IGBT的三電平控制原理

1、三電平大功率通用變頻器的研制 發(fā)布:2022-09-07 | 作者: | 來源: wanghuixiang | 查看:601 次 | 用戶關注：1、引言在實際工業(yè)中，因裝置容量的規(guī)模越來越大，而在能量變換中發(fā)揮關鍵的功率器件 所能承受的通斷電壓和通態(tài)電流卻受到現有功率半導體制作水平的限制， 促使人們從逆變拓 撲結構方面展開研究以滿足實際需要。自日本長岡科技大學的南波江章(A.Nabae) 等人于1980 年在 IEEE 工業(yè)應用年會提出三電平中點箝位式結構以來， 這種拓撲結構在實際工業(yè)現 場獲得了廣泛的應用 1 。與普通兩電平逆變器相比三電平逆變器具有如下的優(yōu)點：(1)在直流母線1、引言在實際

2、工業(yè)中， 因裝置容量的規(guī)模越來越大， 而在能量變換中發(fā)揮關鍵的 功率器 件所能承受的通斷電壓和通態(tài) 電流 卻受到現有功率半導體制作水平的限制， 促使 人們從逆變拓撲結構方面展開研究以滿足實際需要。 自日本長岡科技大學的南波江章(A.Nabae)等人于1980年在IEEE工業(yè)應用年會提出三電平中點箝位式結構以來，這種拓撲結構在實際工業(yè)現場獲得了廣泛的應用1。與普通兩電平 逆變器 相比三電平逆變器具有如下的優(yōu)點：(1) 在直流母線電壓一定的情況下， 開關器件的耐壓等級減小一半；(2) 在同等開關頻率下，三電平逆變器輸出電壓的諧波含量降低50%；(3) 采用相同功率等級的開關器件，輸出功率可以提高一

3、倍。針對軋鋼機，本文研制了 690V/600 kW 大功率變頻器 ，主電路采用三電平 二極 管箝位式拓撲結構，開關器件采用 I GBT ，采用光纖進行驅動信號的傳輸，調制 方式為三電平空間電壓矢量 PWM(SVPWM) 。裝置中采用了有效的中點電壓平 衡措施，有過流、短路等保護功能。同時，根據對三電平變頻器輸出電壓階梯波 形的分析，得出了三電平逆變器輸出電壓的諧波特性， 概括了諧波分布的一般規(guī) 律，所得到的結論對于調制策略的應用具有實際指導意義。2、主回路的組成 本文研制的變頻器裝置采用三電平逆變器拓撲結構， 三電平大功率通用變頻器系 統(tǒng)結構框圖，主回路主要包括移相 變壓器、12 脈沖整流橋、

4、功率單元和預充電 電路，下面分別加以介紹：(1) 移相變壓器：為了降低輸入諧波電流，移相變壓器實行多重化設計，2 套副邊繞組，分為 2 個不同的相位組，分別采用星形和三角形聯結，構成相位相差30o 、大小相等的兩組電壓加到整流橋上。這樣 5、7 次諧波在變壓器的一次側 將會有 180o 的相移，能夠相互抵消，減少對電網的諧波污染。(2) 12 脈沖整流橋：整流局部采用 12脈沖二極管整流橋，可以減少直流側電壓 的脈動。(3) 預充電環(huán)節(jié)：在變頻器起動時，為了防止 濾波電容 C1、C2 在合上 電源開關 通電的瞬間產生過大的充電電流， 故在整流器和濾波電容 C1、C2 間的直流回路 中串入限流電

5、阻R1、R2。待母線電壓建立起來以后，交流 接觸器KM閉合從而 切掉R1、R2，以免因長期接入R1、R2而影響變頻器的正常工作。(4) 功率單元：采用 12 個可關斷功率器件 IGBT 和 6 個箝位二極管。在直流側 含有兩個相同的電容，由于箝位二極管的存在使得每個電容上的電壓被限制在Udc/2 上。圖1三電平大功率通用刪器系辭訥圖3、控制回路的組成系統(tǒng)控制回路如圖1中U所示，由DSP控制板與PLC可編程控制器、驅動電路 和檢測電路組成。DSP控制板與PLC可編程控制器：DSP控制板是以TMS320F2812和可編 程邏輯器件CPLD為核心設計的。DSP芯片是主要的控制芯片，它的ADC轉換 模

6、塊接收檢測電路傳來的電流和電壓的模擬值，事件管理器模塊產生12路兩相互補、死區(qū)可調的PWM波，通過CAN通信設置系統(tǒng)參數。CPLD對由驅動電 路傳回的12路故障信號以及由檢測電路傳過來的主電路過壓和過流信號進行故 障綜合，并送到DSP的功率模塊保護中斷輸入 和，觸發(fā)功率單元保護中斷， 從而封鎖PWM信號，并且輸出故障信號對驅動電路進行硬件保護。PLC接收高壓合閘/分閘信號和電機啟動/停止信號，通過 繼電器送入DSP對電機進行順 序控制CPLDT劃旬1FIB圖2控制系統(tǒng)結杠0 驅動電路：驅動電路采用驅動模塊 M57962L驅動IGBT , M57962L具有短路保護功能。DSP輸出的PWM控制信

7、號通過光纖傳到驅動模塊上，并通過光 纖接收M57962L的短路保護故障信號。(3)檢測電路：使用DSP的ADC轉換模塊通過霍爾元件對電機的直流母線電壓、定子電流進行采樣。霍爾信號還被引入過流和過壓保護電路里， 檢測主電路是否 過壓或過流。4、控制軟件的功能控制系統(tǒng)軟件采用了模塊化設計，每種功能都劃分為相應的功能塊。本文把控制 軟件分成3局部：主程序、SVPWM調制塊及其他控制功能塊。主程序完成系統(tǒng) 初始化。SVPWM調制塊對時間要求最高，因此安排在優(yōu)先級最高且最快的 定時器T1中 斷中，它的主要作用是產生SVPWM控制信號，實現對逆變器的控制。所有其 他控制功能塊包括參數掃描、給定積分器、定子

8、電流分解、轉差補償、最大電流 限制、V/f曲線、順序控制、通訊等安排在定時器 T2中斷中的不同時隙。下面 對主要功能模塊進行說明。(1) 高性能V/f控制：為了改善開環(huán)V/f的轉矩控制特性，提高系統(tǒng)的機械特性 硬度，以實現變頻器的“挖土機特性，高性能V/f控制包括最大電流限制、轉差 補償、IR降補償、V/f曲線2。圖3為高性能V/f控制框圖。在圖3中，對定子三相電流進行了有功電流id、無功電流iq的分解計算，其中有功電流id的大小直接反映了負載的輕重。將id引入到轉差補償中，實現對負 載的轉矩控制，提高電機的機械特性的硬度。最大電流限制采用對允許最大電流 進行PI調節(jié)，降低運行頻率，以實現既使

9、在重載條件下變頻器也不會跳閘。V/f曲線是V/f控制方式的核心局部，V/f曲線設置的是否恰當，直接關系到電機運 行性能的好壞。本系統(tǒng)采用標幺值設立了兩類V/f曲線，即線性和二次曲線型，以滿足不同工況下的需要| |.事f tB rg- t IJ *詁 H1 i",國L亠丄I"4,j;vr.i圖3高性能v/f控制椎圖2滯環(huán)控制空間電壓矢量調制模塊SVPWM:三相三電平逆變器有27種開關狀態(tài)，其中有效的電壓矢量為19種，對三電平逆變器各種開關狀態(tài)進行分析，可以得到以下結論3: 1零矢量和大矢量對中點電流無影響；2中矢量所對應的開關狀態(tài)對中點電流有影響；3小矢量所對應的兩種冗余開關

10、狀態(tài)對中點電流的 影響是相反的，可根據其引入的中點電流的符號，分為正開關狀態(tài)簡稱P狀態(tài)和負開關狀態(tài)簡稱N狀態(tài)。電機繞組中電流的正方向規(guī)定為：電流由逆變器流向電動機為正，反之為負；規(guī)定中點電流抽出為正，反之為負。根據中點電流的 方向合理選擇小矢量P，N狀態(tài)可以平衡中點電位。設i0為中點電流，h為滯環(huán) 的寬度，當Udc1-Udc2>h,i0<0或者Udc1-Udc20時，合成參考電壓矢量的小矢 量選 P 狀態(tài)；當 Udc1-Udc2>h,i0>0 或者 Udc1-Udc2<H,I0<0 時，合成參考電壓 矢量的小矢量選 N 狀態(tài)。 < p>(3) 順

11、序控制：在程序模塊中，順序控制是至關重要的，整個控制板的控制軟件 完全依靠順序控制來協調各個模塊之間的關系。 同時，順序控制也反映了電機起 動所遵循的物理過程，提供了變頻器的運行狀態(tài)。作為控制板與 PLC 配合工作 的接口，提供應 PLC 故障、報警、運行等狀況，同時也根據 PLC 的開關量輸入 來進入不同的狀態(tài)， 控制其它模塊的執(zhí)行。 順序控制把當前變頻器工作狀態(tài)分為 9 種：0：初始化工作狀態(tài)； 1：禁止合閘狀態(tài)； 2：故障狀態(tài)； 3：允許合閘狀態(tài)； 4：預允電狀態(tài)； 5：允許啟車狀態(tài)； 6：運行狀態(tài)； 7：正常停車狀態(tài)； 8：平安 停車狀態(tài)。 順序控制有機的控制了電機的運動過程， 協調了

12、控制回路與主回路的 工作關系，提高了設備運行的平安性與可靠性。(4) 給定積分器：在 V/f 控制方式中，不能讓階躍信號直接加到 V/f 曲線上，否 那么供應電機的電壓和頻率就是階躍的， 將造成很大的沖擊電流， 為防止這種情況 的發(fā)生，必須在頻率給定通道中參加給定積分器， 使階躍的頻率給定按指定的斜 率上升，以到達減少沖擊的目的。本文設置了一種可以通過參數任意設置加減速時間、 圓弧時間， 在任何給定頻率 下都能實現指定的“ S形加減速曲線的給定積分器。圏是系統(tǒng)所實現的給定積 分器后實驗測得的“ S形加減速曲線和加速度曲線。T I f I' Il 1 iX ViT ':加減逮曲線

13、 ；Y £ ； _ ：廠2、.樣圖4 "站曲線和加速度曲線5、實驗結果及分析所研制的三電平大功率通用變頻器技術指標如下：交流額定輸出電壓：交流額定輸出電流：660A;交流額定輸出功率：600kW ;輸出頻率:690V ；1 50HZ；功率因素：大于0.95 ;加減速時間：10-1000秒可設定；ii"r一.丿、，召 0 'i r r rLz2QKW/MUCH?a一iOKilz2OK11Zzz* A«I« Ar/l0 aw 怖(ilQ nu.* 簾a輸岀頻率為30Hz時相電壓波形及頻譜 b輸岀頻率為30血時線電壓筱形及頻譜 圖5輸出為30

14、Hz時電壓波形及頻譜IMKI1X/2DKilz 30KIUz /一一 丄 一a輸岀頻率為40Hz時相電壓彼形及頻譜b輸岀頻率為40Hz時線電壓波形及頻譜圖6輸出為40Hz時電壓波形及頻譜/r*10tns 格圖7輸出頻率為40Hz吋電流波形及頻譜L .嚴A.： d* 1 M亦_:L亠.丄13UD sew<»>770.0 VM4 OOc A< n 2 y 0.00 V(Mtny 格圖8三電平逆變器直流側電容電壓披形圖5圖8為變頻器運行時實際輸出的波形?，F場運行開關頻率 (即載波頻率)為10KHz 。從圖5(a)和6(a)中可以看出輸出相電壓為三電平，諧波含量主要集中在一

15、次載波 頻率處，諧波主要是載波倍數的諧涉及其邊帶諧波。值得注意的是，對于三相逆變器，在線電壓中，因為調制波發(fā)生了相移，諧波含 量也發(fā)生了相移， 所以一局部載波倍數的邊帶諧波會被抵消掉， 這是三相系統(tǒng)固 有的特性， 與采用何種調制策略無關。 同時，由于在三相系統(tǒng)中所采用的載波是 相同的，相電壓中存在的載涉及載波倍數的諧波在線電壓中相互抵消了。 這一點 從圖5(b)和6(b)可以得到驗證。從圖5(b)和6(b)中可以看出輸出線電壓為五電平，載涉及載波倍數的諧波同相位 且相互抵消， 故在線電壓波形中的總諧波含量大大減??； 從圖 7 中可以看出輸出 電流波形平穩(wěn)， 諧波含量小， 接近于正弦波；從圖 8

16、中可以看出直流側輸出電容 電壓保持恒定且紋波非常小， 母線上下電容電壓保持了很好的平衡性， 采用本文 所提出的中點電位平衡控制方法后滿足電容電壓平衡的要求。6 、結論本文研制了 690V/600kW 通用大功率變頻器。文中詳細的描述了主回路、控制 回路的硬件結構以及系統(tǒng)軟件的編制， 并給出了現場運行的相關波形圖， 對三電 平變頻器輸出電壓的頻譜特性進行了詳細的分析并概括了其諧波分布的一般規(guī) 律。運行結果說明該設備具有良好的性能， 對于研制大功率變頻器具有很強的實 踐指導意義。參考文獻1 LEE,Y H. KIM, R Y. HYUN.D S. A novel PWM scheme for a three-level voltage source inverter with GTO thyristors. IEEE Trans Transaction onIndustry Applications.1996. 32(2): 260-268.2 Nobuyoshi Mutoh, et al. Tripless Control Method for General-Purpose Inverter. IEEE Transaction on Industry Applications. 1992. 28(5): 1031-1037.3 Amit Kumar Gupta, Ash