高性能大容量交流電機調速節能技術(shù)---現狀及展望

1.2.4 層疊式多單元結構(SMC)

SMC結構如圖9所示，這種結構也能實(shí)現高壓、多電平輸出[12][13]。這種結構相比一般電容箝位型結構有一定的優(yōu)勢，可以使用更少個(gè)數和更小體積的電容，減少了裝置的體積，尤其在大于三電平以上高壓輸出的應用中。

SMC拓撲結構是基于跨接電容和開(kāi)關(guān)組成的基本換流單元的一個(gè)混合結構。圖10為兩層疊兩單元變換器的結構。這種結構相當于把兩個(gè)電容箝位型單元疊加起來(lái)，圖中S21a、S21b和S21為互補開(kāi)關(guān)，不能同時(shí)開(kāi)通，同樣其他開(kāi)關(guān)也有類(lèi)似的互補開(kāi)關(guān)對。上層和下層采用類(lèi)似電容箝位型的開(kāi)關(guān)方法，就可以實(shí)現多電平的輸出。

但是，這個(gè)結構也有一些缺點(diǎn)：為了滿(mǎn)足最底層和頂層一方開(kāi)通時(shí)的耐壓要求，拓撲中外側功率開(kāi)關(guān)都是兩管直接串聯(lián)，帶來(lái)了開(kāi)通和關(guān)斷同步問(wèn)題，而且由于不是總工作在上述的兩個(gè)狀態(tài)，從另一個(gè)角度說(shuō)，浪費了功率器件的耐壓容量，而且當需要進(jìn)一步升壓，層疊數超過(guò)兩層時(shí)，開(kāi)關(guān)數量會(huì )大大增加，電容也會(huì )增多;同時(shí)，這類(lèi)拓撲的控制方法也比較復雜，其優(yōu)越性也不明顯。

1.2.5 帶分離直流電源的串聯(lián)型多電平逆變器

對于帶分離直流電源的串聯(lián)型多電平逆變器，要獲得更多電平只須將每相所串聯(lián)的單元逆變橋數目同等增加即可，如圖11所示。其特點(diǎn)是：

1)直流側采用電壓相同但相互隔離的直流電源，不存在電壓均衡問(wèn)題，無(wú)須二極管或電容箝位，易于進(jìn)行調速控制;

2)因每個(gè)H 橋都采用單相控制，直流電容在任一時(shí)刻都有交流電流通過(guò)，因此需要用較大容量的直流電容;

3)控制方法相對簡(jiǎn)單，因每一級結構的相同性，可分別對每一級進(jìn)行PWM 控制，然后進(jìn)行波形重組;

4)對相同電平數而言，串聯(lián)型結構所需器件數目最少;

5)一般二極管箝位式、電容懸浮式限于7或9電平，串聯(lián)型結構因無(wú)二極管和電容的限制，電平數可較大，適合更高電壓，諧波含量更少;

6)由于每一級逆變橋構造相同，給模塊化設計和制造帶來(lái)方便，且裝配簡(jiǎn)單，系統可靠性高。另外，某一級逆變橋出現故障時(shí)，就被旁路掉，剩余模塊可不間斷供電，以盡量減少生產(chǎn)損失。

因這種結構較容易采用低壓的功率開(kāi)關(guān)器件，實(shí)現多級電壓串聯(lián)，獲得高電壓、大容量，因此具有較大的實(shí)用性。當然，這種結構的不足之處在于需要很多隔離的直流電源，應用受到一定限制。

目前，國際上很多著(zhù)名的電氣公司包括羅賓康、東芝、ANSLADO、三菱都已經(jīng)具有同類(lèi)的產(chǎn)品，可以用在大容量電機調速、無(wú)功補償等一些行業(yè)。國內也有產(chǎn)品問(wèn)世，可用于拖動(dòng)風(fēng)機、水泵等調速系統中。

1.2.6 三相逆變器串聯(lián)式結構

1999年E.Cengelci 等人提出了一種新型的變壓器耦合式單元串聯(lián)高壓變頻結構。其主要思想是用變壓器將三個(gè)由IGBT或IGCT構成的常規逆變器單元的輸出疊加起來(lái)，實(shí)現更高壓的輸出，并且這三個(gè)常規逆變器可采用同一種控制方式，電路結構和控制方法都大大簡(jiǎn)化。其拓撲如圖12所示。

這種三相逆變器串聯(lián)式逆變器結構的優(yōu)點(diǎn)是：

1)以三個(gè)常規的逆變器為核心構成高壓變頻器，每個(gè)逆變器可采用常規PWM調制方法;

2)三個(gè)常規的逆變器平衡運行，各分擔總輸出功率的1/3;

3)整個(gè)變頻器輸出可等效為7 電平PWM，諧波小且dv/dt低;

4)輸出變壓器的容量只需總容量的1/3;

5)18脈沖輸入，網(wǎng)側無(wú)諧波且功率因數高。

由于三相逆變器串聯(lián)式結構的三個(gè)逆變器電壓、電流和功率完全對稱(chēng)，三個(gè)逆變器可采用完全相同的控制規律，但是相當于兩電平的高壓變頻器，dv/dt 太大。因此可以采用將三個(gè)逆變器的PWM 信號相互錯開(kāi)1/3周期的辦法，對SPWM來(lái)說(shuō)就是三個(gè)逆變器各自采用一個(gè)三角波，相位互差120°，相當于一個(gè)線(xiàn)電壓為7電平的高頻變壓器。電機線(xiàn)電壓PWM波形與變壓器繞組如圖13、圖14所示。

綜上所述，二極管箝位式和電容箝位式由于存在均壓?jiǎn)?wèn)題，比較適合應用于無(wú)功調節，而在有功傳遞，如電機調速方面控制較難，需要實(shí)施額外的算法。電壓自平衡的P2多電平系統不需要大量的變壓器，結構緊湊，功率因數高，無(wú)電磁干擾，損耗低，在多電平逆變器實(shí)現的領(lǐng)域上引起了廣泛的關(guān)注和應用。在輸入變壓器成本允許的前提下，串聯(lián)型結構以較低耐壓器件實(shí)現高壓大容量，由于電平數可以很多，網(wǎng)側和輸出側諧波很低，若采用四象限整流，并與現代電機控制理論結合，高性能四象限大容量交流電機變頻調速將成為可能，其在交流傳動(dòng)領(lǐng)域的應用將很樂(lè )觀(guān)。三相逆變器串聯(lián)式可以保證均衡利用功率和變轉矩負載條件的運行，并且對電網(wǎng)諧波污染小，可很好地用于中壓(2 300～4 160 V)的交流

電機調速驅動(dòng)系統。

2 PWM 控制技術(shù)

大功率逆變器電路拓撲結構不斷更新的同時(shí)，與之相應的PWM控制技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展。各國學(xué)者不僅對傳統的PWM進(jìn)行革新，也不斷地提出一些全新的控制策略。

2.1 傳統的PWM控制技術(shù)及其發(fā)展

傳統的PWM 控制技術(shù)多用于兩電平逆變器的門(mén)極驅動(dòng)控制，其主要方法是依靠載波和調制波的比較，得出交點(diǎn)，或采用微機計算方法得到門(mén)極觸發(fā)脈沖控制信號。正弦脈寬調制SPWM，調制波為正弦波，實(shí)現的典型方法有自然采樣PWM，規則采樣PWM，等面積PWM 等方法。三電平電路中，若采用兩個(gè)正弦波與一個(gè)三角波比較，可得到雙向dipolar調制PWM[14]，可大大減少相間電壓的諧波。以上這些方法都可以在多電平電路中加以使用。且根據結構的不同，實(shí)現的方法也不同。

2.2 優(yōu)化PWM技術(shù)

近年來(lái)，優(yōu)化PWM技術(shù)得到了迅速發(fā)展。它是根據諧波含量，諧波畸變率(THD)最小，轉矩脈動(dòng)最小等目標函數，尋求PWM 控制波形。最優(yōu)化PWM有一般PWM方法不具備的特殊優(yōu)點(diǎn)，如電壓利用率高，開(kāi)關(guān)次數少及可實(shí)現特定優(yōu)化目標等。優(yōu)化PWM可用于多電平逆變器，而且可利用NPC逆變器的特點(diǎn)對每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的控制規律進(jìn)行優(yōu)化以提高整體性能，降低電機損耗。

2.3 多電平逆變器與空間電壓矢量PWM

空間電壓矢量PWM 法，是以三相對稱(chēng)正弦波電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機的理想磁通為基準，用逆變器不同的開(kāi)關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準圓磁通，由比較結果決定逆變器的開(kāi)關(guān)順序，形成所需的PWM波形。電壓矢量PWM法消除諧波效果類(lèi)似于多電平SPWM。對于三電平、五電平逆變器，開(kāi)關(guān)模式容易計算，易于數字化實(shí)現。但隨電平數增加，開(kāi)關(guān)模式的計算量劇增，而且所需內存增加很多。由于開(kāi)關(guān)模式選擇冗余度大，選擇合適矢量，可達到消除共模電壓作用，而且對于二極管箝位式多電平逆變器，可消除或減小直流側電容電壓的不平衡性。

隨著(zhù)多電平逆變器的出現，空間電壓矢量SVPWM有了進(jìn)一步的發(fā)展。比如對三電平中點(diǎn)箝位式逆變器，選取適當的空間矢量組合和電壓矢量導通時(shí)間，可得到很逼近圓形的磁通。根據選擇矢量的不同還可以有多種SVPWM 控制方案，各種方法得到的調制矢量角各不相同，控制性能也各不相同。比起雙電平空間矢量，其矢量選擇范圍大，能更好地逼近正弦磁通，控制電機能獲得更好的性能。同時(shí)，其良好的拓撲結構使系統容量變大，可靠性提高，損耗減少。

三電平逆變器存在直流側的高壓，因此對器件仍有潛在的高壓威脅，可靠性受到一定的限制。另外，直流側電容電壓的均衡問(wèn)題是控制上比較棘手的地方。這種逆變器也存在網(wǎng)側的諧波，用特殊的處理方法，比如雙PWM技術(shù)可以得到很好的結果。在某些場(chǎng)合(比如UPS 中)，多電平逆變器還可采用電流滯回控制PWM方法。

3 結論及展望

由于在功率器件研制及拓撲結構方面取得的突破性進(jìn)展，大容量交流電機調速技術(shù)的發(fā)展呈現著(zhù)嶄新的面貌，蘊藏著(zhù)巨大的發(fā)展機遇。

傳統大功率逆變電路由于體積大，性能差，并對電網(wǎng)產(chǎn)生較多諧波，因此應用領(lǐng)域越來(lái)越多地受到限制。而新型多電平逆變器由于具有動(dòng)態(tài)性能好，對電網(wǎng)和電機產(chǎn)生的諧波較少，可以升高電壓等優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多的重視。當PWM技術(shù)應用于多電平逆變器時(shí)，產(chǎn)生一些改進(jìn)方案，對高性能大容量逆變器的應用起了重要作用。

目前我國電動(dòng)機調速技術(shù)的特點(diǎn)是以低壓、小容量調速對象為主，高壓、高效的變頻調速裝置以進(jìn)口為主。面對節能、改善工藝的迫切需求和巨大的市場(chǎng)前景，國產(chǎn)高壓大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)還基本上剛剛起步。然而，困難與希望同在，挑戰與機遇共存。國際上具有生產(chǎn)、研制新型大功率變頻調速裝置能力的均是世界知名的大電工電氣公司，由于他們在電力電子技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中一直是按部就班進(jìn)行的，形成了從功率半導體器件到整機生產(chǎn)的全套工業(yè)環(huán)節，市場(chǎng)慣性和企業(yè)本身的龐大機構使得他們不會(huì )馬上轉產(chǎn)全新的產(chǎn)品。而我國是一個(gè)新興的發(fā)

展中國家，盡管在老技術(shù)方面有一些投資，但投資相對較小，包袱不大，可以馬上轉入最新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和利用，借鑒別人的經(jīng)驗，跨過(guò)他們已經(jīng)走過(guò)的路程。

在最新領(lǐng)域取得研究成果的基礎上盡快產(chǎn)業(yè)化，可大大縮短與先進(jìn)國家的差距，在某些方面甚至還可以超過(guò)他們。從目前看，大容量交流電機調速技術(shù)應用的時(shí)機業(yè)已成熟，國內只要在體制改革、生產(chǎn)管理和經(jīng)營(yíng)決策方面走上軌道，其發(fā)展前途不可限量。