（動(dòng)力機(jī)械及工程專(zhuān)業(yè)論文）btb單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)變頻器的研究.pdf

摘要 b t b 單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)變頻器的研究 摘要 作為高壓大功率電能轉(zhuǎn)換裝置 單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)的變頻器在 我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用 同時(shí) 它也暴露出很多應(yīng)用上的缺點(diǎn) 例如 控制精度不高 不能夠四象限運(yùn)行等等 所以在有這些方面需求的工 業(yè)場(chǎng)合無(wú)法應(yīng)用 隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的白熱化 對(duì)于成本控制的要求也更 加苛刻 在該結(jié)構(gòu)高壓變頻器中最為昂貴的部件是移相變壓器 占到 整個(gè)裝置近一半的成本 而且體積大 沉重 運(yùn)行時(shí)發(fā)熱量高 如果 能夠去掉這個(gè)部件對(duì)于工業(yè)應(yīng)用是很有意義的 本文首先分析了幾種常用的大功率變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 在此基礎(chǔ) 上給出了本文所要分析的變頻裝置的拓?fù)?b t b b a c kt ob a c k 的 單元串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu) 該結(jié)構(gòu)無(wú)輸入側(cè)的移相變壓器 并可以四象限 運(yùn)行 由于是背靠背結(jié)構(gòu) 所以每一側(cè)既有整流運(yùn)行狀態(tài)也有逆變運(yùn) 行狀態(tài) 在文章中將對(duì)該結(jié)構(gòu)變頻器整流與逆變兩種工況分別給出控 制方法 整流部分首先分析移相變壓器在c h m l 結(jié)構(gòu)中的作用 然 后討論以單元直接串聯(lián)可控整流代替移相變壓器二極管不控整流的 控制方法 使用計(jì)算機(jī)對(duì)兩單元串聯(lián)整流做出仿真 逆變側(cè)首先描述 單個(gè)單元的控制算法 采用了一種載波頻率微調(diào)的方法 達(dá)到盡量減 小諧波的目的 同時(shí)對(duì)單橋雙橋控制方式進(jìn)行比較分析并給出死區(qū)補(bǔ) 償策略 這樣構(gòu)成一個(gè)完整的單元控制算法 然后從單元串聯(lián)整體輸 出的角度考慮 在逆變控制中使用波形連續(xù)變換 c w m c 徹t i n o u s w a v e f o r i l lm o d u l a t i o n 技術(shù) 對(duì)于c w m 的動(dòng)態(tài)過(guò)程使用m a t l a b 編寫(xiě)m 文件演示 控制思想確立后使用t i 公司芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 實(shí)現(xiàn) t i 公司 提供了電機(jī)控制函數(shù)庫(kù) d m c d i g i t a lm o t o rc o n t r 0 1 方便了模塊 化程序設(shè)計(jì) 而m a t l a b 提供了與c c s 的接口 可以通過(guò)由 m a t l a b 建立的圖形化文件轉(zhuǎn)換成為控制代碼 文中使用m a t l a b 做出用于代碼轉(zhuǎn)換的模型文件 給出其仿真結(jié)果以及生成的代碼在實(shí) 驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)際得到的波形 關(guān)鍵詞 b t b 單元串聯(lián)多電平 載波頻率微調(diào) 單橋雙橋控制 波形連續(xù)變換 m a t l a b 代碼生成 a b s t r a c t i n v e s t i g a t i o no fb t bc a s c a d e dh b r i d g e m u t i l e v e lc o n r t e r a bs t r a c t a sah i 曲 v o l t a g ee l e c t r i cp o w e rc o n v e r s i o nd e v i c e t h ec o n v e r t e r w i t hc a s c a d e dh b r i d g em u l t i l e v e l c i i m l s t r u c t u r eh a sb e e nw i d e l y u s e di nc h i n a a tt h es a m et i m e i ta l s oe x p o s e ss o m es h o r t c o m i n g s s u c h a st h ec o n t r o la c c u r a c yi sl o w t h ec o n v e r t e rc a nn o tr u ni nf o u rq u a d r a n t s a n ds oo n s oi ns o m ei n d u s t r i a lo c c a s i o n si tc o u l dn o tb ea p p l i e d w i t h t h ei n t e n s ec o m p e t i t i o ni nt h em a r k e t c o s tc o n t r o li sm o r es t r i n g e n t i n t h ec h m ls t r u c t u r et h em o s t e x p e n s i v ep a r t i st h e p h a s e s h i f t i n g t r a n s f o r m e r a c c o u n t i n gf o rn e a r l yh a l fo ft h ee n t i r ei n s t a l l a t i o nc o s t a l s o b u l k y h e a v y r u n n i n ga th i 曲h e a t s or e m o v i n g t h ec o m p o n e n ti so f g r e a t s i g n i f i c a n c ef o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s t h i sp a p e rt a l k sa b o u ts e v e r a lc o m m o n l yu s e dh i g h p o w e rc o n v e r t e r t o p o l o g i e sa tf i r s t a n dt h e np r e s e n t st h ec o n v e r t e rt o p o l o g yw h i c hi s a n a l y z e di nt h i sp a p e r b t b b a c k t ob a c k c a s c a d e dh b r i d g em u l t i l e v e l s t r u c t u r e t h es t r u c t u r eh a sn op h a s e s h i f t i n gt r a n s f o r m e r a n di tc a nr u n i nf o u rq u a d r a n t s a si ti sab a c k t o b a c ks t r u c t u r e e a c hs i d en o to n l y w o r k sa sar e c t i f i e rb u ta l s oa sai n v e r t e r i nt h ea r t i c l e t h e s et w o c o n d i t i o n sa r eg i v e nc o n t r o lm e t h o d sr e s p e c t i v e l y a tf i r s tt h i sp a p e rt a l k s a b o u t p h a s e s h i f t i n gt r a n s f o r m e ri nt h er o l eo fc h m ls t r u c t u r e a n dt h e n d i s c u s s e sc o n t r o lm e t h o do ft h ec a s c a d e dh b r i d g er e c t i f i e ri n s t e a do f u n c o n t r o l l e dr e c t i f i e r f i n a l l yt h et w o u n i ts e r i e sr e c t i f i e ri ss i m u l a t e db y c o m p u t e r i ni n v e r t e rs i d ed e s c r i p t i o no fas i n g l eu n i to ft h ec o n t r o l a l g o r i t h mi sd i s c u s s e d u s i n gac a r r i e r 仔e q u e n c yf i n e t u n i n gm e t h o dt o m i n i m i z et h eh a r m o n i c a tt h es a m et i m et h es i n g l eb r i d g eo rd o u b l e b r i d g ec o n t r o lm e t h o di sc o m p a r a t i v e l ya n a l y z e da n dt h e nd e a db a n d c o m p e n s a t i o ns t r a t e g y i s p r e s e n t e d t h u s ac o m p l e t eu n i tc o n t r o l a l g o r i t h mi sc o n s t i t u t e d f r o mt h eo v e r a l lp o i n to fv i e w t h ei n v e r t e r i i i a b s t r a e t c o n t r o lt e c h n o l o g yu s e st h ec w mm e t h o d a n dc w m d y n a m i cp r o c e s si s g i v e nb yu s i n gm 棚 a bm d o c u m e n t w h i c hi sl i s t e di nt h ea p p e n d i x i no r d e rt oe s t a b l i s hc o n t r o la l g o r i t h mt ic h i pt m 3 2 0 f 2 812i s a p p l i e d t ip r o v i d e s ad i g i t a lm o t o rc o n t r o l d m c f u n c t i o nl i b r a r y w h i c hf a c i l i t a t e st h em o d u l a rd e s i g np r o c e s s n a t l a bp r o v i d e st h e i n t e r f a c et oc c s t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fs i m u l a t i o nm o d e lt h e c o n t r o lc o d ec a nb ee a s i l ya c h i e v e d a tt h ee n do ft h ea r t i c l e s i m u l a t i o n r e s u l t sa n dw a v e f o i t n sg e n e r a t e di nt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f 0 1 t na r eg i v e n k e yw o r d s b t bc h m l c a r t i e rf r e q u e n c yf i n e t u n i n g s i n g l eb r i d g ec o n t r o l d o u b l eb r i d g ec o n t r o l c w m m a t l a bc o d eg e n e r a t i o n i v 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研 究成果 盡我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外 論文中不包含其他 人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果 也不包含為獲得本院或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或 證書(shū)而使用過(guò)的材料 與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文 中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意 期 竺 s 爭(zhēng) 即j 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī) 定 即 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件 允許論文被 查閱和借閱 上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院可以公布論文的全部或部分內(nèi)容 可 以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索 可以采用影印 縮 印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文 本學(xué)位論文屬于 保密口 在年解密后應(yīng)遵守此規(guī)定 不保密西 請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打 簽名 絲堡 導(dǎo)師簽名 咚媯?cè)掌?鄉(xiāng) 彭軍 7 日7 9 第一章緒論 第一章緒論 2 0 世紀(jì)是電力電子變頻技術(shù)由誕生到發(fā)展的一個(gè)全盛時(shí)代 交流變頻調(diào)速 理論最初誕生于2 0 世紀(jì)2 0 年代 到8 0 年代 變頻器已經(jīng)產(chǎn)品化 性能也不斷 提高 并開(kāi)始被應(yīng)用于各工業(yè)部門(mén) 進(jìn)入9 0 年代 由于新型電力電子器件如 i g b t i g c t 等的發(fā)展及性能的提高 微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 以及先進(jìn)控制理 論的發(fā)展和完善 如磁場(chǎng)定向矢量控制 l 直接轉(zhuǎn)矩控制 等原因 使變頻器在 調(diào)速范圍 驅(qū)動(dòng)能力 調(diào)速精度 動(dòng)態(tài)響應(yīng) 輸出性能 功率因數(shù) 運(yùn)行效率及 使用方便性等方面大大超過(guò)了其它常規(guī)交流調(diào)速方式 變頻調(diào)速技術(shù)取得了顯著 的成就并日臻成熟 目前 交流變頻調(diào)速技術(shù)以其優(yōu)異的性能而深受各行業(yè)的普 遍歡迎 并己取得了顯著的社會(huì)效益 變頻調(diào)速技術(shù)在電力 軋鋼 造紙 化工 煤炭 紡織 船舶 機(jī)床等傳統(tǒng)工業(yè)的改造中和航天航空等高新技術(shù)中得到發(fā)展 應(yīng)用 早在國(guó)家 八五 科技攻關(guān)計(jì)劃中 交流調(diào)速技術(shù)就被列為重點(diǎn)科技攻關(guān) 項(xiàng)目 但是由于我國(guó)電力電子器件總體水平很低 i g b t g t o 器件的生產(chǎn)雖引進(jìn) 了國(guó)外技術(shù) 但一直未形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益 幾乎不具備變頻器新產(chǎn)品的獨(dú)立開(kāi)發(fā) 能力 這在一定程度上影響了國(guó)內(nèi)變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 在大功率交一交變頻技 術(shù) 無(wú)換向器電機(jī)等方面 國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國(guó)外水平相比 還有相當(dāng)差距 在中小功率變頻技術(shù)方面 國(guó)內(nèi)幾乎所有的產(chǎn)品都采用普通 v v v f 控制 2 僅有少量樣機(jī)采用矢量控制 品種與質(zhì)量不能滿足市場(chǎng)需要 而 在國(guó)外 變頻調(diào)速隨著電氣傳動(dòng)技術(shù) 尤其是變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展 作為大容量 傳動(dòng)的高壓變頻調(diào)速技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用 高壓電機(jī)利用高壓變頻器可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速 滿足生產(chǎn)工藝過(guò)程對(duì)電機(jī)調(diào)速 控制的要求 以提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量 又可大幅度節(jié)約能源 降低生產(chǎn)成本 高壓變頻器到目前為止還沒(méi)有像低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 根據(jù)高壓 組成方式可分為直接高壓型和高 低 高型 根據(jù)有無(wú)中間直流環(huán)節(jié)來(lái)分 可以分 為交 交變頻器和交 直 交變頻器 在交 直 交變頻器中 按中間直流濾波環(huán)節(jié)的 不同 可分為電壓源型和電流源型 高 低 高型變頻器采用變壓器實(shí)行輸入降壓 輸出升壓的方式 其實(shí)質(zhì)上還是低壓變頻器 只不過(guò)從電網(wǎng)和電機(jī)兩端來(lái)看是高 壓的 是受到功率器件電壓等級(jí)技術(shù)條件的限制而采取的變通辦法 需要輸入 輸出變壓器 存在中間低壓環(huán)節(jié)電流大 效率低下 可靠性下降 占地面積大等 缺點(diǎn) 只用于一些小容量高壓電機(jī)的簡(jiǎn)單調(diào)速 常規(guī)的交 交變頻器由于受到輸 出最高頻率的限制 只用在一些低速 大容量的特殊場(chǎng)合 直接高壓交 直 交變 第一章緒論 頻器直接高壓輸出 無(wú)需輸出變壓器 效率高 輸出頻率范圍寬 應(yīng)用較為廣泛 我們將對(duì)目前使用較為廣泛的幾種直接高壓輸出交 直 交型變頻器及其派生方 案進(jìn)行分析 指出各自的優(yōu)缺點(diǎn) 評(píng)價(jià)高壓變頻器的指標(biāo)主要有 成本 可靠性 對(duì)電網(wǎng)的諧波污染 輸入功率因數(shù) 輸出諧波 d v d t 共模電壓 系統(tǒng)效率 能 否四象限運(yùn)行等 我們習(xí)慣稱(chēng)作的高壓變頻器 實(shí)際上電壓一般為2 3 1 0 k v 國(guó)內(nèi)主要為3 k v 6 k v 和1 0 k v 和電網(wǎng)電壓相比 只能算作中壓 故國(guó)外常 稱(chēng)為m e d i u mv o l t a g ed r i v e 高壓變頻器正向著高可靠性 低成本 高輸入功率因數(shù) 高效率 低輸入輸 出諧波 低共模電壓 低d v d t 等方向發(fā)展 電流源型變頻器技術(shù)成熟 且可四 象限運(yùn)行 但由于高壓時(shí)器件串聯(lián)的均壓?jiǎn)栴} 輸入諧波對(duì)電網(wǎng)的影響和輸出諧 波對(duì)電機(jī)的影響等問(wèn)題 使其應(yīng)用受到限制 對(duì)風(fēng)機(jī)和水泵等一般不要求四象限 運(yùn)行的設(shè)備 單元串聯(lián)多電平p w m 電壓源型變頻器在輸入 輸出諧波 效率 和輸入功率因數(shù)等方面有明顯的優(yōu)勢(shì) 在工業(yè)上已經(jīng)有很多的應(yīng)用 對(duì)于軋機(jī) 卷?yè)P(yáng)機(jī)等要求四象限運(yùn)行和動(dòng)態(tài)性能較高的場(chǎng)合 雙p w m 結(jié)構(gòu)電壓源型變頻 器會(huì)得到廣泛的應(yīng)用 1 1高壓變頻技術(shù)的幾種主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 交流功率變換裝置的分類(lèi)如圖1 1 所示 根據(jù)有無(wú)中間直流環(huán)節(jié) 交流變頻 器可分為交一交變頻和交一直一交變頻兩種形式 交一直一交變頻存在中間直流 儲(chǔ)能環(huán)節(jié) 根據(jù)所用儲(chǔ)能元件的不同 又可分為電流型和電壓型兩種 對(duì)于高壓 變換器來(lái)說(shuō) 從高壓構(gòu)成的角度 有高一高和高一低一高兩種方式 高一低一高 型變換器輸入采用降壓變壓器 輸出為升壓變壓器 中間為低壓變頻器 當(dāng)系統(tǒng) 容量較大時(shí) 中間低壓環(huán)節(jié)電流過(guò)大 需要解決多個(gè)器件并聯(lián)均流問(wèn)題 使可靠 性下降 另外 由于兩個(gè)變壓器會(huì)因豐富的諧波而發(fā)熱 使系統(tǒng)效率降低 低頻 時(shí)輸出變壓器能量傳輸困難 不適合低頻重載場(chǎng)合 3 j 雖然通過(guò)變壓器多重化可 以解決其諧波問(wèn)題和擴(kuò)大容量 但是增加了系統(tǒng)成本 因而這種變換方式不適合 向更大容量方向發(fā)展 普通雙電平高壓變頻器依靠g t o i g b t 等器件的串并聯(lián) 來(lái)實(shí)現(xiàn)兩電平直接高壓輸出 這種電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單 然而串并聯(lián)將會(huì)帶來(lái)開(kāi)關(guān) 器件的靜態(tài)動(dòng)態(tài)的均壓 均流等一系列問(wèn)題 技術(shù)上的不確定因素影響大 可靠 性不高 且由于輸出只有兩個(gè)電平 電壓上升率大 共模電壓高 諧波含量也高 電磁干擾問(wèn)題嚴(yán)重 因而在大功率換流中應(yīng)用不多 在傳統(tǒng)的電路中 其輸入為單一的直流電源 只能對(duì)一個(gè)恒定幅值的直流電 壓進(jìn)行脈寬調(diào)制 輸出為幅值恒定的p w m 波 如果對(duì)多個(gè)直流源和電力電子器 2 第一章緒論 件經(jīng)過(guò)特定的拓?fù)渥儞Q 并且控制不同的直流聯(lián)輸出 則在變換電路的不同開(kāi)關(guān) 狀態(tài)下 就可以輸出不同幅值的多種電平輸出 采用這種原理的變換電路稱(chēng)作多 電平 m u l t i 1 e v e l 電路 用這種方法實(shí)現(xiàn)的變換器就是多電平變換器 4 由于 高壓大容量電壓型變換器得到了廣泛而深入的研究 各種電壓型多電平變換電路 拓?fù)湎嗬^被提出 其控制性能得到了很大的提高 因此成為高壓大容量電力電子 系統(tǒng)的發(fā)展方向 r 交e 麓 篆 自從日本長(zhǎng)岡科技大學(xué)的南波江章 a n a b a e 等人于1 9 8 0 年在i e e e 工業(yè) 應(yīng)用 i a s 年會(huì)上提出三電平中點(diǎn)箝位式結(jié)構(gòu)以來(lái) 5 1 多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)主要發(fā)展出三種電斛6 7 1 1 二極管箝位式 d i o d ec l a m p e dt o p o l o g y 2 電容箝位式 c a p a c i t o rc l a m p e dt o p o l o g y 3 單元串聯(lián)式 c a s c a d e dt o p o l o g y 1 二極管箝位式多電平逆變器 在電壓型逆變器中 最廣泛應(yīng)用的是兩電平逆變電路 所謂兩電平逆變 就 是通過(guò)控制電力電子開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷 在輸出端把中間直流回路的正端電 壓和負(fù)端電壓分別引出 當(dāng)逆變電路需要輸出電壓較高時(shí) 開(kāi)關(guān)器件的耐壓不夠 這時(shí)有兩種途徑可以獲得高的輸出電壓 其一是將電力電子開(kāi)關(guān)器件直接串聯(lián) 變頻部分仍采用兩電平拓?fù)?需要解決器件串聯(lián)引起的動(dòng) 靜態(tài)均壓?jiǎn)栴} 同時(shí) 需要加入輸出濾波器以降低輸出諧波和d u d t 為避免上述技術(shù)難題 可以采取 第二種方式 即對(duì)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改造 以使得在當(dāng)前開(kāi)關(guān)器件耐壓水平下 獲得更高的電壓輸出 三電平電路就是最早提出的一種拓?fù)?二極管箝位式多電平結(jié)構(gòu)是出現(xiàn)較早 應(yīng)用場(chǎng)合較多的一種結(jié)構(gòu) 1 9 7 7 年 德國(guó)學(xué)者h(yuǎn) o l t z 最早提出了一種三電平電路 后來(lái)由日本學(xué)者a n a b a e 加以發(fā)展 在2 0 世紀(jì)8 0 年代提出了在兩個(gè)電力開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)的基礎(chǔ)上 中性點(diǎn)加一對(duì)箝位 二極管的三電平逆變方案 n p c n e u t r a lp o i n tc l a m p e d 中性點(diǎn)箝位型逆變器 第一章緒論 它的一相橋臂如圖1 2 所示 v d e r 一2 v v d c p n 圖1 2 二極管箝位型三電平拓?fù)涞囊幌嚯娐?a 如圖1 2 所示 每一相都需要4 個(gè)主開(kāi)關(guān)器件 4 個(gè)續(xù)流二極管 兩個(gè)筘位 二極管 當(dāng)t l 和t 2 同時(shí)導(dǎo)通時(shí) 輸出端a 對(duì)o 的電平為v d 以 當(dāng)t 2 和t 3 同 時(shí)導(dǎo)通時(shí) 輸出端a 和o 點(diǎn)相連 因此它的電平為o 當(dāng)t 3 和t 4 同時(shí)導(dǎo)通時(shí) 輸出端a 對(duì)o 點(diǎn)的電平為一v d 以 所以每相橋臂能輸出三個(gè)電平狀態(tài) 由三相 這種橋臂組成的變換電路就叫做二極管筘位型三電平變換器 一相橋臂電路的穩(wěn) 態(tài)工作情況具體敘述如下 開(kāi)關(guān)管t l 和t 2 同時(shí)導(dǎo)通時(shí) t 3 和t 4 同時(shí)關(guān)斷 若 電流從逆變電路流向負(fù)載 即從p 點(diǎn)經(jīng)由t 1 和t 2 到達(dá)輸出端a 忽略開(kāi)關(guān)器件 的正向?qū)▔航?輸出端a 的電位等同于p 的電位 即v d c 2 若電流從負(fù)載流 向逆變電路 這時(shí)電流從a 分別經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管d 2 d l 流進(jìn)p 點(diǎn) 這時(shí)輸出端 a 的電位仍等同于p 的電位 開(kāi)關(guān)管t 2 和t 3 同時(shí)導(dǎo)通時(shí) t l 和t 4 同時(shí)關(guān)斷 同上分析類(lèi)似 若電流從逆變電路流向負(fù)載 即從中性點(diǎn)o 點(diǎn)經(jīng)由箝位二極管 d 5 和開(kāi)關(guān)器件t 2 到達(dá)輸出端a 輸出端a 的電位等同于o 電的電位 即o 電位 若電流從負(fù)載流向逆變電路 這時(shí)電流從a 分別經(jīng)過(guò)t 3 和箝位二極管d 6 流進(jìn)o 點(diǎn) 這時(shí)輸出端a 的電位仍等同于o 點(diǎn)的電位 開(kāi)關(guān)管t 3 和t 4 同時(shí)導(dǎo)通時(shí) t l 和t 2 同時(shí)關(guān)斷 分析如下 若電流從逆變 電路流向負(fù)載 即從負(fù)電位n 點(diǎn)分別經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管d 4 d 3 到達(dá)輸出端a 輸 出端a 的電位等同于n 的電位 即 v d d 2 若電流從負(fù)載流向逆變電路 這時(shí) 4 第一章緒論 電流從a 分別經(jīng)過(guò)主開(kāi)關(guān)管t 3 和t 4 流進(jìn)n 點(diǎn) 忽略開(kāi)關(guān)器件的正向?qū)▔航?這時(shí)輸出端a 的電位仍等于n 的電位 即一v d 以 根據(jù)上面的分析結(jié)果 可以看到三種穩(wěn)態(tài)工作模式的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和輸出端電壓 的對(duì)應(yīng)關(guān)系 需要注意的是 根據(jù)上面的工作原理 主開(kāi)關(guān)管t l 和t 4 不應(yīng)同時(shí) 導(dǎo)通 且t l 和t 3 t 2 和t 4 的工作狀態(tài)恰好相反 即工作在互補(bǔ)狀態(tài) 平均每個(gè) 主開(kāi)關(guān)管所承受的正向阻斷電壓為v d 以 這也是三電平逆變器的基本控制規(guī)律 之一 同時(shí)規(guī)定 輸出電壓只能是v d 以到0 0 到一v d 以 或相反的變化 不 允許在 v d 以和 v d d 2 之間直接變化 所以不存在兩個(gè)器件同時(shí)開(kāi)通或同時(shí)關(guān)斷 也就不存在動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)栴} 圖1 3 就是三相三電平二極管箝位型逆變器的電路結(jié)構(gòu) 由于每個(gè)橋臂有三 個(gè)電平 三個(gè)輸出端a b c 總共可以輸出2 7 個(gè)電平狀態(tài) 對(duì)應(yīng)著空間矢量控 制的2 7 個(gè)矢量狀態(tài) 隨著空間矢量控制方法的發(fā)展成熟 比起兩電平的8 個(gè)空 間矢量來(lái)說(shuō) 矢量選擇范圍大 控制電機(jī)容易獲得良好的性能 雖然這種逆變器 仍存在兩個(gè)器件的阻態(tài)串聯(lián)耐壓?jiǎn)栴} 但是由于控制上不存在兩個(gè)器件同時(shí)導(dǎo)通 或者同時(shí)關(guān)斷的現(xiàn)象 對(duì)器件參數(shù)的要求不是非常嚴(yán)格 系統(tǒng)的安全系數(shù)提高了 圖1 3 三相三電平n p c 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是采用多個(gè)二極管對(duì)相應(yīng)開(kāi)關(guān)元件進(jìn)行箝位 使輸出增加了 一個(gè)電平 輸出電壓的臺(tái)階高度降低了一半 而且很重要的一點(diǎn)是增加了輸出 p w m 控制的自由度 使輸出波形質(zhì)量在同等開(kāi)關(guān)頻率條件下有較大的提高 輸 出相應(yīng)m 電平相電壓 二極管箝位式拓?fù)渚哂卸嚯娖侥孀兤鞴餐膬?yōu)點(diǎn) 但也 存在自身不足1 4 j 1 二極管可能需要承受不同反壓 對(duì)于三電平來(lái)說(shuō) 箝位二極管承受反壓 5 第一章緒論 相同 但對(duì)于更多電平電路來(lái)說(shuō) 箝位二極管承受反壓最高為 m 2 v j m 1 最低為v d j m 1 其中m 為電平數(shù) 2 器件的額定電流不同 從三電平的例子不難看出 不同管子的開(kāi)關(guān)時(shí)間 不同 顯然 每相橋臂越靠中間的管子開(kāi)通時(shí)間越長(zhǎng) 如t 2 和t 3 的開(kāi) 通時(shí)間是t l 和t 4 的兩倍 這樣同一橋臂上管子的額定電流也會(huì)有不同 3 電容均壓?jiǎn)栴} 引起中點(diǎn)電壓偏移的主要原因有 a 三倍輸出頻率的大 電流流過(guò)中性點(diǎn) b 器件特性的分散性 c 與負(fù)載性質(zhì)及開(kāi)關(guān)狀態(tài)有關(guān) 的原因 直觀看來(lái) 直流側(cè)電容由于一個(gè)周期內(nèi)電流的流入和流出可能 不同 會(huì)造成某些電容總在放電 而另一部分總在充電 使得電容電壓 不均衡 最終導(dǎo)致輸出電平不對(duì) 中點(diǎn)電壓的偏移會(huì)影響輸出電壓的對(duì) 稱(chēng)性 提高對(duì)主管阻斷耐壓的要求 增大電機(jī)線電壓諧波含量 對(duì)整個(gè) 系統(tǒng)工作不利 有關(guān)研究表明 僅當(dāng)輸出相電壓和線電流互差兀 2 時(shí) 電容上平均電流為零 才可以使得電壓均衡 當(dāng)進(jìn)行有功傳遞時(shí) 如不 附加均壓裝置或使用特別的控制策略 必將導(dǎo)致m 電平退化為三電平 或兩電平 因此三電平逆變器研究中的一個(gè)重要課題就是控制中點(diǎn)電壓 漂移 不過(guò)隨著各種中點(diǎn)電壓控制策略研究 除了采用獨(dú)立的中點(diǎn)電壓 校正模塊之外 還可以以某種策略選擇空間矢量 都可以有效的平衡中 點(diǎn)電壓 三電平拓?fù)湟呀?jīng)應(yīng)用于工業(yè)實(shí)際中 2 電容箝位式多電平逆變器 電容箝位型多電平變換器也叫做懸浮電容或飛跨電容型多電平變換器 f c m l f l y i n g c a p a c i t o rm u l t i l e v e l 是由法國(guó)學(xué)者t a m e y n a r d 和h f o c h 于 1 9 9 2 年的p e s c 會(huì)議上首先提出的 圖1 4 所示是一個(gè)電容箝位型五電平逆變器 的單臂電路 s l 8 為功率開(kāi)關(guān)管 c c l c c 6 為筘位電容 每個(gè)電容都具有相同 的容值和電壓 c l c 4 為直流分壓電容 由圖可見(jiàn) 與二極管箝位型多電平變 換器不同 這種電路采用的是跨接在串聯(lián)開(kāi)關(guān)器件之間的串聯(lián)電容進(jìn)行箝位的 該電路的電壓合成更為靈活 即對(duì)于相同的輸出電壓 可以由不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)組 合得到 例如 對(duì)于輸出電壓一u d 以和u d 水 分別可以由4 種開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合得 到 對(duì)于輸出電壓0 可以由6 種開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合得到 這種開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合的可選 擇性 為箝位電容電壓平衡提供了可能性和靈活性 電容箝位型多電平電路也可 構(gòu)成三相系統(tǒng) 對(duì)于一個(gè)n 電平的電容箝位型電路 每個(gè)橋臂需要2 n 1 個(gè)開(kāi)關(guān) 器件 n 1 個(gè)直流分壓電容以及 n 1 n 2 2 個(gè)箝位電容 電容箝位型多電平變換器拓?fù)涞某霭l(fā)點(diǎn)之一 是為了去除二極管箝位型電路 中大量的箝位二極管 但同時(shí)又引入了大量的懸浮電容 在電力電子裝置中 電 6 第一章緒論 容是一個(gè)可靠性較差 壽命較短的器件 為了用較少的箝位電容實(shí)現(xiàn)較多的電平 輸出 文獻(xiàn) 8 提出了一種全二進(jìn)制組合的浮動(dòng)電壓源逆變器拓?fù)?在該拓?fù)渲?通過(guò)改變飛跨電容的電壓比 使每個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出電平 這樣利用相同 數(shù)量的開(kāi)關(guān)器件和飛跨電容 就可實(shí)現(xiàn)較多電平數(shù)的輸出 但是 在這種情況下 開(kāi)關(guān)狀態(tài)冗余性的丟失 使得飛跨電容的電壓平衡難以實(shí)現(xiàn) 因此拓?fù)渲械娘w跨 電容都要用獨(dú)立電壓源來(lái)替代 u s 圖1 4電容箝位式五電平逆變器單臂電路 電容箝位型多電平變換器的顯著優(yōu)點(diǎn)是逆變器電平數(shù)易擴(kuò)展 逆變器的控制 也非常靈活 而且只需要一個(gè)獨(dú)立的直流電源 整流側(cè)的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單 電容箝 位型多電平變換器最大的問(wèn)題是需要大量的筘位電容以及在運(yùn)行過(guò)程中必須嚴(yán) 格控制懸浮電容電壓的平衡以保證逆變器的運(yùn)行安全 對(duì)于電容電壓平衡的問(wèn) 題 可用輸出相同電壓時(shí)采用不同的開(kāi)關(guān)組合對(duì)電容進(jìn)行充放電來(lái)解決 但是因 為電容太多 如何選擇開(kāi)關(guān)組合將非常復(fù)雜 并要求較高的頻率 7 第一章緒論 3 單元串聯(lián)式多電平逆變器 一般認(rèn)為 串聯(lián)型多電平變換器較早是由m m a r c h e s o n i 等人在1 9 8 8 年的 p e s c 會(huì)議上提出的 它當(dāng)時(shí)用于實(shí)現(xiàn)等離子體的穩(wěn)定性要求 9 實(shí)際上 r h b a k e r 等人在1 9 7 5 年就對(duì)級(jí)聯(lián)型拓?fù)渖暾?qǐng)了專(zhuān)利 l o j 但是 在此后的很多年 里 這種拓?fù)洳](méi)有得到推廣應(yīng)用 直到1 9 9 7 年 文獻(xiàn) 1 1 1 2 兩項(xiàng)專(zhuān)利對(duì)串 聯(lián)型拓?fù)湓陔姍C(jī)傳動(dòng)和電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了討論之后 串聯(lián)型拓?fù)洳诺玫搅溯^為 廣泛的應(yīng)用 圖1 5 是傳統(tǒng)的串聯(lián)型五電平變換器拓?fù)鋯伪垭娐?它由兩個(gè)兩電 平h 橋單元串聯(lián)構(gòu)成 u d c u d c 圖1 5 傳統(tǒng)的單元串聯(lián)型五電平變換器單臂電路 與二極管箝位型和飛跨電容型多電平變換器相比 串聯(lián)型拓?fù)洳恍枰罅康?箝位二極管和飛跨電容 但是需要多個(gè)獨(dú)立直流電壓源 對(duì)于一個(gè)n 電平的級(jí)聯(lián) 型拓?fù)?每個(gè)橋臂需要 n 1 2 個(gè)獨(dú)立直流電壓源和2 n 1 個(gè)主開(kāi)關(guān)器件 該拓?fù)?可以方便地通過(guò)三角形或星形聯(lián)結(jié)構(gòu)成三相系統(tǒng) 要獲得更多電平只需將每相所 串聯(lián)的單元逆變橋數(shù)目同等增加即可 為了增加輸出電壓的電平數(shù)和提高波形質(zhì) 量 越來(lái)越多的文獻(xiàn)對(duì)改進(jìn)的級(jí)聯(lián)型拓?fù)溥M(jìn)行了研究 通過(guò)對(duì)不同單元采用不同 的直流電壓 可以用較少的級(jí)聯(lián)單元得到較多的輸出電平 典型的電壓組合是按 照二迸制的方法 即各個(gè)單元的直流電壓比為l 2 4 2 葉 這樣可以在輸出端 得到2 1 個(gè)階梯波 同時(shí) 折衷考慮功率器件的開(kāi)關(guān)頻率和電壓應(yīng)力 可以對(duì)不 8 第一章緒論 同直流電壓?jiǎn)卧捎貌煌墓β势骷?進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性價(jià)比 這種拓?fù)浔环Q(chēng) 為混合型多電平變換器拓?fù)?另有研究表明 當(dāng)直流電壓比為1 3 9 3 t m l 時(shí) 會(huì)得到最大電平數(shù)的輸出 l3 1 文獻(xiàn) 1 4 討論了由任意電平的二極管箝位型h 橋單 元相串聯(lián)所構(gòu)成的拓?fù)?并稱(chēng)為 通用串聯(lián)型變換器拓?fù)?與前兩種多電平逆變器相比 串聯(lián)型多電平變換器拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn) 即 不存在電容電壓均衡問(wèn)題 無(wú)需箝位二極管或電容 適于調(diào)速控制 模塊化程度 好 維修方便 對(duì)相同電平數(shù)而言 所需器件數(shù)目最少 無(wú)筘位二極管或電容的 限制 可實(shí)現(xiàn)更多電平 上更高電壓 實(shí)現(xiàn)更低諧波 控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單 可分 別對(duì)每一級(jí)進(jìn)行p w m 控制 然后進(jìn)行波形重組 這種結(jié)構(gòu)的不足之處在于需要 很多隔離的直流電源 應(yīng)用受到一定限制 l 引 1 2單元串聯(lián)高壓變頻技術(shù)的研究 單元級(jí)聯(lián)式多電平變頻器采用多個(gè)功率單元串聯(lián)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)高壓輸出 其 輸出通常采用多電平移相式p w m 以實(shí)現(xiàn)較低的輸出電壓諧波 較小的d u d t 和共模電壓 輸入通常采用多重化隔離變壓器以達(dá)到抑制輸入諧波的目的 近年 來(lái) 該技術(shù)在全球范圍內(nèi)發(fā)展迅速 國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)了很多基于該技術(shù)方案的高壓變 頻器生產(chǎn)廠家 國(guó)外研究概況美國(guó)西屋電氣公司于1 9 8 6 年5 月申請(qǐng)了專(zhuān)利號(hào)為 4 6 7 4 0 2 4 的美國(guó)專(zhuān)利 l 引 該發(fā)明提出了由獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)低壓功率單元串聯(lián)形成的高 壓逆變系統(tǒng) 該發(fā)明提出了單元串聯(lián)多電平變頻器的基本框架 西屋公司的發(fā)明 解決了變頻器要求高壓輸出而器件耐壓不夠的矛盾 避免了常規(guī)器件直接串聯(lián)時(shí) 存在的均壓?jiǎn)栴} 奠定了單元串聯(lián)多電平變頻器的基礎(chǔ) 美國(guó)羅賓康公司于1 9 9 4 年3 月申請(qǐng)了專(zhuān)利號(hào)為5 6 2 5 5 4 5 的美國(guó)專(zhuān)利 l7 1 該 發(fā)明提出了輸入采用多重化移相變壓器和輸出采用多電平移相式p w m 的單元 串聯(lián)多電平方案 如圖1 6 所示 圖1 7 為功率單元的組成結(jié)構(gòu)輸入變壓器采用 延邊三角形接法 變壓器副邊互差一定的電角度 以達(dá)到抑制輸入諧波電流的目 的 輸出采用多電平移相式p w m 每一相由三個(gè)相同的功率單元串聯(lián)而成 三 相構(gòu)成星形聯(lián)結(jié) 輸出接電動(dòng)機(jī)負(fù)載 同一相中不同串聯(lián)單元的三角載波互差一 定的相位 以增加輸出電壓臺(tái)階 提高等效開(kāi)關(guān)頻率 改善輸出電壓波形 羅賓康公司率先引入多重化移相變壓器和多電平移相式p w m 等概念 解決 了輸入諧波 輸出諧波 d u d t 共模電壓和可靠性等問(wèn)題 于1 9 9 4 年推出了目 前獲得大面積推廣的單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器 在該技術(shù)領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先 地位 對(duì)這種技術(shù)方案的推廣起了很大的促進(jìn)作用 除了羅賓康公司外 還有三 菱 東芝等國(guó)外廠家生產(chǎn)單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器 9 第一章緒論 圖1 6 單元串聯(lián)式多電平高壓變頻器方案 圖1 7 功率單元結(jié)構(gòu) 1 0 a 厶a 4 a厶 厶厶厶厶厶厶 第一章緒論 我國(guó)高壓電動(dòng)機(jī)多是6 k v 和1 0 k v 等級(jí) 目前 二電平變頻器受器件耐壓的 限制 尚難以實(shí)現(xiàn)這個(gè)等級(jí)的直接高壓輸出 而單元串聯(lián)式的輸出電壓能夠達(dá)到 1 0k v 甚至更高 在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用 尤其在風(fēng)機(jī)水泵等節(jié)能領(lǐng)域 該技術(shù)方 案幾乎己形成壟斷態(tài)勢(shì) 目前國(guó)內(nèi)大部分產(chǎn)品為v v v f 控制 由于市場(chǎng)應(yīng)用面 的不斷深入 該結(jié)構(gòu)也暴露出一些需要解決的問(wèn)題 1 8 首當(dāng)其沖的是可靠性問(wèn)題 由于高壓電動(dòng)機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合特殊 對(duì)可靠性有著極 高的要求 但是單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)最大的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜 需要大量的開(kāi)關(guān)管 除了 增加系統(tǒng)成本和使控制變得復(fù)雜外 大量的器件意味著系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性增 大 再則是變頻器的大容量化問(wèn)題 由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇 小功率變頻器價(jià)格不斷 下降 利潤(rùn)越來(lái)越低 而另一方面大容量變頻器維持著高額的利潤(rùn) 大容量化的 一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于散熱技術(shù) 水冷技術(shù)是比較合適的選擇 水冷技術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和 熱設(shè)計(jì)提出了很高的要求 同時(shí)對(duì)基礎(chǔ)制造業(yè)也提出了挑戰(zhàn) 然后是先進(jìn)的控制算法及優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 以使變頻器能夠適應(yīng)更高要求 進(jìn)入利潤(rùn)更高的行業(yè) 作為控制算法來(lái)講 無(wú)速度傳感器矢量控制技術(shù)已經(jīng)比較 成熟 在國(guó)外產(chǎn)品中廣泛使用 而拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)以及能量雙饋的實(shí) 現(xiàn) 針對(duì)這樣一些要求各國(guó)學(xué)者做了大量的研究工作 文獻(xiàn) 1 9 中提到將羅賓康結(jié)構(gòu)中的整流二極管換成i g b t 引用原文中的拓 撲如圖1 8 所示 該結(jié)構(gòu)在輸入側(cè)采用p w m 整流代替不控整流 可以將通過(guò)軟 件來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)的電量進(jìn)行控制 從而將移相變壓器改為普通變壓器 而且實(shí)現(xiàn) 了能量的雙向傳遞 d m e d i u m v o l t a g o p o w e rg r i d t r a n s f a q n c rw i t hi c l n t i o a i c o o l l d a r yw i n d i n g s 圖1 8 能量雙向流動(dòng)的串聯(lián)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 1 9 t op r e v i o u s p o w e rc a l l t o n e x t p o w o ro o l l 第一章緒論 1 3 本文研究的內(nèi)容 本文提出了一種b t b 單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)的變頻器拓?fù)?針對(duì)其一側(cè)的整流與逆 變工作狀態(tài)進(jìn)行分析 該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1 9 所示 其中的單元結(jié)構(gòu)如圖1 1 0 所示 該結(jié)構(gòu)的變頻器與當(dāng)前廣泛應(yīng)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比省去了輸入側(cè)昂貴的移相 變壓器 采用與輸出類(lèi)似的結(jié)構(gòu) 將輸入直接串聯(lián)接入高壓 可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn) 行 移相變壓器的消除帶來(lái)的高壓隔離問(wèn)題由直流環(huán)節(jié)來(lái)進(jìn)行處理 由于是背靠 背結(jié)構(gòu) 本文將對(duì)整流和逆變兩部分分別進(jìn)行分析 給出控制算法 仿真 以及 試驗(yàn)結(jié)果 具體內(nèi)容如下 1 針對(duì)現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的單元串聯(lián)多電平拓?fù)?分析了移相多重化整流技術(shù) 并進(jìn)行分離式多重化整流結(jié)構(gòu)仿真與諧波抑制效果的分析 說(shuō)明移相變壓 器在該結(jié)構(gòu)中所起到的作用 2 對(duì)串聯(lián)p w m 整流給出了單個(gè)單元控制算法 并對(duì)兩個(gè)單元串聯(lián)后的系統(tǒng) 做出了仿真分析 以對(duì)輸出側(cè)電流的反饋控制替代移相變壓器在c h m l 結(jié)構(gòu)中的抑制諧波的作用 并且對(duì)去除移相變壓器所帶來(lái)的電壓隔離 共 模電壓等問(wèn)題給出了解決方案 3 提出了一種載波頻率微調(diào)準(zhǔn)最優(yōu)p w m 調(diào)制策略 通過(guò)對(duì)載波頻率每個(gè)周 波的調(diào)節(jié) 達(dá)到盡可能減小輸出諧波的目的 4 分析了h 橋結(jié)構(gòu)的單橋和雙橋控制 以及死區(qū)的影響和抑制 同載波頻 率微調(diào)準(zhǔn)最優(yōu)p w m 調(diào)制一同構(gòu)成獨(dú)立功率單元的控制算法 5 從系統(tǒng)整體運(yùn)行的角度 分析了載波水平移相技術(shù)以及波形連續(xù)變換算 法 目的是減小輸出側(cè)的電壓上升率及諧波 并通過(guò)m a t l a b 軟件做出算 法函數(shù) 6 通過(guò)對(duì)t i 公司的模塊化程序設(shè)計(jì)的說(shuō)明 給出了本文控制思想實(shí)現(xiàn)的思 路 即在以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片為基礎(chǔ)的試驗(yàn)平臺(tái)上 以模塊化組合形式 完成軟件的開(kāi)發(fā) 7 采用單元直接串聯(lián)的結(jié)構(gòu) 用m a t l a b 生成了控制代碼轉(zhuǎn)換模型 根據(jù)模 型轉(zhuǎn)換出t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的程序 在試驗(yàn)平臺(tái)上運(yùn)行后錄波 與仿真波形 作比較 說(shuō)明控制所得到的效果 1 2 第一章緒論 圖1 9b t b 單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)變頻器 j 耳j j 暑 j 云 j 直 o a 流 c b 環(huán) 一 一 節(jié) o 一 j j l j 3 j 玉 圖1 1 0b t b 單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 1 3 第二章整流側(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方法 第二章整流側(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方法 變頻器輸入側(cè)的兩個(gè)重要參數(shù) 諧波含量和功率因數(shù) 可以分別通過(guò)多重化 技術(shù)和p w m 整流使其達(dá)到理想的數(shù)值 p w m 整流控制所使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 更 重要的意義在于可以實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng) 2 1 串聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)的多重化整流技術(shù) 對(duì)于整流裝置來(lái)說(shuō) 整流電路輸出電壓的脈波數(shù)越多 越有利于提高裝置能 量變換的效率和減小輸出電壓的脈動(dòng) 從而減小交直流兩側(cè)的諧波含量 將多個(gè) 單元電路或多個(gè)整流機(jī)組按照一定的方式多重連接而復(fù)合使用 即所謂的多重化 結(jié)構(gòu) 單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)的輸入側(cè)使用變壓器延邊三角形移相來(lái)實(shí)現(xiàn)多重化結(jié)構(gòu) 2 1 1 變壓器的延邊三角形移相 現(xiàn)有的各種單元串聯(lián)多重化的高壓變頻器多采用y d 聯(lián)結(jié) 即一次側(cè)為星形 y 聯(lián)結(jié) 二次側(cè)為三角形 d 這樣做的好處就是二次側(cè)的三次 以及三的倍數(shù) 此 諧波電壓相互抵消 不會(huì)在二次繞組中形成電流 這樣也就不會(huì)耦合到變壓 器的一次側(cè) 從而降低了對(duì)網(wǎng)側(cè)的諧波干擾 為了實(shí)現(xiàn)多重化整流 需在變壓器 二次側(cè)進(jìn)行移相 采用的是延邊三角形移相技術(shù) 延邊三角形方式即變壓器各二 次側(cè)的基本繞組 a 1 b l c 1 采用三角形聯(lián)結(jié) 其移相繞組 a 2 b 2 c 2 在各三角 形的頂點(diǎn)延伸出來(lái) 如圖2 1 所示 圖2 1 移相變壓器二次側(cè)采用延邊三角形接法 1 4 第二章整流側(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方法 設(shè)變壓器一次 二次繞組匝數(shù)分別為n l 和n 2 則二次側(cè)的基本繞組和移 相繞組的匝數(shù)分別為 1 k n 2 和k n 2 k 為繞組系數(shù) 則有 玩 籌吮 芳婚峨 眈 每吼 老略叫似力 2 眈 甕眈 擊吼占p i 峙力 式中n 為變壓器的匝數(shù)比 玩為輸入的a 相相電壓 v 吼占為輸入線電壓 v 變壓器副邊繞組有如下關(guān)系 f 吃 1 一七 晚 虬z 七虬 由式 2 1 2 2 可得變壓器二次側(cè)線電壓為 吒 眈一玩 z 吼一砌吼 n 1 k e 圬 玩 i n 1 k e 號(hào) 吼8 p 一峰 v j 二次側(cè)電壓向量圖如下 u c 圖2 2 延邊三角形接法向量圖 根據(jù)該相量圖 可以得到如下關(guān)系式 a b 2 2 第二章整流側(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方法 u as i n 0 u b 2s i n z 3 o 將式 2 1 2 2 代入式 2 3 可得 2 3 2 4 上式中 0 為二次線電壓超前一次相電壓的相位角 q 為二次線電壓超前一 次線電壓的相位角 在o k l 的范圍內(nèi) 由 2 4 式可知 一 o f 0 時(shí) 只能流經(jīng)t 1 或d 3 當(dāng)t 1 從導(dǎo)通切換成關(guān)斷狀態(tài)時(shí) 若忽略 3 9 第三章逆變側(cè)輸出波形控制策略 二極管d 3 的電流建立時(shí)間 此時(shí)u 端電壓將瞬時(shí)由u d c 2 切換成一u d c 2 因而 輸出波形在t l 驅(qū)動(dòng)信號(hào)下降沿不會(huì)產(chǎn)生波形偏差 但若i 0 時(shí) 當(dāng)t 1 從關(guān)斷 切換成導(dǎo)通狀態(tài)時(shí) 由于先前d 3 導(dǎo)通 續(xù)流 則在t 3 信號(hào)下降沿即輸出電壓上 升沿被迫滯后t d 時(shí)間才跳變 因而輸出電壓波形出現(xiàn)正偏差 同理可以分析得到 當(dāng)i 0 時(shí) d 3 信號(hào)下降沿 即輸出電壓上升沿?zé)o延時(shí) 而在t l 信號(hào)下降沿 即輸出電壓下降沿 輸出電壓被迫滯后t d 時(shí)間才跳變 因而輸出電壓波形出現(xiàn)負(fù)偏差 具體示意圖如下 a b c d e f 刪然 vv 邯訓(xùn)7 圖3 1 l死區(qū)影響示意圖 a 電流電壓與載波信號(hào)b c 未加死區(qū)的上下管觸發(fā)信號(hào) d e 加入死區(qū)后的上下管觸發(fā)信號(hào)f 死區(qū)對(duì)輸出電壓帶來(lái)的窄脈沖 根據(jù)上圖可知 由于 先斷后通 開(kāi)關(guān)死區(qū)延時(shí)t d 的加入 將導(dǎo)致輸出電 壓波形出現(xiàn)電壓偏差 電壓偏差的極性取決于電流極性 這種影響帶來(lái)的主要表 現(xiàn)為電流波形出現(xiàn)交越失真 試驗(yàn)波形如下所示 由t e k t r o n i x 示波器截圖 第三章逆變側(cè)輸出波形控制策略 1 e k 棚r l s t o p j m p o s 7 6 0 o n s 一一 s a v e r e c j 動(dòng)作 圃 格式 圓 y 干 j 存圖像 選擇 文件夾 儲(chǔ)存 t e k 0 0 10 j p g 1 2 0 v 當(dāng)前目錄是 圖3 1 2 受到死區(qū)影響的輸出電流波形 目前研究死區(qū)補(bǔ)償主要有兩個(gè)大的方向 2 5 一種是硬件補(bǔ)償 這種補(bǔ)償策 略需要增加硬件 通過(guò)輸出實(shí)際電壓和電壓參考值比較得到需要補(bǔ)償?shù)碾妷盒?號(hào) 如常用的電流反饋補(bǔ)償和電壓反饋補(bǔ)償 電流反饋型與電壓反饋型補(bǔ)償電路 是最基本的補(bǔ)償電路 這兩種補(bǔ)償電路如果調(diào)整得當(dāng)都能很好地補(bǔ)償?shù)舳O管續(xù) 流產(chǎn)生的誤差波引起的不良影響 電流反饋補(bǔ)償電路的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單 但它是 通過(guò)對(duì)電流的過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?由于電流噪聲的影響 電流過(guò)零點(diǎn)一 般都存在一定程度的模糊性 檢測(cè)精度會(huì)受到一定影響 再則 電流濾波環(huán)節(jié)也 會(huì)產(chǎn)生檢測(cè)滯后 因此 在用軟件實(shí)現(xiàn)時(shí) 檢測(cè)精度的不準(zhǔn)和檢測(cè)滯后的影響會(huì) 使補(bǔ)償?shù)木茸儾?電壓反饋型補(bǔ)償電路 雖沒(méi)有過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)的模糊性 但存在 s p w m 波的檢測(cè)精度問(wèn)題和檢測(cè)滯后問(wèn)題 補(bǔ)償電路相對(duì)比較復(fù)雜 另一種是 軟件補(bǔ)償 采用純軟件的方法 在電機(jī)的控制程序中加入死區(qū)補(bǔ)償?shù)乃惴?來(lái)實(shí) 現(xiàn)對(duì)死區(qū)補(bǔ)償?shù)挠绊?這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要添加硬件 且更加靈活 適應(yīng)性 強(qiáng) 本文中描述的系統(tǒng)即是采用軟件補(bǔ)償?shù)姆桨?根據(jù)面積等效原理 對(duì)于死區(qū)帶來(lái)的負(fù)面影響 輸出電壓上疊加的一系列 窄脈沖 我們只需要對(duì)應(yīng)在每個(gè)周期內(nèi)加上相等時(shí)間長(zhǎng)度且大小相反的脈沖即可 抵消死區(qū)帶來(lái)的影響 采用預(yù)測(cè)電流相位的方法來(lái)對(duì)補(bǔ)償脈沖正負(fù)極性進(jìn)行選 擇 例如取預(yù)測(cè)功率因數(shù)為0 8 5 時(shí) 電流滯后電壓3 1 8 在控制算法中應(yīng)去 電壓參考波形過(guò)零點(diǎn)后3 1 8 時(shí)為電流過(guò)零點(diǎn) 此時(shí)補(bǔ)償?shù)拿}沖正負(fù)極性反向 應(yīng)用較多的軟件死區(qū)補(bǔ)償方式是采用分散補(bǔ)償?shù)姆绞?也即在每一個(gè)觸發(fā)脈 沖上都加上反向的補(bǔ)償脈沖 這樣由于預(yù)測(cè)電流過(guò)零點(diǎn)不可能和實(shí)際電流過(guò)零點(diǎn) 完全一致 補(bǔ)償?shù)恼}沖勢(shì)必有一部分起了反效果 出于這種問(wèn)題的考慮 可以 采用集中補(bǔ)償?shù)姆绞?