二極管箝位中壓三電平變頻器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1緒論

　　中壓大功率傳動系統(tǒng)已在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，例如石化行業(yè)中的管道泵、水泥行業(yè)中的風(fēng)機(jī)、水泵站的供水泵、運(yùn)輸行業(yè)中的牽引機(jī)械以及冶金行業(yè)中的軋機(jī)等。與低壓傳動相比，中壓傳動在很多方面都有更高的技術(shù)要求和挑戰(zhàn)。德國學(xué)者Holtz于1977年提出了三電平逆變器的電路拓?fù)?，其中每相橋臂帶一對開關(guān)管，以輔助中點(diǎn)箱位。后來，1980年日本學(xué)者Nabae在此基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)展，將這些輔助開關(guān)變?yōu)橐粚?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/二極管">二極管，分別與上下橋臂串聯(lián)的主管中點(diǎn)相連，以輔助中點(diǎn)箱位。該電路比前者更易于控制，且主管關(guān)斷時(shí)僅承受直流母線一半的電壓，因此更為實(shí)用。

　　2三電平變頻器主回路設(shè)計(jì)

　　三電平變頻器主電路示意圖如圖1所示。其中，移相變壓器一次為△接，二次側(cè)分別為Y接和△接的兩個對稱繞組。兩個二次繞組的輸出分別經(jīng)過兩個完全相同的6 脈波整流單元形成12脈波整流器。12脈波整流器可使各6脈波二極管整流器產(chǎn)生的低次諧波相互抵消，從而降低網(wǎng)側(cè)電流的諧波畸變，提高網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)。一般來說，二極管整流器脈波數(shù)目越多，輸出網(wǎng)側(cè)電流的諧波畸變越小。但在實(shí)際產(chǎn)品中很少采用脈波數(shù)多于30的二極管整流器，主要原因在于變壓器的成本會增加很多，而性能的改變卻不明顯。因此，本文采用12脈波二極管整流。

　　圖1 二極管箝位的三電平變頻器主回路

　　由圖1可見，每一個橋臂上有4個IGBT、2個箝位二極管和4個反向恢復(fù)二極管。以A相為例，當(dāng) 和 或者它們的體二極管導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)定子A相電壓為 ;當(dāng) 和 或者們的體二極管導(dǎo)通時(shí)，定子A相電壓為 ;當(dāng) 和 導(dǎo)通時(shí)，定子A相電壓為0。 和 不可能同時(shí)導(dǎo)通，哪一個導(dǎo)通取決于A相負(fù)載電流的方向。因此，對于三電平逆變器來說其交流側(cè)電壓有 、0、 3種狀態(tài)，3個橋臂進(jìn)行組合，共有 =27種開關(guān)狀態(tài)，即有27個空間電壓矢量。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不足之處在于：三電平及以上逆變器需要器件數(shù)量較多，控制復(fù)雜性明顯增加以及中性點(diǎn)電壓發(fā)生波動。

　　3 三電平變頻器控制回路設(shè)計(jì)

　　三電平變頻器控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。包括12路IGBT驅(qū)動電路、電壓、電流檢測電路、接口處理電路、DSP控制電路及人機(jī)交互界面等。

　　圖2 三電平變頻器控制系統(tǒng)框圖

　　其中，DSP控制電路按照人機(jī)界面輸入的電機(jī)參數(shù)及工作模式等指令輸出相應(yīng)的PWM驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)接口電路處理后由光纖發(fā)送至驅(qū)動電路。驅(qū)動電路接收光纖的信號并由專用的驅(qū)動芯片2SD315AI驅(qū)動IGBT。電壓、電流檢測分別采用LEM公司生產(chǎn)的高精度電壓霍爾和電流霍爾。電壓檢測包括正負(fù)母線電壓檢測和中點(diǎn)電壓檢測。檢測電路返回的電壓、電流值經(jīng)過接口電路處理整定后送給DSP控制電路進(jìn)行運(yùn)算。當(dāng)母線電壓或中點(diǎn)電壓波動超出允許范圍時(shí)，保護(hù)電路動作，封鎖IGBT信號，并通過人機(jī)界面顯示當(dāng)前報(bào)警。