（控制理论与控制工程专业论文）高压大功率变频器拓扑结构及其智能控制.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪性难题，在新能源尚未开发的情况 下，节能就显得至关重要。开发高压多电平变频节能装置并推广使用，对降低我国的工业 能耗有重大意义，最近几年里，高压调速系统在很多工业领域得到广泛的应用，如水处理、 石油和天然气工业、造纸工业等。高压变频器的产业化始于8 0 年代中期，随着大功率电力 电子器件制造技术的迅速发展，高压变频器的产品正向着高可靠、低成本、高输入功率因 数、高效率、低输入输出谐波、低共模电压以及i 氐d v d t 等方向发展。 论文在阐述几种高压变频器拓扑结构的基础上，重点介绍了级联式多电平变频器的结 构特征和工作原理。对基于该拓扑结构变频器的控制算法进行了对比与分析，为级联式变 频器系统的开发提供理论依据和技术支持。在此基础上，以高压电机低频运行的时候功率 因数只有0 8 5 左右，低频运行的谐波分量比较大为切入点，提出了利用先进的智能控制技 术对高压电机变频系统进行研究与应用，高压电机运行应用自适应控制原理，使变频器输 入电流相位自动跟随电压相位，从而提高功率因数接近1 ，达到节能效果；高压电机轻载 低频运行时，应用遗传算法优化功率因数，解决低频运行时功率因数较低这一实际难题。 整个系统操作方便快捷，达到了稳定生产，降低能源消耗，提高经济效益的主要目的。 关键词：高压变频器；拓扑结构；级联；智能控制 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h e r ea l et w o p u z z l e so rh u m a nb e i n g s ，o n ei sc a v i t yo fe n e r g ys o u r c e s ，t h eo t h e r i se n v i r o n m e n tp o l l u t i o n i ti se x t r e m e l yi m p o r t a n tt oe c o n o m i z ee n e r g ys o u r c e sb e f o r en e wo n e s a r ed e v e l o p e d i nr e c e n ty e a r sv a r i a b l es p e e dd r i v e si nh i g hv o l t a g er a n g ea r ew i d e l yu s e di n m a n yi n d u s t r i e ss u c ha sw a t e rt r e a t m e n t ，o i la n dn a t u r a lg a si n d u s t r y , p a p e ri n d u s t r y , e t c d e v e l o p e d h i g hv o l t a g em u l t i l e v e li n v e r t e r sh a v et h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：h i 曲r e l i a b i l i t yh i g h p o w e rf a c t o rh i g he f f i c i e n c y , l o wc o s t ，l o wi n p u ta n do u t p u th a r m o n i c ，l o wc o m m o nm o d e v o l t a g ea n dl o wd v d t h e n c e ，i ti ss i g n i f i c a n tt od e v e l o pa n dp o p u l a r i z el l i g l lv o l t a g ei n v e r t e r st o r e d u c ei n d u s t r ye n e r g yw a s t e i ns e v e r a lp a p e r so nh i g h - v o l t a g ei n v e r t e rt o p o l o g yo nt h eb a s i so ft h eh i g h l i g h t so ft h e c a s c a d em u l t i - l e v e li n v e r t e r sf e a t u r eo ft h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e b a s e do nt h e c o n v e r t e rt o p o l o g yc o n t r o l a l g o r i t h m sw e r ec o m p a r e d 、析t ht h ea n a l y s i s o ft h ef r e q u e n c y c o n v e r t e rf o rt h ec a s c a d es y s t e mt op r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n o l o g i c a ls u p p o r t o n t h i sb a s i s ，i no r d e rt or u nt h el o w - f r e q u e n c yh i 曲一v o l t a g ee l e c t r i cp o w e rf a c t o ro fo n l yo 8 5t i m e s o rs o ，r u nt h el o w - f r e q u e n c yh a r m o n i cp o i n to fc o m p a r i s o ng r e a t l y ，m a d ei n t e l l i g e n tu s eo f a d v a n c e dc o n t r o lt e c h n o l o g yf o rh i g l l - f r e q u e n c ye l e c t r i c a ls y s t e m sr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no f l l i g h v o l t a g em o t o r sa p p l i c a t i o no fr u n n i n ga d a p t i v ec o n t r o lp r i n c i p l e s ot h a tt h ec o n v e r t e ri n p u t c u r r e n tp h a s ef o l l o w i n gt h ea u t o m a t i cv o l t a g e p h a s e ，s oa st oe n h a n c et h ep o w e rf a c t o rc l o s et o1 ， r e a c h i n ge n e r g y - s a v i n ge f f e c t ；l o w f r e q u e n c yh i g l l - v o l t a g ee l e c t r i cl i g h tl o a do p e r a t i o n , t h e a p p l i c a t i o no fg e n e t i ca l g o r i t h mt oo p t i m i z ep o w e rf a c t o r ，l o w f r e q u e n c ys o l u t i o nt or u n - t i m e p o w e rf a c t o rt h el o w e rt h ea c t u a lp r o b l e m t h ew h o l es y s t e me a s yt oo p e r a t ef a s t e ra n da c h i e v e as t a b l ep r o d u c t i o n ，r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，t h em a i np u r p o s eo fi m p r o v i n ge c o n o m i c e f f i c i e n c y k e yw o r d s ：h i 曲- v o l t a g ei n v e r t e r ；t o p o l o g y ；c a s c a d e ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l 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：丝日期： 研究生学位论文版权使用授权书 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( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 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：z 量兰整 指导教师签名：型重盈 日期：翌墨：! 笪 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 课题背景 众所周知，能源短缺和环境污染是人类当前面临的共同的世纪性难题。我国能源生产 和消费己列世界前茅，但远远满足不了工业生产和人民生活发展的需要。由于缺电，正常 的生产秩序被打乱，造成巨大的经济损失：另一方面，在能源十分紧张的情况下，浪费现 象却十分严重。因此，在新能源尚未开发的情况下，节能就显得至关重要。能源作为工业 发展的基础和源泉，在经济的发展过程中严重制约着社会经济的发展。受资金、技术、能 源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。为了提高能源利用率以实现节能、 降低成本以提高市场竞争力，国家继颁布“国家节能法”之后于2 0 0 4 年1 1 月发布了我国第一 个“节能中长期专项规划”，在全国各行业内推广节能技术应用。 电动机作为能源消耗大户在节能方面具有很大的潜力可挖。据国家电动机调速技术 产业化途径与对策的研究报告披露，我国电动机总装机容量约5 8 亿k w ，消耗全国发电 量的6 0 7 0 。中高压电动机约占电动机总装机容量的一半，近7 0 的负载是风机、泵类、 压缩机等负载，其中有一半适合调速控制。而目前我国风机、水泵设备陈旧，运行耗电量 过大，运行效率比国外同类产品低5 1 0 ；并且设计中选型余量过大，使设备长期在低 负载、低运行效率状态下工作，绝大部分采用挡板和阀门来调节风量或流量，节流功率损 耗非常大。为了有效的实现电机系统的节能必须对占有主体地位的风机和水泵进行节能改 造，其中发展和推行变频节能改造是一条十分有效的途径。 变频调速技术随着微电子学、电力电子技术、电子计算机、自动控制理论等的发展已 经进入了一个崭新的时代。其应用也相应地进入了一个新的高潮，从开始的整流、交直流 可调电源等已发展到直流输电、静止无功功率补偿和谐波吸收、超电导电抗器的电力贮存、 高频输电等领域；在运输行业正在以交流电动机调速逐步代替直流电动机调速，进而还应 用到超电导磁悬浮列车、高速铁路、电动汽车等领域；在家用电器方面也有变频调速、变 频洗衣机等。 变频器的最典型应用是各种机械以节约能源为目的。具统计风机、泵类用电设备占整 个用电设备用电量的3 0 4 0 ，但是根据实际管网的运行情况来看，风机、泵类的电耗仅 占3 0 4 0 ，而6 0 7 0 的电能都消耗在调节风门、阀门及管网的压力降上。又由于设备 的用电量常有变化且工程设的计裕量大，造成“大马拉小车”，进而增加了阀的压力降，因 此风机和泵的实际效率很低。为此，使用变频器调速提高风机，泵的效率至关重要。 根据风机或水泵的运行特性知： 刀= ( 1 一s ) n ，= 6 0 f ( 1 一s ) p( 1 1 ) 上式中厂为电机的供电电源的频率，为电机的极对数芦为电机的转差率。从上式中可 以看出，通过对电机运行频率的调节即可实现对电机转速的调节。根据电机的电磁特性知： e 1 = 4 4 4 z k 肌o n l( 1 2 ) 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 其中为电动势，为电机的绕组系数，1 e l w k 为电机每极的磁通，为电动机的绕组匝数。 在电机的调速过程中，为了保证电机的磁通不发生变化，电动势和频率需要满足如下关系： 鲁栅 ( 1 3 ) 在实际控制中，当电机的运行频率较高时，电机的电动势与电机定子的端电压u 近似相 等，所以通常采用定子端电压u 来代替电动势，即通常所说的变压变频控制技术( v v v f ) 风机、水泵的特性曲线如图1 1 所示，其中满足： 推导出： 盟：旦：五 q 2吃石 乏博倒 m 5 ， 日i 疗il 反l 、 乏州n 吲 p ，i， ji ， j h h ： 日2 h c o q 2g q 图1 1 风机或水泵运行曲线 当风机、水泵的运行频率由5 0 h z 降低到4 5 h z 时，风机或水泵的输出功率减少了2 7 1 ； 而当运行频率i 扫5 0 h z 降低至l j 4 0 h z 时，风机或水泵的输出功率将减少7 4 8 8 。可以看出对 风机、水泵等负载进行变频节能改造的效果是非常明显的。尤其是对于高压大功率的风机、 水泵等负载，消耗的电能比例较大，运行效率较低，配置高压变频调速系统进行变频节能， 对于实现我国的节能计划意义重大。 为落实节能中长期专项规划，国家发改委日前启动的十大重点节能工程之一就有 “电机系统节能工程”，目标在“十一五”期i b j 实现电机系统运行效率提高2 个百分点，形成 年节电能力2 0 0 亿千瓦时。据有关人士统计，在中高压电动机系统中安装变频器进行变频 0 矿b 弘 = = = q 日p 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 调速，平均可以节能3 0 ，仅节约电能一项计算，就相当于少建或缓建1 5 个3 0 万千瓦的 电站。所以大力发展基于变频器的中高压电动机高效调速系统，不仅是中高压电动机实现 快速节能目标的有效途径，也对我国节能目标的实现意义重大。 1 2 中高压变频器的研究现状与发展趋势 1 2 1 国内外研究现状对比 国外研究现状：在大功率交一交变频( 循环变流器) 调速技术方面，法国阿尔斯通己能提 供单机容量达3 万千瓦的电气传动设备用于船舶推进系统：在大功率无换向器电机变频调 速技术方面，a b b 公司提供了单机容量为6 万千瓦的设备用于抽水蓄能电站：在中功率变 频调速技术方面，德国西门子公司s i m o v e r t a 电流型晶闸管变频调速设备单机容量 1 0 2 6 0 0 k v a 和s h o v 矾g t op w m 变频调速设备单机容量为1 0 0 9 0 0k v a ，其控制系统 已实现全数字化，用于电力机车、风机、水泵传动：在小功率交流变频调速技术方面，日本 富士b j t 变频器最大单机容量可达7 0 0 k ，i g b t 变频器己形成系列产品，其控制系统也 已实现全数字化。 国内现状：从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距1 0 - 1 5 年。在大功 率交一交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字 化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及 运行大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很大需求。在中小功率变频技术方 面，国内几乎所有的产品都是普通的v f 控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质 量还不能满足市场需要，每年都是大量进口。 国内交流变频调速技术产业状况表现如下： 1 ) 变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投人了一定的人力、物力，但由于力量分 散，没有形成一定的技术和生产规模。 2 ) 变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白。 3 ) 相关配套产业及行业落后。 4 ) 产销量少，可靠性及工艺水平不高。 1 2 2 高压变频器的发展趋势 高压变频器正处于产品的发展完善过程之中，正向着高可靠、低成本、高输入功率因 数、高效率、低输入输出谐波、低共模电压以及低d v d t 等方向发展。其发展趋势可归纳 如下： 1 ) 采用标准低压变频器组成的有输出变压器的高一低一高方案在对传动系统要求不高的 高压小功率场合仍会占有一定的市场。 2 ) 由于高压时器件串联的均压问题，输入谐波对电网的影响和输出谐波对电机的影响， 器件串联方案局限于某些特殊场合，如电流源型变频器适用于频繁快速起制动和动态 性能要求较高的生产机械。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 3 ) 多电平结构是今后一个时期高压变频主电路的首选结构。 4 ) 对风机和泵类等一般不要求四象限运行的设备以及电机容量为3 0 0 0 k w 及以下时，性能 价格比高的单元串联多电平中压变频器更具竞争力。 5 ) 对于需要四象限可逆运行的负载，只需将两组相同的二极管箱位三电平变频器按照 “背靠背( ( b a c k - t o - b a c k ) ”方式连接就可实现。因此，二极管籍位多电平压变频器更 具有发展前途。 6 ) 软开关技术在中压大功率场合应用意义很大，随着软开关技术在低压小功率场合的广 泛应用，在中压大功率多电平变流器中的应用将会越来越受到关注。 7 ) 实现高水平的控制。基于电动机和机械模型的控制策略，有矢量控制、磁场控制、直 接转矩控制等：基于现代控制理论的控制策略，有滑模变结构技术、模型参考自适应技 术、采用微分几何理论的非线性解祸、鲁棒观察器，在某种指标意义下的最优控制技 术和奈奎斯特阵列设计方法等：基于智能控制思想的控制策略，有模糊控制、神经元网 络、专家系统和各种各的自优化、自诊断技术等。 8 ) 开发清洁电能的变流器。所谓清洁电能变流器是指变流器的功率因数为l ，电网侧和 负载侧有尽可能低的谐波分量，以减少对电网的公害和电动机的转矩脉动。对中小容 量变流器，提高开关频率的p w m 控制是有效的。对大容量变流器，在常规的开关频率 下，可改变电路结构和控制方式，实现清洁电能的变换。 9 ) 缩小装置的尺寸。紧凑型变流器要求功率和控制元件具有高的集成度，其中包括智能 化的功率模块、紧凑型的光电藕合器、高频率的开关电源，以及采用新型电工材料制 造的小体积变压器、电抗器、电容器。功率器件冷却方式的改变( 如水冷、蒸发冷却和 热管) 对缩小装置的尺寸也很有效。 1 0 ) 高速度的数字控制。以3 2 位高速微处理器为基础的数字控制模板有足够的能力实现各 种控制算法，w i n d o w s 操作系统的引入使得可自由设计、图形编程的控制技术也有很 大的发展。 1 1 ) 模拟与计算机辅助设计( c a d ) 技术。电机模拟器、负载模拟器以及各种c a d 软件的引 入对变频器的设计和测试提供了强有力的支持。 1 2 3 市场应用前景 使用变频器进行电动机的调速控制，不仅可以实现标准电动机的连续调速，降低启动 电流，电动机可以实现高速化、小型化，而且具有低速时定转矩输出、可以调节加减速的 大小等优点。中国拥有庞大的产业群，并保持着持续稳定的发展；为了与国际接轨，众多 的企业需要提升国际竞争力；人们生活质量不断提高等，这些都是变频器市场的增长驱动 力和更广泛应用的基础。 中国的变频器市场在过去几年内保持着1 2 2 0 的高速增长，在2 0 0 3 年，由于建 筑业的迅猛发展以及各行业的大量投资，当年同比增长达到了近4 0 ，市场规模超过了 5 5 亿元人民币。进入2 0 0 4 年，因2 0 0 3 年的市场基数突然增大，加上国家加强了对冶金、 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 建材等行业的宏观控制，变频器市场增长率大幅回落。随着调控因素减弱，行业投资经过 一轮休整，变频器市场会逐渐恢复到1 0 1 5 之间的增长率。按此推算，在2 0 0 8 年市 场将接近1 0 0 亿，并且这种速度的增长将持续到2 0 1 2 年左右。这推论也引出我们的另 一个判断，即在2 0 1 2 年之前，变频器市场将不会饱和，增长率会维持在一个较高的水平。 近年来变频器的市场规模及增长率如表1 1 所示，整体看来我国变频器市场在未来几年内 还处于快速增长期l l j 。 表1 1 变频器市场规模 年份市场规模( 亿元)增长率( ) 2 0 0 3 5 5 6 4 1 2 0 0 46 6 - 31 9 2 0 0 57 1 07 2 0 0 67 8 o1 0 2 0 0 78 8 01 3 2 0 0 89 9 o 1 3 虽然中国整个变频器市场已经形成一定规模，但从市场发展的程度上看，中高压变频 器尚处于发展探索阶段，市场规模不足1 0 亿，仅占整个变频器市场的1 3 左右。虽然冶 金、矿山、市政、石化、化工、建材行业有一些运用案例，更多的主要行业的用户并没有 完全认可高压变频器带来的好处，处于观望状态，其各行业的市场规模如表1 2 所示。 表1 2 行业运行比例 行业 市场规模( 亿元)比例( ) 冶金2 32 7 矿山1 72 0 石油 1 6 1 9 市政1 11 3 化工o 44 建材 o 3 4 其他 1 11 3 但是在2 0 0 5 年，工控网进行的一系列调查中显示，已经丌始有相当多的用户从观望 转向试用。其中电力行业尤为明显，接受访问的许多电厂都表示计划对引风机和送风机进 行高压变频改造。市政行业用户对中压变频器的认同度仅低于电力行业，但是进程可能会 慢一些，高昂的一次性投资限制了该行业用户使用中压变频器。 同样，供应商也频频传来利好信息，主要高压变频器生产厂家的订单都在大幅度增加， 些增幅甚至超过5 0 。结合用户端调研的数据，以及供应商反馈的信息，工控网对高压 变频器市场的增长做出了相当乐观的预测。从2 0 0 4 2 0 0 8 年，复合增长率( c a g r ) 将超 过3 0 ，市场规模将增长为现在的3 倍，如表1 3 所示。从整体来看，在未来几年国内 中高压变频器市场将处于快速增长阶段。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 表1 3 市场规模预测表 年份市场规模( 亿元) 增长比例( ) 2 0 0 48 5 2 0 0 51 1 94 0 2 0 0 61 6 13 5 2 0 0 72 1 23 2 2 0 0 8 2 6 52 5 c a g r ( 2 0 0 4 2 0 0 8 ) 3 3 3 1 3 本文的主要研究内容 本文从多电平变频器的拓扑结构入手，采用基本单元分析法对几种典型的多电平拓扑 结构进行比较分析，重点介绍了级联式多电平变频器的结构特征和工作原理。对基于该拓 扑结构变频器的控制算法进行了详细的对比与分析，在此基础上，以高压电机低频运行的 时候功率因数只有o 8 5 左右，低频运行的谐波分量比较大为切入点，提出了利用先进的智 能控制技术对高压电机变频系统进行研究与应用，高压电机运行应用自适应控制原理，使 变频器输入电流相位自动跟随电压相位，从而提高功率因数接近1 ，达到节能效果；高压 电机轻载低频运行时，应用遗传算法优化功率因数，解决低频运行时功率因数较低这一实 际难题。实际运行效果证明：该系统克服了起动电流大，同时避免了快速起动时候轴联接 位置松动和断裂，有效地防止了谐波对于电机发热，产生脉动转矩，以及运行的时候谐波 带来的震动噪音等危害，避免了谐波对电网的污染，提高了电网质量。并且提高了系统响 应速度和控制精度。整个系统操作方便快捷，达到了稳定生产，降低能源消耗，提高经济 效益的主要目的。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 第二章高压变频器的拓扑结构 2 1 概述 伴随电力电子器件和微控制器的迅速发展，大功率电力电子装置的拓扑结构也取得了 很大的进展。可是到目前为止，高压变频器还没有像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。 根据变频器是否有直流环节，变频器又可以划分为交一交型变频器和交一直一交型变频器两 类。其中交一交型变频器采用了交流输入、交流输出的形式，中间没有大电容或大电感等 滤波环节，所以具有更高的转换效率。交一直一交型变频器需要先将电压整流为直流，然后 再进行逆变输出交流电压。根据输出电平数目的不同，可以划分为二电平式变频器和多电 平式变频器。本论文所研究的级联型多电平变频器就属于交一直一交型多电平变频器。对 于交一直一交形式变频器，根据直流环节构成形式的不同，可以划分为电流源型变频器和电 压源型变频器，二者的主要区别在于变频器的中间滤波环节的不同。电流源型高压变频器 的中间滤波环节采用的是大电感，而电压源型高压变频器中间滤波器采用的是大容量电 容。 在电流源型高压变频器结构中功率器件通常是采用门极可关断晶闸管( g t o ) 或对称 门极换流晶闸管( s g c t ) ，要求g t o 或s g c t 具有对称的反向阻断电压。需要输出电压 较高时，g t o 或s g c t 的串联存在均压问题。若整流电路也采用g t o 或s g c t 作电流p w m 控制，可以得到较低的输入电流谐波和较高的输入功率因数，但系统的复杂性和成本也会 相应增加。电流源型变频器的优点是能量可以回馈电网，系统可以实现四象限运行。由于 存在大的平波电抗器和快速电流调节器，过电流保护也容易。但器件串联会带来均压问题， 二电平输出的d u d t 会对电机的绝缘造成危害，共模电压高，要求提高电机的绝缘等级； 且谐波成分大，需要专门设计输出滤波器，才能供电机使用，即使如此其总谐波畸变t h d 也仅能达到4 。并且变频器的性能与电机的参数有关，不易实现多电机联动，通用性差， 电流的谐波成分大，污染和损耗也较大。另外，电流源型变频器对电网电压的波动较为敏 感，当电网电压下降1 5 时，变频器就可能跳闸停机。因此电流源型中压变频器适用于中 大功率传动装置和要求频繁快速起制动且动态性能要求较高的生产机械。电压源型变频器 的输出电压为矩形波，而电流为近似正弦波。电压源型变频器不易于实现能量反馈，所以 实现四象限运行比较困难馏刊。 2 2 各种拓扑结构介绍 2 2 1 交交型高压变频器 将两组极性相反的相控整流器并联，并在直流侧有两种电压极性和两个电流方向的电 路称为反并联变换器。如果对反并联变换器的输出端产生一个连续变化的平均电压，从而 直接将输入电源较高频率的输入电压变换为频率可变的输出电压，该反并联变换器就是一 个交交型高压变频器。单相输出交交变频器电路如图2 1 所示。交流输出的正半周电流由 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 正相整流器提供，负半周电流由负相整流器提供。为了使输出电压的谐波减少到最小，正、 负两相整流器的触发延迟角可按正弦规律进行控制。 p ，忙印 tit7 习 i 么l “o 图2 1 单相交- 交变频电路 如果交一交变频器的输出电压的基波为正弦“。= u ，。s i n ( c o 。t ) ，则可以使正、负组的触发 延迟角口。和口。按下列规律变化7 川： u d oc o s 。= 一u d oc o s a 。= u l s i n ( c o l t )( 2 1 ) a d oc o s 口。= 一u d oc , o sa 。= u 1 ，s i n ( c o l t ) ( 2 2 ) 可简化为： c o s a p = 挚s i n ( c o l f ) = k s i n ( c a l f ) ( 2 3 ) o d o 口，= ac o s ks i n ( c o l f ) 】 ( 2 4 ) 其中以p 和七满足，o a p 万，o k o _ _ h ，、 ，+ 、- 一 o 图2 6 相电压坡形 考虑到图2 3 所示的波形呈1 4 周期对称，可令式( 2 2 ) 中的系数，则 f ( t o t ) = 口is i nk c o l t ( 2 3 ) 式中 口。= 昙j r 胆o f ) s i nk 国。肼如f ) ( 2 4 ) 按图2 3 将式( 2 4 ) 积分展开，得 铲筹c o s 等( 1 等) ( 眦帅) ( 2 5 ) 由于所讨论的波形在一个周期中正、负半波对称、肯定不存在偶次谐波，故可令 k = 2 m 一1 ( n l - 1 、2 、3 、4 ) ，并把式( 2 5 ) 的口。代入式( 2 2 ) 的厂( 研) 表达式中，得 缸) _ 删￥4 历u d 砺c 。s ( 2 m 2 1 ) a - + c o s 丁( 2 m - 1 ) 万卜2 肌- 1 ) 州 ( 2 6 ) 分析式( 2 6 ) 可知，当2 m 1 = 3 、6 、9 、1 5 ( 3 的奇数倍次数) 时，式中方括号内 的值等于零。这说明在变频器的输出波形中，除偶次谐波外，3 的倍数次谐波也均为零， 即除基波外，只存在5 、7 、1 1 、1 3 ( 6 m + 1 ) 次谐波。 通过以下的分析知道了变频器输出波形中所存在的谐波的次数后，利用式( 2 6 ) 很 容易求出各次谐波的含量。这罩以常见的1 8 0 。电角度导通型( a = 0 ) 电压型变频器为例， 其输出相电压波形为一个六阶梯波，将a = o 代入式( 2 5 ) 可得相应的傅里叶系数为 铲丽4 u d ( 1 + c o s 等测 = 等( s i 嗍，七s i n 5 c o , t + 专s i n 7 0 ) i t + 1 一i n l l c o t t + ) 7 ) 而对于1 2 0 。电度角导通型电流型变频器，由于口= 州3 ，将其代入则傅里叶级数表 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 达式用f 向) 表示，则可求得傅墨时系数为4 。= 纂c o s 等s 等) 输出相电流的表达式为 i o ( c o t ) = 孚( s i n c o 。t - 言s i n 5 c o 。t - 号s i n 7 t o r t + 1 s i n i l a ，t t + - ) ( 2 8 ) 由式( 2 。? ) 和式( 2 8 ) 可知，对于谐波分量的大小，随着输出谐波次数k 的增大， 相应的谐波幅值以l k 的比例减少。其5 次谐波幅值为基波的2 0 ，7 次谐波为基波的1 4 3 ， 面1 1 次谐波的幅值仅为基波的9 。依此类推，可知高次谐波的幅值将更小，所以通常所关 心的主要是5 和7 等低次谐波。 2 2 0 级联型交频器 级联型高压变频器是多电平变频器的一种特殊形式，又被称作为单元串联变频器或完 美无谐波变频器，是出美国的罗宾康公司首先发明。该系列变频器通过若于功率单元的串 联来实现高压输出，从本质上解决了以往高压大功率变频器存在的许多问题，比如对电网 的谐波污染大，输入功率因数较低，电机的转矩脉动大，输出d u d t 对电机绝缘的影响等。 级联式多电平变频器中首次使用了i g b t 控制技术，独特的构思和模块化的设计使得该系 列变频器在可靠性、易维护性等方面大大优于普通的高压变频器。 图2 7 功率单元连接图 级联式多电平变频器的功率单元连接图如图2 7 所示。每相有五个功率单元串联，单 相相电压可达到3 4 5 0 v ，如果三相y 接对应线电压为6 0 0 0 v 。主电路的拓扑结构如图2 8 所示，整个变频器系统苞括多重化移棚输入交压器、串联鲶功率单元和高压电动机三部分 组成。 武汉科技大学硕士学位论文第15 页 移相变压器 图2 8 级联式多电平变频器主电路 以上各功率模块可单独产生0 5 4 0 v 的电压输出，如果是1 0 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2 9 将给出功率 单元串联后的理想输出波形( 以1 0 单元串联为例) ： u u o o - 。 b 厂 ， ， l ， 广 iz 一 _ 寸 、 q -r r 7 弋l -r-_ 一 l 一 、 m t l l 一 j j厶 j - 一 仁j p l 玉， 1 c ， 匕 图2 9 功率单元串联的理想输出波形 b 9lil o a o_lll m 第1 6 页 武汉科技大学硕士学位论文 2 2 4 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 算移相角度【1 4 ，1 引。 采用y d l l 联结可以实现一、二次线电压间的3 0 。相移，可以实现二次线电压超前与 一次线电压，图2 1 0 可以表示这种效果： au 占b c xyz ( a ) b ( b ) c 图2 1 0y d l l 联结实现的3 0 。相移 普通变压器移相只能是3 0 。的整数倍，在得到多重电压时不足以达到要求，如果要得 到任意角度的相移，则需要采用延边三角形移相的方法进行处理，延边三角形的结构和相 量图如图2 11 所示【2 ，1 6 - 1 7 】： 武汉科技大学硕士学位论文第1 7 页 u b 这里需要强调的是二次侧线电压吒的值是由吨：+ d 。即也与0 。：合成的，而并非 0 。与【7 。的合成。如图2 1 1 左图所示，角标为a l ，b l ，c l 的为二次绕组的基本绕组，角标 为a 2 ，b 2 ，c 2 的为二次绕组的移相绕组。可以看到如果调整基本绕组和移相绕组的线圈比 例，就可以合成出3 0 。内的任意角度。 为了定量分析的方面，设变压器一次、二次绕组匝数分别为l 和n ：，变比为r ，二 次侧的移相绕组和基本绕组匝数分别为鹕和( 1 一七) 2 ，当然k 是一个介于0 和1 之间的 正数。那么根据电工学原理可以得到以下结论： 眈= 瓮矾= 筹( 乩p 以去) = 隽九e 。詈 c 2 m 吒：【7 。一：n 0 , 4 - 砌0 b ：玎【7 。f ，1 一恐 2 1 ( 2 1 0 ) 对式4 2 进一步化简归纳可以得到式4 3 - 吒= 老3 ( 1 + k e j - j ： c 2 m ， 继续推导，并结合图2 1 2 相量图所示的角度和几何关系可以得出下列等式：这里的矽 为二次线电压超前于一次相电压的相位角。 o a b = u a q , , o s 口+ u b 2c 0 8 ( 3 一口) 卜訾 c o s o + k c o s l 3 p ) p u 。s i np = u 6s i n p = u 6 2 s i n ( ；一p ) ( 2 1 3 ) 七：墼 ( 2 1 4 ) s i n f 互一秒l 第1 8 页武汉科技大学硕士学位论文 式4 4 其实还给出了变压器一次线圈和二次线圈的变比咒的求解公式，只需在式4 4 基础上去掉相量位移，做除法即可。当然，式2 1 4 还可以稍加变形，就可以可到二次、一 次线电压间的相位角口与七的数量关系了： 扣剡 ( 2 1 5 ) 式2 1 5 可以清楚的看出，当七介于。和1 之间时，此种延边三角形方式可实现口的一 至。度的相位滞后位移。例如想得到y d l 联结，口= 一，此时肛o ；如要求滞后3 7 5 。 且一次输入电压为6 0 0 0 v ，则可计算出脚7 9 6 ，n = o 0 7 4 1 。当然这里是延边三角形的逆延 联结，得到的是滞后于二次线电压的相移，如果将移相绕组的延长方向与图2 1 0 相反，则 是顺延方式，可得到超前的相角位移了，如图2 1 1 所示： 图2 1 2 延边三角形移相的原理图( 顺延方式) 此时相关的推导基本相同，这里只给出两个重要的结论公式： 拈矧 ( 2 1 6 ) 抄矿华lk c o s 0 + c o s f 詈一目护 ( 2 1 7 ) 、j l 、j j 所以对于1 0 个功率单元串联的高压变频系统，最多可以移相3 0 组，但这种方式太过 复杂，不利于变压器的加工。取一种比较择中的方法是将每个功率单元的三相作为一组， 组内同相，组间移相，这样可以采取每组移相6 0 1 0 即6 。的移相方式。不过这是理论上 的理想计算值，实际上应根据在变压器上能否加工来决定移相角度。总之，通过移相使得 电压输入呈现多重化的特征，其减小甚至抵消输入谐波，提高功率因数的效果是很明显的。 武汉科技大学硕士学位论文第1 9 页 2 2 4 2 功率单元拓扑结构 构成级联式多电平变频器的功率单元的拓扑结构如图2 1 3 所示，输入电路采用三相二 极管不可控整流，这样可以提供系统的功率因数。在中间直流电路采用大电容进行平波， 所以整个功率单元输出呈电压源特性。该功率单元的输入来自于移相式变压器，由于该变 压器自身的阻抗比较大，所以在变频器起到的过程中能够起到限流的作用，所以该功率单 元中可以取消限流电阻和旁路开关，这与低压变频器有所不同。功率单元的输出电路为传 统的h 桥逆变电路，每个桥臂有上下两个i g b t 和反并串联的功率二极管构成。通过对四 个功率器件的控制在每个功率单元的输出侧产生一定幅值和极性的信号，其中i g b t 的状 态与输出电压的关系如表2 2 所示。从表2 2 中可以看出，每个功率单元的输出电压有 - e ， 0 ，+ e 】三个电压等级，其中e 为直流母线电压。 整 图2 1 3 功率单元电路结构 表2 2h 桥输出电压等级 l234 输出电压 l0100 1 o 0 1e 0l010 oll0e 2 2 4 3 级联输出 为了增加输出相电压的幅值，需要将多个功率单元相串联来实现单相电压输出，其串 联电路的拓扑结构如图2 1 3 所示。从图2 1 3 中可以看出，每相输出为所有功率单元输出 电压的叠加，虽然每相的输出电压比较高，但每个功率单元所承受的电压属于低压范畴， 所以每个功率单元所用的功率器件不必采用高压功率器件，也就不存在功率器件均压问 题。由于相电压的变化率为每个功率单元输出电压的变化率，所以该种变频器输出电压的 变化率要远低于传统的功率器件直接串联式，对电机的影响较小。 从图2 1 中还可以看出，当多个功率单元串联输出时，每相输出电压的等级数将大大 增加。假设功率单元串联的数目为n ，则每相输出电压的等级有 + n e + m 1 ) e ，( n 1 ) e n e l ，共2 + 1 个。而变频器线电压的输出电压等级为4 个，输出 电压等级数目较多，输出电压和电流的波形也更接近于i f 弦波，谐波含量也更低。采用n 第2 0 页武汉科技大学硕士学位论文 级功率单元串联输出时，每个功率单元所承受的实际电压为输出相电压的1 n ，而流过电 流为该相相电流，所以每个功率单元的实际输出功率为整个变频器的1 3 n 。级联式多电平 变频器有很多优点： 1 ) 4 n 只开关器件按桥式串接，输出相电压台阶数为2 n + l ，在各种结构中输出台阶数最多， 而且可以任意多级串联，较容易获取高压。 2 ) 由于串接单元完全相同，使得制造过程可以模块化和批量生产，降低制造成本，便于 单元更换和系统维护。 3 ) 由于无二极管和电容的箱位问题，电平数目可做得较多，破f 储较小，电压谐波含量很 低。 4 ) 每个单元都是一个独立的a c d c a c 系统，中间环节靠电容储能，故需要大量的电容， 尤其系统容量大时，大量的电容造成系统体积庞大。 5 ) 采用曲折变压器通过多脉冲整流方式来提供独立直流电源，如果每相为5 级单元串联， 相当于3 0 脉冲整流，几乎可以实现所谓的完美无谐波。不过由于曲折变压器本身的电 磁关系限制，同等功率等级下，它比普通变压器需要更多的材料，体积更大。 6 ) 由于硬件实现成本太高，目前还没有实现四象限运行和能量回馈。由于变压器副边电 压很低，高压输出是通过多级串联来获得，所以每一个单元都可以采用低电压等级的 开关器件，降低了对器件的要求。目前国外许多著名的电气公司包括东芝，罗宾康， 安萨尔多都已经有采用该拓扑的变频调速产品。主要用于风机，水泵等一些不需要四 象限运行的场合，还可以运用在无功补偿以及基于蓄电池的电动装置中。 2 2 4 4 级联型变频器的输出谐波分析 当调制方式为载波移相p w m 时，可以得到的效果是整体p w m 的特别的，当采用多 重电压的功率单元串联式多电平p w m 技术时，各个功率单元在同时进行p w m 控制，当 有2 个单元叠加时，相电压的表达式为【2 “3 t4 4 j ： 脚m u d s i n o g r t + 等妻艺_ j 一( m - m j r ) s i n ( m m c t + n o g ，t ) ( 2 7 ) 式2 7 中国，为载波角频率；缈，为调制波角频率，m 为调制深度，现为直流母线电压， 式中可以看出，相电压中的谐波次数也只是在载波角频率的附近才有，