1 引言
我國發(fā)電總量60％以上是通過電動(dòng)機(jī)消耗的，其中一半以上用于各種風(fēng)機(jī)和水泵。如果以調(diào)速傳動(dòng)代替原有的不調(diào)速傳動(dòng)，通過改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量和壓力，取代傳統(tǒng)的用風(fēng)擋和閥門調(diào)節(jié)的方法，平均可節(jié)約電力30％左右，估計(jì)全年可節(jié)電數(shù)百億kwh，可取得巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，并且用變速傳動(dòng)取代傳統(tǒng)的恒速傳動(dòng)還能優(yōu)化工藝過程，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。因此在世界能源緊張、能源費(fèi)用高漲的今天，交流調(diào)速技術(shù)作為節(jié)約能源的一個(gè)重要手段應(yīng)該大力推廣，開發(fā)各種適合國情的調(diào)速裝置成為許多學(xué)者和企業(yè)努力的方向。
由電機(jī)理論可知:
式中:n為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速;
f為電源頻率;
s為轉(zhuǎn)差率;
p為極對數(shù)。
從式(1)可知，電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法大致分為變極對數(shù)、變頻率和改變轉(zhuǎn)差率三種。變極調(diào)速設(shè)備簡單，機(jī)械特性較硬，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)速只能成倍變化，而不是連續(xù)可調(diào)，屬于有級調(diào)速，應(yīng)用場合受限。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率的電磁離合器，即滑差離合器調(diào)速方法，能平滑調(diào)速，閉環(huán)時(shí)調(diào)速范圍較寬，但調(diào)速效率低，存在不可控區(qū)。液力耦合器調(diào)速雖然也有節(jié)能效果，但屬機(jī)械耗能型變速方法，在變速過程中有很大的滑差損耗，系統(tǒng)運(yùn)行成本較高，不經(jīng)濟(jì)。由于是機(jī)械聯(lián)接，變速系統(tǒng)故障時(shí)，無法快速轉(zhuǎn)換到全速運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)必須停機(jī)檢修，無法保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的要求。綜上所述，調(diào)速方法比較好的應(yīng)該是定子端變頻調(diào)速和轉(zhuǎn)子端改變轉(zhuǎn)差率的串級調(diào)速。其中定子端的變頻調(diào)速是性能最好、最有發(fā)展前途的一種交流調(diào)速方式。然而對于那些調(diào)速性能要求不是很高的大容量高壓風(fēng)機(jī)、水泵，如果直接在定子端采用高壓變頻器來調(diào)速，其調(diào)速性能雖然比較好，但其價(jià)格比較昂貴。因此對于這種調(diào)速范圍不是很大、調(diào)速性能要求不是很高的高壓大功率電動(dòng)機(jī)，串級調(diào)速是一種比較好的方案。而對于那些要求調(diào)速范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、調(diào)速精度高的場合，采用定子端直接變頻的高壓變頻器比較適合。因此下文將重點(diǎn)介紹轉(zhuǎn)子端改變轉(zhuǎn)差率的串級調(diào)速和定子端直接改變頻率的高壓變頻器。
第一部分 轉(zhuǎn)子端改變轉(zhuǎn)差率的串級調(diào)速
1 串級調(diào)速系統(tǒng)簡介
眾所周知，作為異步電機(jī)，必然有轉(zhuǎn)差功率，要提高調(diào)速系統(tǒng)的效率，除了盡量減小轉(zhuǎn)差功率外，還可以考慮如何去利用它。但要利用轉(zhuǎn)差功率，就必須使異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組有與外界實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)接的條件，顯然籠型電機(jī)難以勝任，只有繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)才能做到。對于繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，除了轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速以外，定、轉(zhuǎn)子電路同時(shí)與外電路相連的串級調(diào)速是一種更重要的調(diào)速方法，其理論早在20世紀(jì)30年代就已被提出，到了60~70年代，當(dāng)可控電力電子器件出現(xiàn)以后，這一理論才得到更好的應(yīng)用。串級調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)就是可以用容量較小的變流裝置在轉(zhuǎn)子端來調(diào)節(jié)高壓、大功率繞線式異步電動(dòng)機(jī)的速度，從而把定子端的高壓調(diào)速轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)子端的低壓調(diào)速，把轉(zhuǎn)差功率饋送到電網(wǎng)中去。
2 串級調(diào)速系統(tǒng)的工作原理
在異步電機(jī)轉(zhuǎn)子回路中附加交流電動(dòng)勢調(diào)速的關(guān)鍵就是在轉(zhuǎn)子側(cè)串入一個(gè)可變頻、可變幅的電壓。比較方便的辦法是將轉(zhuǎn)子電壓先整流成直流電壓，然后再引入一個(gè)附加的直流電動(dòng)勢，控制此直流附加電動(dòng)勢的幅值，就可以調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣，就把交流變壓變頻這一復(fù)雜問題，轉(zhuǎn)化為與頻率無關(guān)的直流變壓問題，對問題的分析與工程實(shí)現(xiàn)都方便多了。當(dāng)然對這一直流附加電動(dòng)勢要有一定的技術(shù)要求。首先，它應(yīng)該是可平滑調(diào)節(jié)的，以滿足對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)的要求;其次，從節(jié)能的角度看，希望產(chǎn)生附加直流電動(dòng)勢的裝置能夠吸收從異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞來的轉(zhuǎn)差功率并加以利用。例如，把轉(zhuǎn)差功率回饋給交流電網(wǎng)，或把它轉(zhuǎn)換成機(jī)械功率送到電氣傳動(dòng)裝置的軸上等，關(guān)鍵是不要讓它在轉(zhuǎn)子回路中無謂地?fù)p耗掉，這樣才能提高調(diào)速系統(tǒng)的效率。根據(jù)以上兩點(diǎn)要求，較好的方案是采用工作在有源逆變狀態(tài)的晶閘管可控整流裝置作為產(chǎn)生附加直流電動(dòng)勢的電源，串級調(diào)速系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖
圖1中，m為三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子相電動(dòng)勢ser0經(jīng)三相不可控整流裝置ur整流，輸出直流電壓ud。工作在有源逆變狀態(tài)的三相可控整流裝置ui除提供可調(diào)的直流電壓ui作為電機(jī)調(diào)速所需的附加直流電動(dòng)勢外，還可將經(jīng)ur整流輸出的轉(zhuǎn)差功率逆變后回饋到交流電網(wǎng)。ti為逆變變壓器，其功能和特點(diǎn)以后將詳細(xì)討論，l為平波電抗器。兩個(gè)整流裝置電壓ud和ui的極性以及直流電路電流id的方向如圖1中所示。顯然，系統(tǒng)在穩(wěn)定工作時(shí)，必有ud>ui。圖1中ti為逆變變壓器，l為平波電抗器。
由此可以寫出整流后的轉(zhuǎn)子直流回路電壓平衡方程式
式中:k1、k2—ur與ui兩個(gè)整流裝置的電壓整流系數(shù)，如兩者都是三相橋式整流電路，則k1=k2=2.34;
ut2—逆變變壓器的二次相電壓;
β—工作在逆變狀態(tài)的可控整流裝置ui的逆變角;
r—轉(zhuǎn)子直流回路總電阻。
根據(jù)以上對串級調(diào)速系統(tǒng)工作原理的討論可以得出下列結(jié)論:
(1) 串級調(diào)速系統(tǒng)能夠靠調(diào)節(jié)逆變角β實(shí)現(xiàn)平滑無級調(diào)速;
(2) 系統(tǒng)能把異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差功率回饋給交流電網(wǎng)，從而使扣除裝置損耗后的轉(zhuǎn)差功率得到有效利用，大大提高了調(diào)速系統(tǒng)的效率。
一般串級調(diào)速系統(tǒng)在高速運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)為0.6~ 0.65，比正常接線時(shí)電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)減少0.1左右，在低速時(shí)可降到0.4~0.5(對調(diào)速范圍為2的系統(tǒng))，這是串級調(diào)速系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)。
對于寬調(diào)速的串級調(diào)速系統(tǒng)，隨著轉(zhuǎn)差率的增大，系統(tǒng)的功率因數(shù)還要下降，這是串級調(diào)速系統(tǒng)能否被推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一，所以人們研究了多種改善功率因數(shù)的方法。
通常有以下幾種:
l 逆變器的不對稱控制
這是利用兩組可控整流器組成逆變器連接并進(jìn)行不對稱控制。這種方法適用于大功率系統(tǒng)。
l 采用具有強(qiáng)迫換相功能的逆變器
這是在逆變器工作時(shí)晶閘管在自然換流點(diǎn)之后換相，這時(shí)逆變器的輸入電流呈容性，可以補(bǔ)償異步電動(dòng)機(jī)從電網(wǎng)吸收的電感性無功電流，從而使系統(tǒng)功率因數(shù)大大提高。但這種方法電路較復(fù)雜，價(jià)格也昂貴。
l 在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子直流回路中加斬波控制
采用這種方法可以把逆變器的逆變角β固定在某一最小角，這樣就可把逆變器從電網(wǎng)吸收的無功功率減小到最低，從而提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。但這種方法還有一個(gè)最小角的限制，不可能使β等于零，因此功率因數(shù)不可能達(dá)到1。
l 斬波加pwm整流
眾所周知，相控有源逆變器總存在最小控制角的問題，不可能使電流和電壓保持同相位，功率因數(shù)提高有限，而且相控有源逆變有逆變顛覆的缺點(diǎn)。因此一種新的方法就是將晶閘管組成的相控有源逆變器換成由igbt構(gòu)成的pwm逆變。pwm逆變不僅可以實(shí)現(xiàn)電流和電壓保持同相位，還可以通過調(diào)節(jié)繞組向電網(wǎng)提供容性功率，補(bǔ)償整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)。根據(jù)pwm整流原理可知，直流母線電壓必須高于調(diào)節(jié)繞組線電壓峰值，所以在中間部分還需要加上boost斬波電路，滿足電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的電壓匹配關(guān)系。這種方式也是本作者所采樣的系統(tǒng)方案。
3 內(nèi)反饋斬波串級調(diào)速系統(tǒng)
內(nèi)反饋串級調(diào)速以繞線型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串附加電勢進(jìn)行調(diào)速的理論為基礎(chǔ)，其調(diào)速電機(jī)是一種能夠自身產(chǎn)生附加電勢源的特種異步電機(jī)，制作時(shí)在定子上增設(shè)了一套三相對稱繞組，稱為調(diào)節(jié)繞組，而原來的定子繞組稱為主繞組。轉(zhuǎn)子采用高強(qiáng)度不銹鋼滑環(huán)，配以金屬石墨電刷，使滑環(huán)和電刷的耐磨性能大為改善，壽命得以延長。附加電勢就是由調(diào)節(jié)繞組從主繞組感應(yīng)過來的電勢所提供的，通過可控硅變流系統(tǒng)將該電勢串入電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組，改變其串入電勢的大小即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。同時(shí)，調(diào)節(jié)繞組吸收轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率，并通過與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生正向的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，達(dá)到調(diào)速節(jié)能的目的。
由于帶斬波器串級調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速是通過改變斬波器的占空比來實(shí)現(xiàn)的，而不是通過改變逆變器的逆變角，因此在本系統(tǒng)中逆變器的控制角可取為最小值，且固定不變，故無功損耗減少到最低程度，從而提高系統(tǒng)了的功率因數(shù)。同時(shí)也避免了因調(diào)速深而帶來的功率因數(shù)進(jìn)一步降低的因素。在串級調(diào)速系統(tǒng)中加入一個(gè)斬波器后，功率因數(shù)的提高使定子電流中的無功成分降低，從而定子電流諧波成分減少，減少了對電網(wǎng)的污染。同時(shí)，直流斬波器開關(guān)的作用使直流回路電阻減少，進(jìn)而使系統(tǒng)的機(jī)械特性硬度有一定的提高。
因此內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)除具有普通串級調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下特點(diǎn):
l 取消了逆變變壓器及其網(wǎng)側(cè)控制設(shè)備;
l 依靠反饋繞組的短矩、分布及角形連接，基本上抵消了5次諧波，大大削弱了7次諧波，3次及3的倍數(shù)次諧波僅在反饋繞組內(nèi)部流動(dòng)，有效抑制了諧波對電網(wǎng)的污染;
l 為避免有源逆變器的諧波通過反饋繞組再感應(yīng)到轉(zhuǎn)子電路，反饋繞組在調(diào)速狀態(tài)下還外接有補(bǔ)償及濾波電路，用以補(bǔ)償反饋繞組內(nèi)的滯后電流，減小損耗，使系統(tǒng)的功率因數(shù)由原來的0.4～0.6，可提高到0.9以上;
l 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率回饋到電機(jī)內(nèi)部(反饋繞組)，從而提高了串級調(diào)速系統(tǒng)的效率。
串級調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)差的一個(gè)重要原因就是采用了相位控制的逆變器，控制角β越大時(shí)，逆變器從電網(wǎng)吸收的無功功率越多。如果用斬波器來控制直流電壓，而將逆變器的控制角設(shè)定為允許的最小值不變，即可降低無功的消耗，而提高系統(tǒng)功率因數(shù)。圖2繪出了斬波控制的串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖。
圖2 斬波式內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)
由圖2所示的斬波控制調(diào)速系統(tǒng)的主電路可知，內(nèi)反饋繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子輸出電壓接至三相橋式不可控整流器ur，通過igbt直流斬波器與電源換相的三相橋式可控硅逆變器ui相連。ui是普通可控硅組成的橋式變流器，它的觸發(fā)控制角α不需要調(diào)節(jié)，從工作原理考慮，它可以固定在某一個(gè)大于90°的角度觸發(fā)，但實(shí)際上為了提高功率因數(shù)，降低無功分量，總是把它控制在最大觸發(fā)角也即最小逆變角βmin的地方。圖3的波形為斬波工作波形示意圖。設(shè)igbt斬波開關(guān)的工作周期為t，在τ的時(shí)間里，斬波開關(guān)閉合，整流橋ur被短路，而在t-τ的時(shí)間里，斬波開關(guān)斷開，改變占空比τ就可調(diào)節(jié)電動(dòng)勢的大小，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
整流橋的輸出電壓為
式中er0為轉(zhuǎn)子開路相電壓。逆變器的輸出電壓為
經(jīng)斬波器輸至整流橋的電壓為
,它應(yīng)與整流橋輸出電壓相平衡，則有
由串調(diào)原理和式(2)、(3)、(4)可以得到轉(zhuǎn)速公式如下:
式中:n0為不同占空比時(shí)的理想空載轉(zhuǎn)速;
nsyn為異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。
由上式顯然可見，改變斬波器開關(guān)閉合時(shí)間τ的大小就可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速nsyn的大小。
4 pwm整流技術(shù)在內(nèi)反饋斬波串級調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用
雖然采用斬波控制技術(shù)可以提高串級調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)，但是沒有改變晶閘管逆變橋通過電網(wǎng)電壓換流的本質(zhì)，依然有相位滯后，還是需要從電網(wǎng)吸收大量的無功功率，功率因數(shù)想再次提高很難。針對這個(gè)問題，作者引進(jìn)pwm整流技術(shù)，改變原有串級調(diào)速系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成分，把晶閘管逆變結(jié)構(gòu)換成igbt的pwm整流結(jié)構(gòu)，外接電感l(wèi)2起儲(chǔ)存、傳遞能量和平衡電壓的作用，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。采用這種方案不僅可以使調(diào)節(jié)繞組電流和電壓同相位，甚至可以按照需要，產(chǎn)生容性功率，補(bǔ)償電網(wǎng)的無功，使整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)得到提高。由于igbt具有自關(guān)斷能力，在調(diào)節(jié)繞組失電的情況下，可以克服可控硅不能克服的逆變顛覆故障，使系統(tǒng)的可靠性得到提高。
圖4 應(yīng)用pwm整流技術(shù)的內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)
第二部分
定子端直接變壓變頻的多電平技術(shù)
變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和啟動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果等眾多優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的調(diào)速方式之一，變頻調(diào)速技術(shù)的飛速發(fā)展反過來又為變頻器性能的提高提供了技術(shù)保障，而環(huán)保和節(jié)能的客觀需要，為變頻器在生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了發(fā)展空間。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，小容量變頻器越來越不能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)和生活的需要，而目前我國大量采用的變頻調(diào)速裝置基本上都是低壓變頻器, 即電壓為380~690v，但根據(jù)中國的國情，大容量高電壓的交流變頻裝置將會(huì)在節(jié)能方面起著更主要作用?？墒俏覈邏捍笕萘康淖冾l器尚處于起步階段。那么是什么阻礙了變頻調(diào)速技術(shù)在高壓大功率的應(yīng)用呢？主要有兩個(gè)問題: 一是我國大容量（200kw以上）電動(dòng)機(jī)的供電電壓高（6kv、10kv），但長期以來由于電力電子元器件的耐壓等級和所承受的電流受到限制，造成電壓匹配上的難題; 二是高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)含量高，難度大，成本高，而一般的風(fēng)機(jī)、水泵等節(jié)能改造都要求低投入、高回報(bào)，從而造成經(jīng)濟(jì)效率上的難題。這兩個(gè)世界性的難題使得高壓變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和推廣受到了限制，因此提高電力電子變流裝置的功率容量、降低成本、改善其輸出性能是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，也是當(dāng)前世界各國相關(guān)行業(yè)競相關(guān)注的熱點(diǎn)。因此國內(nèi)外各變頻器生產(chǎn)廠商八仙過海，各有高招，因此其主電路結(jié)構(gòu)不盡一致，但都較為成功地解決了高壓大容量這一難題。當(dāng)然在性能指標(biāo)及價(jià)格上也各有差異。如美國羅賓康(robicon)公司生產(chǎn)的完美無諧波變頻器; 羅克韋爾(ab)公司生產(chǎn)的bulletin 1557和power flex 7000系列變頻器; 德國西門子公司生產(chǎn)的simovert mv中壓變頻器; 瑞典abb公司生產(chǎn)的acs1000系列變頻器；意大利ansaldo公司生產(chǎn)的silcovert-th變頻器以及日本三菱、富士公司生產(chǎn)的完美無諧波變頻器和國內(nèi)北京的凱奇、先行、利德華福公司和成都佳靈公司生產(chǎn)的高壓變頻器等。
1 大功率電力電子變流裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
近年來，各種高壓變頻器不斷出現(xiàn)，可是到目前為止，高壓變頻器還沒有像低壓變頻器那樣近乎統(tǒng)一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)高壓組成方式，可分為直接高壓型和高-低-高型；根據(jù)有無中間直流環(huán)節(jié)，可以分為交-交變頻器和交-直-交變頻器。在交-直-交變頻器中，根據(jù)中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，又可分為電壓源型(也稱電壓型)和電流源型(也稱電流型)。高-低-高型變頻器采用變壓器實(shí)行輸入降壓、輸出升壓的方式，其實(shí)質(zhì)上還是低壓變頻器，只不過從電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)兩端來看是高壓的，是受到功率器件電壓等級技術(shù)條件的限制而采取的變通辦法，需要輸入、輸出變壓器，存在中間低壓環(huán)節(jié)電流大、效率低下、可靠性下降、占地面積大等缺點(diǎn)，只用于一些小容量高壓電動(dòng)機(jī)的簡單調(diào)速。常規(guī)的交-交變頻器由于受到輸出最高頻率的限制，只用在一些低速、大容量的特殊場合。下面就將針對目前使用較為廣泛的幾種直接高壓輸出交-直-交型變頻器及其派生方案進(jìn)行分析，指出各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
評價(jià)高壓變頻器的指標(biāo)主要有成本、可靠性、對電網(wǎng)的諧波污染、輸入功率因數(shù)、輸出諧波、dv/dt、共模電壓、系統(tǒng)效率、能否四象限運(yùn)行等。下面就將針對直接高壓大功率電力電子裝置拓樸結(jié)構(gòu)作一個(gè)分類，其分類方式一般是以電路拓樸中輸出端是否使用了變壓器為標(biāo)準(zhǔn)，這種標(biāo)準(zhǔn)主要是從裝置本身的效率、體積和性能價(jià)格比等方面考慮的; 這種分類方式也是很有意義的，在目前也是很普遍的一種分類方式。按照這種方式，下面提到的中點(diǎn)箝位型變流器、二極管電容箝位型多電平變流器、級聯(lián)型多電平變流器，統(tǒng)稱為多電平變流器; 多重化變流器和組合變流器等磁耦合變流器被分為另一類?，F(xiàn)在也有另一種分類方式，在前面提到在解決單個(gè)器件的電壓或電流承受能力往往不能適應(yīng)容量要求這一問題上，有兩種常用的思路: 一種是器件串、并聯(lián)使用; 另一種是變流器單元串、并聯(lián)使用。尋著這兩種思路，可以把大功率電力電子變流器裝置的拓樸結(jié)構(gòu)分為兩類:
(1) 以器件串、并聯(lián)為基礎(chǔ)的橋臂擴(kuò)展型結(jié)構(gòu);
(2) 以變流單元電路串、并聯(lián)為基礎(chǔ)的多單元變流器結(jié)構(gòu)。這種分類方式從電路構(gòu)成的角度揭示了各種拓樸結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系。按照這種分類方式，組合變流器與級聯(lián)型多電平變流器同屬于以變流單元電路串、并聯(lián)為基礎(chǔ)的多單元變流器結(jié)構(gòu)，在控制上有明顯的相似性。
1.1 高-低-高結(jié)構(gòu)
這種結(jié)構(gòu)將輸入的高壓經(jīng)降壓變壓器變成380v的低電壓，然后用普通變頻器進(jìn)行變頻，再由升壓變壓器將電壓變回高壓。很明顯，該種高壓變頻裝置的優(yōu)點(diǎn)是可利用現(xiàn)有的低壓變頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高壓變頻，易于實(shí)現(xiàn)，價(jià)格低；其缺點(diǎn)是使用了降壓和升壓2臺(tái)變壓器，系統(tǒng)體積大、成本高、效率低、低頻時(shí)能量傳輸困難等。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 高－低－高變頻器結(jié)構(gòu)
1.2 多管直接串聯(lián)的兩電平變換電路
將器件串、并聯(lián)使用，是滿足系統(tǒng)容量要求的一個(gè)簡單直觀的辦法。串、并聯(lián)在一起的各個(gè)器件，被當(dāng)作單個(gè)器件使用，其控制也是完全相同的。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可利用較為成熟的低壓變頻器的電路拓?fù)?、控制策略和控制方? 其缺點(diǎn)是串聯(lián)開關(guān)管需要?jiǎng)討B(tài)均壓和靜態(tài)均壓，為什么呢？這是因?yàn)楦鞣N電力電子器件，即使同一批生產(chǎn)出來的同型號(hào)，同容量的器件，在靜態(tài)伏安特性和開關(guān)特性上也不完全相同，當(dāng)具有這樣特性的兩個(gè)元件串聯(lián)，在阻斷狀態(tài)及相同的漏電流下，器件承受的電壓不同，因而電源電壓的波動(dòng)就可能造成器件的損壞。此外，串聯(lián)器件由于開、關(guān)時(shí)間不一致，最后開通或最先關(guān)斷的器件將承受全部電源電壓，這就必然影響到它的可靠運(yùn)行，所以電力電子器件串聯(lián)運(yùn)行時(shí)應(yīng)有相應(yīng)的均壓措施?？墒蔷鶋弘娐肥瓜到y(tǒng)復(fù)雜化、損耗增加、效率下降。同時(shí)，為使串聯(lián)器件同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，對驅(qū)動(dòng)、控制電路的要求也大大提高，還需要解決dv/dt，抗共模電壓技術(shù)、正弦波濾波技術(shù)等問題。國內(nèi)成都佳靈電氣制造有限公司生產(chǎn)的高壓變頻器采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并申請了專利，解決了igbt直接串聯(lián)的世界難題，代表了高壓變頻器的一個(gè)發(fā)展方向。其拓樸結(jié)構(gòu)如圖6所示，它完全舍棄了輸入輸出變壓器，使得igbt直接串聯(lián)高壓變頻器成為目前世界上體積與占地面積最小的產(chǎn)品。
圖6 igbt直接串聯(lián)高壓變頻器
1.3 二極管箝位型三電平變換電路
為了解決器件直接串聯(lián)時(shí)所需要的均壓問題，逐漸發(fā)展出以器件串、井聯(lián)為基礎(chǔ)，各器件分別控制的變流器結(jié)構(gòu); 在這方面，日本學(xué)者a.nabae于1983年提出的中點(diǎn)箝位型pwm逆變電路結(jié)構(gòu)具有開創(chuàng)性的意義。二極管箝位型變流器的結(jié)構(gòu)如圖7所示，該變流器的輸出相電壓為三電平。如果去掉兩個(gè)箝位二極管，這種變流器就是用兩個(gè)功率器件串聯(lián)使用代替單個(gè)功率器件的半橋逆變電路。由于兩個(gè)箝位二極管的存在，各個(gè)器件能夠分別進(jìn)行控制，因而避免了器件直接串聯(lián)引起的動(dòng)態(tài)均壓問題。與普通的二電平變流器相比，由于輸出電壓的電平數(shù)有所增加，每個(gè)電平幅值相對降低，由整個(gè)直流母線電壓降為一半直流母線電壓，在同等開關(guān)頻率的前提下，可使輸出波形質(zhì)量有較大的改善，輸出dv/dt也相應(yīng)下降，因此中點(diǎn)箝位型變流器顯然比普通二電平變流器更具優(yōu)勢。
圖7 二極管箝位型三電平變頻器
增加分壓電容、箝位二極管、功率開關(guān)管可以得到多電平變換電路。若要得到m電平，則需要(m-l)個(gè)直流分壓電容，每一橋臂需要2(m-l)主開關(guān)器件和(m-l)×(m-2)個(gè)箝位二極管。在需要四象限可逆運(yùn)行的場合，可將兩組相同的多電平變換器按照“背靠背”的方式進(jìn)行連接。
二極管箝位型變流器同時(shí)具有多重化和脈寬調(diào)制的優(yōu)點(diǎn):輸出功率大，器件開關(guān)頻率低，等效開關(guān)頻率高; 交流側(cè)不需要變壓器連接，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，傳輸帶寬較寬等。
缺點(diǎn)是:
l 箝位二極管的耐壓要求較高，數(shù)量龐大。對于m電平變流器，如果使每個(gè)二極管的耐壓等級相同，每相所需的二極管數(shù)量為(m-1)×(m-2)。這些二極管不但大大提高了成本，而且會(huì)在線路安裝方面造成相當(dāng)?shù)睦щy；因此在實(shí)際應(yīng)用中一般僅限于7電平或9電平變流器的研究。
l 開關(guān)器件的導(dǎo)通負(fù)荷不一致?？拷妇€的開關(guān)和靠近輸出端的導(dǎo)通負(fù)荷不平衡，這樣就導(dǎo)致開關(guān)器件的電流等級不同。在電路中，如果按導(dǎo)通負(fù)荷最嚴(yán)重的情況設(shè)計(jì)器件的電流等級，則每相有2×(m-2)個(gè)外層器件的電流等級過大，造成浪費(fèi)。
l 在變流器進(jìn)行有功功率傳送的時(shí)候，直流側(cè)各電容的充放電時(shí)間各不相同，從而造成電容電壓不平衡，增加了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制的難度。
1.4 飛跨電容箝位型5電平變換電路
圖8所示為飛跨電容5電平變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
圖8 飛跨電容箝位型5電平變換電路
圖9 電容電壓自平衡式5電平單相變換電路
通過圖7和圖8的比較不難看出，飛跨電容箝位型5電平主電路只是用飛跨電容取代箝位二極管，因此其工作原理與二極管箝位電路相似。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖省去了大量的二極管，但又引入了不少電容。對高壓系統(tǒng)而言，電容體積大、成本高、封裝難。不過在電壓合成方面，由于電容的引進(jìn)，開關(guān)狀態(tài)的選擇更加靈活，使電壓合成的選擇增多，通過在同一電平上不同開關(guān)狀態(tài)的組合，可使電容電壓保持均衡。由此可知，電容箝位型多電平變流器的電平合成自由度和靈活性高于二極管箝位型多電平變流器。其優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)方式靈活、對功率器件保護(hù)能力較強(qiáng)，既能控制有功功率，又能控制無功功率，適合高壓直流輸電系統(tǒng)等，但控制方法非常復(fù)雜，而且開關(guān)頻率增高，開關(guān)損耗增大，效率隨之降低。其主要缺點(diǎn)是:
l 需要大量的存儲(chǔ)電容。如果所有電容器的電壓等級都與主功率器件的相同，那么一個(gè)m電平的電容箝位型多電平變流器每相橋臂需要(m-1)×(m-2)/2個(gè)輔助電容，而直流側(cè)上還需要(m-1)個(gè)電容。電平數(shù)較高時(shí)就增加了安裝的難度，同時(shí)也增加了造價(jià)。
l 為了使電容的充放電保持平衡，對于中間值電平需要采用不同的開關(guān)組合。這就增加了系統(tǒng)控制的復(fù)雜性，器件的開關(guān)頻率和開關(guān)損耗大。
l 同二極管箝位型多電平變流器一樣，電容箝位型多電平變流器也存在導(dǎo)通負(fù)荷不一致的問題。
1.5 電容自舉多電平變換電路
這種結(jié)構(gòu)是2000年由peng fangzheng首次提出的[4]，是以電容箝位的半橋結(jié)構(gòu)為基本單元組成的。多級電路是由基本單元按金字塔結(jié)構(gòu)形成的。圖9為5電平的電容電壓自平衡式逆變器。在圖8中，開關(guān)器件sp1，sp2，sp3，sp4，sn1，sn2，sn3，sn4和二極管dp1，dp2，dp3，dp4，dn1，dn2，dn3，dn4用來在輸出端輸出所需電平，其它開關(guān)器件、二極管和電容用于電平箝位以實(shí)現(xiàn)單元的自動(dòng)均壓。
這種結(jié)構(gòu)與上述的二極管箝位式和飛跨電容箝位式結(jié)構(gòu)比較有以下優(yōu)點(diǎn):
l 實(shí)現(xiàn)了電容電壓的自動(dòng)箝位，不需要復(fù)雜的電容電壓平衡控制算法；
l 將此結(jié)構(gòu)的輸出端和輸入端交換，可以用相同電路實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，所以，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，可以實(shí)現(xiàn)dc/dc，dc/ac，ac/dc的功率轉(zhuǎn)換。
這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是:
l 當(dāng)電平增加時(shí)，所需要的電容和功率開關(guān)管數(shù)目會(huì)增加許多，使得系統(tǒng)成本和體積增大；
l 由于使用了大量的功率開關(guān)和箝位電容，使得電路在工作時(shí)的開關(guān)損耗增大；
l 隨著電路級數(shù)的增加，由于功率開關(guān)的通態(tài)壓降引起的每級電壓降落將越來越明顯。
1.6 多個(gè)獨(dú)立直流電壓源的級聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖10為串聯(lián)h橋多電平主電路變換器的示意圖。每相串聯(lián)的單元數(shù)為m,則輸出相電壓波形所含電平數(shù)為2m+1。設(shè)每個(gè)h橋開關(guān)函數(shù)為hk(k=1,2,…,m)，開關(guān)狀態(tài)是s1，s2，s3，s4，那么輸出電壓vok和它們之間的關(guān)系可用表2來表示。圖11為級聯(lián)型等于3的7電平輸出電壓波形。
圖10 級聯(lián)型多電平變換電路
圖11 級聯(lián)型7電平輸出電壓波形
注: s1，s4=1 表示功率開關(guān)s1，s4開通;
s1，s4=0 表示功率開關(guān)s1，s4關(guān)斷。
這是一種較為新穎的多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。級聯(lián)型多電平變流器，采用若干個(gè)低壓pwm變流單元直接級聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)高壓輸出，有這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的電壓源型變頻器由美國羅賓康公司發(fā)明并申請專利，取名為完美無諧波變頻器，我國北京利德華福等公司生產(chǎn)的高壓變頻器也是采用這種結(jié)構(gòu)。該變頻器結(jié)構(gòu)具有對電網(wǎng)諧波污染小、輸入功率因數(shù)高、不必采用輸入諧波濾波器和功率因數(shù)補(bǔ)償裝置。輸出波形好，不存在由諧波引起的電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電動(dòng)機(jī)。
這種多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有一個(gè)特點(diǎn): 即電路的每個(gè)基本單元都需要用一個(gè)獨(dú)立的直流電源來實(shí)現(xiàn)箝位功能，雖然使用單獨(dú)的直流電源可以使電路的各個(gè)單元彼此隔離，從而解決單元級聯(lián)時(shí)的動(dòng)態(tài)均壓和電壓箝位問題，但是隨著輸出波形電平數(shù)的增加, 所需要的直流電源數(shù)也將增加，因此這既是級聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn), 也是它的一個(gè)缺點(diǎn)。
從表2可以得到單個(gè)h橋輸出電壓vok，輸入電流iin,k(流過直流母線上的電流)用下式表示:
式中:為功率因數(shù)角;
io為輸出電流;
ipk為輸出電流峰值;
k表示第k號(hào)h橋單元。
這種結(jié)構(gòu)相對于傳統(tǒng)中點(diǎn)箝位逆變電路具有下列優(yōu)點(diǎn):
l 直流側(cè)采用相互分離的直流電源，不存在電壓均衡問題;
l 結(jié)構(gòu)簡單清晰，控制方法相對簡單，可分別對每級進(jìn)行pwm控制;
l 無需箝位二極管或箝位電容，易于封裝、模塊化，單元模塊化為實(shí)際安裝、使用、故障維護(hù)提供了很大便利，當(dāng)h橋出現(xiàn)故障，可將其旁路，余下的單元可以繼續(xù)工作;
l 不存在中間直流電壓中性點(diǎn)偏移問題。
然而串級電路結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)也比較明顯:
l 電路的每個(gè)基本單元都要用一個(gè)獨(dú)立的直流電源來實(shí)現(xiàn)箝位功能。雖然使用單獨(dú)的直流電源可以使電路的各個(gè)單元彼此隔離，從而解決單元串聯(lián)時(shí)的動(dòng)態(tài)均壓和電壓箝位問題，但隨著電平數(shù)增加，串級電路單元使用的直流電源數(shù)也將大量增加。
l 使用的功率單元及功率器件數(shù)量較多, 增加了設(shè)備投入, 造價(jià)昂貴, 裝置的體積大, 需要占用一定的安裝空間。
l 無法實(shí)現(xiàn)能量回饋及四象限運(yùn)行，只適用于風(fēng)機(jī)、水泵等一般不要求四象限運(yùn)行的設(shè)備。
1.7 不對稱的混合級聯(lián)型多電平變換電路
全橋級聯(lián)型多電平逆變技術(shù)中獨(dú)立直流電源采用的是電壓等級相同的電源，為了增加輸出波形電平數(shù)，往往要大量增加獨(dú)立直流電源數(shù)量。為了簡化電路拓?fù)?，同時(shí)結(jié)合igbt和gto等功率開關(guān)器件兩者的優(yōu)點(diǎn)(開關(guān)速度快的器件，例如mosfet、igbt的電壓容量比較低，而高電壓容量的器件，例如gto、igct的開關(guān)頻率又較低)?？梢圆捎锚?dú)立直流電源電壓不等的級聯(lián)式多電平逆變技術(shù)。這種結(jié)構(gòu)是傳統(tǒng)功率單元級聯(lián)型多電平逆變電路的推廣，可以用更少的單元得到更多的輸出電平。其電路拓?fù)淙鐖D12所示，其一個(gè)單元使用igbt，另一個(gè)單元使用igct，igct單元上的電壓2倍于igbt單元。在控制上，以基波開關(guān)igct，以pwm方式調(diào)制igbt。比起功率單元級聯(lián)型逆變電路，這種不對稱的混合級聯(lián)型多電平電路有一個(gè)優(yōu)點(diǎn):由于2個(gè)單元預(yù)先給定的電壓不同，igbt單元和igct單元可以通過控制各自功率器件的開斷來相互協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)單相7電平的輸出，如圖13所示，這種結(jié)構(gòu)達(dá)到了用更少的單元得到更多電平的目的。
圖12 混合級聯(lián)型多電平變換電路
圖13 改進(jìn)型級聯(lián)逆變器輸出波形
1.8 組合型多電平變換器
圖14為組合型混合多電平變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。逆變端是由一個(gè)gto變頻器和一個(gè)中心點(diǎn)箝位(npc)igbt三電平變頻器構(gòu)成，兩個(gè)變頻器共用一個(gè)直流電壓源，通過變壓器(傳輸比1:1)串行連接起來。gto變頻器工作在方波模式，其開關(guān)頻率和參考輸出頻率一致，因而開關(guān)損耗小。相反，igbt變頻器以較高的開關(guān)頻率工作在pwm模式下，兩者結(jié)合起來，輸出電平可以達(dá)到9個(gè)，因而輸出波形非常接近正弦波，如圖15所示。系統(tǒng)的輸出電壓大部分由gto變頻器產(chǎn)生，大約為63.7%，igbt變頻器的功能則是產(chǎn)生剩余的輸出電壓，同時(shí)還對gto變頻器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行補(bǔ)償。這種電路顯然也是結(jié)合了igbt和gto等元器件的優(yōu)點(diǎn)，但它不同于混合級聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的是輸出端不是直接級聯(lián)，而是通過變壓器進(jìn)行疊加而成。
圖14 組合型多電平變換器拓?fù)?/P>
圖15 組合型變換器輸出電壓仿真波形
隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)及電機(jī)控制理論的發(fā)展，當(dāng)然也少不了各國學(xué)者的科研努力，人們對功率變換規(guī)律更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，以后會(huì)出現(xiàn)更新、更好的新型電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，特別是近年來“電力電子積木”pebb（power electronics building block）技術(shù)的興起，使多個(gè)功率器件的集成化和低成本化逐步成為可能，也為多電平變換電路拓?fù)涞陌l(fā)展提供了有力的技術(shù)支持，從而引起中高壓功率變換技術(shù)的更大發(fā)展。
2 大功率電力電子變流裝置的控制策略
開關(guān)調(diào)制策略的選擇對于變流器而言，是至關(guān)重要的。對于上面談到的大功率電力電子裝置來說，目前有以下幾種開關(guān)調(diào)制策略:階梯波脈寬調(diào)制、特定諧波消去法、基于載波組的pwm技術(shù)、多電平電壓空間矢量調(diào)制、載波相移pwm技術(shù)等。衡量一種開關(guān)調(diào)制策略的優(yōu)劣，一般從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析:變流器輸出的諧波特性、器件的開關(guān)頻率、動(dòng)態(tài)輸出特性及傳輸帶寬等。下面，就從這幾個(gè)方面依次分析上面提到的幾種開關(guān)調(diào)制策略。
2.1 階梯波調(diào)制
階梯波調(diào)制就是用階梯波來逼近正弦波，這是一種比較直觀的方法。在階梯波調(diào)制中，可以通過選擇每一個(gè)電平持續(xù)時(shí)間的長短，來實(shí)現(xiàn)諧波的消除和抑制。這種策略的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單、開關(guān)頻率最低(等于基波頻率)，因而效率高。主要缺點(diǎn)是輸出電壓的調(diào)節(jié)依靠直流母線電壓或移相角，輸出中仍含有較多的低次諧波分量。為了減少低次諧波含量，可以采用低次諧波含量最少原則法來產(chǎn)生階梯波調(diào)制。另外這種方法用于調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，因?yàn)檩敵鲱l率不斷變化，需要實(shí)時(shí)計(jì)算各h橋單元的導(dǎo)通時(shí)間，計(jì)算量非常大。
圖16 低次諧波最少原則法原理示意圖
圖16(a)中θ1、θ2、θ3、θ4的計(jì)算是按照低次諧波最少原則進(jìn)行的，因此其原理要求圖16(a)階梯波輸出波形面積等于正弦波面積，也就是圖16(b)中陰影面積相等。由于圖16（b）中θa、θb可以根據(jù)h橋模塊串聯(lián)數(shù)量計(jì)算可得，所以θ4可以通過下面的式子來計(jì)算得到:
2.2 特定諧波消去法
這種方法是將應(yīng)用于普通二電平變流器的定次諧波消去法引入多電平，其基本思想是通過傅立葉級數(shù)分析，得出在特定開關(guān)角下的傅立葉級數(shù)展開式，然后令某些特定的低次諧波為零，從而得到一個(gè)反映n個(gè)開關(guān)角的n個(gè)非線性獨(dú)立方程，按求解的開關(guān)角進(jìn)行控制，則必定不含這些特定的諧波。即把所需要的性能指標(biāo)構(gòu)造成目標(biāo)函數(shù)，以開關(guān)角為參考變量，尋求最優(yōu)的開關(guān)角，以消除選定的諧波。通常，這種方法著眼于消除低次諧波，因?yàn)楦叽沃C波的幅值較小，同時(shí)諧波頻率增高，濾波相對容易一些。這種方法具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):
l 在同樣的開關(guān)頻率下，可以產(chǎn)生最優(yōu)的輸出電壓波形，從而減小電流紋波和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從整體上提高控制性能;
l 波形質(zhì)量有所改善，減小了直流側(cè)電流紋波，使得直流側(cè)濾波器的尺寸有所減小;
l 利用特定諧波消去法可有效降低開關(guān)損耗, 提高轉(zhuǎn)換效率, 這一點(diǎn)對高壓大功率設(shè)備來講有特別的重要意義。
特定諧波消除法的困難在于必須采用牛頓迭代法求解一組非線性方程組，而且選取合適的初值是收斂的必要條件，這就決定了運(yùn)算要多花費(fèi)較多的時(shí)間，不利于在線計(jì)算，因而多采用離線計(jì)算。采用查表法取得開關(guān)切換時(shí)刻，這就需要較大的數(shù)據(jù)表格。隨著以dsp為代表的高速計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和一些優(yōu)化算法的出現(xiàn)，在線求解非線性方程組已不是難事，因而在線計(jì)算諧波消除法成為可能；另一方面，廉價(jià)大容量存儲(chǔ)芯片的出現(xiàn)，也為基于查表法的離線特定諧波消除法來實(shí)現(xiàn)在寬頻率范圍內(nèi)的高性能功率處理提供了更好的基礎(chǔ)。
下面將闡述一下諧波消去法的算法。由于輸出電壓脈沖序列滿足dirichlet定理, 因而可表示為如下傅立葉級數(shù):
考慮到多電平功率變換器主要用于高壓大功率場合，只需考慮三相的情況，所以，只要消除低頻次非3倍頻次諧波。
2.3 基于載波組的pwm技術(shù)
這種控制方式適用于二極管箝位型多電平變流器?；驹硎窃趎電平變流器中，n-1個(gè)具有相同頻率和相同幅值的三角載波并排放置，形成載波組，以載波組的水平中線作為參考零線，共同的調(diào)制波與其相交，得到相應(yīng)的開關(guān)信號(hào)。這種控制方式下，變流器的輸出特性良好，器件的開關(guān)頻率較低而等效開關(guān)頻率較高，輸入輸出成線性關(guān)系，能夠輸出一定的帶寬；但器件的導(dǎo)通負(fù)荷不一致，尤其在深調(diào)制的情況下，處于變流器外圍的功率器件幾乎不導(dǎo)通，而內(nèi)部的功率器件開關(guān)頻率較高。為解決在深調(diào)制下出現(xiàn)的這種情況，也出現(xiàn)一些改進(jìn)的控制方式。至于調(diào)制波，可以采用標(biāo)準(zhǔn)正弦波，也可以采用采用三次諧波注入正弦波，目的是為了提高直流母線電壓的利用率，圖17為它們的示意圖。
圖17 載波組的pwm技術(shù)原理
2.4 多電平電壓空間矢量調(diào)制
這是常規(guī)的二電平電壓空間矢量調(diào)制技術(shù)(svm)在多電平變流器上的擴(kuò)展應(yīng)用。常規(guī)的二電平svm技術(shù)是根據(jù)不同的開關(guān)組合方式，生成八個(gè)電壓空間矢量，其中六個(gè)非零矢量，兩個(gè)為零矢量; 在空間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，對于任意時(shí)刻的矢量由相鄰的兩個(gè)非零矢量合成，通過在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)對兩個(gè)非零矢量和零矢量的作用時(shí)問進(jìn)行優(yōu)化安排，得到pwm輸出波形。對于多電平svm技術(shù)，其基本原理與二電平svm技術(shù)相似，只是開關(guān)組合的方式隨著電平數(shù)的增加而有所增加; 其規(guī)律是對干m電平變流器，其電壓空間矢量的數(shù)目為m3個(gè)，當(dāng)然這些電平中有些在空間上是重合的。比如對于三電平變流器，如圖18所示。其電壓空間矢量的數(shù)目為27個(gè)，有24種非零矢量(6種空間位置重合)，即有獨(dú)立的電壓空間矢量為19個(gè)，一個(gè)零矢量(三種零矢量重合)。根據(jù)模長的不同，可將27種空間矢量分為長矢量、中矢量、短矢量和零矢量四種。24種非零矢量將空間分成12個(gè)30°的區(qū)域。同樣的，在空間旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下，對于任意時(shí)刻的矢量由相鄰的三個(gè)非零矢量合成，在一個(gè)開關(guān)調(diào)制周期內(nèi)對三個(gè)非零矢量與零矢量的作用時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化安排，得到pwm輸出波形。由于隨著電平數(shù)與電壓空間矢量的數(shù)目之間是立方關(guān)系，所以多電平svm技術(shù)在電平數(shù)較高時(shí)受到很大限制; 因此目前多電平svm技術(shù)的研究一般只限于五電平以下。
圖18 三相三電平空間矢量圖
從圖7三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，每個(gè)橋臂共有四個(gè)主開關(guān)vta1、vta1′、vta2、vta2′, 這4個(gè)主開關(guān)可構(gòu)成4個(gè)開關(guān)邏輯，但4個(gè)開關(guān)邏輯中真正對逆變器輸出起決定作用的獨(dú)立邏輯卻僅有2個(gè)(vta1、vta1′)，另外2個(gè)邏輯(vta2、vta2′)可由前面2個(gè)獨(dú)立邏輯運(yùn)算得出。由于vta1、vta1′、vta2、vta2′的宏觀邏輯互反關(guān)系，也同時(shí)確立了它們之間的互鎖關(guān)系。換言之，控制系統(tǒng)只需要發(fā)出vta1、vta1′信號(hào)就可以通過硬件的三變六電路得到最終所需要的12個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)(如tms320f2407dsp)。
(1) 矢量合成過程中，其逼近原則具有的特點(diǎn)
l 從某一短矢量出發(fā)并在第四段返回其對偶短矢量（每個(gè)短矢量均以成對方式出現(xiàn)，故稱為對偶短矢量），然后按相反的規(guī)律再回到起始短矢量;
l 矢量變化過程中保證最優(yōu)矢量組中每個(gè)矢量至少采用1次;
l 每次矢量變化時(shí)僅有1位(一相)發(fā)生變化，它表明三相逆變器的3個(gè)橋臂在每個(gè)時(shí)間段僅有1個(gè)橋臂發(fā)生邏輯輸出變化，從而使逆變器按最低的載波頻率工作;
l 狀態(tài)變化服從最小變化原理, 即從z←→p或z←→n，不會(huì)出現(xiàn)p←→n之間的突變。它保證了逆變器線電壓輸出dv/dt最小。事實(shí)上，該原則還有一個(gè)最大特點(diǎn)是它已經(jīng)把npc的開關(guān)時(shí)序與微控制器(如tms320f2407dsp)的數(shù)字pwm功能結(jié)合起來，有利于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。
(2) 空間矢量脈寬調(diào)制具有的優(yōu)勢
l 在大范圍的調(diào)制比內(nèi)具有很好的性能;
l 無須大量的存儲(chǔ)空間來存放角度值;
l 結(jié)構(gòu)簡單，控制方便;
l 直流母線電壓利用率高;
l 不僅可以降低輸出諧波含量，更具有靈活, 實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，故而成為國際上最流行的波形生產(chǎn)手段。缺點(diǎn)是中間電容電壓平衡問題和窄脈沖問題。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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