二極管箝位中壓三電平變頻器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1緒論

　　中壓大功率傳動(dòng)系統(tǒng)已在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，例如石化行業(yè)中的管道泵、水泥行業(yè)中的風(fēng)機(jī)、水泵站的供水泵、運(yùn)輸行業(yè)中的牽引機(jī)械以及冶金行業(yè)中的軋機(jī)等。與低壓傳動(dòng)相比，中壓傳動(dòng)在很多方面都有更高的技術(shù)要求和挑戰(zhàn)。德國(guó)學(xué)者Holtz于1977年提出了三電平逆變器的電路拓?fù)?，其中每相橋臂帶一?duì)開(kāi)關(guān)管，以輔助中點(diǎn)箱位。后來(lái)，1980年日本學(xué)者Nabae在此基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展，將這些輔助開(kāi)關(guān)變?yōu)橐粚?duì)二極管，分別與上下橋臂串聯(lián)的主管中點(diǎn)相連，以輔助中點(diǎn)箱位。該電路比前者更易于控制，且主管關(guān)斷時(shí)僅承受直流母線一半的電壓，因此更為實(shí)用。
 

　　2三電平變頻器主回路設(shè)計(jì)

　　三電平變頻器主電路示意圖如圖1所示。其中，移相變壓器一次為△接，二次側(cè)分別為Y接和△接的兩個(gè)對(duì)稱繞組。兩個(gè)二次繞組的輸出分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)完全相同的6 脈波整流單元形成12脈波整流器。12脈波整流器可使各6脈波二極管整流器產(chǎn)生的低次諧波相互抵消，從而降低網(wǎng)側(cè)電流的諧波畸變，提高網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，二極管整流器脈波數(shù)目越多，輸出網(wǎng)側(cè)電流的諧波畸變?cè)叫?。但在?shí)際產(chǎn)品中很少采用脈波數(shù)多于30的二極管整流器，主要原因在于變壓器的成本會(huì)增加很多，而性能的改變卻不明顯。因此，本文采用12脈波二極管整流。

　　圖1 二極管箝位的三電平變頻器主回路

　　由圖1可見(jiàn)，每一個(gè)橋臂上有4個(gè)IGBT、2個(gè)箝位二極管和4個(gè)反向恢復(fù)二極管。以A相為例，當(dāng) 和 或者它們的體二極管導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)定子A相電壓為 ;當(dāng) 和 或者們的體二極管導(dǎo)通時(shí)，定子A相電壓為 ;當(dāng) 和 導(dǎo)通時(shí)，定子A相電壓為0。 和 不可能同時(shí)導(dǎo)通，哪一個(gè)導(dǎo)通取決于A相負(fù)載電流的方向。因此，對(duì)于三電平逆變器來(lái)說(shuō)其交流側(cè)電壓有 、0、 3種狀態(tài)，3個(gè)橋臂進(jìn)行組合，共有 =27種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即有27個(gè)空間電壓矢量。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不足之處在于：三電平及以上逆變器需要器件數(shù)量較多，控制復(fù)雜性明顯增加以及中性點(diǎn)電壓發(fā)生波動(dòng)。

　　3 三電平變頻器控制回路設(shè)計(jì)

　　三電平變頻器控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。包括12路IGBT驅(qū)動(dòng)電路、電壓、電流檢測(cè)電路、接口處理電路、DSP控制電路及人機(jī)交互界面等。

　　圖2 三電平變頻器控制系統(tǒng)框圖

　　其中，DSP控制電路按照人機(jī)界面輸入的電機(jī)參數(shù)及工作模式等指令輸出相應(yīng)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)接口電路處理后由光纖發(fā)送至驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路接收光纖的信號(hào)并由專用的驅(qū)動(dòng)芯片2SD315AI驅(qū)動(dòng)IGBT。電壓、電流檢測(cè)分別采用LEM公司生產(chǎn)的高精度電壓霍爾和電流霍爾。電壓檢測(cè)包括正負(fù)母線電壓檢測(cè)和中點(diǎn)電壓檢測(cè)。檢測(cè)電路返回的電壓、電流值經(jīng)過(guò)接口電路處理整定后送給DSP控制電路進(jìn)行運(yùn)算。當(dāng)母線電壓或中點(diǎn)電壓波動(dòng)超出允許范圍時(shí)，保護(hù)電路動(dòng)作，封鎖IGBT信號(hào)，并通過(guò)人機(jī)界面顯示當(dāng)前報(bào)警。[!--empirenews.page--]4 三電平電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)

　　多電平電壓空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM方法和兩電平一樣，都是源于電動(dòng)機(jī)磁鏈跟蹤技術(shù)，采用電壓矢量等效合成逼近的方法，以電動(dòng)機(jī)磁鏈軌跡盡量逼近圓形為目標(biāo)，進(jìn)行具體的開(kāi)關(guān)方式切換和控制。這種控制方法具有電壓利用率高，開(kāi)關(guān)次數(shù)少，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。因此是目前國(guó)內(nèi)外中大功率變頻器中使用最廣泛的一種控制方法。

　　設(shè)異步電機(jī)由理想的三相對(duì)稱電壓源供電，即

　　(1)式中， 為電源電壓有效值， 為電源電壓的角頻率。因?yàn)閁、V、W三相在空間上互差 ，所以，采用電壓空間矢量的概念后，可表示如下：

　　圖3 三電平電壓空間矢量圖

　　圖4 第一扇區(qū)電壓空間矢量

 [!--empirenews.page--]由于空間矢量圖的對(duì)稱特性，只分析其中的一個(gè) 區(qū)域即可，如圖4中的大三角形。當(dāng)參考矢量落入某一個(gè)三角形區(qū)域中時(shí)，為了在輸出得到相應(yīng)頻率的正弦波電壓和減少輸出電壓的諧波含量，就用組成該三角形的三個(gè)矢量合成該參考矢量，各矢量的作用時(shí)間和參考矢量的關(guān)系，應(yīng)該滿足如下公式：

　　表1 電壓空間矢量調(diào)制方法矢量作用時(shí)間表

　　可以得到在1、2、3、4等區(qū)域內(nèi)各矢量作用時(shí)間，如表1 所示，其中

　　在實(shí)際實(shí)現(xiàn)電壓空間矢量調(diào)制SVPWM方法時(shí)，首先需要根據(jù)參考電壓空間矢量的模長(zhǎng)和相角判斷出參考電壓矢量的頂端落在哪一個(gè)扇區(qū)的哪一個(gè)區(qū)域，然后根據(jù)檢測(cè)到的直流母線電壓數(shù)值，該區(qū)域內(nèi)的電壓空間矢量和該區(qū)域的約束方程，計(jì)算出各電壓空間矢量的作用時(shí)間，最后根據(jù)時(shí)間順序輸出電壓空間矢量，即可以實(shí)現(xiàn) SVPWM調(diào)制，實(shí)現(xiàn)圓形磁通的逼近。

　　5 結(jié)論

　　多電平逆變器是一種新型的高壓大容量功率變換器，它的主要優(yōu)點(diǎn)是：電平數(shù)目越高，輸出的電壓諧波含量越低，開(kāi)關(guān)頻率低，開(kāi)關(guān)損耗小;器件應(yīng)力小，無(wú)須動(dòng)態(tài)均壓。三電平逆變器的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，其電路拓?fù)湫问綇囊欢ㄒ饬x上來(lái)說(shuō)可以看成多電平逆變器結(jié)構(gòu)中的一個(gè)特例，它的中點(diǎn)箝位及維持中點(diǎn)電位動(dòng)態(tài)平衡技術(shù)、功率器件尖峰吸收緩沖電路、PWM算法簡(jiǎn)化及控制策略、高壓功率器件的驅(qū)動(dòng)及系統(tǒng)的工作電源等也是多電平逆變器控制需要研究解決的問(wèn)題。