1緒論
中壓大功率傳動(dòng)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(dòng)相比，中壓傳動(dòng)在很多方面都有更高的技術(shù)要求和挑戰(zhàn)。在低壓傳動(dòng)中，一些無足輕重甚至根本不存在的問題，在中壓傳動(dòng)中卻是必須解決的問題，這些技術(shù)難點(diǎn)大體包括：與網(wǎng)側(cè)整流器電能質(zhì)量相關(guān)的技術(shù)要求、與電動(dòng)機(jī)側(cè)逆變器設(shè)計(jì)相關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)、開關(guān)器件的限制和傳動(dòng)系統(tǒng)的整體要求等。傳統(tǒng)的兩電平逆變器在大功率應(yīng)用時(shí)存在許多問題：需要笨重、耗能、昂貴的變壓器；為了得到高質(zhì)量的輸出波形而提高開關(guān)頻率，造成很高的開關(guān)損耗，而為了適應(yīng)高電壓的要求，需采用器件串聯(lián)，因而需要復(fù)雜的動(dòng)態(tài)均壓電路。為此，德國學(xué)者Holtz于1977年提出了三電平逆變器的電路拓?fù)洌渲忻肯鄻虮蹘б粚?duì)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?duì)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(gè)對(duì)稱繞組。兩個(gè)二次繞組的輸出分別經(jīng)過兩個(gè)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?cè)叫 ５趯?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(huì)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(gè)橋臂上有4個(gè)IGBT、2個(gè)箝位二極管和4個(gè)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(gè)導(dǎo)通取決于A相負(fù)載電流的方向。因此，對(duì)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(gè)橋臂進(jìn)行組合，共有 =27種開關(guān)狀態(tài)，即有27個(gè)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(dòng)。
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(dòng)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(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)接口電路處理后由光纖發(fā)送至驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路接收光纖的信號(hào)并由專用的驅(qū)動(dòng)芯片2SD315AI驅(qū)動(dòng)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(dòng)超出允許范圍時(shí)，保護(hù)電路動(dòng)作，封鎖IGBT信號(hào)，并通過人機(jī)界面顯示當(dāng)前報(bào)警。
4 三電平電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)
多電平電壓空間矢量脈寬調(diào)制SVPWM方法和兩電平一樣，都是源于電動(dòng)機(jī)磁鏈跟蹤技術(shù)，采用電壓矢量等效合成逼近的方法，以電動(dòng)機(jī)磁鏈軌跡盡量逼近圓形為目標(biāo)，進(jìn)行具體的開關(guān)方式切換和控制。這種控制方法具有電壓利用率高，開關(guān)次數(shù)少，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。因此是目前國內(nèi)外中大功率變頻器中使用最廣泛的一種控制方法。
設(shè)異步電機(jī)由理想的三相對(duì)稱電壓源供電，即
（1）式中， 為電源電壓有效值， 為電源電壓的角頻率。因?yàn)閁、V、W三相在空間上互差 ，所以，采用電壓空間矢量的概念后，可表示如下：
圖3 三電平電壓空間矢量圖
圖4 第一扇區(qū)電壓空間矢量
由于空間矢量圖的對(duì)稱特性，只分析其中的一個(gè) 區(qū)域即可，如圖4中的大三角形。當(dāng)參考矢量落入某一個(gè)三角形區(qū)域中時(shí)，為了在輸出得到相應(yīng)頻率的正弦波電壓和減少輸出電壓的諧波含量，就用組成該三角形的三個(gè)矢量合成該參考矢量，各矢量的作用時(shí)間和參考矢量的關(guān)系，應(yīng)該滿足如下公式：
表1 電壓空間矢量調(diào)制方法矢量作用時(shí)間表
可以得到在1、2、3、4等區(qū)域內(nèi)各矢量作用時(shí)間，如表1 所示，其中 
。
在實(shí)際實(shí)現(xiàn)電壓空間矢量調(diào)制SVPWM方法時(shí)，首先需要根據(jù)參考電壓空間矢量的模長和相角判斷出參考電壓矢量的頂端落在哪一個(gè)扇區(qū)的哪一個(gè)區(qū)域，然后根據(jù)檢測到的直流母線電壓數(shù)值，該區(qū)域內(nèi)的電壓空間矢量和該區(qū)域的約束方程，計(jì)算出各電壓空間矢量的作用時(shí)間，最后根據(jù)時(shí)間順序輸出電壓空間矢量，即可以實(shí)現(xiàn) SVPWM調(diào)制，實(shí)現(xiàn)圓形磁通的逼近。
5 結(jié)論
多電平逆變器是一種新型的高壓大容量功率變換器，它的主要優(yōu)點(diǎn)是：電平數(shù)目越高，輸出的電壓諧波含量越低，開關(guān)頻率低，開關(guān)損耗小；器件應(yīng)力小，無須動(dòng)態(tài)均壓。三電平逆變器的結(jié)構(gòu)較簡單，其電路拓?fù)湫问綇囊欢ㄒ饬x上來說可以看成多電平逆變器結(jié)構(gòu)中的一個(gè)特例，它的中點(diǎn)箝位及維持中點(diǎn)電位動(dòng)態(tài)平衡技術(shù)、功率器件尖峰吸收緩沖電路、PWM算法簡化及控制策略、高壓功率器件的驅(qū)動(dòng)及系統(tǒng)的工作電源等也是多電平逆變器控制需要研究解決的問題。從目前功率開關(guān)器件發(fā)展的水平來看，短時(shí)間還不可能出現(xiàn)耐壓上萬伏的器件，多電平技術(shù)是解決高壓大功率變頻調(diào)速的一個(gè)有效途徑，同時(shí)在當(dāng)前電力系統(tǒng)高壓直流輸電的趨勢下，多電平技術(shù)在電力輸配電方面也有著重要的作用。
