（电力系统及其自动化专业论文）三电平高压变频器及其相关问题研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t h i g hp o w e rm e d i u mv o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c yd r i v e ( v f d lh a sc a u g h tt h ew h o l e w o r d sa t t e n t i o n ，b e c a u s ei tc b _ r ln o to n l yp r o d u c eav a r i a b l ea c v o l t a g e f r e q u e n c yo u t p u t t o p r o v i d ec o n t i n u o u so p e r a t i o n o v e rt h ef u l ls p e e d r a n g eb u ta l s os a x ee n e r g ye f f i c i e n t l y t h i s p a p e rd e s i g n s av f dw i t h2 4 - p u l s er e c t i f i e ra n dt h r e e - l e v e li n v e r t e rb a s e do ni g c t s w h i c hc a nm e e tt h ed e m a n do fc h i n e s ec u s t o m e r sa n dp o w e rg r i dw e l l t oi m p l e m e n tt h i s v f d s u c c e s s f u l l y , t h i sp a p e rd o e ss o l n ed e e pr e s e a r c ho ns o m ep r o b l e m sa s s o c i a t e dw i l t h ev f d t or e a c ht h er a t e do u t p u tv o l t a g el e v e lo f6 k vs e r i e si g c t sw a s n e c e s s a r y t h e p a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c sa n db e h a v i o ro fi g c t sd e e p l yb o t hi ns t e a d ys t a t ea n d d y n a m i cs t a t e b e s i d e s ，s n u b b e rc i r c u i to f s e r i e si g c t sw a sd e s i g n e df o ri t sh i g hs a f e t ya n d r e l i a b i l i 吼t om a k eo u t p u tw a v e f o r mm o r es i n u s o i d a la n dd e c r e a s eo u t p u td u d ta n d h a r m o n i cc u r r e n ta n dv o l t a g e ，l cf i l t e rh a db e e n d e s i g n e da c c o r d i n gt o t h ev f d s c h a r a c t e r i s t i c am e t h o do f k e e p i n gn e u t r a lp o i n tp o t e n t i a lb a l a n c e db a s e do nt h r e e l e v e l s p w mh a db e e nb r o u g h tf o r w a r d ，w h i c hc a ni m p r o v eo u t p u tw a x r e f o r ma n dd e c r e a s et h e p o s s i b i l i t yo fi g c t so v e r - v o l t a g e c o m m o n m o d ev o l t a g ep r o b l e mr e s u l t i n gf r o mt h e v f di ss t u d i e di nd e t a i l ，a n dc o r r e s p o n d i n gm e t h o d d e c r e a s i n gi t i sg i v e n t h ep a p e ra l s o p a ym u c h a t t e n t i o nt or e s e a r c ho ns e l f - e x c i t a t i o no fi n d u c t i o nm o t o rs h u n t e d 、“t hl cf i l t e r a n dd e a d - t i m ec o m p e n s a t i o nb a s e do nh i g 1 v o l t a g et h r e e l e v e l i n v e r t e r m o s tm e t h o d s p r o p o s e d i nt h ep a p e ra r ev e r i f i e db ys i m u l a t i o ni nm a t l a b s i m u l i n ka n d e x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：m e d i u m v o l t a g ev a r i a b l ef r e q u e n c y d r i v et h r e e l e v e li n v e r t e r s e r i e si g c t sc o m m o n m o d e v o l t a g e l cf i l t e r i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： q 义 乙神手年，月，) 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密口，在一年解密后适用本授权书 不保密口。 、 ( 请在以上方框内打。”) 学位论文作者签名：千弛俸 指导教师签名： v 叫年争月【1 日q 年r 月 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 开发高压、大功率变频调速系统的背景和意义 鼠笼式感应电动机因其低廉的价格、简单坚固的结构、一直是工业生产应用的主 要动力，但其固有调速特性差，因此，目前由感应电机直接驱动的风机、水泵类负载 一般都是通过挡板或阀门来调节流量。驱动这些负载时，电机输出的电磁力矩与转速 的平方近似成正比，从而，电机的输出功率与转速的立方近似成正比。由此可见，传 统驱动方式的能源浪费是很严重的。 通过改变大中型异步电动机输入电源的频率可以达到无级调节转速的目的 ( n = 6 0 f p ) ，这种调速方法称为变频调速。 变频调速不对原有系统进行改动，调速系统自成一体，作为一种附加设备的形式 存在，不会对其他设备产生影响，并且占地面积很小。调速系统的通用性很好，小于 及等于额定设计容量的电动机均适用。变频调速的无级性，使得电机能够在额定转速 以下的速度区域内任意调节，如果用于循环水泵电机，可实现系统最佳真空度，从而 更好的符合运行需要，同时节能量远大于变极调速 1 【2 3 。 通过图1 1 可以说明风机的节电原1 1 j ! 4 。曲线( 1 ) 为风机在恒转速下风压一风 量( h q ) 特性，曲线( 2 ) 为恒速下功率一风量( n q ) 特性，曲线( 3 ) 为管网 风阻特性( 风门开度全开) 。假设风机设计时工作在a 点效率最高，输出风量0 i 为 1 0 0 ，此时轴功率n 1 与q 1 和h 1 的乘积面积a h i o q l 成正比。根据生产工艺要求， 当风量需从q 1 减少到q 2 ( 例如5 0 风量) 时。如采用调节风门方法相当于增加管 网阻力，使管网阻力特性变到曲线( 4 ) ，系统由原来的工况点a 变到新的工况点b 运行，从图中看出，风压反而增加，轴功率面积b h 2 0 q 2 成正比，减少很小。若采用 图1 1 风机特性曲线 华中科技大学硕士学位论文 变频调速控制运行，风机转速由n 】降到n 2 ，根据风机参数的比例定律，从图1 1 可见， 在满足同样风量q 2 的情况下，风压h 3 大幅度降低，功率n 3 随着显著减小，节省的 功率损耗与面积b h 2 比c 成正比，节能的经济效益是非常明显的。而且根据流体力知 道，风量与转速的一次方成正比，风压h 与转速的平方成正比，轴功率n 与转速的 三次方成正比，因此，当风量减少，风机转速下降时功率下降很多。以上原理和供水 系统中的节能原理和节能效果基本相同，因此在泵类负载时节能效果也非常理想。 通过以上介绍可知，通过采用变频调速，可以节约大量的能源，带来很好的经济 效益。所以高压、大功率的变频调速系统必将在不远的将来得到广泛的应用。 由前面提到的交流变频调速是一种无极调速系统，通过控制，可以提供很好的调 速性能，不仅仅节约能源，还能提高工业生产质量。目前，在一些钢铁企业，已有高 压变频器用于控制送料设备，带来了很好的经济效益。 目前，已有一些国内企业能够提供高压变频器产品，但相对比较单。整体来说， 箕发展空前仍然非常广阔。研制高压变频器，有利于提高国内高压变频器产品的整体 性能，有利于高压变频器的早日普及。对于我国提高生产工艺水平，节约能源有着极 其重要的意义。 1 2 高压、大功率电力电子半导体器件的发展 高压、大功率交流变频技术的发展依赖与高压、大功率电力电子器件的发展。图 1 2 为电力电子半导体器件的发展历史。从不可控电力二极管( d i o d e ) ，到可控的s c r 直到i g b t 、g t o 、i e g t 等高压大功率的电力电子半导体器件的高频可关断，电力电 子半导体器件的发展不断的推进着交流变频技术的发展。可以想象，随着电力电子半 导体器件的不断发展，高压、大功率交流变频技术将朝着高频率、小型化、高效率、 图1 2 高压、大功率电力电子半导体器件的发展简表 高可靠性的方向不断发展用f 6 1 。 表1 1 总结了几种常用器件的基本特性。从图中可以看出g t o 、i g c t 、s g c t 有 2 华中科技大学硕士学位论文 相对较高的耐压水平，其中g t o 由于开关频率低、开关损耗大等原因在常规的高压 交流变频调速的场合己很少采用，而i g c t 和s g c i 则为其替代品。 表l ，l 常用半导体功率器件的对比 器，i g b ti g b t 波 d i o d eg t oi g c ts g c ti e g t l vm 、 可控 nyyyyyy 逆变电流源 nynnnyn 结构电压源nyynyny 效率月低月高一般一般局 控制信号 n a 电流电压电压电流电流电压 门极电流( a ) n a4 0 0 - 10 0 00 1 l4 0 0 04 0 0 0 1 5 阻断电压( v ) r 田 月 1 2 0 04 5 0 06 0 0 06 0 0 04 5 0 0 电流( a ) 6 0 0 01 0 0 01 0 0 01 2 0 04 0 0 05 0 0 04 0 0 0 缓冲电路 n a 大，3 、无无无小 开关损耗 n a高低低一般 一般低 开关频率 n a 低很高局一般一般月 m vi g b t 和i e g t 相比其它的高压器件有相对较高的开关频率和较小的开关损 耗，但其耐压相对较低。就国内的应用而言，主要的高压电机特别是老电机主要为6 k v 输入电压的产品，这要求高压变频器的输出电压为6 k v 。为了避免额外的升压变压器， 要求电力半导体器件能够承受相应的电压。考虑到电力电子半导体器件目前的发展状 况，i g c t 和s g c t 由于相对易于实现串联和本身相对较高的耐压水平在国内得到了 较为广泛的应用。但出于输出电压质量和变换效率的考虑，基于m vi g b t 及i e c t 的变流器则有更好的输出波形和整体的效率，当然前提是必须进一部提高其耐压水 平。 本文中研制的高压变频器正是基于i g c t 设计的。，i g c t 用于替代g t o 的半导体 器件产品。在性能上，与采用g t o 的变频器相比，基于i g c t 的高压变频器有以下 特点 7 ： ( 】) 高压化 开通和关断的一致性使得i g c t 易于串联，更适合于高压应用，元件的串并联又 可使装置的容量大幅提高。 ( 2 ) 高频化 华中科技大学硕士学位论文 i g c t 低的开关时间和关断损耗使p w m 的斩波频率增加，可达g t o 的2 3 倍， 因此输出输入波形、转矩脉动都有改善，再加上可采用较小的缓冲电路，使得装置的 体积大幅减少，效率也有明显提高。 ( 3 ) 高集成化 续流二极管、门极驱动电路的集成，使调速装置的零件数减少到g t o 的1 ，3 1 2 ， 装置的可靠性大大提高( 失效率约为g t o 的1 3 ) ，成本降低约2 0 ，体积减小。 用i o c t 构成调速系统符合高压、大功率交流传动的发展方向。 13 国内外高压、大功率变频调速系统的发展( 拓扑结构) 目前的高压、大功率变频器已很少采用通过降压和升压变压器来实现的“高压一 低压一高压”的变频调速方式，比较流行和实用的方式都是采取直接“高压一高压” 的变频调速方式。 根据主回路拓扑结构的不同，目前常用的高压变频调速装置又可分为以下几类： 交一交型变频器； 交一直一交变频器。 其中，交一交变频调速装置多用于特大功率、低速( 6 0 0 r m i n 以下) 场合。而交 一直一交变频调速装置由于具有输出频率变化范围大，功率因数高，谐波易于消除等 优点，是目前应用的主流。交一直一交变频器又可以分为电流源和电压源两种类型。 ( 1 ) 电流源型变频器 负载换相式电流源型变频器( l o a dc o m m u t a t e di n v e r t e r - l c i ) 图1 3 为负载换相式电流源型变频器。这种拓扑结构采用的半导体器件为s c r ， 主要应用于同步电动机。其中晶闸管的关断主要靠同步电动机定子交流反电动势自然 气 王2s 芝5 乏 玉z玉 7 z c ， 3 2zs 玉 乏 s 7弋7 z 乞一i 图1 3l c i 电流源变频器 完成。变频器的输出频率亦不是独立调节的，而是依靠转子位置检测器得到的转子位 置信号按一定顺序周期性的触发逆交器中相应的晶闸管。此结构使用的器件较少，可 靠性较高但这种结构的输出电流谐波很大，调速范围很窄，启动转矩也相应较小。 4 华中科技大学硕士学位论文 由于其结构简单，在给专门的同步电机供电时，还是非常成功的。 g t o s g c t 电流源型p w m 变频器 s g c t 相对于g t o ，开关频率有一定提高，损耗也相应较低。s g c t 是应用于电 流源高压变频器时g t o 的替代品。电流源变频器可以直接实现四象限运行，其输出 电缆长度没有限制( 目前最大距离超过3 0 公里) 无需过电流保护。因此，电流源型 p w m 变频器在部分领域有着较广泛的应用。同时，电流源型变频器在不采用p w m 整流时，输入功率因数较低。其性能和负载电机参数相关；输出损耗较大；输出则需 要相对较大的滤波电容；电流谐波成分相对较大：产生的共模电压也相对较大可能危 及电机的安全【8 】【9 。其基本拓扑结构如图1 4 。 3 一 3 么zz 77弋7 一 一 l厂 i ll“1 3 一 3 一7 上上上 么么么玉 7弋7 tt1 、 一 图1 4g t o s g c t - - p w m 电流源变频器 ( 2 ) 电压源型变频器 l v i g b t 单元串联多电平变频器 两电平p w m 逆变器 m vi g b t i g c t 三电平逆变器 l vi g b t 单元串联多电平变频器由多个低压电压胞串联组成输出电压为额定输 出电压的高压变频器。这种结构即使不采用输出滤波器也有较好的输出电压、电流和 输入电流，目前应用较为广泛。 这种结构采用了三项关键技术：一是在输出逆变部分采用了具有独立电源的单相 桥式s p w m 逆变器的直接串联叠加；二是在输入整流部分采用了多相多重叠加整流 技术：三是在结构上采用了功率单元模块化技术 1 0 】 1 1 。 所谓多重化技术就是每相由几个低压p w m 功率单元串联组成，各功率单元由一 个多绕组的隔离变压器供电，用高速微处理器实现控制和以光导纤维隔离驱动。多重化 技术从根本上解决了一般6 脉冲和1 2 脉冲变频器所产生的谐波问题，可实现完美无谐 华中科技大学硕士学位论文 波变频。无须外加滤波器即可满足各国供电部门对谐波的严格要求；输入功率因数可达 0 9 5 以上t h d ，和 时输出为0 ，否 则输出不为0 t 19 1 。如图3 2 所示。 0 s 】 s ： s 3 s 4 u b o u 口，= m 口s i n o ) 0 1 殄弋玲念，八i 八、八，一 八八i 八八矿泌。，m ，一 u n 厂 厂 r r 1 | in 门厂l 厂 几nni “ n 厂 厂 n 几 “ nn 厂 n “ uuuuu 一“ 3 2 三电平s p w m 调制方法 将a 相电压用双重傅立叶级数表示可得： u 。( c o o t ，：f ) = 如e 胁”。 ( 3 4 ) 背由 小筹e 叫砜一( 删( 叫一e 一) 。啊( 删，) ( 3 - - 5 ) 1 5 华中科技大学硕士学位论文 由相电压u 。o 与u b o 相减可得到线电压“。，即： u o h ( c a o f ，功，) = a b , a k e “” ( 3 6 ) 其中： 铲”圳c o s i k t 一j 1 + ( - s i l l 等扩 c3 _ 7 ) 经分析计算，得到三电平s p w m 的谐波分析结果如下： “舶，= 譬s t n ，+ - ”g ) 一等委。蠢! d 等堂s i n 丝2c 。s 警c 。n c a , t + k ( c o o ，+ 等) 其中：u d 为直流侧电压的一半，并在文中取u d = 2 u a = 2 e d ( 3 8 ) 3 2 2 三电平s v p w m 取u a 、u b 、u c 为三相正弦波，可以分别表达为： u 。= c o s ( d u b = u 日c o s ( c a 一2 ，r 3 ) u2 u m c o s ( c a t + 2 ，r 3 ) ( 3 9 ) 按图3 3 ，将三相电压置于空间互差1 2 0 。的三个方向上，在复数坐标系中定义空 间电压矢量 u r = = u u m o + a u b + + g a j ：1 2 u ”u 。m + e m +(3-10)coscot c o $ ( o x - 2 r r 3 ) - j 1 2 0 * uc o s ( c o t2 z 3 )= u m+ g 1 2 妒u m + e m + 可见，三相电压可以合成一个以角速度u ， 幅值为3 u r n 2 的旋转矢量。当某褶电压达到最 。 大值时，台成空间矢量即处于该相电压对应的位 置上。如此，空间电压矢量就和三相电压建立了 一一对应关系。 在分析三电平变频器空间电压矢量控制时， 引入开关函数s a 、s b 和s c 。比如当s a = 1 时， 输出电压为+ u d ，代表a 相状态为p ；当s a =w l 时，输出电压为一u a 代表a 相状态为n ：当 图3 3 空间电压矢量示意幽 s a = 0 时，输出电压为0 ，代表a 相状态为c 。对s b 和s c 也进行类似定义，有： u o = s a e 口 u = 品日 ( 3 1 1 ) u c = s e 1 6 华中科技大学硕士学位论文 合成空间矢量可得： u = u o + 口u + c 1 2 u = 置，( s 十s , e ”旷+ sp 叫”旷) ( 3 1 2 ) 取变频器输出状态为p n n 时，u 。= l 、u b = 一i 、u 。= 一1 ，代入后得到u = 2 e d 。 、v 、 了悬i浚?7 、。釜忒 罨、t ) ( # 鬻之 甜o ：彩彰一 ，o n 唧( c n p )( p n p ) ， ， w 一 图34 三电平空间矢量幽 ( p 凹一u 依此，三电平逆变器可以输出共2 7 个空间状态共计1 9 个空间矢量。可以用图3 4 来表示。从图3 4 中可以看出，三电平逆变器整个矢量空间可以分成6 个大的区间( 从 0 。开始依次相差6 0 。) 。每个区间又可以分 为四个独立的小区间，图3 5 为0 。6 0 。区 间的情况，其它区间也与其相似，仅仅存在 角度的区别1 9 1 。在s v p w m 调制中，旋转空 间矢量u 是由所在区间的三个电压矢量u 。、 u ，、u ：合成的。他们作用的时间分别为t x 、 r 、t ：，且t 。+ t y + t z - - - - - t 。t 。为开关周期。 现定义： 曩：生y ：上z ：生 j r sj i ? sj r 。 以0 。6 0 。区间为例说明相应的x ，y ， 图3 5o 。6 0 。扇区矢量 z 的计算方法。这个扇区可以分为四个大小相同的区间( i 、i i i 、) ，如图3 5 所示。在计算中。可以通过比较参考矢量与图3 5 中四条边界线来确定矢量所在的具 华中科技大学硕士学位论文 体区域。四条边界线分别定义为m a r k l 、m a r k 2 和m a r k 3 ，可分别表示如下 e ? 1 m a ，k l ：；! 羔1 4 3c o s o + s i n 臼 m a r k 2 = ；型! 丝 护s 一7 3 c o s o + s i n o 7 6 ( 3 - 13 ) 、 3 4 三 目三 s i n o 4 63 m a r k 3 ：；! 1 4 3c o s 0 + s i n 口 与两电平逆变器相似，三电平空间矢量p w m 调制也是通过对调制空间矢量的位 蜀进行判断，选择进行合成的开关矢量，并计算其相应的丌通时间。 取iul 为在空间以角速度国。旋转的电压矢量u 的模长，则定义调制比为： 。：盟 三 ( 1 ) m m a r k l 。此时旋转矢量u 处于扇区i ，u 由此区间u o 、u l 和u 2 三个电压 矢量合成。根据矢量合成的原理，解出相应的开通时间为： ：2 脚( c 。s 口一 s i n - o ) y ：m 。4 s i n o ( 3 - - 1 4 ) 4 3 z ；1 2 m ( c 。s 目+ s i 下n o j ( 2 ) m a r k l m m a r k 2 。此时，参考电压旋转矢量u 处于扇区m ，输出电- n 矢量有 u l 、u 2 和u 3 三个矢量信号合成。求解相应开通时间可得： jx = ，一所 4s i n 厂0 】，= 1 2 m ( c 。s 矽一s i n 焉 0 一) ( 3 - - 1 5 ) z - 一十2 嘶。s 口+ 警)， ( 3 ) m a r k 2 m m a r k 3 ( o e 3 0 。) 。此时参考电压矢量位于图3 5 中i i 区间， 在此区间中的矢量信号由u l 、u 3 和u 4 三个电压矢量合成。其开通时间分别为： 华中科技大学硕士学位论文 x = - l + 2 研( c 。s 口一s i 下n o ) y ：m 4 s i n o( 3 1 6 ) z ：2 2 ( c 。s 臼十s i t n _ o j、 ( 4 ) m a r k 2 m m a r k 3 ( 3 0 。 e 6 0 。) 。此时参考电压矢量位于图3 5 中的区间 ，在此区间，参考电压矢量信号由u 2 、u 3 和u 5 合成。其_ 丌通时间分别为： z ：2 m ( c 。s 臼一s i n f o ) 吖j y ：一l + 珊，4 s i n o( 3 1 7 ) 3 z ：2 2 ( c 。s 目+ s i i n o ) 吖j 以上分析了在0 6 0 。扇区内参考电压矢量处于不同部分时，开关时间的计算方 法和公式。由于其它五个扇区除了角度以外，其它都相同，因此只要代入不同的e 值 就可以计算出相应的开关时间。此外，由于在三电平逆变器空间矢量调制过程中，存 在相同的输出矢量由不同输出状态构成，因此在进行开关状态切换的时候应该可以通 过选取合适的输出状态来减少器件开关的次数，以减少开关损耗。 3 3 异步电机矢量控制 德国的f b l a s h c h k e 于1 9 7 1 年提出了矢量控制理论。矢量控制技术是建立在电机 的动态模型基础上的控制方法，可以灵活有效的控制电机的动态转矩，因此可以使电 机获得良好的动态性能。 矢量控制的思路是把三相异步电动机等效于两相在空间上相互垂直的静止坐标 系统模型，再经过坐标变换为磁场方向与m 轴方向一致的同步旋转的两相m 、t 模 型。电流矢量是一个空间矢量，因为它实际上代表电机三相产生的合成磁势，是沿空 间作正弦分布的量，不同于在电路中电流随时间按正弦变化的时间相量。电流矢量分 解为与m 轴平行的产生磁场的分量一励磁电流h 1 1 和与t 轴平行的产生转矩的分量一 一转矩电流i t ，前者可以理解为励磁磁势，后者可以理解为电枢磁势。通过控制i m 、 i t 大小也就是同时控制电流矢量i 的幅值和方向去等效的控制三相电流的瞬时值，从 而调节电机的磁场与转矩以达到调速的目的i ”。 由于是矢量控制，也就是说不仅控制电流的幅值大小，而且考虑了方向，体现在 华中科技大学硕士学位论文 i m 、i 。的分配比例是确定的，这也就与以往的调速方法不同。如v f 调速等方法是属于 标量控制，必然要经过较长时间调节才能达到稳定运行。矢量控制主要特点是动态响 应快，使交流电机调速性能有质上的提高2 “。 3 3 1基于转子定向控制的异步电机数学模型及仿真分析 在磁场定向矢量控制系统中，一般把d - - q 坐标系放在同步旋转磁场上把静止 坐标系中的各交流量转化为旋转坐标系中的直流量，并使d 轴与转子磁场方向重合， 此时转子磁通q 轴分量为0 。下文中定义小标d 、q 分别表示d 轴和q 轴分量，定义下 标s 、m 分别代表定子及转子风量，。和。，分别为同步角频率和转差角频率。此时， 电机的数学模型可以表示为： “一= r ，i s d + p g , a 一珊。l ；f ，。 “q = r s i q 七p 妒辐、妒；d 0 = r r i 日+ p l ， 0 = r 。i 。+ 妒_ l ；，d = ls i 饵+ l 。i d 中q = l s is q 七l 。i ， v d = l 。i “ 4 - l ，i h 0 = 三。f q + l , i w 乙= 扣每印。 群口= 足；i 埘+ p ( l 。i 一+ 工。i 坩) 一，( ，i 讲+ 。i ，【，) 驴一争o 1 一一t k 驴气竽 虬- r d + p u 巾l m 鳖 叫h q 一每) “耐= r ，f 一十观。p i 对+ 毒生p y 耐一棚，础， r 同理可以推导得出： “q = r 。f q + 缸，p j q + 功，( 以，f “+ 毒旦v 。) ( 3 1 8 ) ( 3 1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 2 2 ) ( 3 2 3 ) ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) 华中科技大学硕士学位论文 “= i “ ( 3 - - 2 6 ) 出：盟( 3 - - 2 7 )出。 1 坤，d l 。= 昙p 。寺旦f w 5 f ， ( 3 2 8 ) 以上为转子磁通定向矢量控制方程式。r ，和r 。分别为转子时间常数和定子时间常 数，仃= 1 一e l ，三，为漏磁系数。由式3 2 6 可以发现，只需检测定子电流的d 轴分 量即可观测出转子磁通幅值。由式3 - - 2 8 可得，在转子磁通恒定时，电磁转矩和电流 的q 轴分量或转差频率成正比，没有最大值限制，通过控制定子电流的q 轴分量即可 控制电磁转矩。因此，也称定子电流的d 轴分量为励磁分量，定子电流的q 轴分量为 转矩分量。由式3 - - 2 4 、3 - - 2 5 可知，在忽略反电动势引起的交叉耦合相以后，可由 电压方程d 轴分量控制转子磁通，q 轴分量控制转矩【2 2 】【2 3 】。 由转子磁场定向矢量控制方程式可以得到 = o l s 忆蝎，每肌+ 舍”圳c r l 。( 3 - - 2 9 ) 同理可得： =盖u吐去p(净脚。(o-l,i。j+等(3-30)p j p n l 。i p 咀。l 。毕破l， 提出与国，相关的旋转电动势耦合相，令： 小丑，号咖“”r ，专p 鲁y 一( 3 - - 3 1 ) _ = 盖u 吐去p c 荨( 3 - - 3 2 ) “m = 一，础，k ( 3 3 3 ) ”￥= 珊，( 础，0 + 缈) ( 3 3 4 ) 由( 3 - - 3 1 ) 得到d 轴磁链和电压的传递函数形式为 毕：= & 墨! ( 3 - - 3 5 ) f ，do 肾，f ，s + ( r 。+ f ，) j + l 考虑到控制中保持l ；f ，。恒定，则可得到： 一 2 l 华中科技大学硕士学位论文 墨生堕 玉：垦墨：( 3 3 6 ) 二 c r r ，+ 1 根据以上数学模型构造由磁通调节器、转矩调节器、转速调节器构成的矢量控制 系统，并根据电机控制中相应的要求，选取控制参数，得到如图3 6 3 9 仿真结果。 厂： ： ： ! ! li iii l 图3 6 电机转子磁链的建立过程 t ( s ) ； ； _ - “h u j j 。f 图3 7 突加负载时输出转矩的变化 、 ， u 67991 01 11 2 13 141 51 6 图3 8 突加负载时转速变化的波形 ( 5 ) 2 2 仑|叭8；驰虾弱牾驰 华中科技大学硕士学位论文 i s d ( a ) 1 。 9 8 7 b 5 4 3 2 1 o l s a ( a ) ，一 1 2 1 0 日 6 4 2 o f 图3 , 6 为电机的转子磁场的建立过程，从图中可以看出，电机转子磁通建立过程 中超调量很小，很快建立了转子磁通，和预期的要求相同。图3 7 为突加负载时异步 电机输出转矩的变化，图中的波形说明输出转矩的变化对突加负载响应很快。图3 8 显示在突加负载时，电动机转速在突然下降后很快恢复到原来转速。图3 9 为电机在 突加负载时，定子电流d 、q 轴分量的响应情况。d 轴分量控制磁通的变化，在突加负 载瞬间，仅出现较小的波动，然后迅速恢复到原来的大小，继续维持磁通大小不变。 丽q 轴分量在突加负载后迅速增大，提高输出转矩。响应外界受到的扰动。 以上的仿真结果说明了异步电机矢量控制动作的过程，表现出矢量控制较好的动 态响应能力。 34 本章小结 本章基于对本文研制三电平高压变频器控制的要求，深入分析了三电平s p w m 以及s v p w m 的生成方法和各自的特点；探讨了异步电机矢量控制的方法。并在理论 分析的基础上，在基于m a t l a b 仿真平台上，进行了仿真研究。 2 3 华中科技大学硕士学位论文 4i g c t 特性及其串联研究 4 1 i g c t 的结构及特性 i g c t 是将在g t d 基础上进行改良所得的g c t 和极低电感的门极驱动器结合起 来构成的新型高压大功率电力电子开关器件。它最先由瑞士a b b 公司丌发并投放市 场。它的应用使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方 面都取得了巨大的进展。它结合了晶体管和晶闸管两种器件的一些优点，即晶体管的 稳定关断能力和晶闸管的低通态损耗的一种新型器件。因此，采用i g c t 构成的变换 装置可以得到比传统器件更好的效果。目前a b b 能够提供的i g c t 的最大耐压及导 通电流可以分别达到6 0 0 0 v 及1 7 0 0 a ，和g t 0 相当。 相比传统的g t o ，g c t 结构有以下改进：1 、加入缓冲层；2 、透明阳极技术。 缓冲层指如图4 1 b 中介于阳极p + 发射区和n 一漂移区之间的n - - b a s e 层。采用缓冲层 结构设计的一个突出优点在于缓冲层的电场梯度相比传统g t o 结构而言小很多。因 此，器件在阻断相同电压时，其厚度显著的减小。与此相对应，器件的通态及动态损 耗也显著的减小。由于厚度的减小，g c t 厚度与反并联二极管厚度基本相同。则g c t 与反并联二极管一体结构不会承受过量的二极管损耗，其效果非常理想。透明阳极是 一个很薄的发射极，为电流决定发射效率的p n 节。小电流时( 开通) 发射效率高，故 触发电流和通态门极电流很小。而大电流时( 关断) 采用透明阳极可以使得i g c t 具 有低的注入效应，从而可以有效的吸出电子，利于关断。 图4 1g t o 及i g c t 的结构 除了结构上的改进，i g c t 相比g t o 的改进还在于门极电感极低的门极驱动系统。 g c t 采用了先进的封装结构使其门极一阴极电感很低，与其相结合的驱动电源同样也 具有极低的电感值。整个驱动系统的电感约为5 n h ，仅为传统g t o 电感值的1 。因 此，i g c t 关断时d i o o d t 之值比传统g t o 高出两个数量级，可达到3 5 0 0 a l as 。由此， 2 4 华中科技大学硕士学位论文 i g c t 在关断过程中的存储时间很小，整个关断过程安全迅速。同样，其_ 丌通时f n j 也 显著减小。 4 2 1i g c t 的开通 g c t 的开通过程与g t o 基本相同。g c t 与g t o 一样为四层三端器件，它有三个 p n 结，可以看作由p n p 型和n p n 型两个晶体 管互联构成，如图4 2 。其中一个晶体管的集 电极同时又是另一个管的基极。这种结构形 成了内部正反馈联系。在晶闸管两端有正向 电压时，如果门极也加上足够的正向电压， 则有电流i o 从门极流入n p n 管的基极，使其 导通。n p n 管导通后，该管的集电极电流i c 2 流入p n p 管的基极，使其也导通。p n p 导通 后，其集电极电流i c l 又流入n p n 管的基极。皇c j 如此往复循环，形成强烈的正反馈过程，导 致两个晶体管均饱和导通，结果使晶闸管迅 速的由阻断状态转为导通状态。 4 2 2 i g c t 的关断 k 图4 2l g c 丁开通 r t g c t 在加入反向门极电压以后，由于阴极一门极驱动系统极低的电感，反向门极 电流快速上升，使得p n 结j 3 提前进入反向偏置，并有效的退出工作，使整个器件呈 晶体管方式工作。这一特性使i g c t 在承受任何阻断电压之前已变成晶体管，如图4 3 ( a ) 关断前( b ) 关断( a ) 关断后 图4 31 g c t 的关断 2 5 华中科技大学硕士学位论文 昕示。所以，它已无需外加d u d t 的限制，可以象i g b t 一样无吸收工作。而g t o 在 关断的过程中则需要经过一个即非导通又非关断的中间不定状态进行转换，正因如 此，g t o 在关断过程中需要很大的吸收电路来抑制再加的电压变化率。所以i g c t 也 相应有很小的关断损耗。 图4 4 为a b b 官方提供的i g c t 和g t o 的典型开关波形。从图中可以看出i g c t 相对于g t o 有明显的优势。它们的开通过程比较相近，主要区别仅仅在于开通时间 的不同，在关断时，g t o 会经过一个即非关断又非开通的阶段( 又称为g t c i 区) ，即 使在成功的经过这个阶段以后，仍然需要较长的拖尾时间( t 训) 才能完全的使g t o 进入阻断状态。而i g c t 在关断阶段则不明显存在所谓的g t o 区，拖尾电流值较大 但持续时间很短。 a n o d e t u m o n ( a ) g t o 的开通及关断过程 t u r n - o 开 ( b ) i g c t 的开通( 左) 及荚断过程( 右) 图4 4 g t o 及i g c t 的开关过程 f 是由于i g c t 本身具有的以上诸多优点，采用1 g c t 构成的三电平变频器将会 有更好的特性。 一 2 6 华中科技大学硕士学位论文 4 2i g c t 串联缓冲电路设计 4 2 1i g c t 静态均压电阻的选择 如上一节所述，i g c t 在各方面的特性相比g t o 已经有很大的提高，虽然其可以 无缓冲电路工作，但由于不同i g c t 之间在特性上有一定的差异( 开通、关断时间不 一致) ，要实现安全的串联工作则必须并联缓冲电路。合理的缓冲电路不仅要其可以 安全的工作，更重要的是在安全稳定的基础上更好的发挥其性能。本文将借鉴比较成 熟的g t o 的缓冲电路设计来完成i g c t 的串联缓冲电路 设计。 单只g t o 也需要合适的缓冲电路配合才能正常的 工作( 如图4 5 ) 。关断时，缓冲电路通过v d 。向c ；充电 抑制电压上升率，并通过c 。吸收关断的尖峰电压，以避 免g t o 关断失败。开通时，缓冲电路通过r 。向g t o l 放电，帮助所有g t o 元达到擎住电流值【2 5 】。 与g t o 不同，单只i g c t 无缓冲电路也可以安全工 作( 如a b b a c s 系列) 。这正得益于i g c t 采用的些 新技术( 如前所述) 。在关断期间，由于极高的门极电流 和电流上升率，i g c t 在ll as 内即转变成晶体管状态( 承 受任何阻断电压之前) 。因此，关断期间i g c t 无电压上 升率的限制。i g c t 也就可以无缓冲电路工作。 i g c t 及g t o i 开通时都需要限制开通电流d i d t 的大小。 现，如图2 中l i 。电感值的选取可参照式( 4 1 ) ： 三j l j d i id f 豳45g t o 缓冲b 路 一般通过串联电感来实 ( 4 1 ) 其中，u ：器件承受的电压； d i j d t ：器件允许的最大电流上升率。 i g c t 串联使用时，由于特性的差异会产生静态以及动态电压分配不均衡，导致 个别器件上产生过电压威胁器件安全。为保证器件的安全，必须通过使用静态及动态 均压电路使串联器件避免承受电压不均导致的过电压。在三电平逆变器中，上桥臂和 下桥臂的i g c t 会同时处于关断状态，因此在设计静态均压时应按照四个i g c t 串联 设计。因在开通或关断时，上桥臂或下桥臂不可能同时开通四个i g c t ，因此动态缓 冲电路的设计按两个i g c t 串联设计即可。 2 7 华中科技大学硕士学位论文 静态均压的目的是使器件处于阻断状态时，确保器件的电压分配均衡。如同g t o 以及s c r 一样，i c r c t 器件处于阻断状态时，由于不同器件之间的漏电流存在一些差 异，各器件的伏安特性不一致。为提高耐压水平而串联使用时，将会在漏电流最小的 器件上产生过电压，由此损坏该i g c t 元件。静态均压的最常用方法是给每只器件并 联一个阻值相对较大的均压电阻，当流过均压电阻的漏电流大于流过i g c t 漏电流时 会取得较好的均压效果。均压电阻的阻值大小决定于各器件漏电流大小的差异，差值 大则电阻值要取小。选取静态吸收电阻还要考虑其损耗，在允许的情况下选取较大的 电阻以减小电路的损耗【2 “。图4 , 6 为串联i g c t 的静态均压电路。 图4 6 串联i g c t 的静态均压电路 假定s l 的漏电流最小为i 。c 。i ”而其它的器件均有相同的最大漏电流为i 。，。 根据电路图可得： ，。 。) 一l a ( 。岫= 1 】一1 2 ( 4 - - 2 ) s l 端电压为v 1 ( v i = 1 1 r ) ，串联器件的总端电压为u 。，串联个数为i 1 ，则可得下式 u ，= 0 一1 ) ，2 r4 - u j ( 4 3 ) 将( 4 2 ) 代入( 4 - - 3 ) 可得： r = ( n u l u ) ( n 1 ) ( l ( ，。) 一，。神) 考虑最坏的情况i 蜘，。) - o ： r s ( n u l u ，) “甩一1 ) 1 。f 。1 静态均压电阻损耗为： 、 ( 4 4 ) ( 4