高性能大容量交流電機(jī)調(diào)速節(jié)能技術(shù)---現(xiàn)狀及展望

1.2.4 層疊式多單元結(jié)構(gòu)(SMC)

SMC結(jié)構(gòu)如圖9所示，這種結(jié)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)高壓、多電平輸出[12][13]。這種結(jié)構(gòu)相比一般電容箝位型結(jié)構(gòu)有一定的優(yōu)勢，可以使用更少個(gè)數(shù)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(yīng)用中。

SMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是基于跨接電容和開關(guān)組成的基本換流單元的一個(gè)混合結(jié)構(gòu)。圖10為兩層疊兩單元變換器的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把兩個(gè)電容箝位型單元疊加起來，圖中S21a、S21b和S21為互補(bǔ)開關(guān)，不能同時(shí)開通，同樣其他開關(guān)也有類似的互補(bǔ)開關(guān)對(duì)。上層和下層采用類似電容箝位型的開關(guān)方法，就可以實(shí)現(xiàn)多電平的輸出。

但是，這個(gè)結(jié)構(gòu)也有一些缺點(diǎn)：為了滿足最底層和頂層一方開通時(shí)的耐壓要求，拓?fù)渲型鈧?cè)功率開關(guān)都是兩管直接串聯(lián)，帶來了開通和關(guān)斷同步問題，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，浪費(fèi)了功率器件的耐壓容量，而且當(dāng)需要進(jìn)一步升壓，層疊數(shù)超過兩層時(shí)，開關(guān)數(shù)量會(huì)大大增加，電容也會(huì)增多;同時(shí)，這類拓?fù)涞?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/控制">控制方法也比較復(fù)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(duì)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(shù)目同等增加即可，如圖11所示。其特點(diǎn)是：

1)直流側(cè)采用電壓相同但相互隔離的直流電源，不存在電壓均衡問題，無須二極管或電容箝位，易于進(jìn)行調(diào)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，因此需要用較大容量的直流電容;

3)控制方法相對(duì)簡單，因每一級(jí)結(jié)構(gòu)的相同性，可分別對(duì)每一級(jí)進(jìn)行PWM 控制，然后進(jìn)行波形重組;

4)對(duì)相同電平數(shù)而言，串聯(lián)型結(jié)構(gòu)所需器件數(shù)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(jié)構(gòu)因無二極管和電容的限制，電平數(shù)可較大，適合更高電壓，諧波含量更少;

6)由于每一級(jí)逆變橋構(gòu)造相同，給模塊化設(shè)計(jì)和制造帶來方便，且裝配簡單，系統(tǒng)可靠性高。另外，某一級(jí)逆變橋出現(xiàn)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(jié)構(gòu)較容易采用低壓的功率開關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)多級(jí)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(dāng)然，這種結(jié)構(gòu)的不足之處在于需要很多隔離的直流電源，應(yīng)用受到一定限制。

目前，國際上很多著名的電氣公司包括羅賓康、東芝、ANSLADO、三菱都已經(jīng)具有同類的產(chǎn)品，可以用在大容量電機(jī)調(diào)速、無功補(bǔ)償?shù)纫恍┬袠I(yè)。國內(nèi)也有產(chǎn)品問世，可用于拖動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵等調(diào)速系統(tǒng)中。

1.2.6 三相逆變器串聯(lián)式結(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)。其主要思想是用變壓器將三個(gè)由IGBT或IGCT構(gòu)成的常規(guī)逆變器單元的輸出疊加起來，實(shí)現(xiàn)更高壓的輸出，并且這三個(gè)常規(guī)逆變器可采用同一種控制方式，電路結(jié)構(gòu)和控制方法都大大簡化。其拓?fù)淙鐖D12所示。

這種三相逆變器串聯(lián)式逆變器結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：

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

2)三個(gè)常規(guī)的逆變器平衡運(yùn)行，各分擔(dān)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?cè)萘康?/3;

5)18脈沖輸入，網(wǎng)側(cè)無諧波且功率因數(shù)高。

由于三相逆變器串聯(lián)式結(jié)構(gòu)的三個(gè)逆變器電壓、電流和功率完全對(duì)稱，三個(gè)逆變器可采用完全相同的控制規(guī)律，但是相當(dāng)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(hào)相互錯(cuò)開1/3周期的辦法，對(duì)SPWM來說就是三個(gè)逆變器各自采用一個(gè)三角波，相位互差120°，相當(dāng)于一個(gè)線電壓為7電平的高頻變壓器。電機(jī)線電壓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問題，比較適合應(yīng)用于無功調(diào)節(jié)，而在有功傳遞，如電機(jī)調(diào)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(tǒng)不需要大量的變壓器，結(jié)構(gòu)緊湊，功率因數(shù)高，無電磁干擾，損耗低，在多電平逆變器實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域上引起了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。在輸入變壓器成本允許的前提下，串聯(lián)型結(jié)構(gòu)以較低耐壓器件實(shí)現(xiàn)高壓大容量，由于電平數(shù)可以很多，網(wǎng)側(cè)和輸出側(cè)諧波很低，若采用四象限整流，并與現(xiàn)代電機(jī)控制理論結(jié)合，高性能四象限大容量交流電機(jī)變頻調(diào)速將成為可能，其在交流傳動(dòng)領(lǐng)域的應(yīng)用將很樂觀。三相逆變器串聯(lián)式可以保證均衡利用功率和變轉(zhuǎn)矩負(fù)載條件的運(yùn)行，并且對(duì)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(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2 PWM 控制技術(shù)

大功率逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷更新的同時(shí)，與之相應(yīng)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(duì)傳統(tǒng)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(tǒng)的PWM控制技術(shù)及其發(fā)展

傳統(tǒng)的PWM 控制技術(shù)多用于兩電平逆變器的門極驅(qū)動(dòng)控制，其主要方法是依靠載波和調(diào)制波的比較，得出交點(diǎn)，或采用微機(jī)計(jì)算方法得到門極觸發(fā)脈沖控制信號(hào)。正弦脈寬調(diào)制SPWM，調(diào)制波為正弦波，實(shí)現(xiàn)的典型方法有自然采樣PWM，規(guī)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(diào)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(jù)結(jié)構(gòu)的不同，實(shí)現(xiàn)的方法也不同。

2.2 優(yōu)化PWM技術(shù)

近年來，優(yōu)化PWM技術(shù)得到了迅速發(fā)展。它是根據(jù)諧波含量，諧波畸變率(THD)最小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小等目標(biāo)函數(shù)，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，開關(guān)次數(shù)少及可實(shí)現(xiàn)特定優(yōu)化目標(biāo)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(duì)每個(gè)開關(guān)器件的控制規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化以提高整體性能，降低電機(jī)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(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的理想磁通為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式所產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)圓磁通，由比較結(jié)果決定逆變器的開關(guān)順序，形成所需的PWM波形。電壓矢量PWM法消除諧波效果類似于多電平SPWM。對(duì)于三電平、五電平逆變器，開關(guān)模式容易計(jì)算，易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)。但隨電平數(shù)增加，開關(guān)模式的計(jì)算量劇增，而且所需內(nèi)存增加很多。由于開關(guān)模式選擇冗余度大，選擇合適矢量，可達(dá)到消除共模電壓作用，而且對(duì)于二極管箝位式多電平逆變器，可消除或減小直流側(cè)電容電壓的不平衡性。

隨著多電平逆變器的出現(xiàn)，空間電壓矢量SVPWM有了進(jìn)一步的發(fā)展。比如對(duì)三電平中點(diǎn)箝位式逆變器，選取適當(dāng)?shù)目臻g矢量組合和電壓矢量導(dǎo)通時(shí)間，可得到很逼近圓形的磁通。根據(jù)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(diào)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(jī)能獲得更好的性能。同時(shí)，其良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使系統(tǒng)容量變大，可靠性提高，損耗減少。

三電平逆變器存在直流側(cè)的高壓，因此對(duì)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(cè)電容電壓的均衡問題是控制上比較棘手的地方。這種逆變器也存在網(wǎng)側(cè)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(jié)果。在某些場合(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(jié)論及展望

由于在功率器件研制及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面取得的突破性進(jìn)展，大容量交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)著嶄新的面貌，蘊(yùn)藏著巨大的發(fā)展機(jī)遇。

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

目前我國電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的特點(diǎn)是以低壓、小容量調(diào)速對(duì)象為主，高壓、高效的變頻調(diào)速裝置以進(jìn)口為主。面對(duì)節(jié)能、改善工藝的迫切需求和巨大的市場前景，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(zhàn)與機(jī)遇共存。國際上具有生產(chǎn)、研制新型大功率變頻調(diào)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)展的過程中一直是按部就班進(jìn)行的，形成了從功率半導(dǎo)體器件到整機(jī)生產(chǎn)的全套工業(yè)環(huán)節(jié)，市場慣性和企業(yè)本身的龐大機(jī)構(gòu)使得他們不會(huì)馬上轉(zhuǎn)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(duì)較小，包袱不大，可以馬上轉(zhuǎn)入最新技術(shù)的開發(fā)和利用，借鑒別人的經(jīng)驗(yàn)，跨過他們已經(jīng)走過的路程。

在最新領(lǐng)域取得研究成果的基礎(chǔ)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他們。從目前看，大容量交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)應(yīng)用的時(shí)機(jī)業(yè)已成熟，國內(nèi)只要在體制改革、生產(chǎn)管理和經(jīng)營決策方面走上軌道，其發(fā)展前途不可限量。