IGBT的三電平控制原理

1、三電平大功率通用變頻器的研制 發(fā)布:2022-09-07 | 作者: | 來(lái)源: wanghuixiang | 查看:601 次 | 用戶關(guān)注：1、引言在實(shí)際工業(yè)中，因裝置容量的規(guī)模越來(lái)越大，而在能量變換中發(fā)揮關(guān)鍵的功率器件 所能承受的通斷電壓和通態(tài)電流卻受到現(xiàn)有功率半導(dǎo)體制作水平的限制， 促使人們從逆變拓 撲結(jié)構(gòu)方面展開研究以滿足實(shí)際需要。自日本長(zhǎng)岡科技大學(xué)的南波江章(A.Nabae) 等人于1980 年在 IEEE 工業(yè)應(yīng)用年會(huì)提出三電平中點(diǎn)箝位式結(jié)構(gòu)以來(lái)， 這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實(shí)際工業(yè)現(xiàn) 場(chǎng)獲得了廣泛的應(yīng)用 1 。與普通兩電平逆變器相比三電平逆變器具有如下的優(yōu)點(diǎn)：(1)在直流母線1、引言在實(shí)際

2、工業(yè)中， 因裝置容量的規(guī)模越來(lái)越大， 而在能量變換中發(fā)揮關(guān)鍵的 功率器 件所能承受的通斷電壓和通態(tài) 電流 卻受到現(xiàn)有功率半導(dǎo)體制作水平的限制， 促使 人們從逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面展開研究以滿足實(shí)際需要。 自日本長(zhǎng)岡科技大學(xué)的南波江章(A.Nabae)等人于1980年在IEEE工業(yè)應(yīng)用年會(huì)提出三電平中點(diǎn)箝位式結(jié)構(gòu)以來(lái)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)獲得了廣泛的應(yīng)用1。與普通兩電平 逆變器 相比三電平逆變器具有如下的優(yōu)點(diǎn)：(1) 在直流母線電壓一定的情況下， 開關(guān)器件的耐壓等級(jí)減小一半；(2) 在同等開關(guān)頻率下，三電平逆變器輸出電壓的諧波含量降低50%；(3) 采用相同功率等級(jí)的開關(guān)器件，輸出功率可以提高一

3、倍。針對(duì)軋鋼機(jī)，本文研制了 690V/600 kW 大功率變頻器 ，主電路采用三電平 二極 管箝位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開關(guān)器件采用 I GBT ，采用光纖進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)的傳輸，調(diào)制 方式為三電平空間電壓矢量 PWM(SVPWM) 。裝置中采用了有效的中點(diǎn)電壓平 衡措施，有過(guò)流、短路等保護(hù)功能。同時(shí)，根據(jù)對(duì)三電平變頻器輸出電壓階梯波 形的分析，得出了三電平逆變器輸出電壓的諧波特性， 概括了諧波分布的一般規(guī) 律，所得到的結(jié)論對(duì)于調(diào)制策略的應(yīng)用具有實(shí)際指導(dǎo)意義。2、主回路的組成 本文研制的變頻器裝置采用三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 三電平大功率通用變頻器系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，主回路主要包括移相 變壓器、12 脈沖整流橋、

4、功率單元和預(yù)充電 電路，下面分別加以介紹：(1) 移相變壓器：為了降低輸入諧波電流，移相變壓器實(shí)行多重化設(shè)計(jì)，2 套副邊繞組，分為 2 個(gè)不同的相位組，分別采用星形和三角形聯(lián)結(jié)，構(gòu)成相位相差30o 、大小相等的兩組電壓加到整流橋上。這樣 5、7 次諧波在變壓器的一次側(cè) 將會(huì)有 180o 的相移，能夠相互抵消，減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。(2) 12 脈沖整流橋：整流局部采用 12脈沖二極管整流橋，可以減少直流側(cè)電壓 的脈動(dòng)。(3) 預(yù)充電環(huán)節(jié)：在變頻器起動(dòng)時(shí)，為了防止 濾波電容 C1、C2 在合上 電源開關(guān) 通電的瞬間產(chǎn)生過(guò)大的充電電流， 故在整流器和濾波電容 C1、C2 間的直流回路 中串入限流電

5、阻R1、R2。待母線電壓建立起來(lái)以后，交流 接觸器KM閉合從而 切掉R1、R2，以免因長(zhǎng)期接入R1、R2而影響變頻器的正常工作。(4) 功率單元：采用 12 個(gè)可關(guān)斷功率器件 IGBT 和 6 個(gè)箝位二極管。在直流側(cè) 含有兩個(gè)相同的電容，由于箝位二極管的存在使得每個(gè)電容上的電壓被限制在Udc/2 上。圖1三電平大功率通用刪器系辭訥圖3、控制回路的組成系統(tǒng)控制回路如圖1中U所示，由DSP控制板與PLC可編程控制器、驅(qū)動(dòng)電路 和檢測(cè)電路組成。DSP控制板與PLC可編程控制器：DSP控制板是以TMS320F2812和可編 程邏輯器件CPLD為核心設(shè)計(jì)的。DSP芯片是主要的控制芯片，它的ADC轉(zhuǎn)換 模

6、塊接收檢測(cè)電路傳來(lái)的電流和電壓的模擬值，事件管理器模塊產(chǎn)生12路兩相互補(bǔ)、死區(qū)可調(diào)的PWM波，通過(guò)CAN通信設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。CPLD對(duì)由驅(qū)動(dòng)電 路傳回的12路故障信號(hào)以及由檢測(cè)電路傳過(guò)來(lái)的主電路過(guò)壓和過(guò)流信號(hào)進(jìn)行故 障綜合，并送到DSP的功率模塊保護(hù)中斷輸入 和，觸發(fā)功率單元保護(hù)中斷， 從而封鎖PWM信號(hào)，并且輸出故障信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行硬件保護(hù)。PLC接收高壓合閘/分閘信號(hào)和電機(jī)啟動(dòng)/停止信號(hào)，通過(guò) 繼電器送入DSP對(duì)電機(jī)進(jìn)行順 序控制CPLDT劃旬1FIB圖2控制系統(tǒng)結(jié)杠0 驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)電路采用驅(qū)動(dòng)模塊 M57962L驅(qū)動(dòng)IGBT , M57962L具有短路保護(hù)功能。DSP輸出的PWM控制信

7、號(hào)通過(guò)光纖傳到驅(qū)動(dòng)模塊上，并通過(guò)光 纖接收M57962L的短路保護(hù)故障信號(hào)。(3)檢測(cè)電路：使用DSP的ADC轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)霍爾元件對(duì)電機(jī)的直流母線電壓、定子電流進(jìn)行采樣?；魻栃盘?hào)還被引入過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)電路里， 檢測(cè)主電路是否 過(guò)壓或過(guò)流。4、控制軟件的功能控制系統(tǒng)軟件采用了模塊化設(shè)計(jì)，每種功能都劃分為相應(yīng)的功能塊。本文把控制 軟件分成3局部：主程序、SVPWM調(diào)制塊及其他控制功能塊。主程序完成系統(tǒng) 初始化。SVPWM調(diào)制塊對(duì)時(shí)間要求最高，因此安排在優(yōu)先級(jí)最高且最快的 定時(shí)器T1中 斷中，它的主要作用是產(chǎn)生SVPWM控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器的控制。所有其 他控制功能塊包括參數(shù)掃描、給定積分器、定子

8、電流分解、轉(zhuǎn)差補(bǔ)償、最大電流 限制、V/f曲線、順序控制、通訊等安排在定時(shí)器 T2中斷中的不同時(shí)隙。下面 對(duì)主要功能模塊進(jìn)行說(shuō)明。(1) 高性能V/f控制：為了改善開環(huán)V/f的轉(zhuǎn)矩控制特性，提高系統(tǒng)的機(jī)械特性 硬度，以實(shí)現(xiàn)變頻器的“挖土機(jī)特性，高性能V/f控制包括最大電流限制、轉(zhuǎn)差 補(bǔ)償、IR降補(bǔ)償、V/f曲線2。圖3為高性能V/f控制框圖。在圖3中，對(duì)定子三相電流進(jìn)行了有功電流id、無(wú)功電流iq的分解計(jì)算，其中有功電流id的大小直接反映了負(fù)載的輕重。將id引入到轉(zhuǎn)差補(bǔ)償中，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù) 載的轉(zhuǎn)矩控制，提高電機(jī)的機(jī)械特性的硬度。最大電流限制采用對(duì)允許最大電流 進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，降低運(yùn)行頻率，以實(shí)現(xiàn)既使

9、在重載條件下變頻器也不會(huì)跳閘。V/f曲線是V/f控制方式的核心局部，V/f曲線設(shè)置的是否恰當(dāng)，直接關(guān)系到電機(jī)運(yùn) 行性能的好壞。本系統(tǒng)采用標(biāo)幺值設(shè)立了兩類V/f曲線，即線性和二次曲線型，以滿足不同工況下的需要| |.事f tB rg- t IJ *詁 H1 i",國(guó)L亠丄I"4,j;vr.i圖3高性能v/f控制椎圖2滯環(huán)控制空間電壓矢量調(diào)制模塊SVPWM:三相三電平逆變器有27種開關(guān)狀態(tài)，其中有效的電壓矢量為19種，對(duì)三電平逆變器各種開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行分析，可以得到以下結(jié)論3: 1零矢量和大矢量對(duì)中點(diǎn)電流無(wú)影響；2中矢量所對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電流有影響；3小矢量所對(duì)應(yīng)的兩種冗余開關(guān)

10、狀態(tài)對(duì)中點(diǎn)電流的 影響是相反的，可根據(jù)其引入的中點(diǎn)電流的符號(hào)，分為正開關(guān)狀態(tài)簡(jiǎn)稱P狀態(tài)和負(fù)開關(guān)狀態(tài)簡(jiǎn)稱N狀態(tài)。電機(jī)繞組中電流的正方向規(guī)定為：電流由逆變器流向電動(dòng)機(jī)為正，反之為負(fù)；規(guī)定中點(diǎn)電流抽出為正，反之為負(fù)。根據(jù)中點(diǎn)電流的 方向合理選擇小矢量P，N狀態(tài)可以平衡中點(diǎn)電位。設(shè)i0為中點(diǎn)電流，h為滯環(huán) 的寬度，當(dāng)Udc1-Udc2>h,i0<0或者Udc1-Udc20時(shí)，合成參考電壓矢量的小矢 量選 P 狀態(tài)；當(dāng) Udc1-Udc2>h,i0>0 或者 Udc1-Udc2<H,I0<0 時(shí)，合成參考電壓 矢量的小矢量選 N 狀態(tài)。 < p>(3) 順

11、序控制：在程序模塊中，順序控制是至關(guān)重要的，整個(gè)控制板的控制軟件 完全依靠順序控制來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的關(guān)系。 同時(shí)，順序控制也反映了電機(jī)起 動(dòng)所遵循的物理過(guò)程，提供了變頻器的運(yùn)行狀態(tài)。作為控制板與 PLC 配合工作 的接口，提供應(yīng) PLC 故障、報(bào)警、運(yùn)行等狀況，同時(shí)也根據(jù) PLC 的開關(guān)量輸入 來(lái)進(jìn)入不同的狀態(tài)， 控制其它模塊的執(zhí)行。 順序控制把當(dāng)前變頻器工作狀態(tài)分為 9 種：0：初始化工作狀態(tài)； 1：禁止合閘狀態(tài)； 2：故障狀態(tài)； 3：允許合閘狀態(tài)； 4：預(yù)允電狀態(tài)； 5：允許啟車狀態(tài)； 6：運(yùn)行狀態(tài)； 7：正常停車狀態(tài)； 8：平安 停車狀態(tài)。 順序控制有機(jī)的控制了電機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程， 協(xié)調(diào)了

12、控制回路與主回路的 工作關(guān)系，提高了設(shè)備運(yùn)行的平安性與可靠性。(4) 給定積分器：在 V/f 控制方式中，不能讓階躍信號(hào)直接加到 V/f 曲線上，否 那么供應(yīng)電機(jī)的電壓和頻率就是階躍的， 將造成很大的沖擊電流， 為防止這種情況 的發(fā)生，必須在頻率給定通道中參加給定積分器， 使階躍的頻率給定按指定的斜 率上升，以到達(dá)減少?zèng)_擊的目的。本文設(shè)置了一種可以通過(guò)參數(shù)任意設(shè)置加減速時(shí)間、 圓弧時(shí)間， 在任何給定頻率 下都能實(shí)現(xiàn)指定的“ S形加減速曲線的給定積分器。圏是系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的給定積 分器后實(shí)驗(yàn)測(cè)得的“ S形加減速曲線和加速度曲線。T I f I' Il 1 iX ViT ':加減逮曲線

13、 ；Y £ ； _ ：廠2、.樣圖4 "站曲線和加速度曲線5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析所研制的三電平大功率通用變頻器技術(shù)指標(biāo)如下：交流額定輸出電壓：交流額定輸出電流：660A;交流額定輸出功率：600kW ;輸出頻率:690V ；1 50HZ；功率因素：大于0.95 ;加減速時(shí)間：10-1000秒可設(shè)定；ii"r一.丿、，召 0 'i r r rLz2QKW/MUCH?a一iOKilz2OK11Zzz* A«I« Ar/l0 aw 怖(ilQ nu.* 簾a輸岀頻率為30Hz時(shí)相電壓波形及頻譜 b輸岀頻率為30血時(shí)線電壓筱形及頻譜 圖5輸出為30

14、Hz時(shí)電壓波形及頻譜IMKI1X/2DKilz 30KIUz /一一 丄 一a輸岀頻率為40Hz時(shí)相電壓彼形及頻譜b輸岀頻率為40Hz時(shí)線電壓波形及頻譜圖6輸出為40Hz時(shí)電壓波形及頻譜/r*10tns 格圖7輸出頻率為40Hz吋電流波形及頻譜L .嚴(yán)A.： d* 1 M亦_:L亠.丄13UD sew<»>770.0 VM4 OOc A< n 2 y 0.00 V(Mtny 格圖8三電平逆變器直流側(cè)電容電壓披形圖5圖8為變頻器運(yùn)行時(shí)實(shí)際輸出的波形?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行開關(guān)頻率 (即載波頻率)為10KHz 。從圖5(a)和6(a)中可以看出輸出相電壓為三電平，諧波含量主要集中在一

15、次載波 頻率處，諧波主要是載波倍數(shù)的諧涉及其邊帶諧波。值得注意的是，對(duì)于三相逆變器，在線電壓中，因?yàn)檎{(diào)制波發(fā)生了相移，諧波含 量也發(fā)生了相移， 所以一局部載波倍數(shù)的邊帶諧波會(huì)被抵消掉， 這是三相系統(tǒng)固 有的特性， 與采用何種調(diào)制策略無(wú)關(guān)。 同時(shí)，由于在三相系統(tǒng)中所采用的載波是 相同的，相電壓中存在的載涉及載波倍數(shù)的諧波在線電壓中相互抵消了。 這一點(diǎn) 從圖5(b)和6(b)可以得到驗(yàn)證。從圖5(b)和6(b)中可以看出輸出線電壓為五電平，載涉及載波倍數(shù)的諧波同相位 且相互抵消， 故在線電壓波形中的總諧波含量大大減??； 從圖 7 中可以看出輸出 電流波形平穩(wěn)， 諧波含量小， 接近于正弦波；從圖 8

16、中可以看出直流側(cè)輸出電容 電壓保持恒定且紋波非常小， 母線上下電容電壓保持了很好的平衡性， 采用本文 所提出的中點(diǎn)電位平衡控制方法后滿足電容電壓平衡的要求。6 、結(jié)論本文研制了 690V/600kW 通用大功率變頻器。文中詳細(xì)的描述了主回路、控制 回路的硬件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)軟件的編制， 并給出了現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的相關(guān)波形圖， 對(duì)三電 平變頻器輸出電壓的頻譜特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析并概括了其諧波分布的一般規(guī) 律。運(yùn)行結(jié)果說(shuō)明該設(shè)備具有良好的性能， 對(duì)于研制大功率變頻器具有很強(qiáng)的實(shí) 踐指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)1 LEE,Y H. KIM, R Y. HYUN.D S. A novel PWM scheme for a three-level voltage source inverter with GTO thyristors. IEEE Trans Transaction onIndustry Applications.1996. 32(2): 260-268.2 Nobuyoshi Mutoh, et al. Tripless Control Method for General-Purpose Inverter. IEEE Transaction on Industry Applications. 1992. 28(5): 1031-1037.3 Amit Kumar Gupta, Ash