：
来源：网络
作者： 未知
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1、绪论
中压大功率传动系统已在工业生产中得到了广泛应用，例如石化行业中的管道泵、水泥行业中的风机、水泵站的供水泵、运输行业中的牵引机械以及冶金行业中的轧机等。与低压传动相比，中压传动在很多方面都有更高的技术要求和挑战。在低压传动中，一些无足轻重甚至根本不存在的问题，在中压传动中却是必须解决的问题，这些技术难点大体包括：与网侧整流器电能质量相关的技术要求、与电动机侧逆变器设计相关的技术难点、开关器件的限制和传动系统的整体要求等。传统的两电平逆变器在大功率应用时存在许多问题：需要笨重、耗能、昂贵的变压器；为了得到高质量的输出波形而提高开关频率，造成很高的开关损耗，而为了适应高电压的要求，需采用器件串联，因而需要复杂的动态均压电路。为此，德国学者Holtz于1977年提出了三电平逆变器的电路拓扑，其中每相桥臂带一对开关管，以辅助中点箱位。后来，1980年日本学者Nabae在此基础上继续发展，将这些辅助开关变为一对二极管，分别与上下桥臂串联的主管中点相连，以辅助中点箱位。该电路比前者更易于控制，且主管关断时仅承受直流母线一半的电压，因此更为实用。
2、三电平变频器主回路设计
三电平变频器主电路示意图如图1所示。其中，移相变压器一次为△接，二次侧分别为Y接和△接的两个对称绕组。两个二次绕组的输出分别经过两个完全相同的6脉波整流单元形成12脉波整流器。12脉波整流器可使各6脉波二极管整流器产生的低次谐波相互抵消，从而降低网侧电流的谐波畸变，提高网侧的功率因数。一般来说，二极管整流器脉波数目越多，输出网侧电流的谐波畸变越小。但在实际产品中很少采用脉波数多于30的二极管整流器，主要原因在于变压器的成本会增加很多，而性能的改变却不明显。因此，本文采用12脉波二极管整流。
图1二极管箝位的三电平变频器主回路
由图1可见，每一个桥臂上有4个IGBT、2个箝位二极管和4个反向恢复二极管。以A相为例，当和或者它们的体二极管导通时，电机定子A相电压为；当和或者们的体二极管导通时，定子A相电压为；当和导通时，定子A相电压为0。和不可能同时导通，哪一个导通取决于A相负载电流的方向。因此，对于三电平逆变器来说其交流侧电压有、0、3种状态，3个桥臂进行组合，共有=27种开关状态，即有27个空间电压矢量。该拓扑结构的不足之处在于：三电平及以上逆变器需要器件数量较多，控制复杂性明显增加以及中性点电压发生波动。
3、三电平变频器控制回路设计
三电平变频器控制系统框图如图2所示。包括12路IGBT驱动电路、电压、电流检测电路、接口处理电路、DSP控制电路及人机交互界面等。
图2三电平变频器控制系统框图
其中，DSP控制电路按照人机界面输入的电机参数及工作模式等指令输出相应的PWM驱动信号，驱动信号经接口电路处理后由光纤发送至驱动电路。驱动电路接收光纤的信号并由专用的驱动芯片2SD315AI驱动IGBT。电压、电流检测分别采用LEM公司生产的高精度电压霍尔和电流霍尔。电压检测包括正负母线电压检测和中点电压检测。检测电路返回的电压、电流值经过接口电路处理整定后送给DSP控制电路进行运算。当母线电压或中点电压波动超出允许范围时，保护电路动作，封锁IGBT信号，并通过人机界面显示当前报警。
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1、绪论
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中压大功率传动系统已在工业生产中得到了广泛应用，例如石化行业中的管道泵、水泥行业中的风机、水泵站的供水泵、运输行业中的牵引机械以及冶金行业中的轧机等。与低压传动相比，中压传动在很多方面都有更高的技术要求和挑战。在低压传动中，一些无足轻重甚至根本不存在的问题，在中压传动中却是必须解决的问题，这些技术难点大体包括：与网侧整流器电能质量相关的技术要求、与电动机侧逆变器设计相关的技术难点、开关器件的限制和传动系统的整体要求等。传统的两电平逆变器在大功率应用时存在许多问题：需要笨重、耗能、昂贵的变压器；为了得到高质量的输出波形而提高开关频率，造成很高的开关损耗，而为了适应高电压的要求，需采用器件串联，因而需要复杂的动态均压电路。为此，德国学者Holtz于1977年提出了三电平逆变器的电路拓扑，其中每相桥臂带一对开关管，以辅助中点箱位。后来，1980年日本学者Nabae在此基础上继续发展，将这些辅助开关变为一对二极管，分别与上下桥臂串联的主管中点相连，以辅助中点箱位。该电路比前者更易于控制，且主管关断时仅承受直流母线一半的电压，因此更为实用。
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2、三电平变频器主回路设计
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三电平变频器主电路示意图如图1所示。其中，移相变压器一次为△接，二次侧分别为Y接和△接的两个对称绕组。两个二次绕组的输出分别经过两个完全相同的6脉波整流单元形成12脉波整流器。12脉波整流器可使各6脉波二极管整流器产生的低次谐波相互抵消，从而降低网侧电流的谐波畸变，提高网侧的功率因数。一般来说，二极管整流器脉波数目越多，输出网侧电流的谐波畸变越小。但在实际产品中很少采用脉波数多于30的二极管整流器，主要原因在于变压器的成本会增加很多，而性能的改变却不明显。因此，本文采用12脉波二极管整流。
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图1二极管箝位的三电平变频器主回路
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由图1可见，每一个桥臂上有4个IGBT、2个箝位二极管和4个反向恢复二极管。以A相为例，当和或者它们的体二极管导通时，电机定子A相电压为；当和或者们的体二极管导通时，定子A相电压为；当和导通时，定子A相电压为0。和不可能同时导通，哪一个导通取决于A相负载电流的方向。因此，对于三电平逆变器来说其交流侧电压有、0、3种状态，3个桥臂进行组合，共有=27种开关状态，即有27个空间电压矢量。该拓扑结构的不足之处在于：三电平及以上逆变器需要器件数量较多，控制复杂性明显增加以及中性点电压发生波动。
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3、三电平变频器控制回路设计
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三电平变频器控制系统框图如图2所示。包括12路IGBT驱动电路、电压、电流检测电路、接口处理电路、DSP控制电路及人机交互界面等。
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图2三电平变频器控制系统框图
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其中，DSP控制电路按照人机界面输入的电机参数及工作模式等指令输出相应的PWM驱动信号，驱动信号经接口电路处理后由光纤发送至驱动电路。驱动电路接收光纤的信号并由专用的驱动芯片2SD315AI驱动IGBT。电压、电流检测分别采用LEM公司生产的高精度电压霍尔和电流霍尔。电压检测包括正负母线电压检测和中点电压检测。检测电路返回的电压、电流值经过接口电路处理整定后送给DSP控制电路进行运算。当母线电压或中点电压波动超出允许范围时，保护电路动作，封锁IGBT信号，并通过人机界面显示当前报警。
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4、三电平电压空间矢量脉宽调制技术
多电平电压空间矢量脉宽调制SVPWM方法和两电平一样，都是源于电动机磁链跟踪技术，采用电压矢量等效合成逼近的方法，以电动机磁链轨迹尽量逼近圆形为目标，进行具体的开关方式切换和控制。这种控制方法具有电压利用率高，开关次数少，易于数字实现等优点。因此是目前国内外中大功率变频器中使用最广泛的一种控制方法。
设异步电机由理想的三相对称电压源供电，即
（1）式中，为电源电压有效值，为电源电压的角频率。因为U、V、W三相在空间上互差，所以，采用电压空间矢量的概念后，可表示如下：
图3三电平电压空间矢量图
图4第一扇区电压空间矢量
由于空间矢量图的对称特性，只分析其中的一个区域即可，如图4中的大三角形。当参考矢量落入某一个三角形区域中时，为了在输出得到相应频率的正弦波电压和减少输出电压的谐波含量，就用组成该三角形的三个矢量合成该参考矢量，各矢量的作用时间和参考矢量的关系，应该满足如下公式：
表1电压空间矢量调制方法矢量作用时间表
可以得到在1、2、3、4等区域内各矢量作用时间，如表1所示，其中。
在实际实现电压空间矢量调制SVPWM方法时，首先需要根据参考电压空间矢量的模长和相角判断出参考电压矢量的顶端落在哪一个扇区的哪一个区域，然后根据检测到的直流母线电压数值，该区域内的电压空间矢量和该区域的约束方程，计算出各电压空间矢量的作用时间，最后根据时间顺序输出电压空间矢量，即可以实现SVPWM调制，实现圆形磁通的逼近。
5、结论
多电平逆变器是一种新型的高压大容量功率变换器，它的主要优点是：电平数目越高，输出的电压谐波含量越低，开关频率低，开关损耗小；器件应力小，无须动态均压。三电平逆变器的结构较简单，其电路拓扑形式从一定意义上来说可以看成多电平逆变器结构中的一个特例，它的中点箝位及维持中点电位动态平衡技术、功率器件尖峰吸收缓冲电路、PWM算法简化及控制策略、高压功率器件的驱动及系统的工作电源等也是多电平逆变器控制需要研究解决的问题。从目前功率开关器件发展的水平来看，短时间还不可能出现耐压上万伏的器件，多电平技术是解决高压大功率变频调速的一个有效途径，同时在当前电力系统高压直流输电的趋势下，多电平技术在电力输配电方面也有着重要的作用。
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多电平电压空间矢量脉宽调制SVPWM方法和两电平一样，都是源于电动机磁链跟踪技术，采用电压矢量等效合成逼近的方法，以电动机磁链轨迹尽量逼近圆形为目标，进行具体的开关方式切换和控制。这种控制方法具有电压利用率高，开关次数少，易于数字实现等优点。因此是目前国内外中大功率变频器中使用最广泛的一种控制方法。
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图3三电平电压空间矢量图
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图4第一扇区电压空间矢量
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由于空间矢量图的对称特性，只分析其中的一个区域即可，如图4中的大三角形。当参考矢量落入某一个三角形区域中时，为了在输出得到相应频率的正弦波电压和减少输出电压的谐波含量，就用组成该三角形的三个矢量合成该参考矢量，各矢量的作用时间和参考矢量的关系，应该满足如下公式：
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表1电压空间矢量调制方法矢量作用时间表
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可以得到在1、2、3、4等区域内各矢量作用时间，如表1所示，其中。
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在实际实现电压空间矢量调制SVPWM方法时，首先需要根据参考电压空间矢量的模长和相角判断出参考电压矢量的顶端落在哪一个扇区的哪一个区域，然后根据检测到的直流母线电压数值，该区域内的电压空间矢量和该区域的约束方程，计算出各电压空间矢量的作用时间，最后根据时间顺序输出电压空间矢量，即可以实现SVPWM调制，实现圆形磁通的逼近。
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5、结论
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多电平逆变器是一种新型的高压大容量功率变换器，它的主要优点是：电平数目越高，输出的电压谐波含量越低，开关频率低，开关损耗小；器件应力小，无须动态均压。三电平逆变器的结构较简单，其电路拓扑形式从一定意义上来说可以看成多电平逆变器结构中的一个特例，它的中点箝位及维持中点电位动态平衡技术、功率器件尖峰吸收缓冲电路、PWM算法简化及控制策略、高压功率器件的驱动及系统的工作电源等也是多电平逆变器控制需要研究解决的问题。从目前功率开关器件发展的水平来看，短时间还不可能出现耐压上万伏的器件，多电平技术是解决高压大功率变频调速的一个有效途径，同时在当前电力系统高压直流输电的趋势下，多电平技术在电力输配电方面也有着重要的作用。
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