應(yīng)用在工業(yè)系統(tǒng)中高壓多電平變頻器剖析

四電平控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主回路的大功率元器件的分布是以成對的方式構(gòu)成的，而每一對都是基于傳統(tǒng)的二電平的控制思想去進(jìn)行控制的。圖3表明了此四電平的運(yùn)行原理圖和各大功率元器件所承受的電壓以及各電容上分布的電壓。從電路結(jié)構(gòu)上可以看出整個(gè)電路所承受的電壓為：V，2/3V，1/3 V，但在每一處于阻斷狀態(tài)的功率元器件的電壓總是1/3V。這種結(jié)構(gòu)技術(shù)圓滿解決了各功率元器件上所承受的電壓動態(tài)和靜態(tài)的問題，同時(shí)不同的一對元器件的控制是在不同的時(shí)間段也限制了dv/dt的問題。實(shí)際上各元器件上所承受的浮動電壓是由各電容來提供的，電路在換相過程中對各電容進(jìn)行充放電，其電容電壓遵守著如下的規(guī)則[2]：

這里的n為每一相共有幾對大功率元器件的個(gè)數(shù)，例如：四電平結(jié)構(gòu)的每相共有3對大功率元器件，即在這里 n=3。從電路結(jié)構(gòu)中我們知道在每一功率元器件通過的電壓取決于電容上的電壓Ck和Ck-1并由下式給出：

現(xiàn)在我們知道每一阻斷大功率元器件上所承受的電壓為V/n，并且導(dǎo)通的元器件的電壓為0。這就證明了圖（3）的四電平的輸出電壓波形，即：0，V/n，2·V/n，V。

平結(jié)構(gòu)的換相控制要同時(shí)滿足：
電容電壓要恒定，即

為了決定對每一對大功率元器件的控制類型，我們假定其最初的電壓值Vck是由給出，并研究保持這些電壓恒定的條件。

每一電容Ck都與功率元器件之間連接著，并取決于這對元器件開關(guān)的狀態(tài)，在這個(gè)電容上的電流是+I，0，-I， 它能表達(dá)為：，這里的Sk和Sk+1是0或1（這將根據(jù)功率元器件開關(guān)的狀態(tài)）。這個(gè)方程給出了下列電壓Vck k＝1…n的穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定條件：

當(dāng)電流I在一開關(guān)段為積分恒定時(shí)，則對電壓Vck k＝1…n穩(wěn)定狀態(tài)的穩(wěn)定條件可寫為：

圖3 四電平結(jié)構(gòu)運(yùn)行控制原理圖

我們知道對于這種四電平結(jié)構(gòu)所采用的大功率元器件是IGBT，而在控制回路則采用的是PWM方式的調(diào)制技術(shù)。其控制回路采用了目前在工業(yè)系統(tǒng)中大量應(yīng)用的高性能控制器（工業(yè)用計(jì)算機(jī)），用它來分配系統(tǒng)的工作周期和發(fā)送控制周期，在一個(gè)控制周期分成幾個(gè)階段，在每一階段嚴(yán)格按照導(dǎo)通和關(guān)斷的規(guī)律去控制IGBT功率元器件開關(guān)動作。從圖3中我們可以很直觀地看到各階段各開關(guān)元器件的導(dǎo)通，關(guān)斷的過程。例如在A段：1#，2#和3#的開關(guān)導(dǎo)通C1上充有正向電流；而在C段：2#，1#和3#的開關(guān)導(dǎo)通，而C1此時(shí)為放電狀態(tài)。不管怎樣我們的負(fù)載側(cè)在一個(gè)周期內(nèi)的各個(gè)階段得到都是1/3V。同時(shí)我們很直觀地看出在電容上的平均電流為0，電容在這里起到分壓和使系統(tǒng)達(dá)到自然換相的目的。通過這種高速的分配控制，系統(tǒng)可以避免多個(gè)串聯(lián)功率元器件在瞬間同時(shí)導(dǎo)通，有使輸出電壓波形更趨于所希望的正弦波形。

圖4表明了在太鋼實(shí)際采用的2個(gè)IGBT和電容模塊化的結(jié)構(gòu)圖。這種通過雙母排把IGBT和浮動電容組合在一起，最大化地減小了IGBT的開關(guān)電感，同時(shí)也使整個(gè)系統(tǒng)成為一整個(gè)抽屜式的結(jié)構(gòu)，其每一相僅有3個(gè)模塊組成，非常易于維護(hù)。

圖4 兩個(gè)IGBT和電容的結(jié)構(gòu)圖

4、結(jié)束語

IGBT四電平結(jié)構(gòu)變頻控制器是當(dāng)今傳動系統(tǒng)最新的前沿控制技術(shù)，此類變頻器第一套裝置應(yīng)用在工業(yè)系統(tǒng)中是1999年在歐洲的冶金系統(tǒng)的軋鋼卷取軋機(jī)上，其動態(tài)靜態(tài)性能和可靠性都顯示了當(dāng)今技術(shù)的水平，2002和2003年先后在太鋼和寶新投入運(yùn)行的裝置也取得了非常好的經(jīng)濟(jì)效益。本文較詳細(xì)的分析了此變頻器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電流分配的原理。為選擇適合于高壓大容量場合多電平變頻器的技術(shù)方案的應(yīng)用提供了借鑒。