高性能大容量交流電機調速節能技術(shù)---現狀及展望

0 引言

能源短缺和環(huán)境污染是人類(lèi)當前面臨的共同的世紀性難題。上世紀70年代以來(lái)兩次世界性的能源危機以及當前環(huán)境問(wèn)題的嚴重性，引起世界各國對節能技術(shù)的廣泛關(guān)注。我國能源生產(chǎn)和消費已列世界第二，但仍遠遠滿(mǎn)足不了工業(yè)生產(chǎn)和人民生活發(fā)展的需要，在能源十分緊張的情況下，卻因為在節能方面的巨大差距，造成單位產(chǎn)值能耗太大，每年的能源浪費驚人。如相當一部分的風(fēng)機、水泵類(lèi)負載，由于采取恒速驅動(dòng)，浪費掉大量的電能。這類(lèi)拖動(dòng)系統約占工業(yè)電力拖動(dòng)總量的一半，如果采用調速節能技術(shù)則至少可節約20%以上的電能。我國“十一五”規劃提出了不斷提高能源利用效率和效益的節能目標，而節能工作的重點(diǎn)則放在推行量大面廣的節能技術(shù)上。其中一項重要措施就是要逐步實(shí)現電動(dòng)機、風(fēng)機、泵類(lèi)設備和系統的經(jīng)濟運行，發(fā)展電機調速節電和電力電子節電技術(shù)，只有這樣才能以較低的能源消費彈性系數和較大的節能量來(lái)長(cháng)期支持國民經(jīng)濟快速、健康、持續的發(fā)展。

此外，大量的煤炭、石油沒(méi)有經(jīng)過(guò)深加工就被燒掉，不但熱利用率低，還造成對環(huán)境的嚴重污染。目前，汽車(chē)廢氣排放過(guò)度已造成全球性的溫室效應，也是造成北京地區空氣污染的主要原因之一。解決城市環(huán)境污染和交通擁擠的重要途徑是發(fā)展高速公共交通工具(地鐵，城市輕軌)及電動(dòng)汽車(chē)，高速電氣化列車(chē)則是實(shí)現城際快速交通的首選，其核心技術(shù)都是上世紀80 年代以來(lái)和微電子技術(shù)并駕齊驅飛速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)———現代電力電子及交流電機傳動(dòng)技術(shù)。此外，在軋鋼、造紙、水泥制造、礦井提升、輪船推進(jìn)器等工業(yè)和民用領(lǐng)域中也應廣泛使用大中容量交流電機調速系統。此時(shí)，交流調速系統的應用不但可達到節能的目的，還可實(shí)現整個(gè)系統的性能最佳，改善工藝條件，并大大提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

從目前掌握的資料和市場(chǎng)上提供的大容量調速產(chǎn)品可以看到，目前每年世界范圍內的交流電機調速系統的硬件，軟件和外圍設備的總銷(xiāo)售額是48.5億美元。其中歐洲、中東和非洲總共占39%，日本占27%，北美占21%，亞洲12%，最后是拉丁美洲的1%。從系統功率的銷(xiāo)售分布看，小功率的調速系統仍然支配著(zhù)市場(chǎng)，1~4 kW 的調速系統占了總銷(xiāo)售額的21%，5~40 kW系統則占總銷(xiāo)售額的26%。但是隨著(zhù)以IGBT、IGCT為代表的新型復合器件耐壓、電流和開(kāi)關(guān)性能的迅速提高，大容量交流電機調速技術(shù)必將獲得飛速的發(fā)展和長(cháng)足的進(jìn)步，其市場(chǎng)前景

十分鼓舞人心。

國外在高性能大容量交流電機傳動(dòng)技術(shù)的研究和應用上遠遠走在我們前面，已有MV·A級的高壓逆變器產(chǎn)品大量投入市場(chǎng)，并應用于電力機車(chē)、船艦電力推進(jìn)、軋鋼、造紙及供水等系統中，交流電機變頻調速技術(shù)及其產(chǎn)品已成為一些工業(yè)發(fā)達國家的先導產(chǎn)業(yè)。目前我國大、中容量交流調速系統的研制工作起步較晚，很多必需的場(chǎng)合均為國外產(chǎn)品所占領(lǐng)。

因此，研制性能可靠，價(jià)格便宜的大、中容量高性能交流電機變頻調速系統，并盡快投入批量生產(chǎn)，對促進(jìn)國民經(jīng)濟發(fā)展，實(shí)現經(jīng)濟增長(cháng)方式轉變，降低單位

產(chǎn)值能耗，打破西方國家在此領(lǐng)域的壟斷地位，都將具有重要的戰略和現實(shí)意義。

1 大容量交流電機調速技術(shù)發(fā)展現狀

20世紀80年代以來(lái)，現代電力電子技術(shù)開(kāi)始向高頻、高效(低開(kāi)關(guān)損耗)、高功率因數、高功率密度(組合集成化)及高壓大功率方向迅速發(fā)展。以GTO、JT、MOSFET 為代表的自關(guān)斷器件得到長(cháng)足的發(fā)展，尤其是以IGBT 為代表的雙極型復合器件的驚人發(fā)展，使得電力電子器件正沿著(zhù)大容量、高頻、易驅動(dòng)、低損耗、智能模塊化的方向前進(jìn)。伴隨著(zhù)電力電子器件的飛速發(fā)展，大功率逆變器及交流調速技術(shù)的發(fā)展也日趨高性能化。

1.1 傳統大功率逆變電路

傳統的大功率交流電機調速系統采用的變換器主要有：

1)普通交-直-交三相逆變器;

2)降壓-普通變頻器-升壓;

3)交- 交變頻器;

4)變壓器耦合的多脈沖逆變器。

以上的大功率變換電路研究比較成熟，但在實(shí)現大功率交流傳動(dòng)的同時(shí)，在性能上沒(méi)有什么突破，且裝置復雜，制作成本高，控制方式可靠性低，并且對電網(wǎng)污染嚴重，功率因數低，無(wú)功損耗大，須附加諧波治理裝置，設備成本成倍增加。因此近十幾年來(lái)，一些新型高壓大功率逆變器，尤其是電壓型多電平變換器拓撲引起了許多學(xué)者的注意。

1.2 新型多電平電壓型逆變器

日本長(cháng)岡科技大學(xué)的A.Nabae 等人于1980年在IAS 年會(huì )上首次提出三電平逆變器，又稱(chēng)中點(diǎn)箝位式(NPC)逆變器。它的出現為高壓大容量電壓型逆變器的研制開(kāi)辟了一條新思路。在此基礎上，經(jīng)過(guò)多年的研究，發(fā)展出幾種主要的多電平變換器拓撲結構，主要分兩種[1][2][3]：第一種為單一直流電源的箝位型變換器拓撲，包括二極管箝位型(DiodeClamped)，電容箝位型(Capacitor Clamped)，以及在此基礎上發(fā)展出的通用型拓撲，還有層疊式多單元拓撲(Stacked Multi-cell);第二種為獨立直流電源的級聯(lián)型拓撲(Cascaded Inverter with Separated DCSource)?，F有的多電平變換器分類(lèi)如圖1所示。

根據直流電壓源的性質(zhì)和串聯(lián)方式不同，上述兩種拓撲可以用兩個(gè)電路模型表示：?jiǎn)我恢绷麟娫粗苯哟?lián)分壓模型和多個(gè)電氣獨立的直流電源串聯(lián)模型，分別如圖2 和圖3 所示。在圖2中，多電平變換電路可以等效為虛線(xiàn)中的多路開(kāi)關(guān)，現實(shí)中是由功率開(kāi)關(guān)器件網(wǎng)絡(luò )構成的，不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)即代表接到不同的節點(diǎn)。圖3 中作為直流電源的VDC1……

VDCn經(jīng)過(guò)變換電路的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)，可以在輸出端組合出多種電平值。

多電平變換器拓撲結構與普通兩電平逆變器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)更適合大容量、高壓的場(chǎng)合;

2)可產(chǎn)生M層階梯形輸出電壓，理論上提高電平數可接近純正弦波形，諧波含量很小;

3)電磁干擾(EMI)問(wèn)題大大減輕，因為開(kāi)關(guān)器件一次動(dòng)作的dv/dt 通常只有傳統雙電平的1/(M-1);

4)效率高。消除同樣諧波，雙電平采用PWM控制法開(kāi)關(guān)頻率高、損耗大;而多電平逆變器可用較低頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，開(kāi)關(guān)頻率低、損耗小，效率提高。

除上述共同特點(diǎn)外，幾種拓撲結構各有優(yōu)缺點(diǎn)，

現比較如下。

1.2.1 二極管箝位的多電平逆變器

二極管箝位式多電平結構是出現較早，應用場(chǎng)合較多的一種結構。這種結構的特點(diǎn)是采用多個(gè)二極管對相應開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行箝位，輸出相應M電平的相電壓。二極管箝位式拓撲具有多電平逆變器共同的優(yōu)點(diǎn)，但存在自身不足：

1)箝位二極管承受的電壓不均勻;

2)器件所需額定電流不同，按最大額定設計將造成(M-1)(M-2)/2 的開(kāi)關(guān)器件容量上有所浪費，利用效率低;

3)直流側電容由于一個(gè)周期內的流入和流出的電流可能不相等，造成不同級的直流側電容電壓在傳遞有功功率時(shí)出現不均衡現象;

4)當進(jìn)行有功傳遞時(shí)，如不附加恒壓裝置，必將導致M 電平逐漸變?yōu)槿娖?M 為奇數)或兩電平(M為偶數)。解決的辦法通?？捎肞WM電壓調節器

或電池來(lái)代替電容，但這樣又將導致系統復雜，使成本升高。

為解決以上問(wèn)題，在傳統的二極管箝位式多電平結構上出現了幾種改進(jìn)型結構。在兩個(gè)相鄰箝位二極管兩端加上箝位電容的改進(jìn)拓撲結構不但解決了二極管串聯(lián)問(wèn)題，而且所加電容對開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)的過(guò)壓進(jìn)行箝位。由于所加電容充放電的作用，減小了直流側電容電壓的不平衡性，且能實(shí)現電流的雙向流動(dòng)。另一種是將兩個(gè)相同變換器背對背使用的改進(jìn)結構，左邊作為整流器，右邊作為逆變器，把直流側電容相應節點(diǎn)進(jìn)行連接，可較好地平衡電容電壓。

1.2.2 電容箝位的多電平逆變器

電容箝位的多電平逆變器最早由T.A.Meynard和H.Foch在1992年P(guān)ESC年會(huì )上提出，最初目的是減少NPC 多電平逆變器中過(guò)多的箝位二極管，即采用懸浮電容器來(lái)代替箝位二極管工作，直流側的電容不變。其工作原理與二極管箝位電路相似。對比二極管箝位多電平逆變器，這種拓撲結構雖省去了大量的二極管，但又引入了不少電容。對高壓大容量系統而言，電容體積龐大、占地多、成本高、封裝不易。

電容的引進(jìn)使電壓合成的選擇增多，開(kāi)關(guān)狀態(tài)的選擇具有更大的靈活性，通過(guò)在同一電平上進(jìn)行合適的不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)的組合，使電容電壓保持均衡，可較好地應用于有功調節和變頻調速系統，但控制方法變得較為復雜，而且開(kāi)關(guān)頻率將增高，開(kāi)關(guān)損耗加大，效率隨之降低。

為保持電容電壓的平衡，Meynard提出了一種采用背對背的變換器結構來(lái)調整電容充放電的平衡，并采用成一定比例的開(kāi)關(guān)模式來(lái)同時(shí)控制整流橋和逆變橋，使得流向電容的功率和從電容流出的功率相同。通過(guò)對電容電壓進(jìn)行檢測，如果出現不平衡，可以適當改變整流橋的控制。其缺點(diǎn)是，引入了大量的懸浮電容，而且存在著(zhù)電容電壓平衡的問(wèn)題，目前法國ALSTOM公司已開(kāi)發(fā)出此類(lèi)產(chǎn)品。

1.2.3 電壓自平衡式多電平變頻器拓撲

2000年美國密執根大學(xué)的彭方正博士提出了一種電壓自平衡的多電平拓撲，它不需要借助附加的電路來(lái)抑制直流側電容的電壓偏移問(wèn)題，從理論上實(shí)現了一個(gè)真正的有實(shí)際應用價(jià)值的多電平結構，傳統的二極管箝位式和電容箝位式電路拓撲也可以由它簡(jiǎn)化和發(fā)展而來(lái)。

高壓大容量多電平電路的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)就是中點(diǎn)電壓的控制問(wèn)題。對于三電平及以上電平數的拓撲，如果中點(diǎn)電壓控制的不好，是不能有效地應用于大容量的電能變換場(chǎng)合的。對于以上幾種拓撲結構，電壓高于三電平時(shí)，或者是需要隔離的直流電源，或者是需要增加一個(gè)復雜的電路結構來(lái)幫助維持中點(diǎn)電壓的平衡。這種新的拓撲結構具有電壓自平衡的功能，對于各種逆變器控制策略和負載情況，都能有效地控制中點(diǎn)電壓。

圖4即為這種新型的自平衡多電平結構單相的拓撲，它是由基本的兩電平單元組成的。因為基本的單元是一個(gè)兩電平的單相電路(a two-level phaseleg)，所以由它組成的多電平結構又叫做P2多級逆變器。

這種可電壓自平衡的P2多電平拓撲的特點(diǎn)是：

1)系統的電能損耗反比于電容量和開(kāi)關(guān)頻率，提高開(kāi)關(guān)頻率和加入一些特定的開(kāi)關(guān)狀態(tài)可以大大減小損耗，提高系統效率;

2)相比一般的二極管箝位和電容箝位式拓撲，該系統各級的中點(diǎn)電壓都能得到很好的控制;

3)對一個(gè)M級電平的P2逆變器系統，所需的開(kāi)關(guān)器件/ 二極管數目為M(M-1)，需要的電容器數量為M(M-1)/2;

4)計算簡(jiǎn)單，器件應力可達到最小化。

對圖4的系統進(jìn)行簡(jiǎn)化和變形，可以得到傳統的二極管箝位和電容箝位式多電平拓撲，以及一些其他的改進(jìn)拓撲。去掉圖4所有的箝位開(kāi)關(guān)，可以得到二極管-電容箝位的多電平系統，如圖5 所示;而去掉箝位開(kāi)關(guān)和二極管，則得到電容箝位式的多電平系統，如圖6 所示;去掉箝位開(kāi)關(guān)和電容，可得到二極管箝位式拓撲，如圖7所示;再對調二極管的連接，可得到一種改進(jìn)的背對背的二極管箝位式系統，如圖8所示。

這種通用的多電平拓撲的應用還包括開(kāi)關(guān)電容DC-DC 變換器和倍壓電路;此外，結合其他電路的使用還可實(shí)現雙向的DC-DC 變換。也可以用三電平單元代替兩電平單元來(lái)實(shí)現多電平變頻器。

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