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，同時不同的一對元器件的控制是在不同的時間段也限制了dv/dt的問題。實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，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，在一個控制周期分成幾個階段，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此時為放電狀態(tài)。不管怎樣我們的負(fù)載側(cè)在一個周期內(nèi)的各個階段得到都是1/3V。同時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)可以避免多個串聯(lián)功率元器件在瞬間同時導(dǎo)通，有使輸出電壓波形更趨于所希望的正弦波形。

圖4表明了在太鋼實際采用的2個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，同時也使整個系統(tǒng)成為一整個抽屜式的結(jié)構(gòu)，其每一相僅有3個模塊組成，非常易于維護(hù)。

圖4 兩個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。