（电力电子与电力传动专业论文）中高压变频器的研究与设计.pdf

a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m u l t i l e v e lc o n v e r t e r sh a v ep r e s e n t e da ni m p o r t a n td e v e l o p m e n tt o r e a c hh i g h e rp o w e rw i t i li n c r e a s i n gv o l t a g el e v e l a tp r e s e n t c a s c a d e dm u l t i c e l l c o n v e r t e r , d i o d ec l a m p e dm u l t i l e v e lc o n v e r t e ra n df l y i n gc a p a c i t o rm u l t i l e v e l c o n v e r t e ra r e3m a i n l yc o n v e r t i n gt o p o l o g i e s a m o n gt h e m ，c a s c a d e dc o n f i g u r a t i o n g a i n sm a n ya d v a n t a g e s ：r e d u c i n gh a r m o n i c si no u t p u tv o l t a g ea n di n p u tc u r r e n t ，s t a b l e s t a b i l i t y , a n dh i g he f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，c a s c a d e dc o n v e r t e rh a sb e e nc h o s e na st h e r e s e a r c hs u b j e c to f t h i sp a p e r t r a d i t i o n a lc a s c a d e dc o n v e r t e rh a san o n c o n t r o l l e dd i o d er e c t i f i e ri ne a c hp o w e r c e l la tt h ei n p u ts i d et h a td o e sn o tp e r m i tt h er e g e n e r a t i o no fp o w e rf r o mt h el o a dt o t h es o u r c e a n de a c hp o w e rc e l lu s e sa ni n p u tt r a n s f o r m e rw i t hm a n ys e c o n d a r y w i n d i n g st h a tc a u s eh i g h e rc o s ta n dm o r ec o m p l e xd e s i g ns t e p s t os o l v et h i sp r o b l e m ， an o v e lc a s c a d e dc o n v e r t e r 、啊t l lr e g e n e r a t i o nc a p a b i l i t ya n dh i g hp o w e rf a c t o ri s p r o p o s e d ，w h i c hh a sl e s sp o w e rp a r t sa n dd o s en o tu s ei n p u tt r a n s f o r m e r f i r s t l y , s e v e r a lt o p o l o g i e sa n dp w m m e t h o d sf o rt r a d i t i o n a lc a s c a d e dc o n v e r t e r a r ei n t r o d u c e di nt h et h e s i s s e c o n d l y , t h ec o n c e p ta n dc o n t r o ls t r a t e g yo f c a s c a d e dc o n v e r t e ra r ep r o p o s e di n d e t a i l a n dt h ep a p e ra l s o p r e s e n t st h em e t h o dt of o r mc a s c a d e dc o n v e r t e rb y c o n n e c t i n gc e l l si ns e r i e s n e x tb a s e do ns w i t c h i n gf u n c t i o na n dp o w e re l e c t r o n i c s p r i n c i p l e s m a t h e m a t i c a lm o d e lo f f i v e - l e v e lc o n v e n e rh a sb e e nb u i l t 、矾t 1 1t h eh e l po f m a t l a b ，t h em o d e li sr e a l i z e di nt h ec o m p u t e ra n ds o m es i m u l a t i n gr e s u l t sa r e s h o w e d a f t e r w a r d s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h eh a r m o n i cc o m p o n e n t so fc a r r i e r - b a s e d p w ms t r a t e g yw i t hm e t h o d so fm a t h e m a t i c sa n ds i m u l a t i o n b o t ho ft h em e a n s r e c e i v ec o i n c i d e n tr e s u l t sw h i c ha r es a t i s f i e d f i n a l l y , t h eh a r d w a r ed e s i g nf o rt h en e w c a s c a d e dc o n v e r t e ri si n t r o d u c e d ，t h i s d e s i g nh a ss o m e t h i n go fs i g n i f i c a n c ef o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho ft h em e d i u m - h i g h v o l t a g ec o n v e r t e r k e yw o r d s ：n o v e lc a s c a d ec o n v e r t e r , m a t h e m a t i cm o d e l ，m a t l a bs i m u l a t i o n ， h a r m o n i ca n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：豪华签字日期：2 。5 年1 月i 占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：叁盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 宾库 导师签名 签字日期：，一，年 月lp 日签字目期：驷哕年元月，r 日 第章绪论 第一章绪论 在电力拖动领域，解决好电动机的无级调速问题具有十分重要的意义。主要 表现在：可以提高工农业生产设备的加工精度：可以减小生产机械的体积和重量， 从而减少金属的耗用量；对于风机和泵类负载，如采用调速的方法改变其流量， 节电率可达2 0 一6 0 。基于以上原因，各种类型的变频器因其在交流调速领 域的广阔应用前景从问世以来一直是各方面关注的焦点。低压变频器的技术发展 己相当成熟，在节约能源方面已取得了很大成效。现在，中高压变频器因其在节 约能源方面的巨大潜力成为各国研究的重点。 1 1 中高压变频器的特点及其主要拓朴结构 中高压变频器主要指输出电压为2 3 0 0 v - 1 0 k v 的变频器。在中高压领域，由 于电力电子器件的耐压值和开关频率的限制以及价格因素的影响，目前单一的电 力电子器件还难于实现对中高压的幅值和频率的调整。为实现中高压领域的变频 调压，通常采取升降压，器件串并联的方式实现电源变换。 中高压变频器的拓扑结构一直随着电力电子器件的创新开发而不断发展变 化。随着电力电子器件从早期的s c r 到g t o 、i g b t 的过渡，陆续出现了普通 三相变频器、降压一普通变频器一升压电路、交交变频电路直到当前采用的多电 平变频器【l j 。 多电平变频器之所以成为中高压变频器发展的热点，是因为它具有以下突出 优点： 1 每个开关器件承受的电压值仅为母线电压的1 ( n 1 ) ( n 为输出电压的 电平数) ，使低压器件可在高压场合下应用。 2 随着输出电压电平数的增加，输出电压波形得到了很大改善。 3 每个开关器件的开关频率较低开关损耗小，但变频器整体的等效开关频率 高。 4 与两电平变频器相比由于输出电压电平数的增加，所以当输出电压值相同 时，电压的变化率小对电机绝缘的冲击小。 5 无需输出变压器，系统体积和损耗减小。 目前，多电平变频器的3 种主要电路拓扑结构为l “： 第一章绪论 i i 1 二极管嵌位型变频器 博厂篙 骘 l ：鐾 图i i 二极管嵌位型变频器拓扑结构 如图i - 1 所示k 1 ，k 2 为开关器件、d 1 ，d 2 为二极管、c 1 ，c l 为电容、k c 为直流电压。其结构特点是利用二极管限制开关器件两端的电压，使低压器件可 用于高压变换。 二极管嵌位型变频器的优点是： l 输出电平数多，谐波含量少。 2 开关器件工作频率低，开关损耗小效率高。 3 可控制无功功率流。 4 系统连接简单。 主要缺点： 1 需要大量嵌位二极管并且设计困难。 2 桥臂外侧开关器件的导通时间不一致，造成负荷不均衡。 3 存在直流电容分压不平衡问题。 1 1 2 电容嵌位型变频器 图i - 2 电容嵌位型变频器拓扑结构 如图i - 2 所示k 1 ，k 2 为开关器件、c 1 ，c 1 为电容、。为直流电压。这种 电路采用跨接在开关器件之间的电容进行嵌位。该电路的特是：电压合成方式灵 活。主要的缺点是电容体积大难以集成，控制复杂，开关频率高，损耗大。 第一章绪论 1 1 3 单元级联型变频器| 3 图1 3 单元级联型变频器拓扑结构 如图1 3 所示k 1 ，k 2 为开关器件、v d 。1 ，“为不同单元的直流电压。 其结构特点为整个系统的逆变侧由单相全桥逆变电路级联而成，每个单相全桥逆 变电路由一个独立的直流源供电无需嵌位二极管、电容。单相全桥逆变电路控制 技术成熟，易于模块化且不存在电容电压平衡问题。其缺点是：需要结构复杂的 输入变压器。 这3 种结构与普通两电平变频器相比具有以下优点：更适合大容量、高电压 场合。输出电压电平数多，理论上可使电压波形接近正弦波。谐波含量小电磁干 扰( e m i ) i h i 题大大减轻、效率高。 1 2 国内外中高压变频器的发展状况 国外对中高压变频器的研究较早技术领先1 4 j ，已有多家公司生产出成熟的产 品。如：德国西门子 s i e m e n s l 公司的s i m o v e r t m v 系列高压变频器，欧洲 a b b 公司的a c s1 0 0 高压变频器，美国g e 公司的m v 高压变频器，美国a b 公司的b l l e t t i n l 5 5 7 高压变频器，美国罗宾康r o b i c o n 公司的完美无谐波系列 高压频器，日本富士电机公司的f r e n i c4 6 0 0f m 4 高压变频器等。 国内起步较晚，只有几家公司推出了产品。 1 3 研究方向 本课题准备以单元级联型变频器作为研究内容，单元级联型变频器具有如下 的优点： 1 变频器的基本组成单元为技术成熟的低压模块价格较低。并且通过调整串 联单元的个数可满足输出电压的不同要求。 霪 第一章绪论 2 各个单元中器件的开关频率不高但变频器整体的等效开关频率很高。输出 电压波形接近正弦波，谐波含量少，无需输出滤波器，对电机冲击小。 3 由于各个基本单元具有相同的结构和参数，利于将基本单元模块化实现冗 余设计。即使个别单元发生故障时也可通过旁路功能将该单元短路，系统仍能降 额运行。 因此，单元级联型变频器具有高度的稳定性和可靠性。适于运行在对传动系 统稳定型要求较高的场合下。如锅炉引风机调速系统，输油管道泵站调速系统等。 因此，本课题以单元级联型变频器作为研究对象。 第章传统单元级联型中高压变频器 第二章传统单元级联型中高压变频器 2 1 传统单元级联型中高压变频器的几种拓扑结构 2 1 1 带有输入变压器的单元级联型中高压变频器 三相交流 o 辅入变压器 国2 - 1 单相单元级联型中高压变频拓扑结构 以单相单元级联型变频器为例，如图2 1 所示，a l - a m 为组成单元级联型变 频器的基本单元。每个基本单元都是一台单相变频器，其整流桥一般采用二极管 全桥不控整流形式。整流桥的电压输入端与输入变压嚣的一个独立的次级线圈相 连接。为了抑制变频器所产生的谐波对电网的影响。每个次级线圈的输出电压的 初相角不同l 鼠，巩，幺) 。基本单元的输出端相互串联形成变频器总电压输出。 图2 - 2 为各个基本单元输出电压波形和变频器总电压波形。如图所示取一- h 。为 各个基本单元的输出电压，变频器的整体输出电压由夸个基本单元的输出电压组 各个基本单元的输出电压，变频器的整体输出电压由夸个基本单元的输出电压组 合而成。 第二章传统单元级联型中高压变频器 第二章传统单元级联型中高压变频器 2 1 传统单元级联型中高压变频器的几种拓扑结构 2 1 1 带有输入变压器的单元级联型中高压变频器 相交流 鼠 且 岛 b 嗥 p 输八受址器 图2 - 1 单相单元级联型中高压变频拓扑结构 以单相单元级联型变频器为例，如图2 1 所示，a 1 a m 为组成单元级联型变 频器的基本单元。每个基本单元都是一台单相变频器，其整流桥一般采用二极管 全桥不控整流形式。整流桥的电压输入端与输入变压器的一个独立的次级线圈相 连接。为了抑制变频器所产生的谐波对电网的影响。每个次级线圈的输出电压的 初相角不同( 鼠，0 2 ，哦) 。基本单元的输出端相互串联形成变频器总电压输出。 图2 2 为各个基本单元输出电压波形和变频器总电压波形。如图所示1 矿k 为 各个基本单元的输出电压，变频器的整体输出电压由各个基本单元的输出电压组 合而成。 人 一。一璺三量堕篓苎黧壁翌妻童至錾塑堡 一， 。 n 1 i , d - ：2 | 、 1 趣靠i l 。j ：r _ _ l j 川 【。j ：j i 也 l 图2 - 2 变频器电压l i 鑫出波形 掇据组残基奉单霖瓣器件类型和辘入电压的差别，单元级联墼变频器霹分为 其有统一结构豹标准单茹缎联型变频器和澜合单元级联型变频器粥。 l 标准单元级联泌变频器 如墨2 - 1 所苯，这秘结掩的特点是构成各个基本单元的器件都完全楣商，弗 且每个蒸本单元的输入电压值也相同只是相蛊不髑。器个基本单元完全可以互 换。 2 混会单元级联型变频器 这神结构的特点是缎成各个基本单元的器件可以不同，如：不同的纂奉单元 _ 町蜜i g b t ，g t o 等器辞努剐褐残。或者备单元由同一种器件梅成，但是组成备 单元的器件参数举嗣。菏虽每个基本单元的输入电器藕和相健也不相同。如鞠 2 - 3 所示( 以单相两单元串联结构为例) 变频器的每一相均出高压模块a i 和低压 模块a 2 组成。高压模块的输入输出电愿值是低压模块的两倍。通过解懈模块输 出电压的不同组台，变频器总的输如鸯压霹鸯7 电平的形式。 a 1 隧2 - 3 单相混台单元级联壁变攘器拓扑终 鸯 第二章传统单元级联型中高压变频器 耋 尊士耋* 图2 4 混合单元级联变频器输出电压波形 混合单元级联型变频器的输出电压波形见图2 - 4 ，图( a ) 为低压单元输出电 压波形、图( b ) 为高压模块输出电压波形图( c ) 为总的输出电压波形。 2 1 2 带有输出变压器的单元级联型中高压变频器 a 1 三相 交流 图2 5 带有输出变压器的单元级联型中高压变频器拓扑结构 如图2 5 所示，这种结构的特点为：整个变频器由三个结构完全相同的三相 变频器单元组成( a l ，a 上，儿) 。三个变频器单元的输出电压通过输出变压器相 互叠加实现高压输出。与带有输入变压器的单元级联型中高压变频器相同，为了 抑制变频器所产生的谐波对电网的影响。每个变频单元的整流桥输入电压的初相 角( 舅，鼠，0 3 ) 不同。由于组成变频器的几个单元为通用变频器，因此可使 用成熟的控制方法。变频器单相的输出波形与图2 2 相似。 2 2 单元级联型中高压变频器控制方法 单元级联型中高压变频器可采用不同的方法对开关器件进行控制，主要可分 为载波参考波p w m 方式和单周期控制方式( 非载波参考波方式) 两种。 第二章传统单元级联型中高压变频器 2 2 1 载波一参考波p w m 方式 1 移相p w m 方式 a 单参考波法1 6 】 图2 。6 为单相两单元串联变频器采用单参考波调制方式时的相关波形。如图 所示，c l ，c 2 ，c 3 ，c 4 为载波，r 为参考波，p 1 ，p 2 ，p 3 ，p 4 是形成的触发信号。这种 方法的特点是变频器的两个基本单元使用同一个参考波r 。基本单元的不同桥臂 使用初相角不同的三角载波。图中载波的初相角依次为c 1 ( o o ) ，c 2 ( 9 0 。) ， c 3 0 8 0 。) 和c 4 ( 2 7 0 0 ) 。 v 广 厂 厂 厂 i 厂i 厂 j 广 n 厂 1 l 口 ； 图2 - 6 单参考波调制方式相关波形 b 多参考波法 这种方法的特点是变频器n 个基本单元使用不同初相角的参考波和载波， 详情见下一章。 2 分段p w m 方式【7 】 a 用于标准单元级联型变频器的分段p w m 控制 这种分段p w m 控制策略是将输出波形按实际连接的基本单元数进行划分。 其基本原理是在输出波形的1 4 周期内将其分为几个阶段，在各阶段形成宽度 不一的p w m 波。为了使叠加后的波形有较高的质量，合理划分直流波形的导通 区域有重要的意义。如图2 7 ( a ) 所示，阴影区域为直流波形叠加而成，由上而 下的4 个矩形区域分别由血，a 3 ，a 4 ，a 5 四个模块产生。a l 用于产p w m 波形，采 用正弦调制方法，如图2 7 ( b ) 所示。图2 - 7 ( c ) 是5 个基本单元串联形成的总输出 电压波形，5 个时段起点t o ，t t ，t 2 ，t 3 ，t 4 ，分别为各个基本单元开始导通的起 v m 咒 h 第二章传统单元级联型中高压变频器 l 罐：，。 凸：辫+ 1 ：蒜f 。r r o 。 9 第二章传统单元级联型中高压变频器 v v d c - v d c v 2 v d c v d c 0 一v d c - 2 v d c 彩矿 一 t ( a ， 囊选 图2 - 8 混合单元级联型变频器分段p w m 方式相关波形 3 断续参考波p w m 方式f s j 这种方法的特点是参考波是断续的形式。采用断续参考波的目的是为了更好 的消除输出电压中的谐波。其工作原理是在每相的输出电压中注入更多的载波谐 波能量。这些谐波能量将以共模电压的形式在不同相间消除，以达到消除谐波的 目的。以两单元串联逆变桥为例，见图2 - 9 ( a ) ，具体工作过程为：同一时间， 组成逆变桥的两个桥臂中只能有一个桥臂采用p w m 方式进行控制。当输出电压 处于正半周时，桥臂g 1 ，g 3 采用p w m 方式进行控制，另一组桥臂g 2 ，g 4 连接到 滤波电容的负端。当输出电压处于负半周时，桥臂g 2 ，g 4 采用p w m 方式进行 控制，桥臂g ，g 3 连接到滤波电容的负端。逆变桥输出为含有主要载波谐波成分的 三电平形式。因为同一时刻只有一组桥臂采用p w m 控制，因此形成触发脉冲的 三角载波频率可以加倍以达到与连续参考波p w m 调制时同样的开关转换次数。 因此，载波边带谐波频率集中在与三电平连续参考波p w m 调制方式相同的载波 频率附近。输出正电压的桥臂g 1 ，g 3 使用的三角载波c - 与输出负电压的桥臂 g 2 ，g 4 使用的三角载波c 2 的相位必须一直相差1 8 0 。，只有这样形成的载波谐波 电压才能保持同相，才能在变频器输出的不同相电压之间被消除掉。在断续参考 波p w m 控制方式下，连续的参考波被分为几段用于不同的基本单元。每个基本 单元使用的参考波是断续的形式。当变频器采用这种控制方式时，每个桥臂的负 载不均衡。这一问题可以通过交换不同基本单元的参考波解决。图2 - 9 ( b ) 为各个 基本单元使用的载波，参考波和相应的输出电压波形。从图中可以看出正电压输 出桥臂g 1 ，g 3 和负电压输出桥臂g 2 ，g 4 在两个输出电压周期内互换参考波。 1 0 第二章传统单元级联型中高压变频器 a n ( a ) ( b ) 图2 - 9 断续参考波p w m 方式相关波形 2 2 2 单周期控制方式 9 】 以上介绍了几种单元级联型变频器的载波参考波p w m 控制方式，现在介绍 一种单周期控制方式。此控制方法的原理为在一个开关循环周期内，使输出电压 与参考波完全相等或成比例。以半桥逆变电路为例，如图2 - l o ( a ) 所示，整个控 制系统由积分器和复位电路，比较器，r s 触发器，驱动电路等组成。工作过程 如下叫1 j ：当时钟脉冲到来时，r s 触发器置位，此时t ，关断t 2 导通。逆变桥 输出电压为比2 ，积分器开始对一v c 2 积分，其输出电压不断上升。当大于给 定电压v r e f 时，比较器的输出使r s 触发器复位同时r s 触发器的状态端q 由输 出高电平转为输出低电平，这个下跳沿使开关k 闭合电容放电返回零初始状态。 此时t 2 关断t l 导通。逆变桥输出电压为阮1 ，积分器开始对k l 积分，n 不断下 降。这一过程直到下一个钟脉冲到来时r s 触发器重新置位结束。图2 - 1 0 ( b ) 为 单周期控制方式的各种相关波形。 c l o c 托 q v 嘞 审j 薛 灌_ r i f t 一 一。 1 一 h 卜ir 一h _ |j r 一 l 、i ri 、矿、；一，n 围2 1 0 单周期控制方式 ( b ) 一理 。一 一+ 钶簿 第三章新型单元级联型中高压变频嚣 第三章新型单元级联型中高压变频器 3 1 传统单元级联型中高压变频器存在的问题 由于电力电子装置的非线性特性，电网中的电压和电流经过变频器后波形发 生畸变，含有丰富的谐波成分。谐波会污染电网，殃及同电网上的其它用电设 备，甚至影响电力系统的正常运行。谐波还会干扰通讯和控制系统，严重时会使 通讯中断p 。为了消除变频设备对电网的不利影响，传统单元级联型中高压变 频器输入端有一个隔离变压器。此输入变压器的工作频率为工频，副边绕组多。 因此，体积大，重量沉，设计难度大，并且成本较高。传统单元级联型中高压变 频器的整流鳓通常采用全桥不控整流的方式，这种方式的缺点是使用的开关器件 数量多，并且无法实现能量回馈。 3 2 新型单元级联型中高压变频器结构及分析 克服传统单元级联型中高压变频器的不足之处，可以从以下几个方面入手： a 摆脱沉重复杂的输入变压器。 b 尽量减少开关器件的使用数量。 c 使能量可回馈到电网侧。 基于以对以上因素的考虑，现提出一种新型单元级联型中高压变频器，其总 体结构如图3 - 1 所示。 。叮广矾 丫ii l pl “l 而 盛高每 刮e 型d e 叵王匹型 l o 图3 1 新型单元级联型中高压变频器总体结构 图中a 。，b n ，c n 为新型单元级联型中高压变频器的基本组成单元，各个基 第三章新型单元级联型中高压变频器 图中a n ，b n ，c n 为新型单元级联型中高压变频器的基本组成单元，各个基 本组成单元的结构相同。l a ，r a 为等效的三相负载。 3 2 1 l 新型单元级联型中高压变频器工作原理分析 现在以a 相为例分析新型变频器的工作原理。设a 相由两个基本单元级联 组成。 图3 2 新型单元级联型中高压变频器a 相结构 如图3 2 所示，a l ，a 2 为基本单元，其功能等同于单相变频器。基本单元的 整流侧采用单相半桥的结构形式，逆变侧采用与传统单元级联型变频器相同的单 相全桥结构。图中t 1 ，t 2 ，k l k 4 为全控型器件如i g b t , g t o 等。c l ，c 2 为电容。 3 2 2 基本单元整流桥工作状态和控制策略f l q 采用可控的单相半桥整流方式有以下优点： a 整流侧使用的器件由6 个减少为2 个。 b 配合相应的控制策略可使输入电流波形近似为正弦波并且与输入电压同 相位，提高了功率因数。更重要的是由于输入电流近似为正弦波所含谐波成分大 大降低，使除去笨重的输入变压器成为可能。 c 由于整流侧采用全控器件代替原有的不控器件，配合相应的控制策略可使 能量回馈到电网，实现多象限运行。 由于以上几点原因，新型单元级联型变频器的结构更简单、成本更低并且功 能更强大。 1 ) 整流桥工作状态分析 第三章新型单元级联型中高压变频器 图3 3 整流桥工作状态 如图3 - 3 所示r l 为等效的负载阻抗、t 1 ，t 2 为开关器件、d l d 2 为二极管、 矾为输入电压、如为输入电流、v e l = v c 2 = i 2 u o “u s m 分别为电容c j ，c 2 两端的 电压值、u s m 为交流电压的峰值、u o 为直流电压值、仉为电感两端电压。设 c 1 ，c 2 的值足够大使得电容两端的电压脉动可忽略不计。图( a ) 中标出的电压电 流方向为正方向。图示为整流状态下电路的4 种工作状态。 状态一 如图3 3 ( b ) 所示，此时u s ) 0 ，i s ) 0 ，d 1 导通t 2 关断。由图上可得 1 u e = + ( 3 一1 ) 堡：土( 一v c l ) c o d t l c 、。 i n 2 i s j o 1 c 2 = 一场 皆c 、等+ j o ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 - 5 ) 第三章新型单元级联型中高压变频器 u = 厶警= s i n 耐一圭虬 o ( 3 啕 公式( 3 2 ) 和( 3 6 ) 表明为了平衡电路电压，此时u o ，警 以电感l s 处于充电状态。，s 处于上“l 升阶段储能增加。 状态三 如图3 - 3f d l 所示，此时u s o ，l s 0 ；t 1 导通t 2 关断。由图可得 u e = + 一uo ，s ：c 1 坐盟+ ，。 dr u s = l s d 加l s = u s i n m t - l u o o 由以上公式可以看出，此时电路的工作状态与状态一时基本相同。 ( 3 13 ) ( 3 14 ) ( 3 15 ) ( 3 16 ) ( 3 17 ) ( 3 1 8 ) 因此当 s 0 ( 卜山 一出 饥 第三章新型单元级联型中高压变频器 u e = + i u o 且如) o 时，无论在u s 于下降阶段储能减少。 状态四 正半周还是负半周都有u s 0 ，_ d l s 0 ，s 处 蹦 如图( e ) 所示此时，觇 o ，辈 0 ，l s 处于 二 a t 上升阶段储能增加。上述四种工作状态对应o ) 0 的情况电路运行在整流状态， 电路输出平均功率p o = u o l o o 负载吸收能量。 当负载为处于减速状态的直流电动机或处于下降状态的升降机时，负载电流 l o 0 ，电路处于有源逆变状态，电机处于第二象限的制动状态，能量由负载向电 网回馈。此时： u s = u s 肘s i n f( 3 25 ) 7 s = ，。s i n ( c o t + 7 )( 3 2 6 ) p o 2 u 0 1 0 0( 3 27 ) 珞= 一u s + i s 0( 3 28 ) 2 ) 控制策略 整流桥采用电流内环，电压外环p w m 电流跟踪方式进行控制。控制电路结 构如图3 - 4 所示。 第三章新型单元级联型中高压变频器 释 鎏莞b 整流 半桥 龌 纠嚣盏肇凳 纬陌i 1 节器 图3 - 4 控制电路结构 逆变桥 电压l 检测l 单元l t 厂一 叫蹇墨凳 控制过程如下：p i 调节器的输入为电压给定单元的设定值u - 。尚输出电压检 测单元输出值踟的差值，p i 调节器的输出值砷只有 u - r e f - 与u o 相等时才能稳定 下来。唧用来作为电流给定值打幅值的控制量，【，p 与输入电压检测单元的输出值 经调制单元相乘形成电流给定值打。电流给定值打与输入电流测量单元的输出值 进行比较，二者的差值作为触发脉冲形成单元的输入矾最终形成触发脉冲。 采用双环控制的目的在于以下几点： a 双环系统为无条件稳定系统，参数设计比较容易。 b 采用电流瞬时值内环控制目的在于使电网电流能跟踪电流给定值打同为 正弦波并且与电网电压同相。这样输入电流的谐波含量很少并且功率因数可视为 l 。 c 双环控制可提高系统的动态性能。电网电压的变化会引起电流变化率的波 动，相应的会引起p w m 开关点发生变化。因此对电网电压来说，电流内环起到 前馈控制的作用，提高了系统的反应速度。 d 通过调整电流内环可时刻对电流进行监控，当电流异常时可迅速做出反 应。 3 ) 基本单元连接方式【2 0 j 第三章新型单元级联型中高压变频器 us 、人 人 usaus _ b f ，s 。 r、7、7、1 图3 - 5 基本单兀连接方式 图3 5 为基本单元连接方式。u s 为变压器的原边线圈输入电压，u s ，为变_ a bc 压器副边线圈输出电压。图中只给出了变频器a 相电路的简化连接方式。b ，c 两 相的连接方式与a 相相似。如图所示，变频器a 相各个基本单元的整流桥电压输 入端均连接到变压器副边的同一输出线圈上，无需独立的电源。这就使输入变压 器的体积和成本大大减小。为了消除输入电流的谐波对电网的影响，整流桥采用 移相p w m 控制方式。用于各个基本单元的三角载波初相角依次相差( 3 6 0 i 4 ) 。， n 为a # h 串连的基本单元数，各个载波在时间上要完全同步。 3 2 , 3 新型单元级联型变频器逆变桥工作状态和控制策略 1 ) 工作状态分析 状态一 第三章新型单元级联型中高压变频器 c c 图3 - 6 逆变桥工作状态一 如图3 - 6 所示，( 设v c l = v c 2 = i 2 图中k 1 。k 4 代表开关器件、c 1 ，c 2 为电容、 a l _ b 1 ，a 2b 2 为组成基本单元a l ，a 2 的桥臂、0 为桥臂输出电压的参考点、五。1 。2 为 逆变桥输入电流、屹为基本单元直流侧电压、妇为输出电压、r a 为等效的负载 阻抗、血为负载电流、k l k ，+ 为流过开关器件的电流。 此时基本单元a l ，a 2 的逆变桥开关器件k l ，k 4 闭合，勋打开因此 v a = v 。l b l + b 2 = 耽l 。v b l o + 。v b 2 。图中虚线为基本单元流过的电流方向。由图上 可知i i 1 矗n 2 = ，k 1 = i k l = i k 。= i k 4 。此时逆变器的输出值为阶梯波的最大值2 v e 见图 3 7 。 状态二 图3 7 状态一输出电压波形 第三章新型单元级联型中高压变频器 三一 a 南睡查 三一 三一 c c 2 c 】 c 2 c c 2 c l c 2 图3 - 8 逆变桥工作状态二 如图3 - 8 ( a ) 所示，此时基本单元a 的逆变桥开关器件k 1 ，k 4 闭合，k 3 打开， 同时基本单元a 2 的逆变桥开关k i ，k 3 闭合，k 4 打开。此时v a = v a l b l = 蜘，v a 2 b z = 0 。 i n l = 矗，= 氏】= i x 。= - l r , ：3 ，i n 2 = 0 。 如图3 8 r b ) 所示，此时基本单元a 的逆变桥开关器件k 1 ，弛闭合弛，k 4 打开， 同时基本单元加的逆变桥开关k 1 ，k 4 闭合融，k 3 打开。此时v a = v a 2 b 2 = v d ， v a l b l = o 。i i n 2 = 矗】= ，k 1 f 一永3 = 氐4 ，i i n l = 0 。 如图3 8 ( c ) 所示，此时基本单元a l 的逆变桥开关器件k l ，k 4 闭合k 2 ，k 3 打开， 同时基本单元a 2 的逆变桥开关器件，k 4 闭合k l ，k 3 打开。此时v a = v a l b l = v d ， v a 2 b 2 = o 。l i n l = k l 一 o = i k = k 4 ，f i n 2 = 0 。 如图3 - 8 ( d ) 所示，此时基本单元a 1 的逆变桥开关器件，k 4 闭合k 1 ，k 3 打开， 同时基本单元a 2 的逆变桥开关器件k 1 ，k 4 闭合k 2 ，k 3 打开。此时v a = v a 2 b 2 = 船玩1 b 1 = 0 。 2 0 第三章新型单元级联型中高压变频器 n 2 = 一永：= 确= k 。= k 4 ，l i n i = 0 。当逆变器处于这四种状态时，其输出值为正阶 梯波k 如图3 - 9 所示。 状态三 图3 9 状态二输出电压波形 c c 2 c l c 2 c c 2 c i c 2 ( b ) l i n 】 图3 1 0 逆变桥工作状态三 如图3 - 1 0 ( a ) 所示，此时基本单a t 的逆变桥开关器件k 】，k 3 闭合k 2 ，k 4 打开。 第三章新型单元级联型中高压变频器 基本单元a 2 的情况相同。此时v a = v a l b l = v a 2 b 2 = o ，l i nj - - i n 2 = 0 。 如图3 - l o ( b ) 所示，此时基本单元a l 的逆变桥开关器件k l ，勋闭合k 2 ，k 4 打 开基本单元a 2 的逆变桥开关器件，k 4 闭k 1 ，融开。此时v a = v a l b l = v a 2 b 2 = o ， i n l = l i n 2 = 0 。 如图1 3 - 1 0 ( c ) 所示，此时基本单元a i 的逆变桥开关器件k 2 ，k 4 闭合k 1 ，勋打 开同时，基本单元a 2 的逆变桥开关器件k i ；k 3 闭合，k 4 打开。此时 v a = v a l b l = v a 2 b 2 = o 。i n l = l i n 2 = o 。 如图3 - 1 0 ( d ) 所示，此时基本单元a j 的逆变桥开关器件，k 4 闭合k 1 ，k 3 打 开同时，基本单元a 2 的逆变桥开关器件融，k 4 闭合k l ，勋打开。此时 v a = v a l b l = v a 2 b 2 = o 。i n i = - i n 2 = o 。 当逆变器处于这四种状态时，其输出值为0 。 状态四 c 1 ( 2 2 c 1 c 2 ( a ) c 1 c 2 c 】 c 2 c 1 c 2 c j c 2 ( b ) 图3 11 逆变桥工作状态四 2 2 第三章新型单元级联型中高压变频器 如图3 - 1 1 ( a ) 所示，此时基本单元a i 的逆变桥开关器件k 2 ，k 3 闭合k 1 k 4 打开同时，基本单元a 2 的逆变桥开关器件k 2 ，k 4 闭合k 1 ，k 3 打开。此时 助2 v a j b j = - 。v a 2 b 2 = o 。i i n l = 辰2 = 永2 ，= 亿= - i k 4 ，i i n 2 = o 。 如图3 1 0 ( b ) 所示，此时基本单元a l 的逆变桥开关器件k 2 ，k 3 闭合k 1 k 4 打开同时，基本单元a 2 的逆变桥开关器件k l ，k 3 闭合k 2 ，k 4 打开。此时v a = v a l b l = - ，v a 2 b 2 = o 。l i n l = 亿= 呶l = 靠3 = 一垴+ ，i i n 2 = o 。 如图3 - i o ( c ) 所示，此时基本单元a 1 的逆变桥开关k 1 ，闭合，k 4 打开同 时，基本单元a 2 的逆变桥开关，k 3 闭合k 1 ，k 4 打开。此时v a = v a 2 b 2 = 一圪， v a l b l = 0 。i n 2 = - k l 爿k 2 + = ，l o = 垴，i n l = o 。 如图3 - l o ( d ) 所示，此时基本单元a 1 的逆变桥开关器件k 2 ，k 4 闭合k 1 ，勋打 开同时，基本单元a 2 的逆变桥开关器件，心闭合k 1 ，k 4 打开。此时v a = v a 2 b 2 = - v d ，v a l b f o 。l i n 2 = ( 2 叫b f 一，k 4 = 一k 3 + ，i n l = 0 。 当逆变器处于这四种状态时，其输出值为负相阶梯波均如图3 1 2 所示。 图3 1 2 状态四输出电压波形 状态五 如图3 一1 3 所示，此时基本单元a 1 a 2 的逆变桥开关妇，k 3 闭合k 1 ，k 4 打开 因此v a = v a l b l + v a 2 b 2 = - 2 g ，i n i = i n 2 = i i n = i k 2 f 亿= 。+ 。此时逆变器的输出值为 负阶梯波的最大值一2 v d 如图3 1 4 所示。 血1 c c 2 c 图3 1 3 逆变桥工作状态五 2 3 第三章新型单元级联型中高压变频器 图3 1 4 状态五输出电压波形 2 ) 控制策略【1 8 | 】9 j 变频器的逆变侧采用移相s p w m 方式控制。每个基本单元逆变桥均采用三电 平的调制方式。这种调制方法的特点是： 1 同一个基本单元逆变桥的两个桥臂a l ，bj ( a 2 , b 2 ) ( 分别由 和 组成见图3 2 ) 使用的正弦参考波的相位相差1 8 0 。，但使用同一个三角形载波。 同一相的几个位置相同的桥臂如a 1 ( a 】) * h a 2 ( a 2 ) 使用相同的正弦参考波。 2 变频器每相的总电压输出都由n 个基本单元的输出叠加形成，这n 个基本 单元使用的三角形载波的初相位不同。每个基本单元使用的三角形载波的初相 位相差( 1 8 0 n ) o 。这样做的目的是消除谐波。采用这种方法，可以消除2 n 次 以下全部的载波谐波和边带谐波。 3 不同相的编号相同的桥臂使用的正弦参考波初相位相差1 2 0 “。例直l ：l a j ( 1 a l ( a 1 ) 使用正弦参考的初相位为0 0 ，那么b 相a l ( a 1 ) 使用正弦参考的初相位 为1 2 0 0 。 现在仍以一个输出电压为5 电平形式的单元级联型变频器为例说明其工作 原理，如图3 2 所示变频器的a 相由两个基本单元a l ，触组成，两个基本单元 相互串联。图3 1 5 为逆变桥的载波和参考波形式，以及输出电压的波形。 v v 穗渝& 蕊 祥晰。黜； ；il | i、 ll 1 i 廿 u ； 一v o 图3 1 5 逆变桥相关波形 如图3 - 1 5 所示【8 】基本单元a 1 ，a 2 的逆变侧的桥臂a 1 ( 由k 1 ，k 2 组成) 使用 正弦参考波r l ，桥臂b i ( 由勋，k 4 组成) 使用正弦参考波。r 1 ，& 的初相位 相差18 0 0 。a 1 使用三角载波c 1 ，a 2 使用三角载波c 2 。c 1 ，c 2 的初相位相差9 0 0 。 第三章新型单元级联型中高压变频器 r 1 和c