第8章 多电平逆变器变频技术

《第8章 多电平逆变器变频技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第8章 多电平逆变器变频技术（76页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、第8章 多电平逆变器变频技术 第第8章章 多电平逆变器变频技术多电平逆变器变频技术 8.1 多电平逆变器技术概述多电平逆变器技术概述 8.2 多电平逆变器电路结构多电平逆变器电路结构 8.3 多电平多电平PWM调制方法调制方法 习题与思考题习题与思考题 第8章 多电平逆变器变频技术 8.1多电平逆变器技术概述多电平逆变器技术概述8.1.1多电平逆变器产生的背景多电平逆变器产生的背景占当今工业用电量一半以上的大功率风机和泵， 一般都采用中高电压交流电机传动系统。 在20世纪7080年代， 对于一些功率在兆瓦级以上的风机、 泵等装置， 多采用挡板或阀门对其流量进行控制， 能量浪费严重。 如果采用调

2、速控制实现对其流量的调节则可节省大量电能，第8章 多电平逆变器变频技术 但当时受电力电子器件及控制技术的制约， 制造中高压大功率变压变频装置还比较困难， 因此常用绕线转子异步电机串级调速系统对其控制。 诸如轧钢机械、 电力机车、 轮船等大功率应用场合的电机， 在静、 动态方面对转速控制有更高的要求。 从技术上看， 高电压等级和容量等级的中高压变频调速是更合适的方案， 这就提出了中高压大容量变频技术问题。 此外， 为了满足输出电压谐波含量的要求， 人们还希望这些大功率电力电子装置能工作在高开关频率下， 并且尽量减少电磁干扰（EMI）问题。 第8章 多电平逆变器变频技术 电力电子器件是电力电子装置

3、的核心。 在过去的几十年里， 电力电子器件经历了晶闸管、 可关断晶闸管、 双极型大功率晶体管和场控器件等发展阶段。 近些年来， 各种新型功率器件如IGCT、 IEGT、 ETO等相继出现， 电力电子器件的单管容量、 开关频率已经有了很大的提高， 许多厂商已能提供额定值为6000 V/6000 A的高压大功率GTO， 4500 V/1200 A的IGBT， 4500 V/4000 A的IEGT以及6000 V/6000 A的IGCT。第8章 多电平逆变器变频技术 但即使这样， 在某些应用场合， 传统的两电平电压源型逆变器仍然不能满足人们对高压、 大功率的要求。 并且， 在现有电力电子器件的工艺水

4、平下， 其功率处理能力和开关频率之间是矛盾的， 往往功率越大， 开关频率越低。 为了实现高频化和低EMI的大功率变换研究者进行了大量的研究和探索， 提出了多种高压大功率变换的解决思路和方法， 大致可分为以下三类。 第8章 多电平逆变器变频技术 1. 功率器件串并联技术功率器件串并联技术这是一种最简单、 直接的方案， 将小功率器件并联并联以承受大电流大电流， 将器件串联串联以承受高压承受高压， 实现高压大功率变换实现高压大功率变换。 由于功率器件开关特性的分散性， 因而具有高速开关特性的功率器件（如IGBT）是不允许直接串联的， 否则中间回路的高电压将直接加在后开通的器件上， 使后开通的器件可能

5、承受高压而击穿。 由于功率器件的参数不一致， 因而功率器件直接并联同样存在动、 静态电流不均衡的问题。 功率器件的饱和压降不一致导致静态电流不均衡， 而功率器件的开关时间不同步造成动态电流不均衡。 因此， 功率器件的串并联，功率器件的串并联， 需要复杂的动、需要复杂的动、 静态均压或均流电路。静态均压或均流电路。 第8章 多电平逆变器变频技术 2. 多重化技术多重化技术采用多重化技术也是用小功率器件实现大功率变换的一种方法。 所谓多重化技术，多重化技术， 是指每相由几个低压是指每相由几个低压PWM功率单元在其输出端通过某种方式（如变压器）功率单元在其输出端通过某种方式（如变压器）串联或并联组成

6、，串联或并联组成， 各功率单元由一个多绕组的隔离变压各功率单元由一个多绕组的隔离变压器供电，器供电， 由低压由低压PWM变频单元串联叠加达到高压输出变频单元串联叠加达到高压输出或并联达到大容量输出的目的或并联达到大容量输出的目的。 其中每一个功率单元都是分别进行整流、 滤波、 逆变的。 目前功率单元都采用二电平方案， 开关器件电压等级只需要考虑功率单元内的中间直流电路电压值。第8章 多电平逆变器变频技术 多重化技术可以大大降低谐波含量， 提高功率因数。 在电压型功率变换器组成的多重化系统中， 为防止由于不同变压器副边绕组电压差而形成环流， 通常在副边采取串联方式连接。 相应地， 在电流型变换器

7、流型变换器组成的多重化系统中组成的多重化系统中， 副边绕组一般采用并联连接。 但是多重化技术需要引入结构复杂的大容量隔离变压器， 所需功率器件数量较多， 增加了设备投入， 造价昂贵， 还需要占用一定安装空间， 且多重化技术对控制精度要求也较高， 因此并不常被使用。 第8章 多电平逆变器变频技术 3. 逆变器并联技术逆变器并联技术逆变器并联技术将多个小容量的逆变器并联运行，将多个小容量的逆变器并联运行， 并联的逆变器数目可根据系统需要的容量来确定。并联的逆变器数目可根据系统需要的容量来确定。 这种方法的主要优点优点是： 易于实现逆变器模块化， 可以灵活扩大逆变系统的容量； 易于形成N+1并联冗余

8、系统， 提高运行的可靠性和系统的可维护性。 逆变器并联技术的难点难点是需要从控制电路上解决电压同步、 稳态和动态均流、 N+1冗余与热切换三大技术。 第8章 多电平逆变器变频技术 8.1.2多电平逆变器技术多电平逆变器技术多电平逆变器的基本思想基本思想是由多个电平台阶来合成阶梯波， 以逼近正弦输出电压。 电平数越多， 所得到的阶梯波电平台阶越多， 从而越接近正弦波， 谐波成分越少。 从理论上讲， 多电平变换器可以通过合成无穷多个电平台阶， 最终实现零谐波输出。 但在实际应用中， 由于受到硬件条件和控制复杂性的制约， 通常在满足性能指标的前提下， 并不追求过高的电平数。 第8章 多电平逆变器变频

9、技术 多电平逆变器电路结构是1977年由德国学者Holtz首次提出的， 该电路是利用开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器主电路， 其结构如图8-1(a)所示。 图中， 在直流回路的中性点上引出一对电力电子器件V2、 V3， 无论负载电流的流向如何， 逆变器的输出电压有三种状态： Udc/2、 0。 这种拓扑结构仅仅是为了改善电压质量， 降低电压谐波分量， 在两电平的基础上在中间直流回路的中性点上增加了一个零电平(由反并联的两个开关器件引出， 并把零电平引入到逆变回路)。 第8章 多电平逆变器变频技术 在功率器件没有本质突破的情况下， 为了使电力电子装置的输出电压更高， 1980年日本学者A.Na

10、bae等人对其进行了改进， 提出了中点箝位逆变器（NPC）， 用功率二极管代替主开关管， 并利用中间的主开关器件把功率二极管引出的零电平加到输出端上，从而利用功率二极管的箝位作用实现了输出电位相对于中间直流回路有三个值的目的， 其结构如图8-1(b)所示。 图中， 三电平逆变器每一相主开关管数与续流二极管数都为4， 箝位二极管数为2， 电容数为2， 平均每个主开关管承受的正向电压为Udc/2。 第8章 多电平逆变器变频技术 比较图8-1(a)和图8-1(b)可知，箝位二极管不但能达到引出中点电位的目的，而且使主管的耐压值降低为中间直流回路电压的一半， 从而使这种拓扑结构在高压应用场合成为可能，

11、 同时也可以解决功率开关器件耐压值低与直流回路电压高之间的矛盾； 并且用功率二极管代替开关器件以降低逆变器的生产成本。 图8-1(b)所示的结构成为三电平逆变器主电路中目前较为广泛采用的拓扑结构。 由于这种拓扑结构采用的是功率二极管箝位得到的中点电平， 因此有人又称这种结构为中点箝位型结构(或二极管箝位型结构)。 第8章 多电平逆变器变频技术 图8-1三电平逆变器原理图(a) Holtz提出的三电平逆变器； (b) Nabae提出的三电平逆变器第8章 多电平逆变器变频技术 二极管箝位型逆变器输出相电压为如图8-2(a)所示三电平波形， 相电压幅值为Udc/2； 线电压为如图8-2 (b)所示五