高性能大容量交流電機調速節(jié)能技術---現(xiàn)狀及展望

1.2.4 層疊式多單元結構(SMC)

SMC結構如圖9所示，這種結構也能實現(xiàn)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用中。

SMC拓撲結構是基于跨接電容和開關組成的基本換流單元的一個混合結構。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電容箝位型單元疊加起來，圖中S21a、S21b和S21為互補開關，不能同時開通，同樣其他開關也有類似的互補開關對。上層和下層采用類似電容箝位型的開關方法，就可以實現(xiàn)多電平的輸出。

但是，這個結構也有一些缺點：為了滿足最底層和頂層一方開通時的耐壓要求，拓撲中外側功率開關都是兩管直接串聯(lián)，帶來了開通和關斷同步問題，而且由于不是總工作在上述的兩個狀態(tài)，從另一個角度說，浪費了功率器件的耐壓容量，而且當需要進一步升壓，層疊數(shù)超過兩層時，開關數(shù)量會大大增加，電容也會增多;同時，這類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(shù)目同等增加即可，如圖11所示。其特點是：

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

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

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

4)對相同電平數(shù)而言，串聯(lián)型結構所需器件數(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)型結構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)由于每一級逆變橋構造相同，給模塊化設計和制造帶來方便，且裝配簡單，系統(tǒng)可靠性高。另外，某一級逆變橋出現(xiàn)故障時，就被旁路掉，剩余模塊可不間斷供電，以盡量減少生產損失。

因這種結構較容易采用低壓的功率開關器件，實現(xiàn)多級電壓串聯(lián)，獲得高電壓、大容量，因此具有較大的實用性。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，國際上很多著名的電氣公司包括羅賓康、東芝、ANSLADO、三菱都已經具有同類的產品，可以用在大容量電機調速、無功補償?shù)纫恍┬袠I(yè)。國內也有產品問世，可用于拖動風機、水泵等調速系統(tǒng)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由IGBT或IGCT構成的常規(guī)逆變器單元的輸出疊加起來，實現(xiàn)更高壓的輸出，并且這三個常規(guī)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)點是：

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

2)三個常規(guī)的逆變器平衡運行，各分擔總輸出功率的1/3;

3)整個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，網側無諧波且功率因數(shù)高。

由于三相逆變器串聯(lián)式結構的三個逆變器電壓、電流和功率完全對稱，三個逆變器可采用完全相同的控制規(guī)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逆變器的PWM 信號相互錯開1/3周期的辦法，對SPWM來說就是三個逆變器各自采用一個三角波，相位互差120°，相當于一個線電壓為7電平的高頻變壓器。電機線電壓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，比較適合應用于無功調節(jié)，而在有功傳遞，如電機調速方面控制較難，需要實施額外的算法。電壓自平衡的P2多電平系統(tǒng)不需要大量的變壓器，結構緊湊，功率因數(shù)高，無電磁干擾，損耗低，在多電平逆變器實現(xiàn)的領域上引起了廣泛的關注和應用。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現(xiàn)高壓大容量，由于電平數(shù)可以很多，網側和輸出側諧波很低，若采用四象限整流，并與現(xiàn)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，其在交流傳動領域的應用將很樂觀。三相逆變器串聯(lián)式可以保證均衡利用功率和變轉矩負載條件的運行，并且對電網諧波污染小，可很好地用于中壓(2 300～4 160 V)的交流

電機調速驅動系統(tǒng)。

2 PWM 控制技術

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

2.1 傳統(tǒng)的PWM控制技術及其發(fā)展

傳統(tǒng)的PWM 控制技術多用于兩電平逆變器的門極驅動控制，其主要方法是依靠載波和調制波的比較，得出交點，或采用微機計算方法得到門極觸發(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，若采用兩個正弦波與一個三角波比較，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，實現(xiàn)的方法也不同。

2.2 優(yōu)化PWM技術

近年來，優(yōu)化PWM技術得到了迅速發(fā)展。它是根據諧波含量，諧波畸變率(THD)最小，轉矩脈動最小等目標函數(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，如電壓利用率高，開關次數(shù)少及可實現(xiàn)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逆變器的特點對每個開關器件的控制規(guī)律進行優(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，是以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機的理想磁通為基準，用逆變器不同的開關模式所產生的實際磁通去逼近基準圓磁通，由比較結果決定逆變器的開關順序，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。對于三電平、五電平逆變器，開關模式容易計算，易于數(shù)字化實現(xiàn)。但隨電平數(shù)增加，開關模式的計算量劇增，而且所需內存增加很多。由于開關模式選擇冗余度大，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。

隨著多電平逆變器的出現(xiàn)，空間電壓矢量SVPWM有了進一步的發(fā)展。比如對三電平中點箝位式逆變器，選取適當?shù)目臻g矢量組合和電壓矢量導通時間，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，其良好的拓撲結構使系統(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題是控制上比較棘手的地方。這種逆變器也存在網側的諧波，用特殊的處理方法，比如雙PWM技術可以得到很好的結果。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展，大容量交流電機調速技術的發(fā)展呈現(xiàn)著嶄新的面貌，蘊藏著巨大的發(fā)展機遇。

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

目前我國電動機調速技術的特點是以低壓、小容量調速對象為主，高壓、高效的變頻調速裝置以進口為主。面對節(jié)能、改善工藝的迫切需求和巨大的市場前景，國產高壓大功率變頻器產品的生產還基本上剛剛起步。然而，困難與希望同在，挑戰(zhàn)與機遇共存。國際上具有生產、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發(fā)展的過程中一直是按部就班進行的，形成了從功率半導體器件到整機生產的全套工業(yè)環(huán)節(jié)，市場慣性和企業(yè)本身的龐大機構使得他們不會馬上轉產全新的產品。而我國是一個新興的發(fā)

展中國家，盡管在老技術方面有一些投資，但投資相對較小，包袱不大，可以馬上轉入最新技術的開發(fā)和利用，借鑒別人的經驗，跨過他們已經走過的路程。

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