（控制理论与控制工程专业论文）多重电压的pwm调节的高压变频控制系统.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 交流电动机以其结构简单，维护容易而逐渐取代了直流电动机，成为传动领域的主角。 特别在高压大功率领域，交流电动机更是有着直流电动机所无法比拟的优势。随着变频技 术的发展，交流电机的调速技术已经比较成熟，低压电机的变频调速已经能够成功运用于 工业实践。在变频理论上，低压变频的系统结构和相关参数的设置分析也已经积累了大量 的经验参数。但是在中高压变频领域，由于功率器件的耐压等级不够，还不能直接借鉴低 压变频的经验。高压变频的电路拓扑结构复杂，新型的算法和理论非常多，在实际应用中 谐波和功率因数的问题仍是研究的热点。随着高压电机的广泛应用，对高压变频的要求也 逐渐提高，不但要达到调速和节能目的，更要保证变频器本身的绿色环保。所以进一步研 究高压变频的结构和算法仍是一个重要的课题。 本文将会对高压变频的主要拓扑结构和原理进行分析，特别针对功率单元串联方式下 的多重电压输入和p w m 输出算法进行探讨，对于磁通定向的p w m 算法进行定性定量分 析，提出一种比较适合于功率单元串联高压变频器的p w m 输出算法，将电动机和逆变输 出一体化分析，以求能够有更好的控制效果。 关键词：高压变频；多重电压；p w m ；磁通定向 a b s t r a c t t h ed cm o t o ri sg r a d u a l l yr e p l a c e db yt h ea cm o t o rf o ra c m o t o r ss i m p l es t r u c t u r ea n d e a s yt om a i n t a i n a n da c m o t o rh a sb e e nt h em a i nc h a r a c t e ri nt h ef i e l do fd r i v e e s p e c i a l l yi n t h ef i l e do fh i g h v o l t a g ea n dh i g h p o w e r , t h ea cm o t o rh a sm u c ha d v a n t a g et h a nt h ed c m o t o r w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff r e q u e n c yc o n v e r s i o n , t h es p e e dc o n t r o lo fa cm o t o ri sv e r ye a s y t h e f r e q u e n c yc o n v e r s i o no fl o w v o l t a g em o t o rh a sb e e nu s e df o rp r a c t i c es u c c e s s f u l l y a n di nt h e t h e o r yo ff r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，l o w v o l t a g em o t o rh a sa c c u m u l a t e daw e a l t ho fe x p e r i e n c e p a r a m e t e r s b u ti nt h ef i e l do fh i g h - v o l t a g e ，t h ee x p e r i e n c ef o rt h el o w - v o l t a g es y s t e ms t i l lc a n t b eu s e dd i r e c t l yf o rt h ev o l t a g el e v e lo fp o w e re l e m e n ti ss t i l li n s u 衔c i e n t t h es t r u c t u r eo f h i g h v o l t a g ei sv e r yc o m p l e xa n d t h e r ea r em a n yn e wk i n d so fa l g o r i t h m sa n dt h e o r i e sa b o u ti t i np r a c t i c e ，t h eh a r m o n i c sa n dp o w e rf a c t o ra l es t i l lt h eh o tp o i n ti ns t u d y w i t ht h ew i d e l yu s e o f h i g h v o l t a g em o t o r , t h er e q u i r e m e n t so fh i g h v o l t a g ef r e q u e n c yc o n v e r t e rg e tm u c hf u r t h e r , n o t o n l yt oa c h i e v et h ep u r p o s eo fv a r i a b l es p e e da n ds a v i n ge n e r g y , b u ta l s ot oe n s u r et h eg r e e n c h a r a c t e ro fc o n v e r t e ri t s e l f t h e r e f o r e ，f u r t h e rs t u d yo ft h es t r u c t u r ea n da l g o r i t h mt 0 t h e h i g h - v o l t a g ei ss t i l lv e r yi m p o r t a n t i n t h i sp a p e r , t h em a i nt o p o l o g ya n dp r i n c i p l eo fh i g h - v o l t a g ew i l lb ea n a l y z e df i r s t , a n d t h e nt h em u l t i p l ev o l t a g ei n p u tb a s eo nt h ec a s c a d e dh i g h v o l t a g ec o n v e r t e ra n dt h ea l g o r i t h mo f t h eo u t p u tb a s eo nt h ep w mw i l lb ed i s c u s s e d a f t e rt h a t , t h ep w ma l g o r i t h mo fm a g n e t i c o r i e n t a t i o nw i l lb ea n a l y z e dq u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l y t h e n , t h em o t o ra n dt h ec o n v e r t e r w i l lb ea n a l y z e dt o g e t h e ra n dan e ws u i t a b l ea l g o r i t h mf o rt h ec a s c a d e dh i g h v o l t a g ec o n v e r t e r w i l lb eb r i n go u t i no r d e rt og e tb e t t e rc o n t r o le f f e c t s k e yw o r d s ：h i g h v o l t a g ef r e q u e n c yc o n v e r t e r ；m u l t i p l yv o l t a g e ；p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ； m a g n e t i co r i e n t a t i o n 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进 行研究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共 同完成的工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：盟剑日期：巡塾丛旦丝9 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它 单位的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版 本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将本论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索。 论文作者签名：塑垒型 指导教师签名：蕊 日 期：丝些! 囵盗国 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 世界上第一台直流电动机诞生于1 8 8 4 年，直流电动机凭借其优良平滑的调速性能和易 于控制的特点，在上世纪9 0 年代前直在工业领域占据了主导地位。但是直流电机优良性 能的背后也有阴影，比如说结构复杂、维护量大、碳刷打火等等。特别是在高容量、大功 率的应用上，其弊端更加明显，在大功率应用中由于电机结构和碳刷打火的原因，直流电 机的功率等级已经发展到了极限，逐渐无法满足工业生产的需要。在这种情况下交流电动 机，特别是鼠笼式异步电动机得到了广泛的应用。在高压大功率场合交流电动机以其简单 的结构、坚固耐用的特性、便宜的价格占据了绝大部分的份额，得到了广泛的应用。 当然，任何事情都是辩证的，交流电机的特性告诉我们它的速度是不容易控制的，通 过机械传动齿轮或离合器等方法可以实现，但调速范围和调速稳定性无法保证，并且浪费 了大量的能源，而通过电气方法调速就必须改变供电电源的频率，需要各方面的技术基础。 不过随着电力电子技术的发展，变频调速已经得到了广泛的应用，技术也r 趋成熟，变频 调速的新理论和新技术更是广大科研工作者的研究热点。 变频调速不仅仅是在工艺调速上的应用，在节能应用上，变频调速更有其重要意义， 特别是风机水泵类负载的变频节能效果非常明显。特别是我国政府对建设节约型社会已下 定决心，高耗能产品必将被淘汰。近2 0 年来，一些发达国家一方面不断推出新的高效调速 产品，另一方面大力开拓调速技术领域，不断扩大应用范围，使高压大功率调速技术成为 一个引人注目且具有广阔发展前景的产业。 据统计我国电机总装机容量已超过4 2 亿千瓦，年耗电量达6 5 0 0 亿千瓦时以上，而冶金、 钢铁、石油、以及化工和水处理等各个行业中高压大功率的电机广泛用于拖动风机、泵类 机械以及压缩机，它们消耗的能源占电机总能耗的7 0 以上。如果我们利用高压变频调速 系统代替原有的机械调速系统和直流电机，不仅可以实现无级平滑调速，满足生产过程对 电机调速的要求，而且可大幅度节约能源，降低生产成本，产生巨大的经济效率，对节约 能源来说意义十分重大。 这里有一个高压风机的例子可以说明问题【l 】： 鱼：生 堕：f 生1 旦：f 生1 。 ( 1 1 ) q 2n 2h 2l 以2 l 最 l ，1 2 式中，q 、日、p 分别为风机的风量、风压、轴功率，其中在满足工艺要求的情况下 尽量减小轴功率即是降低能耗的重点，而速度是关键。 如图1 1 所示为离心风机风压和风量q 的曲线特性图：图中，刀，r 分别为风机的 速度特性曲线和管网特性曲线，a 和c 为风机的工作点。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 图1 1 风机特性曲线 可做如下分析：在不调速的情况下，从大流量q 1 调到小流量q 只能改变管网特性， 这样速度没变，功率消耗就没有节省；如果我们把速度降到刀，把工作点定在点c ，则在 满足风量的同时降低了速度，从而减小了轴功率。这一点对于高压大功率的电机尤其重要， 其节约的能源成本只需1 到2 年即可收回变频改造的投资。 现在，在低压变频领域，理论和技术都已经相当的成熟，但是在高压大功率领域确实 还有一些需要研究论证。比如高压状态下，电力电子器件的耐压和中点平衡问题；谐波的 产生和抑制问题；功率因数的补偿问题；变频输出的控制算法问题等等。 在本文中将着重对多重电压功率单元串联的高压变频方案进行分析论证，特别对其输 出p w m 调节的算法进行深入讨论，以求获得更好的控制策略，提高电压利用率，降低谐波 输出，达到完美无谐波的理想效果。 1 2 高压变频的研究现状 高压变频的调速从用途上主要分为两大类：一类是工艺型的调速比如提升机、轧钢机 和牵引机车等；另一类就是节能型的调速，主要应用于风机水泵。工艺型调速要求电气传 动系统具有很高的动态响应能力和极佳的控制精度，这一领域长期以来一直被直流电动机 传动所垄断，对于交流电机来讲，关键在于变频调节时快速的动态相应和零速下的大转矩 启动能力，这一点对于一些提升机械来说意义非常重大。对于节能型调速来讲，其应用的 效果在高压大功率的风机与泵类控制中应用成果最为突出。因为风机的能耗是与其速度的 三次方成正比，如果运用高压变频器对高压风机和高压泵类进行调速控制，不仅能达到更 好的控制效果而且其节能效果更加突出。 高压变频的调速从原理上也主要分为两大类：一类是高压交交变频系统，一类是高压 交直交变频系统。后者在低压变频领域已经是相当的成熟，前者在大功率领域也有一些应 用。后者在整流上采用技术成熟、耐压高的晶闸管作为电力电子器件。现在国内的晶闸管 成熟产品耐压已经达至l j 6 5 0 0 v ，考虑功率器件一倍的欲量，用与2 3 0 0 v 的中高压系统是没有 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 问题的，但对于2 3 0 0 v 以上的系统就仍然需要功率元件的串联，这样就存在晶闸管的静态 均压、动态均压、触发信号一致性、主电路布线一致性等诸多问题，特别是动、静态均压 的问题解决起来很困难。所以在高压变频领域还是应以交直交变换方式为主进行研究，这 样可利用全控型器件的优势进行p w m 的算法控制。 目前，在交直交方式高压变频领域主要有以下几类常用技术理论： 1 1 传统二电平形式：由于功率模块的耐压不足，需要器件串联，这样动、静态均压问题 难以解决，且谐波含量大，现在已经基本不用。 2 ) 二极管箝位三电平电路理论：由于输出多了一个电平，电压谐波大大减少，其它性能 也是非常适合于高压变频调速技术。 3 ) 混合筘位式三电平逆变电路：电路中增加了筘位电容，减轻了桥臂内侧器件上的过电 压问题，更好的实现了电容电压的均衡。 4 1 其它的三电平逆变方案 5 ) 多电平的逆变方案：主要是五电平的调制方案，使得谐波输出更小，波形更好，但是 控制非常复杂，且器件比较多。 6 ) 功率单元串联的电压源型高压变频方案：此方案利用电压输入的多重化，和输出的功 率串联技术，使得用普通电力电子器件就能实现高压的变频调速，同时采用先进的 p w m 控制算法，可以达到完美无谐波的控制效果，是现在的主流方向，也是本文所要 重点讨论的地方。 1 3 需要进一步研究的问题 交直交形式的高压变频调速系统是一个整流与逆变的综合控制系统，特别在6 k v 以上 的高压变频时，采用传统方式很难实现对逆变器的可靠控制。因此应用中多采用级联多电 平主电路的结构形式。多电平因其采用功率单元模块化的设计，所以可以很好的克服电力 电子器件如i g b t 管耐压不足的缺点，更重要的是当我们利用合适的p w m 算法进行控制时 其输出电压的波形将非常完美，几乎达到了完美无谐波的理想效果。特别是p w m 的算法问 题，在高压变频中有更重要的意义，无论是谐波分析、功率因数还是电压利用率等都与此 有密切关系，这也将是本文要阐述的重点内容。 1 4 本文的研究工作 本文通过对高压变频的几种拓扑结构进行分析，得出它们各自的优缺点后，重点对功 率单元串联多电平高压变频的主电路结构进行剖析。讨论不同p w m 输出控制算法条件下的 谐波特点，电压利用率等性能指标，最后总结提出一种新的p w m 调制方法，以求得到更好 的控制效果。 具体工作准备做如下安排： 1 ) 第二章：对三电平技术进行简单的分析，讨论一些与其相关的波形问题。 2 ) 第三章：对多电平技术进行一些讨论，分析其相关特点。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 3 ) 第四章：对多重电压的功率单元串联高压变频系统进行相关计算分析。 4 ) 第五章：对高压变频系统p w m 算法进行集中分析讨论，总结规律特点。 5 ) 第六章：在以上基础上提出新的算法，并加以分析。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 第二章三电平电压源型高压变频器的技术分析 在高压变频调速的技术方案中，三电平方案算是比较成熟的一种，已经有了较多成功 的应用，如西门子公司的s i m o v e r tm v 系列和a b b 公司的a c s l 0 0 0 系列。 三电平是相对于普通通用变频器的两电平方案而言的，以往的两电平方案每个桥臂的 输出电位相对于直流中性点而言只有正电平( p ) 和负电平( n ) 两个电平，三电平在此基 础上还可以实现零电平( o ) 的输出。也正是由于输出多了一个电平，可以使d w d t 降低一 半，从而使输出电压谐波减小，电动机的轴电压和轴电流都将大大降低，这些特点对于高 压变频来说都是重要的性能参数【2 】。当然电平的增多也带来了控制算法复杂多变的问题， 在本章中，将就与此相关的问题进行讨论。 2 1 高压变频器的系统结构 高压变频其主要由主电路和控制电路组成【3 “】。 1 ) 整流器：它把三相交流电变为直流电，在大功率调速变频器中为了提高输出侧的功率 因数多采用不控整流方式。 2 ) 直流母线：整流器整流后成直流电压，是不能直接接着逆变器上供电动机使用的，必 须有一个缓冲储能的环节，一般来讲利用电感和电容来平波储能，为电机提供有功和 无功能量，而这一切全部是直流母线供给的。 3 ) 逆变单元：它将直流逆变成交流电供电动机使用。在实际的高压大功率变频调速装置 中，拓扑结构还不统一，而最常见的是二极管箝位式的多电平和功率单元串联三相逆 变器。通过有规律的控制逆变器中开关器件的通与断，可以达到变压和变频的目的。 4 ) 控制电路：控制电路的主要作用是控制开关器件的导通时刻和开关时间，一般由微电 路组成，现在的控制电路高度集成，有保护、检测、计算和脉冲输出等丰富的功能。 5 1 输出电抗器：虽然通过一些技术手段可以使p w m 的输出谐波达到可以接受的范围， 但这毕竟不是真正的交流电，如果不滤波对电机或多或少会有些影响。当然，研究 的目的是将这种影响降到最小，达到完美无谐波的效果。 2 2 三电平高压变频的基本原理 2 2 1 二极管箝位三电平电路的基本原理 在低压变频系统中普遍采用两电平电路，即在一个周期中，每个桥臂的输出相电压只 能实现+ u d 2 和一2 两种电平。在这种情况下电力电子器件无法承受高压环境下的高电 压，需要串联功率器件进行分压，这给控制带来了很大的困难，如何保证分压均衡是不容 易解决的。而三电平结构在很大程度上解决了这个了问题。 二极管箝位三电平电路的结构原理如图2 1 所示： 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 2 图2 1 二极管箝位三电平电路结构 为了进一步分析三电平的特点，我们对其中的一相进行分析，其它两相与此完全类似， 只是在相位上相差1 2 0 。而已。 现在只对u 相进行研究，原理图如图2 2 所示： 图2 2 三电平电路的u 相分析 首先我们定义直流母线中性点o 点为参考地，在此基础上分析三电平的导通原理： 1 ) 输出为正( p ) 的情况：当v i i l 和v i l 2 导通，v i l 3 和v i l 4 关断时，嘲输出端接到直流母 线的j 下极，此时堋输出电压为正，i i l l + u d 。值得注意的是两个二极管v d l i 和v d l 2 此时 是不导通的，它们在电流由负载端回流时导通，为电流提供通路，这时的v i l l 和v i l 2 会因为承受反压而不会导通。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 2 ) 输出为零( o ) 的情况：当v i l 2 和v i l 3 导通，v i l l 和v i l 4 关断时，嗍输出端接到直流母 线的中性点上，此时硼输出电压为零。两个筘位二极管v d l 5 和v d l 6 此时发挥重要作 用，它们为电流提供流进和流出的通路。 3 ) 输出为负( n ) 的情况：当v i l 3 和v i l 4 导通，v i l l 和v i l 2 关断时，渊输出端接到直流母 线的负极，此时渊输出电压为负，即一觇。值得注意的是两个二极管v d l 3 和v d l 4 此 时是导通的，它们在电流由电源端流向负载时为电流提供通路，而v i l 3 和v i l 4 会在电流 由负载回流至电源时提供通路。 在电路中加上两个筘位电容后可以发现，电压的输出多出了一个零电平，通过经验分 析就能发现，多了一个电平意味着在输出波形上可以多一个阶梯，这样宏观效果上就更接 近于j 下弦波了。同时多了一个电平也给控制算法的设计带来了新的思路。 2 2 2 二极管箝位三电平电路的输出波形 三电平方式的相电压可以实现零电压的输出，其输出有三种状态，现以相电压输出采 用p w m ( 第五章详述) 调制且取载波比- 6 、调制系数为1 ，简要分析三电平的输出波形。 当然，这里应首先注意一个问题，即图2 1 所示的o 与0 7 之间的电压问题。高压变频的 主要控制对象当然是高压交流电动机，一般认为交流电动机的三相绕组是平衡的，所以从 电路理论的角度看o 与o 之间是不用连接的。三相平衡时它们间的平均电压应为零，但注 意瞬时电压不为零，而是有它的变化规律。相关波形图如图2 3 2 5 所示【2 5 一j ： u o + 矾 o - 乩 u v o + 乩 0 i t 图2 3 二极管筘位三电平u 相的输出波形 l 一 图2 4 二极管筘位三电平v 相的输出波形 第8 页 武汉科技大学硕士学位论文 u w o + 乩 0 i 一 ( 图2 5 二极管箝位三电平w 相的输出波形 从图2 3 2 5 可以看出三电平输出时每一相上可以获得零电平的输出，这为控制算法 的实现提供了条件，可以在线电压上呈现出多阶梯效果，更加逼近于正弦波。关于线电压 波形，图2 6 可清楚的说明： i _ 一 一 ( 图2 6 二极管箝位三电平线电压的输出波形 如果进一步对各种电平的导通顺序加以规则，利用零电平的特点，就可以得到图2 7 所示的线电压波形图： i - 7 ， ， - 一 u k - 一 、 ， ， ， k ， 图2 7 二极管箝位三电平线电压调制后的输出波形 从上图中可以看出其波形状态更接近与正弦波。 龇 毗 。 也 姗 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 对于0 与0 之间的电压，我们可以从电路理论得知，它的计算公式为： “。，= 三( 拢“。+ “阳+ “w d ) c 2 ， 波形图如图2 8 所示，注意其瞬时电压是不为零的。可继续分析电压u 耐，它的波动是 有规律的，与p w m 调制时的载波比n 和调制波的角频率有关，可以推导出一下结论： 国，：! 面 ( 2 2 ) 2 。 如果进一步推敲，我们还可得出负载上相电压的波形图，负载电压公式为： u “d ，= u “d u d d ， ( 2 3 ) 虬。 + w 3 o u d i 一 图2 8 二极管筘位三电平电路电源与负载中性点的电压波形 这里只是以三相中的一相为例，其余两相的电压公式与此完全相同，负载电压的波形 图如图2 9 所示： “州 + 4 己v 3 i _ 一 r 图2 9 二极管箝位三电平电路负载上相电压的波形 由负载电压的波形图可以发现，负载相电压的电平非常丰富，特别是这罩的载波比仅 仅为6 ，如果提高载波比，电平的数量会更多。所以说，三电平方式的负载相电压波形还 是很不错的。 3 0 口 口 w “ 叫 w w 2 之 4 第1 0 贞武汉科技大学硕士学位论文 特别是每个桥臂可以骨i 个电甲的输出，那么整机可以实现2 7 中电平的组台，结合三 n 半的空间电压矢量的控制算法，效果还是比较理想的。关于三屯平的详细控制算法，由 丁不是本文要| 寸论的核心问题，故只做简介，但其与本文稍后介绍的磁通定向算法思路是 一敛的。 f 面可以来看看通过m a t l a b 仿真软件所模拟的三电平的输h 波形和谐波次数，从中 u r 以直观的看到三电平与_ 电平方式的区别【7 ”。m a t l a b 软件在仿真和数值运算上有很 n 月显的特点，模型的组奄编程都比较方便，特别是在工具箱中提供了很多的模拟纽件，非 常方面。特别的，这些模拟组件有比较详细的参数设置，可以根据需要来改变参数，灵活 组合，从而达到不同的仿真目的。 f 面给出经过仿真生成的一电平方式和三电平方式的输出波形，如图21 0 21 l 所示， i j j 以从中做一个直观的比较： 图2 1 1 二极管箝值三电平电路的输出相关波形 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 从图2 1 1 可以看出，三电平的输出线电压波形比二电平方式更逼近j 下弦波，可以试想 如果电平数更多，则波形的逼近效果就会更好。 通过傅罩叶级数的展开推导，可以得到输出线电压谐波角频率的表达式为： ，z 缈。+ k e d r 式中，n = l ，3 ，5 ，时，k = 3 ( 2 m 一1 ) 1 ，m = 1 ，2 ，； n = 2 , 4 , 6 , o o o 时, 后= 【6 6 m m 一+ ：三0 ，： ( 2 4 ) 式2 4 中缈。为载波角频率；缈，为调制波角频率。因为载波频率一般都比较高，可以 看出p w m 波中不会有低次谐波，只含载波频率缈。，2 t o 。，3 t o 。及其附近的谐波。三电平结构 的输出波形还是比较完美的，如图2 1 2 所示： f f tw i n d o w ：2o f10c y c l e so fs e l e c t e ds i g n a l o 要 c 仍 卫 亡 j u - 名 誉 、_ 一 口 仍 乏 t i m e ( s ) f u n d a m e n t a l ( 5 0 h z ) = 2 119 t h d ：2 7 5 图2 1 2 三电平输出的谐波分析 图2 1 2 可以看出谐波的总畸变率t h d 还是比较低的，特别是5 、7 、1 1 这些关键谐波的 含量非常小。如果再考虑负载前加一级滤波装置，滤除高次谐波，则输出到电机本身的电 压波形就与标准正弦波相差无几了。 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 2 - 2 3 飞跨电容箝位三电平电路简介 三电平的拓扑结构有多种，如果把上一种的二极管箝位方式改为飞跨电容箝位方式， 这又会有一些新的特点，这里也简单介绍一下这种三电平的拓扑结构，不做过多讨论，飞 跨电容箝位三电平逆变的原理图如图2 1 3 所示【2 a1 0 】： 2 p 1 m 。一z 巩。一z v d 3 l i j c d l v i i lj k 2 l l i z 、v d 2 2 v i ，! 2l v d 3 2 v l 。! 2l v d l 2 = 1 c 3 1 + o c i lic 2 1 = jl 彳r =f l v i l 3 i v 1 2 3 ，】 v 1 3 3 j j | 2v d l 3 j k 2v d 2 3 j k zv d 3 3 c d 2 + l1l i = l v b l ：l v d 2 4 v 1 l 4 j 2 v d 3 4 l v i l 4 j 2v d l 4 n l 。r- u vw 图2 1 3 飞跨电容箝位三电平电路结构 相对于二极管箝位式电路，电容箝位在导通组合上有更大的灵活性，这里根据上图， 还是以渊为例，来看一下电压的输出情况。 1 ) 若要得到正电平+ 砜，开通上半臂的两个开关器件v i l i 、v i l 2 ： 2 ) 若要得到零电平，则可以开通v i l l 、v 1 1 3 或v i l 2 、v i l 4 ，两个电平叠加后正好可以输出 零电平； 3 ) 若要得到负电平一现，开通下半臂的两个开关器件v i l 3 、v i l 4 对于这种电路，其特点在于： 1 1 飞跨电容可以使直流电源中分压电容上的电压保持均衡； 2 1 可以控制有功功率和无功功率的流量，比较适合于高压系统； 3 1 在电压的组合上，有更多的方式可以选择。 但是由于大量电容的引进，这种电路也有一些缺点： 1 ) 由于电容太多，设备的体积增大，成本增加，在设备的封装上也是不容易的； 2 ) 灵活的控制算法也带来了控制器设计的难度： 3 1 电容电压是否均衡，也是需要特别考虑的问题。 2 3 小结 本章中简单介绍了高压变频器的系统结构，分析了三电平电路的原理，特别做出了三 电平和二电平电路的输出波形图，可以明显看出三电平电路相对于二电平电路的优势。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 第三章多电平高压变频器的拓扑结构 在高压变频调速的技术方案中，除了三电平方案外，多电平方案也是研究的一个方向。 多电平方案可以说是受到三电平方案的启发，三电平多了一个零电平后，其波形结构得到 了很大改善，基于这样的思想，如果电平数继续增多，波形效果应该会更逼近于j 下弦波， 同时谐波也会更少。在本章中也对多电平的拓扑结构做一个简要的分析，为后文的多重电 压功率串联方案做一个铺垫。 这里多电平结构还是以二极管筘位式和电容箝位式两种结构展开，为了能够说明问 题，还是给出两个较为完整的三相电路图，进行分析，从中可以总结出一些多电平电路的 一般规律。 3 1 二极管箝位五电平逆变器的结构 顾名思义，五电平逆变器就是在相电压输出时可以得到五种电压，输出波形可以呈现 出五步阶梯的效果，效果上更接近于标注的正弦波。其主要结构如图3 1 所示【4 1 1 】： 2 t - - 审- 幸 = v i i i j k j 一 iv i i z j k j jij k j jj k ；l ll - j 2、 - 2 lv 叫k j jl 2 - q j k j i 2l 一 v k 一 一 一 zl ll i 一 s - 幸 【2i j k v i 。j j一 22 一 一 s j k ： i j j 【2z2i n k j v i l 7 j k ， li j j s - j 2l l = v i 。j k - 一啐 一q itvw 图3 1 二极管箝位的五电平电路结构 可以看到，这种电路结构需要的元器件数量更多，箝位二极管和分压电容都需要相应 增加。但也可以看到，无论是三电平还是五电平或是更多电平的电路结构，串联的功率元 件并不会有所谓串联均压的问题，这也是二极管箝位的一个重要作用。这其中可以总结出 如下规律性的关系： 1 ) 如果要得到m 电平的相电压( 为了表示一般规律，把需要的电平数设为m ) ，直流分 压电容需要的数量为( m 一1 ) ； 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 2 ) 每一相桥臂的主功率开关管的串联个数为2 ( m 一1 ) ； 3 ) 每一相桥臂的箝位二级管的个数为2 ( m 一2 ) ； 4 ) 经过适当开关顺序的控制在输出线电压上可以得到的电平数为2 m 一1 。 经过简单的验证可以知道五电平结构完全符合这一规律。接下来，可以进一步总结出 分别得到五个电平各个功率管的开关顺序，现直接以表格形式归纳如下： 表3 1 二极管箝位的五电平电路的输出电平开关状态 开关状态 输出相电压电平 v a iv a 2v a 3v a 4v a 56v a 7v a 8 砜 开开开开关关关关 w 2 关开开开开关关关 o 关关开开开开关关 一w 2 关关关开开开开关 一砜 关 关 关关开开开开 同时也可以更直观的反应在波形图上，如图3 2 所示： 图3 2 二极管箝位五电平电路的相电压输出波形 波形图可以很直观的表明五电平电路波形的宏观效果与标准正弦波已经非常接近了， 这样可以使输出电压和输出电流的总谐波含量大大减小，关于谐波的数学分析将在后文中 一同论述。 当然这种电路也有一些需要注意的问题： 1 ) 多电平电路的电路实现上需要特别设计，因为它的功率器件和箝位二极管等数量很多， 不易组装集成； 2 1 直流分压电容因为充放电的不均衡，不易保证其分压稳定。 毗 妣 。 叫 乜 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 3 ) 如果还要更多的电平，则无论是电路的实现还是算法控制都将十分困难，在性价比上就 没有优势了。 3 2 飞跨电容箝位五电平逆变器的结构 对于飞跨电容箝位的多电平结构，其设计思想与二极管箝位是基本一致的，需要采用 多个电容对相应的开关管进行箝位，也同样需要利用不同的开关组合得到多电平的输出电 压。特别的，由于电容的存在，需要注意其规格标准的一致性。这里在各种元器件数量上 同样有一般的规律： 1 ) 如果要得到m 电平的相电压( 为了表示一般规律，把需要的电平数设为m ) ，直流分 压电容需要的数量为( m 一1 ) ； 2 ) 每一相桥臂的主功率开关管的串联个数为2 ( m 1 ) ； 3 ) 每一相桥臂的箝位电容的个数为( 膨一1 ) ( 膨一2 ) 2 ； 4 ) 同样线电压的电平数为( 2 m 一1 ) 其原理图如图3 3 所示： 图3 3 飞跨电容筘位五电平电路的相电压输出波形 这种拓扑结构的一个显著特点就是开关器件之间可以更加灵活的组合，各个电平的实 现很多时候不止一种方式，而且与三电平电路类似，可以控制有功功率和无功功率的流量， 比较适合于高压直流输电。当然，从原理图可以看出，这种结构在制造和封装上确实也存 在不小的困难。 下面将列出一个表格，说明飞跨电容式电路在获得电平时开关组合的灵活性，表3 2 将说明这一特点： 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 表3 2 二极管箝位的五电平电路的输出电平开关状态 开关状态 输山相电压电平 v a iv a 5v a 6蟛7v a 8 砜 开开开开关关关关 开开开关开关关关 关开开开关关关开 u d 2 开关开开关关开关 开开关开关开关关 关开开关开关关开 开开关关开开关关 关关开开关关开开 0 开关开关开关开关 开关关 开关开开关 关开关开关开关开 开关 关关开开开关 关关关开关开开开 u d 2 关关开关开关开开 关开关关开开关开 一玩 关关关关开开开开 从表3 2 可以看出，实现五个电平的方式有了更多的选择，这样做有两个好处：首先 可以有更好的利用p w m 调制，第二可以更加平衡的使用各个开关管，增加元器件的寿命。 3 3 小结 多电平的拓扑结构还不止三电平一种，还可以继续提高电平数，特别是近年来，各种 研究成果非常丰富：如混合箝位将二极管和飞跨电容箝位结合起来，很好的实现了电容电 压的平衡和器件的过电压问题：又如电容电压自平衡箝位式的多电平电路基本解决了各器 件单元的自动均压问题。但由于功率管的耐压问题，6 0 0 0 v 以上的应用还有困难，输入侧 谐波也没有很好控制，这就需要新思路，同时解决输入输出谐波，耐压和输出波形的问题。 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 第四章多重电压的功率单元串联高压变频系统 在高压变频领域，传统的二电平方式需要开关器件的串联分压才能使逆变系统能够输 出足够的电压，存在器件的串联均压问题，实践证明这是一个很难解决的问题。而且多电 平方式的实现和控制也不是一件容易的事情。特别是我国的高压电机多为6 k v 和1 0 k v ， 现在的电力电子器件还很难满足要求，于是2 0 世纪末功率单元串联的高压变频系统开始 研究应用，同样是实践证明了多重电压的功率单元串联式高压变频系统是占绝对优势的一 种技术方案。 4 1 功率单元串联高压变频系统的拓扑结构 4 1 1 功率单元的串联结构 功率单元串联就是将输入高压经过一个隔离变压器变换成为一系列的低压电，然后把 数个低压交直交逆变单元在逆变侧串联叠加成为一个高压的交流电输出，其系统框图结构 如图4 1 所示： 移相变压器 图4 1 功率单元串联高压变频系统结构图 p l b o。，i o a o m 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 图4 1 只是功率单元串联的一个基本结构，但并非所有的功率单元串联都是如此。这 里的电压是1 0 k v ，功率单元串联了1 0 组，实际上功率串联组的数量是根据所要得到的电 压来决定的。当然组数越多，控制起来就越复杂，但可以输出较高的电压等级。 以上各功率模块可单独产生0 - - 一5 4 0 v 的电压输出，如果是l o 组叠加则通过调制算法 可以得到5 4 0 0 v 的相电压，通过正弦波调制可以得到峰值9 3 5 0 v 的线电压输出，如果进一 步采用先进的p w m 算法提高电压利用率，则可以得到1 0 7 0 0 v 左右的线电压，可以满足 高压大功率交流电动机的变频需要【1 2 1 3 】。 各功率单元的逆变桥可以实现三种电平输出：正电平、零电平和负电平，这样经过适 当的控制各单元的输出电平，而后叠加就可以得到一1 0 k v 到+ 1 0 k v 的电压输出了，而且 这种情况下输出的电平数量更多，比普通的多电平技术波形更加完美，图4 2 将给出功率 单元串联后的理想输出波形( 以l o 单元串联为例) ： u u o o _一 - ， 厂1 ， i k 1 ， 广 寸 ，- _ 广 - 、 _ r ， 7 h r 一 飞 7 jl j上 j r 、 一 - j ， ti ， 一 ， _ 13 ， l 弓 一卜 c a t 图4 2 功率单元串联的理想输出波形 当然，这里有一点需要说明，功率单元串联可以实现多电平，但这与前文所述的多电 平方案有本质区别：三电平和多电平方案是在一个逆变单元内部实现的多电平，以开关元 件为控制单位，存在一些不易克服的困难：而功率单元串联的多电平是在多个功率单元联 结组合的基础上的，控制的对象是一个功率单元，更重要的是可以实现高电压的输出，而 且输出波形比普通多电平方案更加完美。 4 1 2 功率单元的单元结构 功率单元串联结构是以功率单元为基础的，功率单元将三相低压交流输入信号经三相 不控桥式整流后变成脉动直流电，经过电容滤波后利用h 桥逆变。这里的逆变只用四只 i g b t 管或其它电力电子器件构成单相半桥结构，通过开关管的导通来控制输出电平，最 后将多个单元并辅以相关旁路电路串联起来就可实现功率单元的串联了，功率单元本身是 重要的基础。 功率单元的主要结构如图4 3 所示： 武汉科技大学硕士学位论文第1 9 页 整流 图4 3 功率单元的电路结构 下面来看一下功率单元如何实现正负零的输出的【2 】： 1 ) 一般来讲工业用电都是三相3 8 0 v 或4 0 0 v 的，经二极管整流滤波后一般可以达到5 6 6 v 左右的直流电； 2 ) 同一个桥臂的两个开关元件必须严格互锁，以免发生直通短路； 3 ) 当v i l 和v 1 4 导通时，可以看到在u l 和u 2 产生正电平； 4 ) 当v 1 3 和v 1 2 导通时，可以看到在u l 和u 2 产生负电平； 5 ) 当v i l 和v 1 3 导通或v 1 2 和v 1 4 导通时，由于每个i g b t 管都并联有续流二极管，正反 向电流都可流通，所以可以在u l 和u 2 侧产生零电平。 利用这种结构可以用1 0 个单元串联，从而可以达到9 3 5 0 v 左右的电压，如果在利用 一些高电压利用率的算法，则输出线电压可以达到1 0 0 0 0 v 以上，这就可以满足高压交流 电机的要求。 特别的，这样做还有一个好处，即所有的元器件都可选用4 0 0 v 级的低压元件，考虑 一定的欲量，这里的整流二极管和i g b t 管均可采用1 2 0 0 v 级。这就根本解决了功率器件 耐压不足的问题。 另外功率单元串联结构还有几个好处是其它的高压变频方法所望尘莫及的： 1 ) 这种变频器可用于普通的高压电机，不必进行绕组的星三角变换等复杂的改造工作， 用于大负荷特别是风机水泵类不必降额使用； 2 】整流单元采用不可控的二极管，这样在控制上非常方面，而且这种全控整流加电容滤 波的电压源型结构对浪涌电流有很好的吸收作用； 3 ) 功率单元采用模块化结构，所有的功率单元可以互换，而且各模块还有专门的旁路单 元，即使一两个单元出现问题，也可以直接旁路而不会影响整个系统的工作状态。整 个变频结构的布线和连接相对是比较简单的。 4 ) 直接采用不控整流，其输入功率因数可达0 9 5 以上。 5 ) 输入谐波和输出谐波将大大减少，如果算法得当，基本可以达到完美无谐波的效果， 基波含量可达9 9 以上，这样电机的轴电流以及共模电压等问题就容易解决了，也延 长了电机本身的使用寿命。关于谐波和功率因数的分析将在后文中展开。 第2 0 页武汉科技大学硕士学位论文 4 2 整流输入电压的多重化原理分析 高压变频系统的进线是高压，利用功率单元串联可以使得每个功率单元处理低压，而 后在输出侧串联成高压来达到目的。但是这里有一个问题：进线的高压需要通过变压器来 变成需要的电压等级，同时还要求输入谐波要尽可能的小。那么就必须把低压的各项绕组 移相，使输入的电压在不同的单元上错开一个电角度，这样达到移相多重化整流的目的， 从而使输入电流谐波急剧减小，变频器对电网几乎不会有谐波干扰，这里强调对于电机负 载的“电流谐波小”是最具价值的。 4 2 1 变压器的移相基本原理 变压器总结起来有三个主要作用：即变电压、变电流和变相位。变压变流是很经典的 应用，用普通变压器即可完成。但是在电压多重化时希望得到不同的二次线电压相位，特 别是在多重化时希望能得到各种超前或落后的角度，以便实现多脉波的整流。在变压器的 一般应用中，可以实现3 0 。整数倍的移相，滞后与超前均可。国际上普遍采用钟点法来计 算移