（电力电子与电力传动专业论文）中高压多电平pwm变频器的研究.pdf

a b s t r a c t t h es t a b i l i t yo fam e d i u m 一 i 曲v o l t a g ec o n v e n e rs y s t e mi st h ek e yp o i n tf o r r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti nt h i s f i e l d t r a d i t i o n a l l y , t h e m o d u l a t i o ns t r a t e g yo f c a s c a d e dm u l t i l e v e lc o n v e r t e rw i t l ls e p a r a t e dd cs o u r c ec a u s e su n b a l a n c eo f t h ep o w e r d i s t r i b u t i o n a m o n ge v e r yi n v e r tc e l l s ，i t w o u l dc a u s es o m ei n v e r tc e l l s p o w e r s e m i c o n d u c t o r c o m p o n e n t s b u r d e nm o r et h a n o t h e r s ，w h i c hm a k e st h e w h o l e c o n v e r t i n gs y s t e m u n s t a b l e t h i sp a p e rp u r p o s e so nb a l a n c i n gp o w e rd i s t r i b u t i o na m o n ge v e r yi n v e r tc e l l ss o t h a tt h ew h o l ec o n v e r t e rs y s t e mc a nw o r km o r es t a b l e b a s e do na n a l y s i so ft h e s t r u c t u r ea n dt r a d i t i o n a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) o fc a s c a d e dm u l t i l e v e l c o n v e r tw i t l ls e p a r a t e dd cs o u r c e s ，h e r ean e wm o d u l a t i o ns t r a t e g yi sp r e s e n t e d f o r v e r i f y i n g t h ee f f i c i e n c yo ft h i sn e wm o d u l a t i o ni d e a , f o u r i e ra n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n w e r ee x e c u t e d a n dt h e o r e t i c a l l y , t h i sn e wm o d u l a t i o n s t r a t e g yc a nm a k ep o w e r d i s t r i b u t i o na m o n ge v e r yi n v e r tc e l lm o r eb a l a n c er e m a r k a b l y , s ot h a te v e r yp o w e r s e m i c o n d u c t o rt a k e sa l m o s ts a m eb u r d e n t h i sm u s th a v eb e e n c a u s i n gaw h o l e c o n v e r t e rs y s t e mm o r es t a b l ea n d w o r k i n gf o rm u c h t i m e ，a tl a s t ，3l e v e ls v p w m w a s i m p l e m e n t e d f o r e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n e v e r yk i n do fm u l t i l e v e li n v e r t e ri ss y n t h e s i z i n gaq u a s is i n ew a v e f o r ma sa n o u t p u t 谢t 1 1d i f f e r e n tl e v e lr e c t a n g l ev o l t a g es t e p s i tw o u l db em o r ec l o s et oas i n e w a v e f o r mi f t h e r ea r em o r el e v e lv o l t a g e s t e p su s e d ，b u tt h i sw i l lc a u s ew h o l es y s t e m s t r u c t u r ea n dm o d u l a t i o ns t r a t e g yc o m p l i c a t e d f o rn l e v e lm v e r t e r a nm o d u l a t i o n i d e ao f g r o u p i n ga n dc y c l i n ga m o n gi n v e r t i n gc e l l si sa l s om e n t i o n e dh e r ef o rk i c k o f t k e yw o r d s ：m u l t i l e v e l c o n v e r t e r ，p w m ，c y c l i n gs t e pm o d u l a t i o n ，s v p w m 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，也不包含为获得墨注墨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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁叠盘堂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：导师签名： 缀荔 签字日期：年月日 签字日期：沧甲年月日 墨望奎堂堡主堂垡笙苎 笙二兰竺堕 第一章绪论 1 1 中高压变频器技术的发展状况 在工业电气应用领域，电网一般供给固定频率的交流电压，同时为了满足电 机的启动负荷和其他峰值负荷的冲击等情况，电机的额定功率通常选用高于实际 运行的功率。电机通常在供给的能量多于实际负载所需要的能量状况下运行，这 势必造成大量的能源浪费，据测算在风机及泵类的系统中这样的功率损耗占到总 损耗的4 0 。如果电机能按照变化的负载的需要来提供相应的能量，这将太大降 低能源的浪费。基于这一思想变频调速被提出来以实现按负载需求来调整电机转 速，从而实现电机按负载需求供给能量。在低压电气应用领域，电力电子器件的 发展已经能很好的满足变频调速的要求。但在中高压领域，由于电力电子器件的 电压耐量及开关频率的限制，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。 为了实现中高压领域的变频调压，陆续出现了普通三相逆变器、降压普通 变频一升压电路、交交变频电路等变频方式，但由于这些结构都难于满足中高压 变频调压的应用。日本长冈科技大学的a n a b a e 等人于1 9 8 0 年首次提出的三电 平逆变器为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。在此基础上，经 过多年的研究，发展出3 种主要的拓扑结构：1 二极管钳位式( d i o d e c l a m p e d ) ； 2 电容钳位式f f l y i n g c a p a c i t o r s ) ：3 带独立直流源的级联的多电平逆变器。这3 种结构与普通双电平逆变器相比具有以下优点：更适合大容量、高电压的场合； 可产生m 层阶梯形输出电压，理论上提高电平数可接近纯正弦波形、谐波含量 很小；电磁干扰fe m i ) i h 题大大减轻，效率高。d 9 中高压变频技术的发展，其逆变主回路拓扑结构一直是随着电力电子器件的 创新开发而不断发展的。早期的电力电子器件晶闸管( s c g ) 随着功率半导体技术 的不断创新在中压变频领域已逐步被淘汰。而g t o 具有高电压、大电流的发展 潜力，但驱动电路复杂，影响整个系统的可靠性。把m o s 结构置于g t o 外面 来协助关断的i g c t ，适用于大电流( 1 0 0 0 a 以上) 、低频率( 1 0 0 0 hz 以下) 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的应用，由于其从研制生产到应用的一系列技术受到专利的保护。在推广应用和 器件竞争中未能完全取代g t o 。i g b t 作为第三代电力电子器件，因其工作电压 较低，其作为逆变主回路器件的高压变频装置具有改善输出电流波形，减少谐波 对电网的污染及减少系统和电动机的电应力等的良好性能，在多电平级联式变频 装置中有着广阔的发展前景。 i 1 2 1 5 2 2 综上所述，中高压电气应用领域要求变频器系统稳定以承受高电压，动态性 能好，对电网和电动机产生的谐波少，易于实现，成本低等。 1 2 脉宽调制0 w m ) 技术在中高压变频器控制中的应用状况 德国人a s h n o u n g 在1 9 6 4 年把脉宽调制( p w m ) 技术从通信技术领域引入到 d c a c 的逆变环节的控制中，这对后来的交流变频调速系统的发展起到了极大 的促进作用。p w m 控制是变频调速系统的核心，任何控制算法几乎都是以各种 p w m 控制方式实现的。经过几十年的发展，现己派生出了几种比较成熟的p w m 控制方式， l 正弦波p w m ( s p w m ) ，这种p w m 调制方式以正弦波形为信号波，其脉 冲宽度是由正弦波和三角载波自然相交生成的，这种方式通俗易懂，所以被广泛 采用。但其输出的电压小于输入电压，最大线性输出线电压幅值仅为输入电压的 i 2 倍，效率不高。 2 快速电流跟踪p w m 技术，采用这种p w m 调制的逆变器为电流控制型的 电压源逆变器，一般采用滞环电流控制，使三相电流快速跟踪指令电流。该逆变 器硬件简单，电流控制响应快，兼有电压和电流控制型逆变器的优点，普遍用于 p m s m 伺服系统和异步电动机矢量变换控制系统。 3 磁链跟踪控制p w m 技术，这种方法把逆变器和电动机视为一体，以三相 对称正弦波电压供电时交流电动机理想的圆形磁场为基准，用逆变器不同开关模 式所产生的实际磁链矢量来跟踪基准磁链园，由跟踪结果决定逆变器的开关模 式，形成p w m 波。由于磁链的轨迹是靠空间矢量的选择来实现，因此又称电压 空间矢量法。 4 直接转矩的智自甚控制p w m 技术，常规的直接转矩p w m 技术无法区别转 矩、磁链的非常大的偏差和相对小的偏差，这将造成电机启动期间系统的停滞。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 而采用智能控制中的模糊控制，可以通过定子磁链的空间位置，由一系列偏差的 正大。正小等模糊语言，根据模糊规则推出逆变器的开关模式，使系统性能改善。 5 双p w m 控制技术，“交一直一交”电压型逆变器是目前最广泛使用的形 式，但常对电网构成谐波污染。目前双p w m 控制技术的研究很活跃，即由p w m 整流器和p w m 逆变器组成的双p w m 变频器无须任何附加电路就可使电网侧的 输入电流接近正弦波，使系统的功率因数约为1 ，彻底消除网侧的谐波污染，并 实现了四象限运行。 1 】 2 】【5 】【7 】【8 】【1 3 由上述可见，脉宽调制( p w m ) 在变频调速领域被广为采用。本质上，各种 p w m 控制方法都是要控制变频器的各逆变单元的电力电子开关的开通、关断时 间和次序，输出可调宽度的脉冲列来拟合正弦波作为输出。当然，各种不同的 p w m 控制方法在实现的难易程度，对输出端和电网的谐波污染，以及系统的稳 定可靠运行的着眼点不同。p w m 控制的变频器被广泛采用是因其具有以下一些 显著的优点： a 采用不可控整流桥，使变频器对电网的功率因数与其输出的电压值无关， 从而提高其功率因数。 b 由于采用不可控流桥，使整个系统的控制简化，只针对逆变单元进行控 制，但能实现调压调频的同步进行，所以其调节响应快速，整个系统的动态特性 好。 c 采用p w m 控制的变频器与传统的变频器相比，体积小、重量轻、可靠性 高。 d 由于p w m 控制具有良好的控制性能，可以较好的把输出电压和电流波形 拟合成正弦波，有效的抑制了谐波。【4 】【8 】 1 3 p w m 调制技术中的脉冲生成方法 在p w m 变频嚣的设计中，主要有两大类的调制脉冲生成方法： 1 ) 完全由模拟电路生成。这种方法通常由正弦调制波和三角载波比较产生， 如图1 1 所示。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 t 2 t 4 妇厅 图1 - t 生成调制脉冲的模拟电路 图中正弦波发生器和三角波发生器分别由模拟电路组成。这种方法原理简单 直观，容易实现。但出于正弦调制波和三角载波由硬件电路生成，硬件开销大， 系统可靠性降低；脉冲列是由正弦波和三角波比较生成的，当控制电路的直流电 源电压有波动或者有噪声干扰时，都将引起p w m 脉冲宽度的变化，从而影响到 变频器输出频率和电压的稳定性，当输出频率低、调制深度很小时，信号噪声比 相对增大，这时噪声干扰更加明显，输出频率精度更差；难以实现最优化的p w m 控制。所以目前p w m 脉冲的生成多采用专用的集成芯片。 2 ) 用专用集成芯片生成。常用的集成芯片有h e f 4 7 5 2 ，它的调频范围为 0 - 2 0 0 h z ，适用于b j t 或g t o 等开关频率不高的半导体器件，而不适用于i g b t ： s l e 4 5 2 0 d e 是低功耗高频大规模集成电路，它是可编成器件，用它实现的 s p w m 波的开关频率可达2 0 k h z ，基波频率可达2 6 0 0 h z ，它适合以i g b t 构建 的变频器，类似的集成芯片还有m a r c o n i 公司的m a 8 1 8 ，m a 8 2 8 ，m a 8 3 8 ， t m s 3 2 0 等。【l 】【2 l 【4 】【1 0 】 1 4 中高压变频器的脉宽调俸i j ( p w m ) 策略存在的问题及研究状况 通常p w m 变频器的电力电子器件大多工作在2 - 3 k h z ，再经过高频化以后 开关频率可达到几十k h z ，已有的研究表明这时电力电子器件的开关损耗为总损 耗的3 0 一4 0 ，同时这也意味着电力电子器件承受着很大的载荷，变频器系统 中难免存在着感性元件，当电力电子器件在很高的电压下开通时，储存在开关器 件结电容中的能量将全部耗散在该器件中，频率越高，开通电流峰值越大，器件 的过热损坏的可能性就越大。传统的变频器在结构设计和p w m 调制策略的设计 上，往往造成在个工作周期内某些逆变单元各桥臂开关器件的工作时间不均 衡t 同时每个周期中各逆变单元的导通次序是固定的，这样的方式对最先导通的 天津大学硕士学位论文第一章绪论 逆变单元桥臂的开关器件的载荷冲击最大；而逆变器是工作在高频状态，长期运 行这种各逆变单元之间的工作应力的不均衡性，势必造成这样的逆变单元的半导 体器件失效，从而导致整个变频器系统的失效。为了解决以上的足以导致变频器 系统失效的问题，目前的研究多集中在设计附加的缓冲电路的方法上，这种方法 不能完全消除这问题，同时带来新的开关损耗，增大了变频器的体积和造价，系 统变得更复杂；或者采用软开关技术来避免开通和关断损耗，但这不能解决各逆 变单元之间的工作应力不均衡所带来的一系列问题。本文重点着眼于优化p w m 控制策略，在不增加新的附加电路的前提下，使变频器各逆变单元间的工作应力 均衡化，从而解决由于各桥臂开关器件工作不均衡带来的系列问题。 1 1 】【1 2 【l3 1 1 1 4 】【1 5 】 1 5 本文的主要研究内容和研究方法 本文以目前电气传动应用领域中广泛采用的“交一直，交”电压型s p w m 变频 器( 图l 一2 ) 为研究对象，具体的多电平电路拓扑结构选择了应用很广的带独立直 流源的级联型多电平逆变器，分析了传统的p w m 调制策略所带了各逆变单元的 工作应力不均衡的问题；提出了新的p w m 调制策略p w m 循环调制，理论验证 这种新的调制策略在解决逆变单元各桥臂工作应力不均衡方面效果明显；对新的 调制策略进行了系统仿真，以验证这种调制策略的可行性，同时仿真对比了这一 新的调制策略与传统的p w m 调制策略在，输出电压波形的拟合和谐波抑制等方 面相当。另外，对具有优良输出特性的空间矢量s v p w m 进行了分析，对三电 平s v p w m 进行了实验研究。 垂。r 源t 一 -_ i 上砷砷一芦 ljlj 1 ii l 4i 一 一- 一 i 0 坫 f f | | 一广 ljij ij 整流单元溜瘟回路 l i 瑚垮酋元 i i 图l - 2 “交- 直交”电压型变频器结构图 u 交 w v 鋈 天津大学硕士学位论文 第二章中高压多电平变频器的拓扑结构 第二章中高压多电平变频器的拓扑结构 2 1 交流变频调速的目的 首先，不论是直流调速还是交流调速，电机需要调速主要是由于电机所服务 的对象不同而提出的要求，因为不同的生产机械要求有不同的运行运度，甚至一 台生产机械在不同的生产过程时需要不同的运行速度。例如，轧制不同钢种或不 同规格的钢材时，要求以不同的速度进行轧制，这就要求我们根据生产工艺的要 求，来改变电机拖动系统的运转速度；又如，中央空调系统根据制冷或制热量的 不同，要求调节压缩机的运转速度，等等。这些也就是工程上所讲的调速问题。 2 0 世纪7 0 年代以前，直流调速系统由于具有优良的静、动态性能指标，因 此一直在调速传动领域处于垄断地位。虽然直流电机调速性能良好，但它也存在 着固有的难于克服的弱点：调速系统稳定性差，事故率高，维修工作量大；容量、 电压、电流和转速受到换相条件的制约，在大容量中高压的调速领域难于实现： 实际应用对环境要求很高，在一些易燃易爆的场合难于应用。正是直流调速系统 的这些难于解决的缺点，促使人们着力的研究交流传动技术。与直流电机相比， 交流电机容量、电压、电流和转速均大大优于直流电机；交流电机结构简单，造 价低，事故率低，坚固耐用，容易维护。随着近3 0 年来的发展，特别是交流电 机的调速理论的突破和调速装置的日益完善，交流调速已经逐渐取代直流调速。 成为调速技术的主体。1 4 6 1 其次，节约能源，提高效益的需要。电机是能源消耗大户之一。我国电机总 装机容量已达4 亿千瓦，年耗电量达6 0 0 0 亿千瓦时，占工业耗电量的8 0 ：低 压电机数量是中高压电机的几十倍，但耗能仅为中高压电机的八分之一，所以降 低中高压电机的能源消耗意义重大，前景诱人。比较成熟的经验是采用变频调速 可以节约3 0 的能源消耗。【4 】 8 】【i o j 风机、泵类设各多数采用异步电动机直接驱动的方式运行，存在启动电流大、 机械冲击、电气保护特性差等缺点。不仅影响设备使用寿命，而且当负载出现机 械故障时不能瞬间动作保护设备，时常出现泵损坏同时电机也被烧毁的现象。采 6 天津大学硕士学位论文 第二章中高压多电平变频器的拓扑结构 用变频调速器易操作、免维护、控制精度高，并可以实现高功能化等特点；因而 采用变频器驱动的方案开始逐步取代风门、挡板、阀门的控制方案。而这正是交 流变频调速研究的热点。 表2 1 世界上一些国家的每一美元国民生产总值的能耗比较。 国别能耗( k j )指数 法国 8 7 1 91 0 0 日本 9 7 9 71 1 2 意大利 1 0 9 8 91 2 6 德国1 1 0 3 41 2 9 美国 2 0 6 6 42 3 4 印度 2 6 3 4 83 0 2 中国4 3 3 9 44 9 7 从表中可以看出，我国的能耗指数最高，而这其中工业消耗占6 4 ，而其他 国家占3 0 。为了降低能源消耗，必须在工业生产中采取节能措施。而采用变频 调速的方式可以很好的解决节约能源的需求。在这方面已经有很好的例子，辽河 油田采用变频调速，安装了2 5 台变频器1 8 1 8 2 k w ，年节约电能6 0 2 万k w * h ， 平均节电率在3 5 以上。 4 1 1 8 1 0 1 正是以上两个主要目的促使交流调速技术伴随着电力电子半导体器件的进 步而飞速发展，有理由相信交流调速的发展和日益在工业领域的普及，必将为提 高传动效率，降低能源消耗做出巨大贡献， 2 2 交流调速的基本原理 异步电动机的同步转速为n ，1 1 为转子转速。 令s ：呈l 二呈 n ， 则 1 1 = n l ( 1 一s ) 式中，s 为转差率。通常三相异步电机在工频( 5 0 6 0 h z ) 下运行时 l - 5 。 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 额定转差率为 天津大学硕士学位论文 第二章中高压多电平变频器的拓扑结构 由于n ：堕 p ( 2 3 ) 则n ：6 0 f l ( 1 一s )( 2 4 ) 1 1 p 其中，p 为电机磁级对数；c 为输入电源频率，所以改变p 、s 或者f l 都可以达到 调速的目的。但是，改变异步电机绕组的级对数p 从而改变同步转速进行调速的 方式称为变级调速，其调速是按阶跃方式变化的，而不是连续变化的。调速性能 差，调速范围有限；改变转差率s 也可以起到调速的目的，但是这需要在转子外 电路上接入可变电阻改变电动机转差率实现调速，调速可以按阶跃方式变化，也 可以连续变化实现无级调速，结构简单，价格便宜，操作方便，但是转差功率损 耗在电阻上，难以满足节能降耗的要求。自然的改变频率f 1 调速就成为满足连续 的高精度调速的突破方向。这里还要考虑改变频率f l 后对电机运行的影响，对异 步电动机进行调速控制时，希望电机的主磁通保持额定值不变。磁通太弱，铁心 利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电机的负载能力下降；磁通太强， 电机处于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限制了定子电流的负载分量，为使 电机不过热，负载能力也要下降。这就要求在变频调速的时候，要保持异步电机 的主磁通恒定。异步电机的主磁通就是其气隙磁通，它是由定子和转子合成的磁 动势产生的，设异步电机定子线圈的有效匝数为n ，e 为定子频率，如果施加 在定子上的电压为u ，每极定子绕组产生的气隙旋转磁通为九，该磁通在定子 每相产生的感应电动势的方均根值e ，e ，、f l 、n 、。之间的关系为 e ，= 4 4 4 f 1 n l 九( 2 - 5 ) 上式说明，九的值是由e ，和共同决定的，对e ，和进行适当的控制，就可以 使九保持额定值不变。以下的两种情况要分别加以考虑： 1 ) 基频以下的恒磁通变频调速 这是考虑电机从额定频率f 1 。向下调速的情况。为了保持电机的负载能力， 应保持气隙主磁通丸不变，这就要求在降低供电频率的同时降低感应电动势， 保持e f , = 常数，即保持电动势与频率之比为常数进行控制。这种控制又称为恒 磁通变频调速。但是，在实践中e 。难于直接检测和直接控制。当e ，和f l 的值较 高时，定子的漏阻抗压降相对较小，如果忽略不计，则可以近似地保持定子相电 天津大学硕士学位论文 第二章中高压多电平变频器的拓扑结构 压u 和频率f l 的比值为常数，即认为u = e 。，保持u ，f , = 常数即可近似认为 e ，f , = 常数，从而满足主磁通恒定。这种方式称为恒压频比控制，是近似的恒磁 通控制。当频率较低时，u ，和e 都变小，定子漏电阻抗压降( 主要是定子电阻压 降1 不能再忽略。这种情况下，可以人为地适当提高定子电压以补偿定子电阻压 降的影响。 2 ) 基频以上的弱磁变频调速 这是考虑电机从额定频率f l 。向上调速的情况。这时，频率由额定值f 1 。向上 增大，但电压u 受额定电压u ；。的限制不能再升高，只能保持u ，= u 。不变。这 必然会使主磁通随着f l 的上升而减小，相当于直流电机弱磁调速的情况，属于近 似的横功率调速方式。 图2 - 1 变频器u f 控制 以上的两种情况，异步电机变频调速的基本控制方式如图2 1 。这两种情况 都要求异步电机的变频调速按照一定的规律同时改变其定子电压和频率，即必须 通过变频装置获得电压频率均可调节的供电电源，实现所谓的v v v f ( v a r i a b l e v o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y ) 调速控制。用这种v v v f 变频器进行变频调速时，异 步电机的机械特性如图2 - 2 。1 5 1 1 6 1 h 幽2 - 2 恒功率和恒转矩调速时的机械特性 矿一 = 么 一 盟 一 盥 坠 瓣懋一 篙 天津大学硕士学位论文 第二章中高压多电平变频器的拓扑结构 2 3 多电平变频器的拓扑结构 变频器的分类方法很多，按变频器工作的电压等级分为，低压变频器和中高 压变频器。一般把0 4 k v 以下的电压等级，称为低压领域；0 4 k v 1 0 k v 称为中 压；而1 0 k v 以上称为高压。o 4 k v 以下的低压变频器现在已经很普及，国内外 都已有较成熟的产品。现在，低压变频器发展中的主要问题是对电磁兼容性的严 格要求，在滤波、无功补偿和抗电磁干扰等方面都应该完全符合国际标准。 在中高压变频调速领域，由于目前电力电子器件的电压耐量( 1 2 0 0 v 1 8 0 0 v ) 的限制，还不能像低压变频调速领域那样，用单一的电力电子器件来完成变频调 速。通常用多电平、多重化、或多单元串联的方式解决中高压的变频调速。 中高压变频器的分类方法很多，最通常的分类是把变频器分为“交交”和“交 直一交”两种结构形式。“交一交”变频器是将工频交流电源直接变换成频率、电 压均可控制的交流电，又称直接式变频器。而“交直一交”变频器是先把工频交 流电整流成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可调控的交流电，这种 方式又称为间接式变频器。 “交- 交”直接变频适于大容量、低转速的交流调速系统，常采用晶闸管“交 一交”直接变频器，供电给低速电机直接传动时，可以省去庞大的齿轮减速箱。 其缺点是：最高输出频率不超过电网频率的l 3 1 2 ，且输入功率因数较低，谐 波电流含量大，谐波频谱复杂，因此必须配置大容量的滤波和无功补偿设备。近 年来，又出现了一种应用全控型开关器件的矩阵式“交。交”变压变频器，在三 相输入与三相输出之间用9 组双向开关组成矩阵阵列，采用p w m 控制方式，可 直接输出变频电压。这种调速方法的主要优点是：( 1 ) 输出电压和输入电流的低 次谐波含量都较小：( 2 ) 输入功率因数可调；( 3 ) 输出频率不受限制；( 4 ) 能量可双 向流动，以获得四象限运行；( 5 ) 可省去中间直流环节的大电容元件，自从2 0 世纪 7 0 年代末提出以来，一直受到电力电子学科研究工作者的重视。 限制矩阵式变频器实际应用的问题是：( 1 ) 功率器件数量大，装置结构复杂： ( 2 ) 双向开关的安全换流问题：( 3 ) 当输出电压必须接近正弦波时，理论上最大输 出输入电压比只有o 8 6 6 。虽然这些问题已经有些方案能加以改善，但这种变频 器还没有真正的成熟产品问世。 4 8 1 4 1 1 6 1 当前应用最为广泛的变频器是“交一直一交”方式，自从问世以来已经派生出 天津大学硕士学位论文 第二章高压多电平变频器的拓扑结盘鲁 许多种拓扑结构，相应的控制策略也有很大的改进和发展。图2 3 为“交一直一交” 方式变频器的结构图。 变船 r 1 图2 3 变频器的基本构成 由于采用不可控全桥滤波，整个变频器的核心部分就是逆变器的设计和如何 控制逆变器的工作状况已达到理想的正弦波形的输出。 按“交一直一交”方式设计的多电平逆变器一直是研究的热点，多电平逆变 器由电力电子器件，电容和电压源的阵列组成，输出的是阶梯波。图2 - 4 为单相 不同电平数的逆变器的示意图。 k 赜。：i 图2 - 4 为多电平变频器的结构示意图 图中的电力电子器件由一个理想的开关代替。双电平逆变器输出的两个电压 值与电容相关，而三电平逆变器产生三个电压值，如此等等。【1 4 】 1 6 】【1 9 】 a n a b a e 给出了三电平逆变器的工作过程。通过增加变频器的电平数，输出 电压会有更多的阶梯以产生阶梯形波形，以此降低谐波的干扰。但是，较多的电 平数会带来控制的复杂和电压的不平衡等问题。逆变器已有的三种不同拓扑结构 为：二极管嵌位( 中点嵌位) ；电容嵌位( 飞跨电容) ；和具独立直流电源的级联的 逆变器。 多电平逆变器之所以被视为解决高压大功率领域变频调速的首选是其具有 如下的特点： 1 ) 它产生的电压输出具有低扰动性和低d v d t 。 2 ) 它对输入电流的干扰小。 3 ) 它产生的共模电压小，所以能减低对电机轴承的冲击，应用复杂的控制 天津大学硕士学位论文 第二章中高压多电平变频器的拓扑结抬 策略，共模电压可被消除。 4 ) 它可在较低的开关频率下工作。 目前多电平逆变器主要存在3 种拓扑结构，最早的多电平逆变器电路始于 1 9 7 5 的一个专利文献，其中描述了具独立直流电源的全桥单元组合阶梯波交流 输出电压的逆变器。由此演变出了二极管嵌位逆变器。二极管嵌位逆变器又叫中 点嵌位逆变器，这是由于在最初应用的三电平逆变器中，零电位被定义为三电平 的中值。由于中点嵌位逆变器无需严密的电压配合就可有效的倍增电平数，因此 在8 0 年代一度盛行。 虽然具有独立直流源的级联的逆变器最旱被发明，但它在9 0 年代才盛行起 来。由于具有独立直流源的级联的逆变器在中等量级电机驱动方面的优点，以及 对中等量级大功率的逆变器的巨大需求，具有独立直流源的级联的逆变器受到了 前所未有的瞩目。2 0 世纪9 0 年代，电容嵌位多电平逆变器的拓扑结构问世。【1 5 】【l9 逆变器的三种主要拓扑结构如下： 1 二极管嵌位逆变器 s 1 j h 厂瓦 1 瑾厂瓦 斑f f 一 毪 叵 蹈u m 一 s 4 d 【b 1 图2 - 5 二极管嵌位逆变器的拓扑结构 图2 - 5 ( a ) 中，两个串联的电容c 。和c ：把直流总线电压分成3 个等级。其中 n + 电g n + a n 定义为零点电压。输出端v 。有三个状态：v 。2 ，0 ，一v 。2 。 对应于v 。2 状态，开关s 。+ n s 2 导通；对应于一v d 。2 状态，! g - 关s 。+ a s ：导通； 对应于0 状态，s ：+ n s 导通。 此结构区别于传统的双电平逆变器的关键器件y + - - 极管d 。和d ，它们把 开关电压嵌制在直流总电压的一半。但s ，n s ：导通，a 点和0 点的电压为v 。， x鼍。丁毒“眦 天津大学硕士学位论文 第二章中高压多电平变频器的拓扑结擒 即，v a o = v 。此时，d 1 使s 和s ：均压，而s 和s z 遮蔽c - 和c z 电压a 需说明 的是v 。是交流电压，v 。是直流电压，二者的差是c 2 电压降，为v “2 。如把a 点和0 点的电压去掉，则电路变为d c - d c 变频器，三电平为：vd c v 。2 和0 。 图2 - 5 ( b ) 3 旬五e g 平二极管嵌位逆变器，其中直流侧包含4 个电容，c ，c ：， c ，和c 。每个电容的电压为v m 4 ，每个逆变单元的电压将由嵌位二极管嵌制在 、k | 4 。 为说明阶梯波电压的合成，中点n 设为输出相电压的参考点。在a 点和n 点 间有五种开关模式的组合来合成五电平。 1 ) 对应于v 。= v d c 2 ，导通s 1 一s 4 。 2 ) 对应于v 。= v d c 4 ，导通s 2 - s 4 和s 1 。 3 ) 对应于v 。2 0 ，导通s 3 一s 4 ，s 1 和s 2 。 4 ) 对应于v 。= 一7 d 。4 ，导通s 4 和s 1 - s ” 5 ) 对应于v 。= 一d c 2 ，导通s 1 一s f 。 四组互补的开关存在于每一相中。互补开关被定义为，当其中的一个开关导 通时另一个开关就截止状态，反之亦然。上例中，四组互补开关为( s ，s ) ，( s ， s 2 ) ，( s 3 ，s 3 ) ，( s 4 ，s 4 ，) 。 尽管每一个有效的开关单元只需遮蔽一个电压量级v 。( i n 一1 ) ，嵌位二极管必 须有不同的电压等级以恢复电压遮蔽。以图2 - 5 中的d 。为例，当s ：一s 。导通，d 。+ 需遮蔽3 个电容的电压，即3 v d c 4 。同样，d 2 和d 2 需遮蔽2 v 。4 ，而d ，需遮 蔽3 v 。4 。假设每一个嵌位二极管电压的等级象逆变单元一样相同的话，每一相 所需的二极管数目为( m 1 ) ( m 一2 ) 。这近似于m 的二次方。当i n 很大时，以 此为结论所需的二极管数目将使系统不可实现。若逆变器的调制方式为p w m ， 在大功率高电压的场合应用中，嵌位二极管的恢复设计将是重点和难点。 2 电容嵌位逆变器 天津大学硕士学位论文 第二章中高压多电平变频器的拓扑结插 图2 - 6 电晷嵌位逆变器的拓扑结构 此电路又被称为飞跨电容逆变器，独立的嵌位电容使每个逆变单元的电压被 嵌制在一个电容电压。图2 - 6 ( a ) 0 0a 点和n 点间输出三电平，v 。：v 。2 ，0 ，或 - ”d c 2 。 1 ) 对应于v d 以状态，开关s ，和s 2 导通； 2 ) 对应于一v d 9 2 状态，开关s i 和s 2 导通； 3 ) 对应于0 状态， ( s 1 ，s 。) 导通，或者( s ：，s2 ) 导通。 当( s ，s - - ) 导通时，电容c 。被充电，当( s ：，s z ) 导通时，电容c 放电。电 容c 被充电可由适当选择0 状态开关组合来实现。 图2 - 6 ( b ) 为电容嵌位五电平逆变器，它的电压合成比二极管方式更具有灵活 性。v 。可有以下开关组合方式台成： 1 ) 对应于v 。= v d 。2 ，导通s 一s 4 。 2 ) 对应于v 。= v 。4 ，则有3 种组合方式： a ) 导通s ，s 2 ，s 3 ，s 1 一( v 。= c 4 - 的电压v d c 2 - c l 的电压v d c 4 ) ； b ) 导通s 2 ，s 3 ，s 4 ，s 4 , ( v 。= c 3 的电压3 v d c 4 - c 4 的电压v d c 2 ) ； c ) 导通s l ts 3 ，s 4 ，s 3 ( v 。= c 4 的电压v d c 2 - c 3 1 n e g n 3 v d c 4 + c 2 的电 压v d c 2 ) 。 3 ) 对于v 。= 0 ，则有6 种组合方式： d ) 导通s l ，s 2 ，s r ，s z ( v a n = c 4 的电压v d 。2 一c 2 的电压v m ，2 ) ； 。) 导通s 3 ，s 一，s s 4 t ( v a n = c 2 的电压v d c 2 一c 。的电压v d c 2 ) ； f ) 导通s 】，s 3 ，s 1 - ，s y ( v a n = c r 的电压v d o 2 一c ，的电压3 v d 。4 + c 2 的 墨堂查堂堡主兰堡垒苎 兰三兰! 壹里圭皇! 壅塑塑塑塑盐竺兰 电压v d c 2 一c l 的电压v d c 4 ) ； 曲导通s 。，s 。，s ，s y ( v 。= c 4 的电压v d c 2 一c y 的电压3 7 “4 + c t 的 电压v d c 4 ) ； h ) 导通s 2 ，s 4 ，s 。，s ，( v 。= c ，的电压3 v d c 扣c 4 t 的电压v d 。1 2 一c 2 。的 电压v d c 2 + c l 的电压v d c 4 ) ； i ) 导通s 2 ，s3 ，s s 4 ( v 。= c 3 的电压3 vd c 肛c 4 一的电压v d 。2 一c 2 - 的 电压v d c 2 + c 1 的电压vd c 4 ) 。 4 ) 对应于v 。= vd c 4 ，则有3 种组合方式： j ) 导通s 。，s s ：，s 3 ( v 。= c 。的电压v d c 2 - c ，的电压3 v d 。4 ) ； k ) 导通s 4 ，s ：，s s 4 ( ( v 。= c l 的电压v a d 4 - c 4 ，的电压v a 。2 ) ： 1 ) 导通s 3 ，s ”s3 ，s 4 ( ( v 。c 2 的电压vd c c a - 的电压vd 。，2 _ c 1 的 电压v d c 4 ) a 5 ) 对应于v 。2 一”d c 2 ，导通s 1 - s 4 r 。 类似于二极管嵌位，电容嵌位逆变器要求相当多的电容来嵌制电压。如果所 用的电容电压等级与功率开关相同，则一个m 电平的变频器每相需要的电容数 为m 一1 ) + ( m 一2 ) 1 2 ，另外主直流总线还需( m 1 ) 个电容。这种方式所用到的嵌位 电容数目比二极管嵌位多电平结构所用的器件数量，大致减少一半。i l g l 3 t 具有独立直流电源的级联的多电平逆变器 3 具独立直流电源的级联型逆变器 0 y d c l v d c 2 y d c 3 v d c 4 秆腻 j 脯卅i i ! l r 一! ii 一一 l i 厂一c ! l - 一! ： l6ll 幽2 79 电平级联形逆变器的其中一相的逆变l 毡路及输出波形 图2 7 输出的相电压是由不同的极联单元产生的电压合成得到的。每相的全 一1 5 - 天津大学硕士学位论文 第二章中高压多电平变频器的拓扑结抬 桥逆变单元在输出端产生3 个电压：v d c ，0 和v 。这可由通过4 个功率开 关把电容串联在交流侧实现。这就实现了输出电压分9 个等级在4 v 。之间摆动， 即使不经过滤波，所输出的阶梯波形也很接近正弦。 图2 - 8 应用标准三相双电平逆变器的级联的多电平逆变器 近来出现了一种应用标准三相双电平逆变器的级联的多电平逆变器的结构。 图2 - 8 为其电路结构，使用输出变压器来增加电压。为增加逆变器的输出电压， 逆变器的三相输出模式应是每相间相差为1 2 0 。例如，为获得a , b 两点间的输 出电压，合成方式为：v 出；v 8 l v b l + v b l 一v a 2 + v a 2 一v b 2 。b l ，a 2 间的相位由a 3 ， b 3 经一个独立的变压器提供。 ， 图2 - 9 非对称混台五电平单兀 在此基础上又派生出了非对称混合多电平单元。前述的具有独立直流源的级 联的逆变器的各单元的电压值相等。若在这些单元中使电压值不同，此电路称为 非对称混合多电平逆变器。图2 - 9 为此例，其中存在两个独立的直流总线电平， 一个为d c 另一个为v 。陀。这两个电源不必存在比例上的特定关系，只要是能 方便获得的电源。这个拓扑结构可使在输出电压中得到更多的电平数，同时减少 了所需的级联单元和谐波。即使在相同的电压状态下，它可以实现一个单元用高 频p w m 控制，而另一个开关工作在较低频率。一部分的全桥单元使用i g b t ， 另一部分的为g t o 。g t o 逆变单元工作在较低的频率，典型的工作在基频，而 天津大学硕士学位论文 第二章中高压多电平变频器的拓扑结：5 i j i g b t 单元工作在p w m 高频状态以起到平波的作用。 1 7 1 9 1 以上几种多电平逆变器的拓扑结构是当今解决中高压变频调速的主要技术 选择方向，也是中高压变频领域的研究热点。如前所述，目前还没有能满足中高 压电压耐量的电力电子器件问世，来解决中高压变频调速的问题。所以各种中高 压变频调速，都是采用不同形式的电力电子器件的组合，加之各种辅助电路，系 统必然会很复杂，由此带来的系统稳定性，可靠性，就必须加以重视。就如上述 的几种逆变器来说，均压问题就是不可回避的。这些逆变器都用到了相当多的各 种半导体器件，电容，等。但因各器件的动态电阻和极电容不同，存在稳态和动 态均压问题，采取与器件并联r 和r c 的均压措施，会使电路复杂，损耗增加； 同时，器件串联对驱动电路的要求也大大提高，要尽量做到串联器件同时导通和 关断，否则，由于各器件通、断时间不一，承受电压不均，会导致器件损坏，甚 至整个装置崩溃。二极管嵌位的结构，如果不牺牲输出电压二极管嵌位多电平逆 变器在进行实际的功率转换是无法解决均压问题，因而二极管嵌位多电平逆变器 应在无需均压的无功和谐波补偿的场合应用为最佳选择。“背靠背”滤波逆变的 结构和恰当的均压电路控制可用来解决均压问题。对于电容嵌位多电平逆变器， 均压问题相当复杂。理论上以证明在无功的功率变换应用中电容嵌位多电平逆变 器自身不能均压，例如无功补偿。由于每相浮动的电容决定其相电流，均压和纹 波变得困难。级联的多电平逆变器最初应用在电机驱动领域，每个全桥单元需要 一个绝缘的和独立的直流电源。级