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>>>公 司 新 闻 / 多电平逆变电器工作原理分析
 

         多年来多电平工作成为了中高压大功率变频领域的一个研究热点。多电平逆变器输出电压阶梯多,从而可以使输出的电压波形具有较小的谐波和较低的du/dt。随着输出电平数的增加,输出电压的谐波将减少。另外,多电平逆变技术在减小系统的开关损耗与导通损耗,降低管子的耐压与系统的EMI方面性能都非常优良。
一、三电平NPC型变频器的基本工作原理
        通用变频器由有正、负两极的中间直流电压给逆变器供电,称作二电平逆变器。需要逆变器输出较高电压时,二电平逆变器开关器件的耐压可能不够,为此研制出三电平逆变器,这时,交流侧每相输出端从中间直
流回路取得的电压有三种电位,即正端电压P、负端电压N和中性点零电位O。三电平逆变器有几种拓扑结构,目前应用最广泛的是中性点箝位型三电平逆变器。
        中性点箝位型(Neutral Point Clamped,NPC)三电平逆变器一相电路原理图如图一所示。其特点是,每相桥臂由4个电力电子开关器件串联组成,每个器件都反并联一个续流二极管,用电容分压得到的直流回路中性点O,由两个箝位二极管VD5、VD6分别接到上下桥臂开关器件的中点,这样,每个电力电子开关器件的耐压值可降低一半,平均每个主开关器件所承受的正向阻断电压为Ud/2。由图可见,在三电平逆变器中,每一相需要四个主开关器件、四个续流二极管和两个箝位二极管。

                                              

      中性点箝位型逆变器主电路有3种稳态工作模式:
      (1) 工作模式1开关器件VI1、VI2导通,VI3、VI4关断。这样直流母线的高电平P通过上部两个开关器件到达负载,而箝位二极管和下部两个开关器件将零电位和低电位隔离,负载得到高电平。
电流途径有两种情况:
      ①电流方向为流入负载,即电流从 P 点经过VI1、VI2到达输出端 A 。若忽略功率开关器件的正向导通管压降,则输出端电位等同于P点电位。
      ②电流从负载流出,此时电流从输出端A经过续流二极管VD2、VD1注入P点,输出端A点电位仍等同于P点电位。
       (2) 工作模式2VI2、VI3导通,VI1、VI4关断。这样直流母线的高 P、低 N电平都不能通过靠近直流母线的两个开关管到达负载 ,而中点电位侧通过两个箝位二极管使负载得到零电平。
       ①电流流入负载,则电流从中性点O通过箝位二极管 Vd5、主开关管 VI2到达输出端,输出端电位等同于O点电位。
      ②电流从负载流出,从输出端流过 Vi3 、VD6注入中性点,该相输出端电位仍等同于O点电位。在这种情况下,VD5、VD6 与 VI2、VI3一起把输出端箝制在中性点电位上。
      (3) 工作模式3VI3、VI4导通,VI1、VI2关断。这样直流母线的低电平N通过下部两个开关器件到达负载 ,而箝位二极管和上部两个开关器件将零电位和高电位隔离,负载得到低电平。
      电流途径与工作模式1相仿,使输出端A点电位等同于N点电位。
      由以上分析可见,在中性点箝位型逆变器中,主开关管VI1和VI4不能同时导通,而VI1和VI3、VI2和VI4的工作状态是互反的,这是三电平逆变器的基本控制规律。三种工作模式的开关状态与每相输出电压列于表一。

                                          

         要从一种稳态工作模式切换到另一种稳态工作模式必然需要换流,从三电平逆变器的性质上看,是不允许P和N两种开关状态之间直接相互切换的,只允许P→O→N或N→O→P的切换,这在控制中必须予以保证。
二、二极管中性点箝位H桥式电压源变频器工作原理
         ABB 推出的 ACS5000 ,就是基于五电平(九电平相-相)电压源型逆变器 (VSI) 的拓扑结构,无需串联或并联功率半导体。它是现今市场最可靠耐用、最有效的中压变频器。输出电压和电流的质量允许使用标准电机。甚至还可以对现有的对直接在线 (DOL) 电机进行改造。
        由三部分组成:36脉冲二极管整流器,由3X12脉冲电桥组成输入电压、三个直流回路和三个五电平逆变器。

由上面分析,可以知道二极管箝位式多电平逆变器的特点如下:
       (1) 多电平逆变器各开关主管所需承受的电压值明显降低,从而解决了主回路高电压与主开关器件低耐压值的矛盾,为变频器在高压大功率应用场合开辟了另一条新途径。
       (2) 随着对中间直流回路所分的电压等级数的增加,二极管箝位式多电平逆变器输出电压等级数成倍增加,谐波含量明显降低,电压质量提高,可以降低输出滤波要求,甚至某些场合下可以省掉输出滤波器,为抑制谐波技术提供了一条新思路。
       (3) 从达到相同的输出性能指标来看,二极管箝位式多电平逆变器可以有效地降低主管开关频率,从而使系统损耗相对降低。
       (4) 随着电平数增加,每个电平幅值相对降低,电压变化减少,主电路电流含有的脉动成分小,电磁噪声和转矩脉动降低,从而大大降低电磁干扰(E M I ),利于电机的平滑调速。
        我公司根据东方电机高速重载推力轴承试验台特殊要求,  在项目设计中反复论证, 选用了AC5000中压变频器, 投运一次成功。变频器运行可靠、响应快速,电机运行平滑噪音小,电网谐波干扰小。为试验台测试数据提供了很好的保证。

                                                     

                                                    

                                                                   图二、5电平电压源变频器原理图

                                   

 





 

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