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1、1 第5部分 三电平逆变器 2 5 2三电平逆变器 5 3空间矢量调制 5 4中点电压控制 5 5多电平二极管箝位式逆变器 5 6应用实例 5 1简介 3 5 1简介 中点箝位式 NPC 逆变器 通过箝位二极管和串联直流电容器产生多电平交流电压 这种逆变器就是二极管箝位式多电平逆变器 这种逆变器的拓扑结构通常有三 四 五三种电平 三电平逆变器特点 输出电压比两电平逆变器具有更小的du dt和THD 无需采用器件串联 就可以应用于一定电压等级的中压传动系统 4 5 2三电平逆变器 1 拓扑结构 D1 D4 反并联二极管S1 S4 功率器件GCT IGBTDZ1 DZ2 钳位二极管 逆变器直流侧的
2、两个电容给出了中点Z S2和S3导通时 A点通过一个箝位二极管连接到中点 每个直流电容上的电压E 通常为总直流电压Vd的一半 5 2 开关状态 对A桥臂 开关状态 P 桥臂上端的两个开关导通 逆变器A端相对于中点Z的端电压为 VAZ E 开关状态 N 桥臂下端两个开关导通 逆变器A端相对于中点Z的端电压为 VAZ E 开关状态 O 中间的两个开关导通 此时箝位二极管将VAZ箝位在零电压上 负载电流的方向将决定哪个二极管导通 例如 正向负载电流 IA 0 强迫DZ1导通 则A端通过导通的DZ1和S2连接到中点Z 6 开关状态的定义 7 开关状态 门极驱动信号和逆变器端电压VAZ Vg1 Vg4
3、开关S1 S4的相应门极驱动信号 Vg1 Vg3 互补 Vg2 Vg4 互补 VAZ有三个电平 E 0 E三电平逆变器由此命名 8 三电平逆变器端电压和线电压波形 线电压VAB VAZ VBZ包括五个电平 2E E 0 E 2E 9 3 换相过程 以开关状态从 O 变到 P S3关断 S1开通 的情况为例 S1到S3的切换图 互补开关之间存在一段互锁时间 10 换相过程假设 由于是感性负载 负载电流iA在换相期间固定不变 直流电容Cd1和Cd2的电容足够大 能够保持电容两端的电压为E 所有的有源开关都为理想开关 11 工况1 iA 0时换相开关状态 由 O 到 P 变换 开关状态为 O 时 S
4、2 S3导通 S1 S4关断 此时 由iA 0 DZ1导通 S2 S3上电压VS2 VS3 0 S1 S4上的电压为E 在时间段内 S3开始关断 iA流过路径保持不变 S3完全关断后 由分压电阻R3 R4作用 S3 S4上的电压为VS3 VS4 E 2 开关状态为 P S1导通 DZ1承受反压关断 负载电流从DZ1换相到S1 VS3 VS4 E 12 工况2 iA 0时换相开关状态 由 O 到 P 变换 开关状态为 O 时 S2 S3导通 S1 S4关断 此时 由iA 0 DZ2导通 S1 S4上的电压为E 在时间段开始关断S3 由于感性负载电流iA不能立刻改变方向 iA从S3换相到二极管上
5、使D1 D2导通 VS1 VS2 0 S3关断期间 由于DZ2的存在 VS4不会低于E 由于S3关断时的等效电阻小于S4的断态电阻 VS4不会低于E 所以VS3从零上升到E VS4保持为E开关状态为 P S1导通不会影响电路运行 因为D1 D2已经导通 所以负载电流不会流过S1 S2 13 注意 禁止在开关状态 P 和 N 之间进行切换 14 5 3空间矢量调制 三相桥臂 每相桥臂有三个开关状态 所以一共有27种可能的开关状态组合 1 静止空间矢量 15 零矢量 V0 幅值为零 表示 PPP OOO 和 NNN 三种开关状态 小矢量 V1 V6 幅值为每个小矢量包括两种开关状态 一种为开关状态
6、 P 另外一种为 N 因此可以进一步分为P型和N型小矢量 中矢量 V7 V12 幅值为 大矢量 V13 V18 幅值为 16 2 作用时间计算 将空间矢量图分为六个三角形扇区 每个扇区双分为四个三角形区域 1 4 17 三电平NPC逆变器的SVM算法基于伏秒平衡原理 当Vref落入扇区 的2区时 最近的三个静态矢量为V1 V2和V7则有 式中 Ta Tb Tc分别为静态矢量V1 V7和V2的作用时间 18 作用时间推导 由 得 得 19 作用时间推导 将式上式分为实部 Re 和虚部 Im 得到 又因为 所以有 式中的取值范围为 为调制因数 20 21 3 Vref位置与保持时间之间的关系 Vr
7、ef指向区域4的中点Q Q和最近三个矢量V2 V7和V14之间的距离一样 因此作用时间相同 当Vref沿着虚线从Q点向V2移动时 V2对Vref的影响增强 使得V2的保持时间变长 当Vref和V2完全重合时 V2的保持时间Tc达到最大值 Tc Ts V7和V14的保持时间减小到零 22 4 开关顺序设计原则 从一种开关状态切换到另一种开关状态的过程中 仅影响同一桥臂上的两个开关器件 一个导通 另一个关断 Vref从一个扇区 或区域 转移到另一个扇区 或区域 时 无需开关器件动作或只需最少的开关动作 开关状态对中点电压偏移的影响最小 23 1 开关状态对中点电压偏移的影响 a 所示为逆变器工作在
8、零矢量V0状态 其开关状态为 PPP 每个桥臂的上面两个开关导通 A B C三相输出端连接到直流母线上 由于中性点Z悬空 此开关状态不会影响VZ 类似 其他两个零矢量 OOO NNN 也不会造成VZ偏移 b 逆变器工作于P型小矢量开关状态 POO 时的拓扑结构 因为三相负载连接在正直流母线和中点Z之间 流入中点Z的中点电流iZ使得VZ上升 24 c 与b中正好相反 V1的N型开关状态 ONN 使VZ减小 d 工作于开关状态 PON 的中矢量V7 负载端子A B和C分别连接到正母线 中点和负母线上 在逆变器不同运行条件下 中点电压VZ可能上升也可能下降 25 e 所示为工作于开关状态 PNN 的
9、大矢量V13 负载端连接在正负直流母线之间 此时中点Z悬空 因此中点不受影响 26 结论 零矢量V0不会影响中点电压 小矢量V1 V6对有明显的影响 P型小矢量会使得升高 而N型小矢量会导致降低 中矢量V7 V12也会影响 但电压偏移的方向不定 大矢量V13 V18对中点电压偏移没有影响 27 2 最小中点电压偏移的开关序列 工况1 选定的三个矢量中有一个小矢量 1 7段作用时间之和为采样周期2 满足最少开关动作要求例如从 OON PON 通过开通S1和关断S3就可实现3 V2的作用时间Tc在P型和N型开关状态之间平均分配 使得中点电压偏移最小 4 每个采样周期时 逆变器一个桥臂只有两个开关器
10、件开通或关断 28 工况2 选定的三个矢量中有两个小矢量 将区域1 2进一步分割 当Vref位于图中所示时 则Vref可以用V1 V2 V7近似合成 因为V1比V2更接近Vref 所以V1为主要小矢量它的作用时间平分为V1P和V1N 29 开关顺序安排 30 扇区1和扇区2的全部开关顺序 31 当Vref从区域a移动到区域b时 会产生额外的开关动作 32 5 逆变器输出波形和谐波含量 三电平NPC逆变器运行在f1 60Hz Ts 1 1080s Fsw dev 1080 2 60 2 570HzMa 0 8条件下的仿真波形 负载为PF 0 9的感性负载 vg1 vg4分别为S1和S4的驱动信号
11、 S2 S3分别与S4和S1以互补方式运行 33 VAB的谐波分量和THD与ma的关系曲线 34 运行在 f1 60Hz Ts 1 1080sFsw dev 570Hz工况下 三电平NPC逆变器在调制因数分别为0 8 0 9时的实测波形 35 A型开关顺序 以N型小矢量开始 6 消除偶次谐波 B型开关顺序 以P型小矢量开始 36 交替使用A型和B型开关顺序以消除偶次谐波 37 消除偶次谐波的改进型SVM实测波型 38 5 4中点电压控制 1 中点电压偏移的原因 除了小电压矢量和中电压矢量的影响外 其它因素有 1 由于制造误差造成的电容不平衡 2 开关器件的特性不一致 3 三相不对称运行 39
12、2 电动和再生运行模式的影响 a 为电动模式 直流电流id从直流电源流向逆变器 此时 小矢量V1的P型开关状态 POO 导致中点电压Vz上升 而N型开关状态 ONN 则使Vz减小 b 为再生运行模式 直流电流反向流动 结果与a 正好相反 40 3 中点电压的反馈控制 通过调整小电压矢量P型和N型开关状态的作用时间 可以控制中点电压VZ 将作用时间Ta重新分配为 式中 其中 41 根据检测得到的直流电容电压Vd1和Vd2来调整式中的时间增量 t 可以使中点电压偏移最小 下表列出了电容电压和时间增量 t之间的关系 42 电容电压Vd1和Vd2的仿真波形 仿真实验 设每个电容电压的初始值均为2800
13、V 为使Vd1 Vd2不平衡 下端电容通过并联一电阻 使下边的电容放电 从而使Vd2降低 Vd1上升 43 5 5多电平二极管箝位式逆变器 1 四 五电平二极管箝位式逆变器 a 为四电平逆变器主电路拓扑图b 为五电平逆变器主电路拓扑图 44 四电平开关状态和逆变器端电压VAN 45 五电平开关状态和逆变器端电压VAN 46 二极管箝位式多电平逆变器的器件数量 47 采用同相层叠 IPD 调制方式的四电平逆变器的仿真波形 2 基于载波的PWM 48 IPD法VAB的谐波成分 49 交替反相层叠 APOD 调制方式的四电平逆变器输出波形 50 APOD法四电平逆变器输出电压VAB的谐波含量 51
14、SIEMENS三电平四象限中压逆变器 M3 直流环节 网侧整流器 0 3电平逆变器 DC 100Hz 1Hz 50 60Hz 3 ph 2 3 36kVAC50 60Hz 52 ABBACS1000中压变频器 53 ABBACS1000中压变频器 54 ABBACS1000中压变频器 12Inv IGCTs 2Pro IGCTs 标准的交流感应电动机 DC Link 3 电平电压源型逆变器 VSI 正弦波滤波器 IGCT 集成门极驱动和续流二极管的IGCT NPCDiode 中性点钳位二极管 55 ABBACS1000中压变频器 速度控制PID REF 转距给定 转距给定调节器 速度给定 触发
15、逻辑开关位置电压电流 电机模型 转距和磁通比较器 3 转距 计算速度 磁通 直接转矩控制DTC具有25us的控制周期 56 ABBACS1000中压变频器 M MCB 电压尖峰脉冲20kV s共模电压2500V 电压尖峰脉冲5V s共模电压0V 57 ABBACS6000中压变频器 CBU 单传动拓扑5 27MW 单电机传动 58 ABBACS6000中压变频器 COU CBU 多传动拓扑5 27MW WCU 多电机传动可驱动多台不同规格同步机或异步机 59 ABBACS6000中压变频器 逆变单元 控制和软件 DTC IM ACS6000AD SM ACS6000SD PM ACS6000P
16、M IM ACS6000ADTWIN HISPIN 60 ABBACS6000中压变频器 双ARU 有源整流单元 公共CBU 电容组单元 INU 逆变单元 电动机 2个异步电动机 1个同步电动机 61 ABBACS6000中压变频器 9MVA逆变器12大功率半导体 4象限运行 62 ABBACS6000中压变频器 ARU供电时最多带4台电机LSU供电时最多带5台电机 63 东芝三菱TMEIC高压变频器 IEGT InjectionEnhancedGateTransistor 电子注入增强型门极晶体管耐压达4KV以上的IGBT系列电力电子器件通过采取增强注入的结构实现了低通态电压使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展具有低损耗 高速动作 高耐压 有源栅驱动智能化等特点采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性 使其进一步扩大电流容量日本东芝开发的IECT兼有IGBT和GTO两者的优点 低饱和压降 宽安全工作区 吸收回路容量仅为GTO的1 10左右 低栅极驱动功率 比GTO低两个数量级 和较高的工作频率器件采用平板压接式电极引出结构 可靠性高 性能已经达到4 5KV 1500A的水平 64 I
