應用在工業(yè)系統中高壓多電平變頻器剖析

四電平控制結構如圖2所示。其主回路的大功率元器件的分布是以成對的方式構成的，而每一對都是基于傳統的二電平的控制思想去進(jìn)行控制的。圖3表明了此四電平的運行原理圖和各大功率元器件所承受的電壓以及各電容上分布的電壓。從電路結構上可以看出整個(gè)電路所承受的電壓為：V，2/3V，1/3 V，但在每一處于阻斷狀態(tài)的功率元器件的電壓總是1/3V。這種結構技術(shù)圓滿(mǎn)解決了各功率元器件上所承受的電壓動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的問(wèn)題，同時(shí)不同的一對元器件的控制是在不同的時(shí)間段也限制了dv/dt的問(wèn)題。實(shí)際上各元器件上所承受的浮動(dòng)電壓是由各電容來(lái)提供的，電路在換相過(guò)程中對各電容進(jìn)行充放電，其電容電壓遵守著(zhù)如下的規則[2]：

這里的n為每一相共有幾對大功率元器件的個(gè)數，例如：四電平結構的每相共有3對大功率元器件，即在這里 n=3。從電路結構中我們知道在每一功率元器件通過(guò)的電壓取決于電容上的電壓Ck和Ck-1并由下式給出：

現在我們知道每一阻斷大功率元器件上所承受的電壓為V/n，并且導通的元器件的電壓為0。這就證明了圖（3）的四電平的輸出電壓波形，即：0，V/n，2·V/n，V。

平結構的換相控制要同時(shí)滿(mǎn)足：
電容電壓要恒定，即

為了決定對每一對大功率元器件的控制類(lèi)型，我們假定其最初的電壓值Vck是由給出，并研究保持這些電壓恒定的條件。

每一電容Ck都與功率元器件之間連接著(zhù)，并取決于這對元器件開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，在這個(gè)電容上的電流是+I，0，-I， 它能表達為：，這里的Sk和Sk+1是0或1（這將根據功率元器件開(kāi)關(guān)的狀態(tài)）。這個(gè)方程給出了下列電壓Vck k＝1…n的穩定狀態(tài)的穩定條件：

當電流I在一開(kāi)關(guān)段為積分恒定時(shí)，則對電壓Vck k＝1…n穩定狀態(tài)的穩定條件可寫(xiě)為：

圖3 四電平結構運行控制原理圖

我們知道對于這種四電平結構所采用的大功率元器件是IGBT，而在控制回路則采用的是PWM方式的調制技術(shù)。其控制回路采用了目前在工業(yè)系統中大量應用的高性能控制器（工業(yè)用計算機），用它來(lái)分配系統的工作周期和發(fā)送控制周期，在一個(gè)控制周期分成幾個(gè)階段，在每一階段嚴格按照導通和關(guān)斷的規律去控制IGBT功率元器件開(kāi)關(guān)動(dòng)作。從圖3中我們可以很直觀(guān)地看到各階段各開(kāi)關(guān)元器件的導通，關(guān)斷的過(guò)程。例如在A(yíng)段：1#，2#和3#的開(kāi)關(guān)導通C1上充有正向電流；而在C段：2#，1#和3#的開(kāi)關(guān)導通，而C1此時(shí)為放電狀態(tài)。不管怎樣我們的負載側在一個(gè)周期內的各個(gè)階段得到都是1/3V。同時(shí)我們很直觀(guān)地看出在電容上的平均電流為0，電容在這里起到分壓和使系統達到自然換相的目的。通過(guò)這種高速的分配控制，系統可以避免多個(gè)串聯(lián)功率元器件在瞬間同時(shí)導通，有使輸出電壓波形更趨于所希望的正弦波形。

圖4表明了在太鋼實(shí)際采用的2個(gè)IGBT和電容模塊化的結構圖。這種通過(guò)雙母排把IGBT和浮動(dòng)電容組合在一起，最大化地減小了IGBT的開(kāi)關(guān)電感，同時(shí)也使整個(gè)系統成為一整個(gè)抽屜式的結構，其每一相僅有3個(gè)模塊組成，非常易于維護。

圖4 兩個(gè)IGBT和電容的結構圖

4、結束語(yǔ)

IGBT四電平結構變頻控制器是當今傳動(dòng)系統最新的前沿控制技術(shù)，此類(lèi)變頻器第一套裝置應用在工業(yè)系統中是1999年在歐洲的冶金系統的軋鋼卷取軋機上，其動(dòng)態(tài)靜態(tài)性能和可靠性都顯示了當今技術(shù)的水平，2002和2003年先后在太鋼和寶新投入運行的裝置也取得了非常好的經(jīng)濟效益。本文較詳細的分析了此變頻器的拓撲結構和電流分配的原理。為選擇適合于高壓大容量場(chǎng)合多電平變頻器的技術(shù)方案的應用提供了借鑒。