三电平逆变器04130.ppt

1、1,第5部分：三电平逆变器,2,5.2 三电平逆变器,5.3 空间矢量调制,5.4 中点电压控制,5.5 多电平二极管箝位式逆变器,5.6 应用实例,5.1简 介,3,5.1 简 介,中点箝位式（NPC）逆变器 : 通过箝位二极管和串联直流电容器产生多电平交流电压，这种逆变器就是二极管箝位式多电平逆变器。这种逆变器的拓扑结构通常有三、四、五三种电平。,三电平逆变器特点: 输出电压比两电平逆变器具有更小的du/dt和THD 。 无需采用器件串联，就可以应用于一定电压等级的中压传动系统。,4,5.2 三电平逆变器,1. 拓扑结构,D1D4:反并联二极管 S1S4:功率器件GCT/IGBT DZ1，

2、DZ2:钳位二极管,逆变器直流侧的两个电容给出了 中点Z，S2和S3导通时。A点通过一个箝位二极管连接到中点,每个直流电容上的电压E，通常为总直流电压Vd的一半。,5,2.开关状态,对A桥臂： 开关状态P：桥臂上端的两个开关导通，逆变器A端相对于中点Z的 端电压为：VAZ=+E。 开关状态N：桥臂下端两个开关导通，逆变器A端相对于中点Z的 端电压为：VAZ=-E 。 开关状态O：中间的两个开关导通，此时箝位二极管将VAZ箝位在 零电压上。负载电流的方向将决定哪个二极管导通。 例如，正向负载电流（IA0）强迫DZ1导通，则A端 通过导通的DZ1和S2连接到中点Z。,6,开关状态的定义:,7,开关

3、状态、门极驱动信号和逆变器端电压VAZ,Vg1Vg4: 开关S1S4的相应 门极驱动信号。 Vg1, Vg3:互补。 Vg2, Vg4:互补。 VAZ有三个电平：+E、0、-E 三电平逆变器由此命名。,8,三电平逆变器端电压和线电压波形,线电压VAB=VAZ-VBZ 包括五个电平: +2E、+E、0、-E、-2E,9,3.换相过程,以开关状态从O变到P (S3关断、S1开通）的情况为例：,S1到S3的切换图。互补开关之间存在一段互锁时间 。,10,换相过程假设： 由于是感性负载，负载电流iA在换相期间固定不变； 直流电容Cd1和Cd2的电容足够大，能够保持电容两端的电压为E； 所有的有源开关都

4、为理想开关。,11,工况1：iA0时换相 开关状态：由O到P变换,开关状态为O时，S2、S3导 通，S1、S4关断。此时，由 iA0，DZ1导通，S2、S3上 电压VS2=VS3=0,S1、S4上的 电压为E； 在 时间段内，S3开始关断， iA流过路径保持不变，S3完全 关断后，由分压电阻R3、R4 作用，S3、S4上的电压为 VS3=VS4=E/2； 开关状态为P，S1导通，DZ1 承受反压关断，负载电流从DZ1 换相到S1，VS3=VS4=E。,12,工况2：iA0时换相 开关状态：由O到P变换,开关状态为O时，S2、S3导 通，S1、S4关断。此时，由 iA0，DZ2导通，S1、S4上

5、的 电压为E； 在 时间段开始关断S3，由于 感性负载电流iA不能立刻改变 方向，iA从S3换相到二极管上， 使D1、D2导通，VS1=VS2=0, S3关断期间，由于DZ2的存在， VS4不会低于E；由于S3关断时 的等效电阻小于S4的断态电阻， VS4不会低于E。所以VS3从零 上升到E，VS4保持为E 开关状态为P，S1导通不会影 响电路运行，因为D1、D2已经 导通。所以负载电流不会流过 S1、S2。,13,注意：禁止在开关状态P和N之间 进行切换,14,5.3 空间矢量调制,三相桥臂，每相桥臂有三个开关状态，所以一共有27种可能的开关状态组合。,1. 静止空间矢量,15,零矢量(V0

6、)，幅值为零，表示PPP，OOO和NNN三种开关状态； 小矢量(V1 V6)，幅值为 每个小矢量包括两种开关状态，一种为开关状态P，另外一种为N，因此可以进一步分为P型和N型小矢量； 中矢量（V7 V12）幅值为： 大矢量（V13 V18）。幅值为：,16,2. 作用时间计算,将空间矢量图分为六个三角形扇区（） 每个扇区双分为四个三角形区域（14）,17,三电平NPC逆变器的SVM算法基于伏秒平衡原理：,当Vref落入扇区的2区时，最近的三个 静态矢量为V1、V2和V7则有：,式中，Ta、Tb、Tc分别为静态矢量V1、V7 和V2的作用时间。,18,作用时间推导：,由,得,得,19,作用时间推

7、导：,将式上式分为实部（Re）和虚部（Im），得到,又因为：,所以有：,式中 的取值范围 为：,为调制因数,20,21,3. Vref位置与保持时间之间的关系,Vref指向区域4的中点Q。 Q和最近三个矢量V2、V7和V14之间的距离一样，因此作用时间相同。 当Vref沿着虚线从Q点向V2移动时，V2对Vref的影响增强，使得V2的保持时间变长。 当Vref和V2完全重合时，V2的保持时间Tc达到最大值（Tc=Ts），V7和V14的保持时间减小到零。,22,4. 开关顺序设计原则：,从一种开关状态切换到另一种开关状态的过程中，仅影响同一桥臂上的两个开关器件：一个导通，另一个关断： Vref从一

8、个扇区（或区域）转移到另一个扇区（或区域）时，无需开关器件动作或只需最少的开关动作； 开关状态对中点电压偏移的影响最小。,23,（1）开关状态对中点电压偏移的影响,a)所示为逆变器工作在零矢量V0状态,其开关状态为PPP。每个桥臂的上面两个开关导通，A、B、C三相输出端连接到直流母线上。由于中性点Z悬空，此开关状态不会影响VZ。类似，其他两个零矢量OOO、NNN，也不会造成VZ偏移。,b)逆变器工作于P型小矢量开关状态POO时的拓扑结构。因为三相负载连接在正直流母线和中点Z之间，流入中点Z的中点电流iZ使得VZ上升。,24,c)与b中正好相反，V1的N型开关状态ONN 使VZ减小。,d)工作于

9、开关状态PON的中矢量V7，负载 端子A、B和C分别连接到正母线、中点和负 母线上。在逆变器不同运行条件下，中点电 压VZ可能上升也可能下降。,25,e)所示为工作于开关状态PNN的大矢量V13，负载端连接在正负直流母线之间，此时中点Z悬空，因此中点 不受影响。,26,结论：,零矢量V0不会影响中点电压； 小矢量V1V6对 有明显的影响。P型小矢量会使得升高，而N 型小矢量会导致降低； 中矢量V7V12也会影响，但电压偏移的方向不定； 大矢量V13V18对中点电压偏移没有影响。,27,（2）最小中点电压偏移的开关序列,工况1：选定的三个矢量中有一个小矢量,1)7段作用时间之和为采样周期 2)满

10、足最少开关动作要求例如从OON PON，通过开通S1和关断S3就可实现 3)V2的作用时间Tc在P型和N型开关状态 之间平均分配。使得中点电压偏移最小。 4)每个采样周期时，逆变器一个桥臂只有 两个开关器件开通或关断。,28,工况2：选定的三个矢量中有两个小矢量,将区域1、2进一步分割。 当Vref位于图中所示时，则Vref可以 用V1，V2，V7近似合成，因为V1比 V2更接近Vref，所以V1为主要小矢量 它的作用时间平分为V1P和V1N。,29,开关顺序安排,30,扇区1和扇区2的全部开关顺序,31,当Vref从区域a移动到区域b时，会产生额外的开关动作,32,5.逆变器输出波形和谐波含

11、量,三电平NPC逆变器运 行在f1=60Hz,Ts=1/1080s, Fsw,dev=1080/2+60/2=570Hz Ma=0.8条件下的仿真波形。 负载为PF=0.9的感性负载. vg1,vg4分别为S1和S4的驱动 信号，S2，S3分别与S4和S1 以互补方式运行。,33,VAB的谐波分量和THD与ma的关系曲线,34,运行在: f1=60Hz, Ts=1/1080s Fsw,dev=570Hz 工况下，三电平NPC 逆变器在调制因数 分别为0.8,0.9时的 实测波形。,35,A型开关顺序:以N型小矢量开始,6.消除偶次谐波,B型开关顺序:以P型小矢量开始,36,交替使用A型和B型开

12、关顺序以消除偶次谐波,37,消除偶次谐波的改 进型SVM实测波型,38,5.4 中点电压控制,1.中点电压偏移的原因,除了小电压矢量和中电压矢量的影响外,其它因素有: 1）由于制造误差造成的电容不平衡； 2）开关器件的特性不一致； 3）三相不对称运行。,39,2.电动和再生运行模式的影响,a)为电动模式，直 流电流id从直流电 源流向逆变器。此 时，小矢量V1的P 型开关状态POO 导致中点电压Vz上 升，而N型开关状 态ONN则使Vz减 小。 b)为再生运行模式， 直流电流反向流动， 结果与a)正好相反。,40,3.中点电压的反馈控制,通过调整小电压矢量P型和N型开关状态的作用时间,可以控制

13、中点电压VZ。将作用时间Ta重新分配为：,式中：,其中：,41,根据检测得到的直流电容电压Vd1和Vd2来调整式中的时间增量t，可以使中点电压偏移最小。下 表列出了电容电压和时间增量t之间的关系,42,电容电压Vd1和Vd2的仿真波形,仿真实验：设每个电容电压的初始值均为2800V。为使Vd1、Vd2不平衡，下端电容通过并联一电阻，使下边的电容放电，从而使Vd2降低， Vd1 上升。,43,5.5 多电平二极管箝位式逆变器,1.四、五电平二极管箝位式逆变器,a)为四电平逆变器主电路 拓扑图 b)为五电平逆变器主电路 拓扑图,44,四电平开关状态和逆变器端电压VAN,45,五电平开关状态和逆变器

14、端电压VAN,46,二极管箝位式多电平逆变器的器件数量,47,采用同相层叠（IPD）调制方式的四电平逆变器的仿真波形：,2.基于载波的PWM,48,IPD法VAB的谐波成分,49,交替反相层叠(APOD)调制方式的四电平逆变器输出波形,50,APOD法四电平逆变器输出电压VAB的谐波含量,Geschftsgebiet Drehzahlvernderbare Antriebe A&D DS,51,SIEMENS 三电平四象限中压逆变器,M 3,+,-,直流环节,网侧整流器,0,3电平逆变器,DC,100 Hz,1 Hz,50/60 Hz,3-ph. 2.3 - 36 kV AC 50/60 Hz

15、,52,ABB ACS1000 中压变频器,53,ABB ACS1000 中压变频器,54,ABB ACS1000 中压变频器,12 Inv. IGCTs +2 Pro. IGCTs,标准的交流 感应电动机,DC,Link,3-电平电压源型逆变器 (VSI),正弦波滤波器,IGCT,集成门极驱动和续流二极管的IGCT,NPC Diode,中性点钳位二极管,55,ABB ACS1000 中压变频器,速度控制 PID,REF,转距给定,转距给定 调节器,速度给定,触发逻辑 开关位置 电压 电流,=,电机模型,转距和磁通 比较器,3,转距,计算速度,磁通,直接转矩控制DTC具有25us的控制周期,5

16、6,ABB ACS1000 中压变频器,M,MCB,电压尖峰脉冲 20kV/s 共模电压 2500V,电压尖峰脉冲 5V/s 共模电压 0V,57,ABB ACS6000 中压变频器,CBU,单传动拓扑 5 - 27MW,单电机传动,58,ABB ACS6000 中压变频器,COU,CBU,多传动拓扑 5-27 MW,WCU,多电机传动 可驱动多台不同规格同步机或异步机 !,59,ABB ACS6000 中压变频器,逆变单元,控制 和 软件,DTC,IM, ACS 6000AD,SM, ACS 6000SD,PM, ACS 6000PM,IM, ACS 6000AD TWIN -HISPIN,60,ABB ACS6000 中压变频器,双ARU (有源整流单元) 公共CBU (电容组单元),INU (逆变单元) 电动机 (2个异步电动机) 1个同步电动机,61,ABB ACS6000 中压变频器,9 MVA逆变器 12 大功率半导体,4象限运行,62,ABB ACS6000 中压变频器,ARU 供电时最多带 4 台电机 LSU 供电时最多带 5 台电机,63,东芝三菱TMEIC 高压变频器,IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)：电子注入增强型门极晶体管 耐压达4KV以上的IGBT系列