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三电平PWM变频电源

来源:未知 编辑:晚一步 时间:2018-07-04

    采用三电平PWM方式的变频电源,可以避免器件串联的动态均压问题,同时降低输出谐波和du/dt,三电平PWM方式整流电路采用二极管,逆变部分功率器件采用GTOIGBTIGCT。每个桥臂虽由4个功率器件串联,但是不存在同时导通和关断以及由此引起的动态均压问题。由于输出相电压电平数增加到了3个,每个电平的幅值下降,且提高了谐波消除算法的自由度,可使输出波形比二电平PWM变频电源有了较大的提高,输出du/dt也有所减少,若输入也采用对称的PWM结构,可以做到系统功率因数可调,输入谐波也很低,且可四象限运行。但为减少输出谐波和转矩脉动,希望有较高的开关频率,但会导致变频电源损耗增加,效率下降。三电平变频电源输出若不设滤波器,一般需要特殊电动机,若使用普通电动机应降额应用。ABB公司生产的ACS1000系列变频电源为采用新型功率器件——集成门极换流晶闸管(IGCT)的三电平变频电源,输出电压等级有2.23.3kV4.16kV。图2-7所示为ACS100012脉冲整流三电平电压源变频电源的主电路拓扑结构图。

ACS1000变频器主电路拓扑结构图

    2-7    ACS1000变频器主电路拓扑结构图

    整流部分采用12脉波二极管整流器,逆变部分采用三电平PWM逆变器。由图2-7可以看出,该系列变频电源采用传统的电压型变频电源结构,通过采用高耐压的IGCT功率器件,使得器件总数减少为12个。随着器件数量的减少,成本降低,电路结构简洁,从而使体积缩小,可靠性更高。

    由于变频电源的整流部分是非线性的,产生的高次谐波将对电网造成污染。为此,图2-7所示的ACS1000系列变频电源的12脉波整流接线图中,将两组三相桥式整流电路用整流变压器联系起来,其一次侧绕组接成三角形,其二次侧绕组则一组接成三角形,另一组接成星形,整流变压器两个二次侧绕组的线电压相同,但相位则相差30°,这样57次谐波在变压器的一次侧将会有180°的相移,因而能够互相抵消,同样的1719次谐波也会互相抵消。这样经过2个整流桥的串联叠加后,即可得到12脉波的整流输出波形,比6脉波更平滑,并且每个整流桥的二极管耐压可降低一半。采用12相整流电路减少了特征谐波含量,由于特征谐波次数N= KP±1P为整流相数、K为自然数)。所以网侧特征谐波只有11132325次等。如果采用24脉波整流电路,网侧谐波将更进一步被抑制。两种方案均可使输入功率因数在全功率范围内保证在0.95以上,不需要功率因数补偿电容器。

   ACS100012脉冲整流三电平电压源变频电源的逆变部分采用传统的三电平方式,所以输出波形中会不可避免地产生比较大的谐波分量(THD12.8%),这是三电平逆变方式所固有的,其线电压波形如图2-8所示。

三电平PWM变频器输出线电压波形图

    2-8    三电平PWM变频器输出线电压波形图

    三电平逆变器的结构简单、体积小、成本低,使用功率器件数量最少(12只),避免了器件的串联,提高了装置的可靠性指标。根据目前IGCT及高压IGBT的耐压水平,三电平逆变器的最高输出电压等级为4.16kV,当输出电压要求6kV时,采用12个功率器件已不能满足要求,必须采用器件串联,除了增加成本外,必然会带来均压问题,失去了三电平结构的优势,并且会大大影响系统的可靠性。若将来采用9kV耐压的IGCT,则三电平变频电源可直接输出6kV,但是谐波及du/dt也相应增加,必须加强滤波功能以满足THD指标。

    在二极管钳位型变流器电路中由于两个钳位二极管的存在,各个功率器件能够分别进行控制,因而避免了器件直接串联引起的动态均压问题。与普通的二电平变流器相比,由于输出电压的电平数有所增加,每个电平幅值相对降低,由整个直流母线电压降为一半直流母线电压,在同等开关频率的前提下,可使输出波形质量有较大的改善,输出du/dt也相应下降,因此二极管钳位型变流器显然比普通二电平变流器更具优势。

    二极管钳位型变流器同时具有多重化和脉宽调制的优点,输出功率大、器件开关频率低、等效开关频率高、交流侧不需要变压器连接、动态响应好、传输带宽较宽等。

    二极管钳位型变流器的缺点如下:

   (1)钳位二极管的耐压要求较高,数量庞大。对于m电平变流器,如果使每个二极管的耐压等级相同,每相所需的二极管数量为(m-1)×(m-2)。这些二极管不但大大提高了成本,而且会在线路安装方面造成相当的困难,因此在实际应用中一般仅限于7电平或9电平变流器。

   (2)开关器件的导通负荷不一致。靠近母线的开关和靠近输出端的导通负荷不平衡,这样就导致开关器件的电流等级不同。在电路中,如果按导通负荷最严重的情况设计器件的电流等级,则每相有2×(m-2)个外层器件的电流等级过大,造成浪费。

   (3)在变流器进行有功功率传送的时候,直流侧各电容的充放电时间各不相同,从而造成电容电压不平衡,增加了系统动态控制的难度。

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