二极管钳位式多电平变换器

    图8-12所示是一个单相的二极管钳位三电平逆变器主电路结构图，分压电容Cd1=Cd2，故Vc1=VC2=Vd/2，S1、S2和S3、S4等互补。逆变部分功率器件可采用GTO晶闸管、IGBT或IGCT。
    图8-12    一个单相的二极管钳位三电平逆变器主电路结构图    从三电平逆变器主电路的一相桥臂的结构出发，四个开关器件开关状态共有16种，但有效状态只分为3种情况，以A相为例，图8-13(a)有UA=Vdc/2，称为“P”状态；图8-13 (b)有UA=0，称为“0”状态；在图8-13 (c)有UA = - Vdc/2，称为“N”状态。这样UA共有Vdc/2、0和-Vdc/2三个值，所以得名三电平逆变器。B相C相与此相同。
    图8-13    三电平逆变器主电路的一相桥臂的结构的3种开关状态情况    三电平逆变器的驱动控制基本原则如下：对应于上述三种状态，为了保证每次输出状态变化过程中动作的开关器件最少，应使得该相电位不在Vdc/2和-Vdc/2之间直接变化，而应通过中性点电位过渡，其通态特点是：每一相总是相邻的两个开关器件导通，其他两个器件关断，从而得到不同开关状态组合及相应的输出电压，S1与S2不能同时导通，它们是逻辑非的关系，其驱动信号是互补的，同理，S2与S4也是逻辑非的关系。表8-3给出了A相电位发生变化时，功率开关器件的工作状态。在设计时，无论采用何种方式生成PWM，其硬件及软件设计应遵循表8-3规律。    表8-3    A相电位发生变化时，功率开关器件的工作状态
    三电平逆变器的每相桥臂功率器件的触发驱动信号及相电压VAZ和线电压VAB的波形如图8-14所示，与普通的二电平PWM变频器相比，由于输出相电压电平数由2个增加到3个，线电压电平数则由3个增加到5个，每个电平幅值相对降低，由整个直流母线电压变为一半的直流母线电压，在同等开关频率的前提下，可使输出波形质量有较大的改善，输出du/dt也相应下降。与二电平变频器相比，在相同输出电压条件下，这种结构还可使功率器件所需耐压降低一半。
    图8-14    相电压VAZ和线电压VAB的波形    以输出电压4. 16kV三电平高压变频器为例，其母线电压Vdc=6.1 kV，其变频器输出的相电压和线电压的波形如图8-15所示。
    图8-15    变频器输出的相电压和线电压的波形    在前面的三电平原理分析中，都是假定直流侧两个电容的电压均为Vdc/2。而实际上，电容值不可能到无穷大，三电平逆变器的直流侧两个电容的电压并不能完全相等，而是存在一定的波动，中点电位的波动会造成上下两个电容上的电压不对称。这一方面会加剧交流输出侧电压的畸变，形成偶次电流谐波；另一方面会造成开关器件关断时承受的电压不一致，严重时会导致开关器件击穿。    影响三电平中点电位的因素有：    ①中矢量和小矢量作用时，两电容上的电流之间存在着或相位或幅值的差异，充放电暂态过程出现不对称；    ②实际中直流侧的两电容不可能达到完全相同，造成中点电压的固有偏移；    ③直流侧电容的值越小，波动越严重，所以电容要尽可能大，但又受制于成本和直流侧高压；    ④中点电流越大，波动越严重。而中点电流是定子电流的直接反映，所以负载转矩越大，波动越严重；    ⑤负载功率因数与中点电流的相位关系密切，所以也是影响中点电位的重要因素。    有三种主要的中点电位控制方法：    ①消极“控制”：在一系列开关周期中交替使用正负小矢量。这种方式只有在负载平衡情况很好的情况下使用，而且这种方法的鲁棒性很差。    ②滞环控制：是目前最简单也是最流行的闭环中点电位控制策略。使用这种方法需要知道每相的电流方向，选择能使中点电位趋于平衡的小矢量。该方法的缺点是仍将产生中点电位波动。    ③精确控制小矢量的作用时间使中点电位精确平衡。这种方法需要测量相电流的大小和方向，能够抑制中点波动。    增加分压电容、钳位二极管、功率开关管可以得到多电平变换电路。若要得到m电平，则需要（m-1）个直流分压电容，每一桥臂需要2（m-1）个主开关器件和（m-1）（m-2）个钳型二极管。图8-16为四电平变换电路所和五电平变换电路。    二极管钳位型变流器同时具有多重化和脉宽调制的优点：    ·三电平逆变器的结构简单，体积小，成本低，使用功率器件数量少；    ·输出功率大，器件开关频率低，等效开关频率高；    ·交流侧不需要变压器连接，动态响应好，传输带宽较宽等。
    图8-16    四电平变换电路所和五电平变换电路    二极管钳位型变流器存在的缺点是：    ·钳位二极管的耐压要求较高，数量庞大。对于m电平变流器，如果使每个二极管的耐压等级相同，每相所需的二极管数量为（m-1）（m-2）。这些二极管不但大大提高了成本，而且会在线路安装方面造成相当的困难。因此在实际应用中一般仅限于7电平或9电平变流器的研究。    ·相对于二电平而言，三电平比较适合于高压变频器的应用，但由于现有的电力电子器件耐压仍然不够(常用的IGBT为3300V，IGCT为4500V)，而国内的高压电动机的电压等级大多为6kV和10kV，采用三电平电路直接实现上述电压输出还是有一定困难的，故有些厂家采用电力电子器件串联或者推荐用户将电动机由星形连接改为三角形连接，以降低电机电压，或者干脆在输出侧再加一级升压变压器。    ·开关器件的导通负荷不一致。靠近母线的开关和靠近输出端的导通负荷不平衡，这样就导致开关器件的电流等级不同。在电路中，如果按导通负荷最严重的情况设计器件的电流等级，则每相有2×(m 2)个外层器件的电流等级过大，造成浪费。    ·在变流器进行有功功率传送的时候，直流侧各电容的充放电时间各不相同，从而造成电容电压不平衡，增加了系统动态控制的难度，而均压措施导致主电路或控制过程复杂。    二极管钳位式多电平变换器应用较为广泛的主要是ABB公司的ACS1000和ACS6000系列，其均采用IGCT作为主功率开关器件。ACS1000的功率范围为315kW～2MW（水冷）和1.8～2MW（风冷）；2.3/3. 3/4. 0/4. 16kV电压输出，如需输出6.016. 6kV电压可配置升压变压器；ACS1000的输入侧采用12/24脉波二极管整流器。ACS6000的功率范围为3～27MW，均为水冷；3. 3kV电压输出；其输入侧可采用12/24脉波二极管整流器，也可采用IGCT可控整流技术以实现变频器四象限运行。    整流电路一般采用12脉波二极管整流结构。逆变部分功率器件可以采用IGCT，反并联续流二极管集成在IGCT中。由于受到器件开关损耗，尤其是关断损耗的限制，IGCT的开关频率为600Hz左右。直流环节用两组电容分压，得到中心点。直流环节还有di/dt限制电路、共模电抗器、保护用IGCT等。di/dt限制电路主要由di/dt限制电抗器、与之反并联的续流二极管和电阻组成，因为IGCT器件本身不能控制di/dt，所以必须通过外加di/dt限制电路，使逆变器IGCT反并联续流二极管的反向恢复控制在安全运行范围内，同时该电路也用于限制短路时的电流上升率。共模电抗器一般在变压器与变频器分开安置，且变压器二次绕组和整流桥输入之间电缆较长时采用，当变压器和变频器一起放置时，可以省去。其作用主要是承担共模电压和限制高频漏电流，因为当输出设置滤波器时，由于滤波电容的低阻抗，电动机承受的共模电压极低，共模电压由输入变压器和逆变器共同承担，当变压器与变频器之间电缆较长，线路分布电容较大，容抗下降，导致变压器承受的共模电压下降，逆变器必须承受较高的共模电压，影响功率器件安全，共模电抗器就是设计用来承受共模电压的。另外，高频的共模电压还会通过输出滤波电容、变压器分布电容、电缆分布电容形成通路，产生高频漏电流，影响其安全，共模电抗器也起到抑制高频漏电流的作用。保护用IGCT的作用是当逆变器发生短路等故障时，切断短路电流，起到相当于快速熔断器的作用。由于逆变电路采用IGCT作为功率器件，而IGCT本身不像IGBT那样存在过电流退饱和效应，可以通过检测集电极电压上升来进行短路检测，并通过门极关断进行保护，所以必须通过霍尔电流传感器检测过电流，然后通过串联在上下直流母线上的两个保护用IGCT进行关断。由于直流环节存在共模电抗器，导致整流桥输出和滤波电容之间存在较大阻抗，这样电网的浪涌电压要通过整流桥形成浪涌电流，再通过滤波电容，吸收的效果大大降低，为了保护整流二极管免受浪涌电压的影响，在整流桥输出端上并联了阻容吸收电路。钳位二极管保证了桥臂中最外侧的两个IGCT承受的电压不会超过一半的直流母线电压（确切地说，应该是对应侧滤波电容的电压），所以最外侧的两个IGCT不存在过电压问题。内侧的两个器件仍要并联电阻，以防止产生过电压。因为在同侧两个器件同时处于阻断状态时，内侧的器件承受的电压可能超过一半的直流母线电压，具体电压取决于同侧两个器件的漏电流匹配关系。    如果不加输出滤波器，三电平变频器输出时电动机电流总谐波失真可以达到17%左右，会引起电动机谐波发热、转矩脉动。输出电压跳变台阶为一半直流母线电压，du/dt也较大，会影响电动机绝缘，所以一般需配特殊电动机。若要使用普通电动机，必须附加输出滤波器。输出滤波器有du/dt滤波器和正弦波滤波器两种，du／dt滤波器容量较小，只对电压变化率起抑制作用，使电动机绝缘不受du/dt的影响，对电动机运行动态性能的影响较小，如果系统动态性能要求较高时，适合采用这种滤波器，而且成本较低。正弦波滤波器容量较大，输出电压波形可大大改善，接近正弦波，由于滤波器的阻抗较低，而且滤波器中点接地，使电动机承受的共模电压很小，电动机绝缘不受影响。正弦波滤波器的滞后作用会影响系统的动态响应，同时由于滤波器对输出电压的衰减作用，也会限制变频器的最低运行频率。由于滤波器采取低通设计，还限制了变频器的输出上限频率。滤波器在满载时的损耗会降低变频系统效率0. 5%左右。