（电力电子与电力传动专业论文）中高压三电平变频调速技术的研究与开发.pdf

r & do i lv a r i a b l ev e l o c i t yv a r i a b l ef r e q u e n c yt e c h n o l o g y o fm i d - h i g hv o l t a g et h r e e - l e v e l l i uj i a n ( p o w e re l e c t r o n i ca n de l e c t r i c a ld r i v e ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj i a s h e n g a b s t r a c t m e d i u m h i g hv o l t a g em o t o r sp l a ya l li m p o r t a n tr o l ei ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s w en e e d t oa d o p tv a r i a b l ev d o d t yv a r i a b l ef r e q u e n c yt e c h n o l o g yi no r d e rt oi m p r o v et h ep r o d u c t i o n p r o c e s s ，t or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n di n c r e a s eb o o n & r a t i o n a l i t y h o w e v e r ，v a r i a b l e v e l o c i t yv a r i a b l ef r e q u e n c yt e c h n o l o g yo fm e d i u m h i g hv o l t a g ea r en o tm a t u r e ，h a v i n gn o t b e e np r o m o t e da n da p p l i e di nl a r g e - s c a l e ，b e c a u s et h el i m i to fd e v i c em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ， c o n t r o lm e t h o d sa n dt h ep r o d u c t i o nc o s t i nt h i si s s u e ，ad e v i c eo fv a r i a b l ev e l o c i t yv a r i a b l e f r e q u e n c yo nm e d i u m h i 曲v o l t a g et h r e e l e v e li sd e v e l o p e dt o r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n a n di m p r o x , et h ec o s t e f f e c t i v ef o rt h ep r e v i o u sp r o b l e m s a f t e ra n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，t h et o p o l o g yo fu n c o n t r o l l a b l er e c t i f i e r ，d i o d ec l a m p e d t h r e e 1 e v e li n v e r t e ri sc h o s e ni nm a i nc i r c u i t w ea d o p t 析c o n t r o la n ds p w mm o d u l a t i o n w a v e f o r m t h es y s t e mc o n s i s t so ft h em a i nc i r c u i t ，t h ec o n t r o ls e c t i o n ，o p t i c a lt r a n s m i s s i o n u n i t ，d r i v ec i r c u i t ，d e t e c t i o na n dp r o t e c t i o nu n i t ，t h en e u t r a lp o i n tv o l t a g eb a l a n c i n gc o n t r o l u n i t ，k e y b o a r da n dd i s p l a yu n i t , p a r a m e t e rs t o r a g ec i r c u i t ，r e l a ya c c e s sc o n t r o la n dp o w e r c o m p o n e n t s 8 7 cl9 6 m hs c mi su s e da sc o n t r o lc e n t e r a f t e rf u l la n a l y s i so ft h em a i nc i r c u i tw o r k s ， t h e6 - c h a n n e ls p w mw a v ef r o ms c mw a v e f o r mg e n e r a t o ri st r a n s f o r m e dt h r o u g ht h e p r o g r a m m a b l el o 百cd e v i c ea n dw eg e tc o n t r o ls i g n a lo f1 2s w i t c hf o rt h r e e - p h a s e w i t ht h e f i b e ro p t i ca n dd r i v e rc i r c u i t ，i tb r i n g sa b o u tt h ep r e c i s i o no fs i g n a lt r a n s m i s s i o na n dd e c r e a s e o fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e d y n a m i cp a r a m e t e ra d j u s t m e n tf u n c t i o ni si n c l u d e di nt h ep r o g r a m ，s ot h es y s t e mc a r l q u i c k l yr e s p o n dt ou s e rc o m m a n d s a n da d j u s tt h ef r e q u e n c yd e v i c eo u t p u tw h e nr u n n i n g t h i sp a p e rc a r r i e so u tat h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dp r o g r a md e s i g nf o rn e u t r a lp o i n t p o t e n t i a li m b a l a n c e t h eh a r d w a r ec i r c u i tc o n s t a n t l yt e s t sd c b u sv o l t a g ed i f f e r e n c e ，w h i c hi s i i p r o p o r t i o n a l l yc o n v e r t e dt of r e q u e n c ys i g n a l t h ec y c l eo ff r e q u e n c ys i g n a li sm e a s u r e db y s c mc a p t u r eu n i ta n dt h ed u t yc y c l eo ft h eu p p e ra n dl o w e rl e gs w i t c hi sc a l c u l a t e dc h a n g e d a f t e re x p e r i m e n t sw i t hal o a d ，n e u t r a lp o i n tp o t e n t i a li s a l w a y sm a i n t a i n e dw i t h i nt h e a l l o w a b l er a n g e ，t oa c h i e v ead y n a m i cb a l a n c e t h i ss t u d yd e v e l o p sap r o t o t y p eo ft h r e e - l e v e lf r e q u e n c yc o n t r o la n dc a r r i e so u ta l a r g e n u m b e ro fe x p e r i m e n t s e x p e r i r n e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o t o t y p ei s n m n i n gs t a b l e & r e l i a b l ea n dt h et e s tt a r g e t sm e e tt h er e q u i r e m e n t st op r o v et h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo f t h ef o r m u l a k e y w o r d s ：t h r e e - l e v e l ，s p w m ，d i o d ec l a m p ，n e u t r a lp o i n tp o t e n t i a l i i i 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 童：1 鎏一 日期：2 0 1 0 年月日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：2 0 1 0 年舌月日 日期：2 0 1 0 年石月 7 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1本课题的研究背景和意义 变频调速技术具有平滑性好、效率高、机械特性硬、调速范围广等特点，只要控制 其端电压随频率变化的规律，就可以适应不同负载特性的要求【1 】。随着调速性能的提高 和价格的降低，变频调速得到了越来越广泛的应用，是感应电动机尤为笼型感应电动机 的发展方向。 现在，低压变频技术已十分成熟，产品的质量和性能不断完善，可靠性不断提高， 价格己趋于稳定，电压3 8 0 v 以下的低压变频器已经大量使用。但是；在冶金、石油、 化工、发电、供水等工业应用领域，大功率风机、水泵得到广泛使用，其驱动电机大部 分是4 0 0 4 0 0 0 0 k w ，3 l o k v 的交流电机。从工艺和节能的角度讲，这些电机大都需 要变速运行，从当前的技术手段看，变频调速是性能最好也是最经济合理的调速技术。 因此，开发高压大容量交流电机变频调速节能装置并推广应用，对降低工业单产耗能具 有重大意义。此外，解决环境污染的重要途径是发展高速公共交通i 具( 如电力机车、 城市地铁和轻轨) 及电动汽车，其核心也是大容量交流电机变频调速技术【2 】。 其次，在传统工业技术改造等场合，高压大容量交流调速技术得到了广泛应用，并 逐步代替直流调速系统。在轧钢、造纸、煤炭等领域，使用大容量电机调速系统，不但 能降低能耗，而且可以改善工艺水平，提高生产效率。 实现大容量变换的途径有高压和大电流，其中以高压大容量最为典型；又由于电机 调速在工业应用中最广泛，所以高压大容量交流电机变频调速技术在大容量换流应用技 术中最具代表性。 在国内，由于中高压电机调速系统的研制工作起步较晚，没有大规模形成产业化， 目前很多必需场合为国外产品所占领。而国外产品的价格一般都较高，很难为一般的用 户所接受。因此，研制出性能优越、价格合理的中高压调速系统并尽快投入批量生产， 对于打破西方国家在此领域的垄断地位，具有重要的现实意义【2 j 。 我国有着巨大的高压大功率变频器市场。根据有关部门预计，今后1 5 年内我国变 频器需求的总投资额将超过5 0 0 亿元，高压大功率变频器能占到其中6 0 7 0 的份额。 世界各大电气公司在这一领域展开了激烈的竞争，我国也开始加紧研制拥有自主知识产 权的高压大功率变频器。国内的部分科研机构和公司做了一些研究和产品开发的工作， 第1 章绪论 例如北京、山东、广东等地的一些公司。国产高压变频调速产品的性能指标也有很大的 提高，例如成功研制用于提升机的矢量控制高压变频器、用于牵引机车的直接转矩控制 高压变频器并投入应用。经过近1 0 年的发展，国内已经有1 0 多家正规高压变频器的生 产企业，年产值达到数亿元。 中高压变频调速技术机遇与挑战并存，相信随着更多科研院所和企业的关注，这项 技术将会在大容量应用场合大显身手【3 1 。 1 2 中高压变频调速的研究现状 中高压电机的变频调速技术中，存在的问题主要有：第一，现有电力电子器件由于 受工艺水平的限制，耐压等级、承受电流能力和开关频率不能满足高压电机变频调速的 需要；第二，传统的两电平电压源变换器拓扑，不能满足人们对高压、大功率的要求【3 ； 第三，高压大功率变频调速系统技术含量高、难度大、成本高，而一般的风机、水泵等 节能改造项目都要求低投入、高回报，从而造成经济效益上的难题。目前主要有以下几 种解决方案： ( 1 ) 功率器件串并联技术 功率器件串联以承受高电压，并联以承受大电流，从而将低压小功率的开关器件用 于高压大功率场合。此方法看似结构简单，但是存在下列的缺点：需要复杂的动、静态 均压电路和均流电路；功率器件串并联后，对驱动电路的要求也相应提高，要求延时接 近；这种技术不能改善输出电压的谐波。因此，其应用范围已经逐渐缩小【4 1 。 ( 2 ) 高一低一高方式 或者叫做降压普通变频一升压方式，即输入侧利用变压器降压，中间环节仍采用 低压等级变频器进行变频后，再利用变压器升高输出电压。优点是可以利用现有的低压 变频技术来实现，因此价格低，但是系统效率低，装置体积和重量庞大，且存在中间环 节电流过大的问题。 ( 3 ) 多重化技术 所谓多重化技术就是多个低压功率单元在其输入或输出端通过变压器串联或并联， 各个单元以相同频率不同相位工作，得到高压输出。这种方法的优点是组成功率单元的 低压逆变器技术成熟、价格低廉，且由于相同的结构和参数易于实现模块化集成和冗余 设计，输出波形谐波小；缺点是需要特殊设计的输入、输出变压器，降低了系统的效率， 而且高压场合使用的功率器件太多，装置的体积和重量太大，无法实现能量回馈和四象 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 限运行。 ( 4 ) 多电平技术 多电平技术通过改进变换器拓扑结构来实现高压大功率输出。变换器的每个桥臂有 4 个或更多的功率开关器件，通过对直流侧的分压和开关动作的不同组合，由多个电平 台阶来合成阶梯波，实现多电平阶梯波输出电压。多电平变换器的优点有：每个开关器 件仅承受1 ( n j ) 的母线电压( n 为电平数) ；电平数的增加，减小了输出电压波形畸变； 要达到相同的输出波形，多电平比两电平方式的器件开关频率要低；减小了d u d t ，能 有效防止转子绕组绝缘击穿，同时改善了装置的e m i 特性；无需输出变压器，大大减小 了系统的体积和损耗3 1 。 当然，多电平变换器也存在一些缺点。在拓扑结构方面，使用的功率开关器件较多， 需要较多的驱动电路，存在电容电压不平衡等问题；在调制方面，需要优化输出波形性 能、简化控制算法及提高算法的通用性。这些问题在实际工程应用中需要额外考虑。 多电平逆变器更适合于高压大功率电机的调速，有着传统两电平变换器无法比拟的 优势和广阔的市场前景，其主电路结构和控制方法是当前的一个研究热点。 1 3多电平逆变器拓扑结构 多电平逆变器的发展过程中，产生了多种拓扑结构，并且新的拓扑电路还在出现。 主要分为三类基本的拓扑结构：单元级联式多电平逆变器、飞跨电容式多电平逆变器、 二极管箝位式多电平逆变器。在这三类基本拓扑结构的基础上，又派生出很多改进的电 路结构。各种多电平电路结构具有各自的特点，适合于不同的场合。 1 3 1 级联式多电平逆变器 级联式多电平方案是将输入高压交流电经过隔离变压器变换为一系列的低压电，然 后通过交一直一交低压变频后，在逆变侧串联叠加为高压交流叫剐。采用多个电气独立 的直流电容分压，输出多个台阶的电平。逆变器在交流输出之前，各个单元桥相互独立， 变压器二次移相接法实现了变压器原边的电流多重化，大大提高了输入电流的波形质量 【2 】。每个开关管的电压应力为全桥输入电压，各个单元的直流电容没有均压问题，相对 于器件串联的拓扑，控制方法要简单许多。 如图1 1 所示为传统的级联式五电平逆变器单臂电路，可以看出它由两电平h 桥单 元级联而成。对于一个r 电平的级联型拓扑，每个桥臂需要( n 一1 ) 2 个独立直流电压源 3 第1 章绪论 和2 0 j ) 个开关管。该拓扑可以方便地通过三角形或星形连接成三相系统 3 1 。 具有独立直流电源的级联式多电平逆 变器，具有以下特点： ( 1 ) 阶梯波调制时，器件在基频下开 通关断，损耗小，效率高。 ( 2 ) 由低压逆变器级联而成，技术相 对成熟，更容易实现系统的模块化，比较 适合于电平数较多的场合。 ( 3 ) 不存在电容电压不平衡的问题 3 1 ，而且易于实现软开关技术。 ( 4 ) 控制方法简单，每一级可以独立 进行控制【7 j 。 u d c u d c 图1 1 级联式五电平逆变器单臂电路 f i 9 1 - 1c i r c u i to fc a s c a d e df i v e - l e v e li n v e r t e ra r m ( 5 ) 需要使用多个独立直流电源，而且不宜于实现四象限运行。 1 3 2 飞跨电容式多电平逆变器 图1 - 2 飞跨电容式五电平逆变器单臂电路 f i 9 1 - 2c i r c u i to ff l y i n gc a p a c i t o rf i v e - l e v e li n v e r t e ra r m 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 飞跨电容式多电平逆变器采用多个电容对应的开关管进行箝位，同时利用不同的开 关组合得到不同电平的输出电压。 如图1 2 所示是飞跨电容式五电平逆变器的单臂电路。该电路采用跨接在串联开关 管之间的串联电容进行箝位。图中c l c 4 为直流分压电容，c c l c c 6 为箝位电容，每 一种电容的型号相同。对于一个r l 电平的飞跨电容式电路，每个桥臂需要直流分压电容 的个数为( 万一，) ，开关管的个数为2 ( 以一j ) ，箝位电容为( 胛一琐以一2 ) 1 2 个【7 】o 飞跨电容式多电平逆变器具有下列特点： ( 1 ) 在电压合成方面，开关状态的选择具有很大的灵活性。 ( 2 ) 大量的开关状态组合冗余，可以控制直流侧电容电压均衡。 ( 3 ) 可控制有功功率和无功功率的流量，适用于高压直流输电和变频调速。 ( 4 ) 需要大量的箝位电容，系统成本高，封装困难，控制复杂，实现困难。 1 3 3 二极管箝位式多电平逆变器 二极管筘位式多电平逆变电路采用多个二极管对相应的开关器件进行箝位，同时利 用不同的开关组合输出所需的不同电平。如图1 3 所示是五电平逆变电路，c 1 c 4 为分 压电容，其型号相同。每相桥臂有8 个开关管s l s 8 ，每4 个开关管同时处于导通或关 断状态。其中，( s l ，s 5 ) 、( s 2 ，s 6 ) 、( s 3 ，s 7 ) 、( s 4 ，s 8 ) 为互补工作的开关对。 由于该逆变器的每相电压可以被增加的开关管和二极管箝在中点( o 点) 电压，因此称 之为中点箝位式逆变器 引。 该种电路结构中当电平数较多时，箝位二极管承受的反向电压较高，为多倍的电平 电压，故箝位二极管由多个相同型号的二极管串联而成。例如图1 3 中，由于v d c l 3 需 要承受3 倍的电平电压，故使用3 个相同的二极管串联的方式；同理，v d c 2 和v d c 2 2 分别由2 个相同的二极管串联而成。由于存在开关特性不完全相同等原因，可引起二极 管两端的过电压，因而需要对其进行均压，并采用很大的r c 吸收电路，导致系统体积 庞大，增加硬件投入【3 】o 如果电平数为，z ，直流分压电容需要锄一j ) 个相同的电容串联，每一个桥臂的串联 开关管个数为2 ( n 一，) 个，箝位二极管为2 ( n 一2 ) 个。 二极管筘位式逆变器的特点可以概括如下： ( 1 ) 可以控制无功功率流。 5 第l 章绪论 ( 2 ) 每只开关管的电压应力降低，适用于高输入电压的场合【引。 ( 3 ) b a c k t o - b a c k 的连接系统，控制简单。 ( 4 ) 存在直流侧中点电位不平衡的问题。 图1 3 二极管箝位式五电平逆变器单臂电路 f i g l - 3 c i r c u i to ff i v e - l e v e ld i o d ec l a m pi n v e r t e ra r m 1 4 多电平逆变器p w m 调制方法 多电平逆变器本质上是一个以多电平逆变器拓扑为硬件，以p w m 控制技术为软件 的大功率放大器，它的期望输出是一个正弦波，而它的输入信号就是一个经过调制的正 弦波信号f 3 1 。p w m 控制技术不仅决定多电平逆变器的实现与否，而且对多电平逆变器 的电压输出波形质量、系统损耗与效率都有直接的影响。 多电平p w m 控制方法有很多种，它们基本上来源于已经比较成熟的两电平p w m 技术。从广义的范畴看，分为载波p w m 和空间矢量p w m 技术；按照开关频率的高低， 可以分为基频调制和高频调制 9 1 。 1 4 1载波p w m 调制技术 1 载波移相法 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 鹏徐船一 是- 掣一 图1 4 载波移相p w m 法原理图 f i 9 1 - 4 s c h e m a t i co fc a r r i e rp h a s ep w mm e t h o d 多电平载波移相法原理如图1 4 所示。对于一个行电平变换器，( 以一j ) 个不同相位的 三角波分别与正弦调制波比较，得到相对独立的( 刀一，) 组p w m 波，驱动( 胛一j ) 个功率单 元，这样每一个功率单元就可以按照两电平进行控制，各个单元的输出叠加得到多电平 p w m 输出波形【1 0 】。假设载波的周期为t s ，且对应3 6 0 。，则每个三角波依次移相 3 6 0 0 ( n 一1 ) ，并分别与调制波进行比较。在调制波与三角波的交点，若正弦波的幅值高 于某个三角波的幅值，则对应的开关管导通；否则关断。载波移相法p w m 方法一般用 在级联式和飞跨电容式多电平逆变器中【1 1 】。 2 开关频率优化法p w m ( s f o p w m ) 图1 - 5 开关频率优化p w m 法原理图 f i g l 一5 s c h e m a t i co fs w i t c h i n gf r e q u e n c yo p t i m a lp w mm e t h o d 开关频率优化法的载波要求相同，但是在正弦调制波中注入了一定的零序电压分 量，目的是将调制波的波顶变凹，提高调制度和直流电源电压的利用率。由于在调制波 中加入了3 次谐波，3 次谐波分量就是三相正弦波瞬时最大值和最小值的平均值，为了使 输出电压波形不受影响，所以此方法只能用于三相三线制逆变器 7 1 。该方法的优点是可 7 第1 章绪论 以提高线性调制范围。 3 混合载波p w m 方法 对于一个电平数为以的逆变器，每相有两个载波带，分别位于基准值的顶部和底部。 上部载波带中的0 1 ) 2 个三角波的频率f c 、峰峰值值相同，之间有1 8 0 。的相移。下部 载波带中的( 刀一1 ) 2 个三角波也具有相同频率和相同峰峰值，它们之间有1 8 0 。的相移。 该方法的主要优点是：主要谐波集中在( 玎一j ) 玩及其整数倍的周围，随着电平数的增加， 基波和第一个载波带谐波之间的间隔随之增加，有利于输出滤波器的设计。 1 4 2 空间电压矢量p w m 调制技术 如图1 - 6 所示为空间电压矢量p w m 控制，又称为磁通控制p w m 。它从电动机的 角度出发，将电动机与变频器作为一个整体来考虑，着眼点是如何使电动机的磁通矢量 的运动轨迹逼近圆形。具体做法是用变频器的不同开关模式所产生的不同的电压矢量， 去控制实际的磁连矢量，使其逼近圆形。与传统的s p w m 方法相比，其谐波电流和脉 动转矩都更小，直流电压利用率有所提高，目前在开环和闭环调速系统中均得到广泛的 应用【6 】。 ( n p e ) 冬尸 夕镱x !磬 锈 懈门亿! l 一、 ， 删) i 霹 图1 - 6 空间电压矢量图 f i g l - 6 s c h e m a t i co fs p a c ev o l t a g ev e c t o r 多电平s v p w m 方法与两电平s v p w m 一样，都是建立在空间矢量合成的基础上， 具有概念清晰、电压利用率高、易于数字实现等优点。但是电平数大于5 时，多电平基 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 本矢量和相应的开关状态冗余进一步增加，同时多电平运行状态的控制难度也大大增 加，使得性能要求提高。多电平s v p w m 控制的目标是：保证逆变器的输出线电压与参 考电压矢量一致；控制其运行状态，对于不同的多电平结构，具体要求有所不同，一般 包括电容电压平衡控制、输出谐波控制、开关管的输出功率平衡控制、器件开关损耗控 制等。 1 5 本课题的主要研究内容 三电平逆变器在输出波形质量、开关频率、功率开关器件承受的开关应力等方面不 如更多电平数的逆变器。但是主电路结构相对简洁，采用的功率器件少，控制方法相对 简单，体积小成本低，可靠性更高，更有利于当前的研究和推广，从而为研究更多电平 数变换器打下基础。 本课题主电路采用不控整流、二极管箝位式三电平逆变结构，控制方式采用电压频 率协调控制，调制方法采用s p w m 法，设计开发实验样机。具体内容主要有： ( 1 ) 利用单片机的波形发生器，通过可编程逻辑器件的变换，产生1 2 路开关管的 s p w m 信号。 ( 2 ) 设计实现光纤传输和信号驱动电路。 ( 3 ) 实时监控系统的工作状况，出现过电压、过电流等故障时及时处理。 ( 4 ) 设计键盘和显示面板，实现参数的动态调整和显示。 ( 5 ) 解决直流侧中点电位不平衡的问题。 ( 6 ) 设计开发系统样机。搭建系统主电路、设计控制系统硬件电路、检测电路， 绘制电路板，焊接、调试电路并进行带载实验。 9 第2 章系统的原理与方案设计 第2 章系统的原理与方案设计 2 1 主电路工作原理 二极管箝位式三电平逆变电路图如图2 1 所示。每相桥臂由四个开关管( 及其续流 二极管) 和两个箝位二极管组成，每类器件的型号都是相同的。直流侧有两个相同型号 的支撑电容，电容的中间抽头与三组箝位二极管的中间抽头相连。 n 图2 - 1 二极臂籀位式三电平逆变电路图 f i g2 - 1 c r c u i to f d i o d ec l a m p e dt h r e e - l e v e li n v e r t e r 箝位二极管d l 和d 2 的作用有两个：一是把桥臂上与之连接的点电压，箝位到直流 侧中点0 点的电位；二是防止三电平逆变器运行时直流侧大电容被短路【7 1 。例如，当 s l l 和s 1 2 开通，如果筘位二极管d l 被反向放置或者被导线代替，则直流侧电容c l 将被 短路。同理，筘位二极管d 2 可以防止电容c 2 被短路。 下面以u 相为例，介绍相电压输出的三种状态及各状态之间的切换。为方便叙述， 取直流侧大电容中性点o 点为参考，且认为中点电压是平衡的。 2 1 1 三电平逆变电路的工作状态 正( p ) 状态：当开关管s 1 1 和s 1 2 导通，s 1 3 和s 1 4 关断时，输出端与直流母线正端 相连，相电压为u 。2 。此时电流方向分为两种情况。一种是电流从逆变电路流向负载， 即电流从p 端流出，经过s l l 和s 1 2 到u 相，此时开关管的反并联二极管不导通。另一 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 种情况是电流从负载流向逆变电路，即从u 端流入，经过开关管的反并联二极管后，回 到p 端，此时开关管s 1 1 和s 1 2 虽然有驱动信号，但是承受反 向电压，实际上没有开通。 零( o ) 状态：当开关管s 1 2 和s 1 3 导通，s 1 l 和$ 1 4 关断 时，输出端与直流母线的中点。相连，相电压为0 。此时根 据电流是否从逆变电路流向负载，也可以分为两种情况。一 种是电流从o 点流出，经过d 1 和s 1 2 到u 端。另一种是电流 从u 端流出，经过s 1 3 和d 2 到达o 点。 负( n ) 状态：当开关管s 1 3 和s 1 4 导通，s 1 1 和s 1 2 关断 - 时，输出端与直流母线的负端n 相连，输出相电压为一u 。2 。 此时电流方向分为两种情况。一种是电流从n 点流出，经过 s 1 3 和s 1 4 的反并联二极管到达u 端。另一种是电流从u 端流 出，经过s 1 3 和$ 1 4 到达n 点。 图2 - 2 单相逆变电路图 f i g2 - 1s i n g l e - p h a s e i n v e r t e re i r e m td i a g r a m 三电平逆变电路中，正弦波的整个周期均为单极性脉冲，没有正、负极性脉冲之间 的变换。正半周时，只有正( p ) 和零( o ) 之间的切换；负半周时，只有负( n ) 和零 ( o ) 之间的切换。 p 状态时，s 1 1 和$ 1 2 导通；o 状态 时，s 1 2 和s 1 3 导通；n 状态时，$ 1 3 和 s 1 4 导通。p o 和n o 之间切换时， 各有一个开关管通和断。避免了使用p - n 切换时，同时通断两个开关管的情 况，降低了器件的开关频率。 下面以p o 间的状态切换为例， 说明一下开关管的控制规律。电流从u 端流出时，由p 切换到o 状态。切换前， s 1 1 和s 1 2 开通，电流由p 流经s 1 1 和s 1 2 ， 移jl 厂一一 ll二r i i l 图2 3 三电平逆变器输出端电压示意图 f i g2 - 3d i a g r a mo ft h r e e - l e v e li n v e r t e ro u t p u tv o l t a g e 到u 端，需要将s l l 关断，将s 1 3 开通。在这个过程中，要考虑到贯穿问题，即必须留有 充分的死区时间。如果s l l 没有彻底关断，s 1 3 已经开通，则电流会形成p s 1 1 一s 1 2 - s 1 3 一d 2 o 的路径，将大电容c l 短路。 第2 章系统的原理与方案设计 2 1 2 逆变电路特性分析 如图2 - 4 所示，为三电平逆变器负 载侧的线电压。 直流侧的中性点o 点与负载的中 性点n 点两者不连接，它们之间的瞬 时值并不为0 。 假设三相为对称的负载，则 “l + “州+ “训= 0 。由下列公式 u u n2 “”d u n o i u v n = u v o u n o ，整理得到 b 州= “们“d 弘p = ( “群d + u v o + l f ，。移夕，3 。 在已知负载中性点电压和每相输 出相对于直流侧电压的情况下，可以 得到负载相电压的波形。如图2 5 所 图2 - 4负载线电压波形 f i g2 - 4 w a v e f o r mo fl o a dl i n ev o l t a g e 示，负载相电压的波形电平数较多。如果将 图2 - 5负载相电压波形 载波比增加，u u n 的电平数还会增多，还会 f i g2 - 5 w a v e f o 瑚o f l o a dp h a s ev o l t a g e 有u d ，一u d 和0 三种电平。 二极管箝位式三电平逆变电路的特点有： ( 1 ) 每个开关管承受的关断电压是直流侧电压的一半，有助于解决器件耐压不够 高的问题。而且没有两个开关管同时导通或关断的现象，降低了对器件的动态性能要求， 减小了电压应力，提高了系统的可靠性。 ( 2 ) 输出电平数较多，尤其是负载相电压电平丰富。各级电平之间的幅值变化降 低，减小了对外围电路的干扰和对电机的冲击。 ( 3 ) 输出的电压电流波形比两电平电路要好得多，但还是比较大，尤其是应用在 高压电动机上时，要在输出侧加滤波器。 ( 4 ) 直流侧中性点和负载侧中性点的电压差值存在波动，波动的电压严重时会引 起比较大的电动机轴电压和轴电流。 ( 5 ) 不同开关管的导通时间不同，所需要的额定电流不同。图2 2 中每相桥臂的 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 开关管s 1 l 和s 1 4 导通时间只有s 1 2 和1 1 3 导通时间的一半，这样同一桥臂开关管的所需 的额定电流也会不同【2 】。 ( 6 ) 存在电容均压的问题。这是制约三电平电路应用的最大障碍，需要采用硬件 措施或者软件算法进行弥补，增加了系统的成本或控制的难度。 2 2 方案控制原理 控制方式决定着变频器的性能。艮口使逆变器的主电路结构和器件相同，控制芯片相 同，如果控制方式不一样，所得的控制效果也有很大差异。设计、选用变频器不要认为 档次越高就越好，只要按照负载的特性，按照使用要求进行控制就可以，以使构成的变 频调速系统具有较高的性能价格比 1 2 】。 2 2 1u f 协调控制原理 电机的磁通直接决定着电磁转矩，变频运行时希望能保持磁通恒定，从而充分 利用铁芯材料，同时又不会使绕组过热。对于三相异步电动机，每相绕组电压 u 巨= 4 4 4 z 1 毛。，式中、巨分别为定子端电压和电势，石为定子电源频率，1 、 毛分别为绕组系数和匝数，f m 为每极磁通。由上式可得。：k 孚k 粤。变频运行时， jljl 保持u z 为常数，就能保持f 。不变。又由转矩公式丁= k t 驴m j 2 c o s 2 ，如果f m 保持恒 定，变频过程中的输出转矩不变，不会带来电流的增加，所以允许恒转矩调速【1 4 】。 电动机运行时常需要最大转矩，例如启动、加减速等。当定子绕组频率石比较高时， 短路电抗相对较大，三相异步电动机的最大转矩表达式可以简化为： 乙焉= 孝象= 老阿。由公舸知，当频率犏时，乙芘， 如果晕保持恒定，则最大转矩近似不变。 当定子绕组频率一比较低时，短路电抗可以忽略，l 表达式近似为 l 器= 署附此时女口果保持m 碱则最大转矩会随着变频频率 1 3 第2 章系统的原理与方案设计 的下降而减小。 n 图2 6 恒u f 运行时的机械特性图2 7u f 补偿曲线 f i g2 - 6p r o p e r t i e sw h e nu fi sc o n s t a n tf i g2 - 7c o m p e n s a t i o nc u r v eo fu f 保持u z 为恒值时的机械特性如图2 - 6 所示。虚线部分为频率z z 时的机械特 性，实线部分为低频情况下采用升压措施后的机械特性。可以看出，在一定的负载转矩 下，改变定子频率工的幅度较小时，转速降不变，所以不同频率时的机械特性为一簇平 行曲线。 还可以看出，低频时最大转矩随着石的下降而减小，如图2 - 6 中虚线所示。所以低 频运行时，应进行补偿，适当提高u 石的值，补偿曲线如图2 - 7 所示。参考数据是1 5 h z 时增加1 0 ，l o h z 时增加2 0 e 1 3 】。当频率高于额定值时，定子电压不能再升高，否则 铁芯会过热。 2 2 2 三电平s p w m 波的变换原理 按照波形生成方式，s p w m 分为三类：波形调制类s p w m 、优化s p w m 和随机 s p w m 。其中，波形调制类s p w m 利用调制波与载波进行比较，生成s p w m 波形，具 有波形对称、使用方便、适合于在线运算、计算工作量小等优点，因而在变频调速中占 据了主流地位【6 1 。 调制类s p w m 按照载波的极性，分为单极性和双极性s p w m ，如图2 8 所示。图a 所示为双极性调制方式，无论在调制波的正负半周，载波均为正负交替变化，两者进行 比较后得到的s p w m 波形在u d 和u d 之间切换。 图b 所示为单极性调制方式，载波信号在正弦调制波的正半周为正极性，调制波的 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 负半周时载波为负极性。所以两者比较后得到的s p w m 波形，在正弦调制波的正半周， 输出在0 和u d 之间切换；在正弦调制波的负半周，输出在0 和u d 之间切换旧。 脚c 盯徜 一 、，vvv、 i、j：ju u c o t fy 1 _ 7 芝二_j j - _ 一，f 、 | 一 ， 、 耐 、 一， l 一一 一 q 婚 帆l 删洲函 u o 1 | - - 一 帆 一 片 、 删m 厂函 c a ) 双极性调制( b ) 单极性调制 ca ) b i p o l a rm o d u l a t i o n ( b ) u n i p o l a rm o d u l a t i o n 图2 - 8s p w m 调制的两种方式 f i g2 - 8 t w ow a y so fs p w mm o d u l a t i o n 系统的s p w m 算法采用单极性还是双极性，由系统逆变电路的结构决定。如果逆 变桥能输出0 电平，则单极性和双极性调制都可以实现。 按照载波比如何变化，s p w m 可以分为同步调制、异步调制和分段同步调制方式。 同步调制在调制波变化的所有频率范围内，载波比n 一直保持不变。p w m 波形保持对 称，但是当调制波频率较低时，会带来大量的低频谐波。 异步调制在调制波的整个频率范围内，载波频率保持不变。这样高次谐波对系统的 影响固定，但是失去了三相p w m 波的对称性，低次谐波、偶次谐波和余弦项都将存在。 分段同步调制，将整个频率范围分为几个段，在每一段内部采用同步调制的方式， 段与段之间采用不同的载波比，故综合了同步调制和异步调制的优点。在现场运行中， 变频器的输出频率不断变化，如果频率刚好在段与段的分界点左右变化，会造成载波比 不断变化，导致系统输出谐波频谱跳变和系统的振荡。可以设置一个滞回线，使变频器 升频和降频时的段分界点不在同一个点上，两者之间有个差，这样载波比频繁切换的问 题可以解决。本设计中采用分段同步调制。 如图2 - 9 所示，为一个周期的三电平s p w m 波。正弦调制波的正半周，p w m 波只 1 5 第2 章系统的原理与方案设计 在零电平和正电平之间跳变；正弦调制波的负半周，p w i v i 波只在零电平和负电平之间 跳变。因此图2 2 中，开关管s 1 1 只在正弦调制波的正半周导通，其负半周始终关断； s 1 4 只在负半周导通，正半周始终关断。 一 图2 - 9 三电平s p w m 波示意图 f i g2 - 9 s c h e m a t i co ft h r e e - l e v e ls p w mw a v e 一个周期内s p w m 波的正负半周电平极性是相反的，反相后相位相差半个周期。 因此可以利用正半周时的p w m 波经过简单变换得到负半周时的p w m 波。 对于输出电平取反，可以很容易实现。单片机的输出p w m 控制信号没有负电平， 只有0 和正电平，也就是说只能产生正半周的调制波。但是当p w m 波加在开关管s 1 1 上( s 1 2 同时导通) 时，电机相电压为与p w m 波同相的电压，只是幅值不同；当同一个 p w m 波加在开关管s 1 4 上( s 1 3 同时导通) 时，电机相电压为负电压，与p w i v i 波极性 相反。因此，从负载的角度看，实现了正负电平的输出。 实现开关管s l l 和$ 1 4 控制信号在相位上的差值，可以利用软件方法实现。程序中， 设置一个变量，本文中把它称作倒相信号，用来标示正弦调制波的正负半周。例如，u 相定义倒相信号变量i s u p o s ，当输出正弦波的正半周时，i s u p o s = i ；输出正弦波的负 半周时，i s u p o s = o 。当i s u p o s = i 时，单片机产生的正半周p w m 信号施加到s l l s 1 4 控制信号始终为零；当i s u p o s