三電平逆變器

三電平逆變器大功率的逆變器01背景的基本原理極管中點(diǎn)鉗位型簡(jiǎn)介發(fā)展的pWM控制結(jié)構(gòu)目錄03050204基本信息大功率多電平逆變器近年來(lái)在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。多電平逆變器由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用元器件較多，因此在設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)各個(gè)工作狀態(tài)下運(yùn)行參數(shù)的同步監(jiān)測(cè)和分析較為困難。本文針對(duì)大功率三電平逆變器，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)特性的在線測(cè)試，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究三電平逆變器在開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化時(shí)理論與實(shí)際負(fù)載運(yùn)行工件狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在三電平逆變器非正常運(yùn)行狀態(tài)下開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)額外電應(yīng)力，同時(shí)，深入研究在實(shí)際工況運(yùn)行條件非正常狀態(tài)下該額外電應(yīng)力出現(xiàn)的機(jī)理和原因，為三電平逆變器的故障診斷提供了參考，對(duì)于設(shè)計(jì)高可靠性的多電平逆變器系統(tǒng)有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。背景背景三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有輸出容量大、輸出電壓高、電流諧波含量小等優(yōu)點(diǎn)，使得三電平結(jié)構(gòu)在高壓大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為防止逆變器橋臂直通，必須在同一橋臂互補(bǔ)的觸發(fā)信號(hào)中加入死區(qū)以保證同橋臂上開(kāi)關(guān)管可靠關(guān)斷后，與之互補(bǔ)的開(kāi)關(guān)管才能導(dǎo)通。但由于死區(qū)時(shí)間的引入，導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能變差，輸出電壓與電流發(fā)生畸變，特別是低速時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)發(fā)生機(jī)械諧振。為了克服上述缺點(diǎn)，需要對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償。研究中提出了一種應(yīng)用在兩電平逆變器裝置中較好的死區(qū)補(bǔ)償?shù)姆椒?，將死區(qū)時(shí)間、IGBT開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間、IGBT及續(xù)流二極管的管壓降等都考慮到。研究給出了一種基于FPGA的三電平逆變器死區(qū)補(bǔ)償方法，但沒(méi)有考慮IGBT管壓降及開(kāi)關(guān)時(shí)間對(duì)死區(qū)補(bǔ)償?shù)挠绊?。研究基于空間矢量調(diào)制，提出一種三電平死區(qū)補(bǔ)償策略，但沒(méi)有考慮到開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通壓降。研究所給出的三電平死區(qū)補(bǔ)償策略沒(méi)有考慮功率器件的開(kāi)關(guān)延時(shí)

。電平逆變器屬于電壓型逆變器,它是多電平逆變器中比較有實(shí)用意義的一種電路。多電平逆變器的思想提出至今,經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展出現(xiàn)了許多電路拓?fù)?但歸納起來(lái)主要有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):(1)中點(diǎn)鉗位型(Neural-Point-elamped簡(jiǎn)稱NPc)多電平逆變器或二極管鉗位(Diod-eclmaPed)多電平逆變器,(2)電容鉗位式(Flying-Capaeitor),(3)具有獨(dú)立直流電壓源的級(jí)聯(lián)型逆變器(caseaded-InvertersWithSeparatedDesourees).近年來(lái),從不同的應(yīng)用領(lǐng)域研發(fā)出了多種基于多電平逆變電路的基本結(jié)構(gòu),但研究其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論特點(diǎn)的論述還很少。多電平逆變電路的核心問(wèn)題是電平鉗位(voltageclamPed)。除了電平鉗位問(wèn)題外,電路單元間的動(dòng)、靜態(tài)均壓,簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)控制邏輯,在相同電平數(shù)輸出下減少使用的功率器件,功率能否雙向流動(dòng)等也是分析多電平電路必須要考慮的問(wèn)題

。發(fā)展發(fā)展近來(lái),隨著高電壓技術(shù)的飛速發(fā)展和它在工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用范圍的日趨擴(kuò)大,高電壓IGBT(HVIGBT)器件和IGCT器件都擴(kuò)大了它們的應(yīng)用領(lǐng)域.兩電平逆變器輸出的電壓僅有(一V、+V)兩級(jí)。對(duì)于這種逆變器結(jié)構(gòu),人們通常是靠提高逆變器中的開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減少逆變器輸出電流中的諧波成份的。但是在高電壓、大功率的工業(yè)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合中,所采用的功率器件的開(kāi)關(guān)頻率必須限制在IKHz以下,即使采用的是HYIGBT或GICT器件。這是因?yàn)?隨著器件開(kāi)關(guān)頻率的增高,開(kāi)關(guān)器件損耗的速度也會(huì)隨之以更快的速度增大。因此,在這種環(huán)境中,人們期望通過(guò)采用控制兩電平逆變器的常規(guī)控制策略一一不斷提高系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率,來(lái)改善逆變器的輸出性能,使得輸出電流中的諧波成份得到減少是十分困難的,有時(shí)甚至是不可能實(shí)現(xiàn)的。這就要求人們通過(guò)研究和采用其它的控制方法來(lái)控制這種實(shí)用的工業(yè)系統(tǒng)

。針對(duì)大功率逆變器中的開(kāi)關(guān)器件速度低的缺點(diǎn),A.Nabae等人于1980年提出了多電平逆變器概念,主要是指三電平逆變器。以三電平逆變器為例,逆變器的輸出電壓分為(一V、0、+V)三級(jí)。多電平逆變技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)是通過(guò)對(duì)逆變器的主電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),使得所有逆變器的開(kāi)關(guān)器件都工作在基頻或者低頻狀態(tài),以達(dá)到減小開(kāi)關(guān)應(yīng)力、改善逆變器輸出波形的目的

。三電平逆變器自從1980年由等人提出之后,在高電壓、大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。三電平逆變器(或多電平逆變器)的結(jié)構(gòu)不僅使系統(tǒng)對(duì)功率器件的耐壓等級(jí)的要求有所降低,而且使得逆變器輸出波形的諧波含量大為減少。隨著高電壓、大電流IGBT器件的出現(xiàn),采用這種結(jié)構(gòu)的逆變器的應(yīng)用也就越來(lái)越廣泛。的基本原理的基本原理三電平逆變器主電路現(xiàn)在采用的是比較實(shí)用的二極管中點(diǎn)嵌位電路,通過(guò)一對(duì)中點(diǎn)箱位二極管分別與上下橋臂串聯(lián)的二極管相聯(lián),將功率開(kāi)關(guān)器件GIBTQ:~Ql:分別串聯(lián),二極管D:~D.用于嵌位電平,C:,C:均衡直流側(cè)電壓(C=IC:),并按一定的開(kāi)關(guān)順序邏輯控制產(chǎn)生三種相電壓電平E二/2、O、一E二/2,在輸出端合成正弦波。相比原來(lái)兩電平電路優(yōu)點(diǎn)顯著:每個(gè)開(kāi)關(guān)器件承受的電壓值相當(dāng)與原來(lái)直流電壓的一半,波形質(zhì)量得到了改普

。根據(jù)三電平逆變器的定義,這種逆變器結(jié)構(gòu)的輸出為三個(gè)電平或者說(shuō)是三個(gè)狀態(tài),即(一E/2、0、+E/2),用符號(hào)相應(yīng)地表示為(N、0、P)。因此,對(duì)于三相電壓型逆變器一共就存在著27種輸出狀態(tài)。在圖3.1所示的三電平逆變器主回路結(jié)構(gòu)中,a、b、c三相均由四個(gè)開(kāi)關(guān)共同組合構(gòu)成,每一相的輸出狀態(tài)也就是由這四個(gè)開(kāi)關(guān)的不同狀態(tài)組合決定的

。的pWM控制結(jié)構(gòu)的pWM控制結(jié)構(gòu)三電平逆變器自產(chǎn)生以來(lái)很快就得到了廣泛應(yīng)用,改善它的輸出波形一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的主要方向,而電壓源型逆變器的輸出特性與逆變器所采用器件的開(kāi)關(guān)頻率有關(guān),其中脈寬調(diào)制PWM技術(shù)就可以改變開(kāi)關(guān)頻率獲得很好的正弦輸出波形,PWM調(diào)制技術(shù)輸出開(kāi)關(guān)頻率恒定,輸出的電流諧波小,限定的諧波電流頻譜特性等優(yōu)點(diǎn),可以說(shuō)直到目前為止,PWM在各種應(yīng)用場(chǎng)合仍占主導(dǎo)地位,并一直是人們研究的熱點(diǎn)。在近二十年中,人們對(duì)二電平逆變器研究出了多種WPM調(diào)制控制方案。PWM技術(shù)不僅適應(yīng)于常規(guī)的兩電平逆變器,對(duì)三電平而言,仍然行之有效。本文的重點(diǎn)內(nèi)容是研究三電平逆變器的調(diào)制策略。目前,三電平逆變器的P翎控制技術(shù)概括起來(lái)主要有兩類:一是基于開(kāi)環(huán)控制的三電平逆變器WPM控制技術(shù),其中應(yīng)用廣泛的有正弦SP翎、空間矢tSVP雙開(kāi)環(huán)控制等

?；陂_(kāi)環(huán)控制的三電平逆變器PWM調(diào)制策略由于開(kāi)環(huán)PWM調(diào)制具有很多優(yōu)點(diǎn):開(kāi)關(guān)頻率恒定、限定的諧波頻譜、優(yōu)化的開(kāi)關(guān)模式、實(shí)用化的直流環(huán)節(jié)等,可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變頻變壓反抑制諧波等作用,因此三電平逆變器使用開(kāi)環(huán)控制的WPM調(diào)制策略比較普遍,如正弦SPWM、空間矢量SVPWM開(kāi)環(huán)控制

。正弦波PWM是最通俗易懂的一種調(diào)制方式,又稱為相電壓控制法,給定的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)波U’和三角載波玲進(jìn)行比較,在兩波形相交時(shí)進(jìn)行脈寬切換,經(jīng)過(guò)正弦SwPM開(kāi)環(huán)調(diào)制后,產(chǎn)生一定頻率且具有一定脈寬的開(kāi)關(guān)信號(hào)(S。、.bss。),再驅(qū)動(dòng)三電平逆變器的開(kāi)關(guān)器件,產(chǎn)生輸出信號(hào)。極管中點(diǎn)鉗位型簡(jiǎn)介極管中點(diǎn)鉗位型簡(jiǎn)介三電平逆變器是現(xiàn)有多電平逆變器中應(yīng)用較為廣泛的一種，其應(yīng)用已有許多實(shí)例。其中，二極管中點(diǎn)鉗位型(neutralpointclamped，NPC)逆變器多應(yīng)用在以靜止同步補(bǔ)償器、有源電力濾波器為代表的柔性交流輸電技術(shù)和以中高壓變頻為代表的大電機(jī)拖動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。但是二極管鉗位型三電平逆變器的研制、工程化和應(yīng)用仍存在著許多問(wèn)題，尤其是高性能、高可靠性的系統(tǒng)并不多見(jiàn)

，其主要原因有：1）二極管鉗位型逆變器的實(shí)際性能分析困難。二極管鉗位型逆變器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每一相橋臂都由多個(gè)功率開(kāi)關(guān)管和二極管組成；復(fù)雜的調(diào)制策略，令功率開(kāi)關(guān)管不斷的開(kāi)通和關(guān)斷，使逆變器工作在多種工作模式下。此外，工作回路中寄生電感的存在也會(huì)給器件的開(kāi)關(guān)特性產(chǎn)生影響

。2）實(shí)時(shí)在線狀態(tài)未知。對(duì)大功率開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體器件的測(cè)試多為離線測(cè)試和準(zhǔn)在線測(cè)試