1、第5講 多電平和組合型開(kāi)關(guān)變換器,5.1 多電平簡(jiǎn)介 5.2 三相橋二極管箝位多電平逆變器 5.3 三相組合型輸出變換器 5.4 AC/DCDC/AC三電平VVVF變頻器,5.1 多電平簡(jiǎn)介,應(yīng)用背景 背景：我國(guó)能源生產(chǎn)總值居于世界前茅，但是單位產(chǎn)值能耗太大，節(jié)能方面差距很大。我國(guó)發(fā)電量的6070左右用于推動(dòng)電動(dòng)機(jī)做功，其中90的電機(jī)是交流電機(jī)，大部分為40040000kW，310kV的大功率高壓交流電動(dòng)機(jī)。由于采用直接恒速拖動(dòng)，每年造成大量的能源浪費(fèi)。 節(jié)能：占工業(yè)用電30以上的各種風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載，工況變化較大，如采用交流調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行，節(jié)能效果明顯。以平均節(jié)電20計(jì)算，對(duì)全國(guó)來(lái)說(shuō)年節(jié)

2、電500億度，同時(shí)可以相應(yīng)減少2000萬(wàn)噸發(fā)電用煤，50萬(wàn)噸二氧化硫和1200萬(wàn)噸二氧化碳的排放。 高性能調(diào)速系統(tǒng)：在軋鋼、造紙、水泥制造、礦井提升、輪船推進(jìn)器等傳統(tǒng)工業(yè)的改造和高速列車(chē)、城市地鐵輕軌 、電動(dòng)汽車(chē)等現(xiàn)代化交通工具的驅(qū)動(dòng)中也需要使用大容量的調(diào)速系統(tǒng), 以提高系統(tǒng)性能和生產(chǎn)效率。,5.1 多電平簡(jiǎn)介（續(xù)1）,日本長(zhǎng)崗科技大學(xué)A. Nabae等人于1980年在IAS年會(huì)上首次提出三電平逆變器，為高壓大容量電壓型逆變器的研制開(kāi)辟了一條新思路。此后經(jīng)過(guò)多年的研究發(fā)展出幾種主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為高壓大容量高性能逆變器提供了新的發(fā)展方向。主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在： 更適合大容量、高電壓場(chǎng)合。 可產(chǎn)生M層階

3、梯輸出電壓，對(duì)階梯波再作調(diào)制，可以得到很好近似的正弦波，含有諧波數(shù)很低。 電磁干擾（EMI）問(wèn)題大大減輕，一次動(dòng)作的dv/dt只有普通雙電平的1/(M-1)。 消除諧波效率高，損耗低，效率高。,5.1 多電平簡(jiǎn)介（續(xù)2）,多電平逆變器研究拓?fù)浜驼{(diào)制方法 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 二極管鉗位多電平逆變器 飛躍電容多電平逆變器 級(jí)聯(lián)多電平逆變器 調(diào)制方法 多電平消諧波PWM方法 多電平空間矢量方法 優(yōu)化階梯波寬度技術(shù) 相移SPWM技術(shù),5.1 多電平簡(jiǎn)介（續(xù)3）,優(yōu)點(diǎn)： 輸出電壓諧波含量小，波形更接近正弦。 電磁干擾（EMI）問(wèn)題大大減輕，一次動(dòng)作的dv/dt只有普通雙電平的1/(M-1)。 階梯波調(diào)制時(shí)，器件在

4、基頻下工作，開(kāi)關(guān)損耗小，效率高。,二極管箝位式多電平逆變器,5.1 多電平簡(jiǎn)介（續(xù)4）,缺點(diǎn)： 箝位二極管承受電壓不均勻。 不同級(jí)的直流側(cè)電容電壓在傳遞有功功率時(shí)出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象。 不能實(shí)現(xiàn)有功功率的雙向流動(dòng)。 若要得到更多電平數(shù)，如n電平，則直流分壓電容為（n1）個(gè)串聯(lián)，此時(shí)二極管數(shù)目非常多。,5.1 多電平簡(jiǎn)介（續(xù)5）,最初目的是減少二極管嵌位多電平變流器在較多電平情況下過(guò)多的嵌位二極管。即采用懸浮電容器來(lái)代替嵌位二極管工作，直流側(cè)的電容不變。工作原理與二極管箝位式變流器相似。但在電壓合成方面，開(kāi)關(guān)狀態(tài)的選擇比二極管箝位式具有更大的靈活性。,電容箝位式多電平逆變器,5.1 多電平簡(jiǎn)介（續(xù)6）

5、,缺點(diǎn)： 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖省去了大量的二極管, 但又引入不少電容。對(duì)高壓大容量系統(tǒng)而言, 電容體積龐大、占地多、成本高、封裝不易。 存在直流分壓電容電壓不均衡問(wèn)題。 控制方法非常復(fù)雜, 而且開(kāi)關(guān)頻率將增高,開(kāi)關(guān)損耗加大, 效率隨之降低。,5.1 多電平簡(jiǎn)介（續(xù)7）,優(yōu)點(diǎn)：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(wèn)題，無(wú)須二極管或電容箝位，易于進(jìn)行調(diào)速控制。 控制方法相對(duì)簡(jiǎn)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。,具有獨(dú)立直流電源的級(jí)聯(lián)多電平逆變器,5.1 多電平簡(jiǎn)介（續(xù)8）,一般二極管嵌位式、電容懸浮式限于三或五電平。級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)電平數(shù)可較多，適合更

6、高電壓，諧波含量更少，對(duì)相同電平數(shù)， 級(jí)聯(lián)型結(jié)構(gòu)所需器件數(shù)目最少。 不存在電容電壓平衡問(wèn)題。 缺點(diǎn)： 每個(gè)模塊均需要獨(dú)立的直流電源，成本高，系統(tǒng)龐大。 不易實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。,5.1 多電平簡(jiǎn)介（續(xù)9）,大功率逆變器的復(fù)合結(jié)構(gòu),優(yōu)點(diǎn)： 可采用開(kāi)關(guān)頻率較低的大功率開(kāi)關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)等效的高開(kāi)關(guān)頻率輸出，開(kāi)關(guān)損耗低。 輸出諧波含量幅值小，諧波頻率較單變換器高。 缺點(diǎn)：需要工頻變壓器，系統(tǒng)的成本增加。 功率器件的電壓應(yīng)力沒(méi)有減小。,5.2 三相橋二極管箝位多電平逆變器,三相橋兩電平逆變器 、 、 只能是 、 兩電平，不能為0，有 種開(kāi)關(guān)狀態(tài)；三電平逆變器可有三種電平 、 、0，有 種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。,5.2 三

7、相橋多電平逆變器(續(xù)1),5.2 三相橋多電平逆變器（續(xù)2）,0態(tài),三相橋共有 種開(kāi)關(guān)狀態(tài),二極管D5 、D6的作用,1態(tài),2態(tài),5.2 三相橋多電平逆變器（續(xù)3）,5.2 三相橋多電平逆變器（續(xù)4）,5.2 三相橋多電平逆變器（續(xù)5）,兩電平：僅六個(gè)相差 的等幅矢量可選用于合成矢量 三電平：有24個(gè)相差 不等幅矢量可選用于合成矢量,其中包括6個(gè)長(zhǎng)矢量，6個(gè)中矢量，12個(gè)短矢量和3個(gè)零矢量。在這些電壓矢量中，零矢量對(duì)應(yīng)3種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，與中間的正六邊形頂點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的矢量存在著兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)。實(shí)際控制中，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。,5.2 三相橋多電平逆變器（續(xù)6

8、）,進(jìn)行傅立葉分析可知，三電平逆變器線電壓最大的基波幅值為，V1m1.065VD，而兩電平逆變器線電壓最大的基波幅值為V1m1.1VD，但是線電壓諧波明顯減小。 三電平逆變器由于有鉗位二極管，開(kāi)關(guān)器件的端電壓為VD/2，多適用于高電壓、大功率場(chǎng)合。,53 三相組合型輸出變換器,器件串聯(lián)提高電壓 器件并聯(lián)增大電流 幾個(gè)三相橋電路通過(guò)變壓器組合成復(fù)合型逆變器是 擴(kuò)大容量的有效途徑,開(kāi)關(guān)器件電壓67KV，3KA6KA、8KA 一個(gè)三相橋容量難于達(dá)到10MVA,大容量逆變器的復(fù)合結(jié)構(gòu),531 12階梯波逆變器,、 相差 角時(shí),（線電壓 相電壓）,531 12階梯波逆變器(續(xù)1),（ 次諧波）,531

9、12階梯波逆變器（續(xù)2）,531 12階梯波逆變器（續(xù)3）,（ 次諧波）,532 24階梯波逆變器,532 24階梯波逆變器(續(xù)1),輸出電壓波形合成,次諧波,533 中壓變頻器,國(guó)標(biāo)AC電網(wǎng)電壓等級(jí)為：380/220，3KV，6KV，10KV，110KV，220KV，500KV AC 10KV電網(wǎng)被視為中壓電網(wǎng)，選用10KV直接變頻供AC電機(jī)變速傳動(dòng)，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)上都不可取。由于大容量變頻器輸入側(cè)都有變壓器，因此電機(jī)電壓和變頻器電壓不必和電網(wǎng)一致。 我國(guó)200KW（380/220供電， ， 時(shí) ）以下的風(fēng)機(jī)、水泵采用低壓IGBT變頻傳動(dòng)已在推廣應(yīng)用。200KW以上的風(fēng)機(jī)、水泵，理應(yīng)發(fā)展10KV

10、電機(jī)傳動(dòng)，但10KV目前由于電力電子技術(shù)限制還不成熟。,533 中壓變頻器（續(xù)1）,10KV變頻器受現(xiàn)今電力電子開(kāi)關(guān)器件及電機(jī)dV/dt的限制（變頻器輸出電壓dV/dt影響電機(jī)安全運(yùn)行）必須多電平、多器件串聯(lián)，使電路復(fù)雜、價(jià)格貴、可靠性差。 現(xiàn)有的IGBT電壓做不高（僅1.2KV，1.7KV，最高3.3KV）但電流可做到1600A、2400A。因此，可以通過(guò)變壓器的變比的合理選擇，使電機(jī)和變頻器的電壓不限于10KV。由于低壓IGBT價(jià)格低，可選的方案有兩電平、多電平、級(jí)聯(lián)多電平方案。,VVVF,CVCF,50HZ 10KV,10KV 560KW 40A,533 中壓變頻器（續(xù)2）,533 中壓變頻器（續(xù)3）,輸入變壓器有很多組三相二次繞組，每個(gè)三相二次繞組經(jīng)一個(gè)三相整流單相逆變得到一個(gè)交流電壓，構(gòu)成一個(gè)PWM變頻變壓?jiǎn)卧╟ell）。每個(gè)cell的電壓低、電流大。眾多的PWM變頻變壓?jiǎn)卧╟ell）再串聯(lián)組合成較高的電壓構(gòu)成A相、B相和C相電壓，對(duì)中壓電動(dòng)機(jī)供電。本方案由美國(guó)RoBiCon公司發(fā)明。,輸入變壓器,54 AC/DCDC/AC三電平VVVF變頻器,SR-PI型速度調(diào)節(jié)器,不同的控制策略，要求有不同的V/f 函數(shù)關(guān)系。前級(jí)AC/DC 常采用不控整流，當(dāng)然也可以采用相控整流，或采用高頻整流。 AC-AC直接變