高性能大容量交流电机调速节能技术---现状及展望

1.2.4 层叠式多单元结构(SMC)

SMC结构如图9所示，这种结构也能实现高压、多电平输出[12][13]。这种结构相比一般电容箝位型结构有一定的优势，可以使用更少个数和更小体积的电容，减少了装置的体积，尤其在大于三电平以上高压输出的应用中。

SMC拓扑结构是基于跨接电容和开关组成的基本换流单元的一个混合结构。图10为两层叠两单元变换器的结构。这种结构相当于把两个电容箝位型单元叠加起来，图中S21a、S21b和S21为互补开关，不能同时开通，同样其他开关也有类似的互补开关对。上层和下层采用类似电容箝位型的开关方法，就可以实现多电平的输出。

但是，这个结构也有一些缺点：为了满足最底层和顶层一方开通时的耐压要求，拓扑中外侧功率开关都是两管直接串联，带来了开通和关断同步问题，而且由于不是总工作在上述的两个状态，从另一个角度说，浪费了功率器件的耐压容量，而且当需要进一步升压，层叠数超过两层时，开关数量会大大增加，电容也会增多;同时，这类拓扑的控制方法也比较复杂，其优越性也不明显。

1.2.5 带分离直流电源的串联型多电平逆变器

对于带分离直流电源的串联型多电平逆变器，要获得更多电平只须将每相所串联的单元逆变桥数目同等增加即可，如图11所示。其特点是：

1)直流侧采用电压相同但相互隔离的直流电源，不存在电压均衡问题，无须二极管或电容箝位，易于进行调速控制;

2)因每个H 桥都采用单相控制，直流电容在任一时刻都有交流电流通过，因此需要用较大容量的直流电容;

3)控制方法相对简单，因每一级结构的相同性，可分别对每一级进行PWM 控制，然后进行波形重组;

4)对相同电平数而言，串联型结构所需器件数目最少;

5)一般二极管箝位式、电容悬浮式限于7或9电平，串联型结构因无二极管和电容的限制，电平数可较大，适合更高电压，谐波含量更少;

6)由于每一级逆变桥构造相同，给模块化设计和制造带来方便，且装配简单，系统可靠性高。另外，某一级逆变桥出现故障时，就被旁路掉，剩余模块可不间断供电，以尽量减少生产损失。

因这种结构较容易采用低压的功率开关器件，实现多级电压串联，获得高电压、大容量，因此具有较大的实用性。当然，这种结构的不足之处在于需要很多隔离的直流电源，应用受到一定限制。

目前，国际上很多著名的电气公司包括罗宾康、东芝、ANSLADO、三菱都已经具有同类的产品，可以用在大容量电机调速、无功补偿等一些行业。国内也有产品问世，可用于拖动风机、水泵等调速系统中。

1.2.6 三相逆变器串联式结构

1999年E.Cengelci 等人提出了一种新型的变压器耦合式单元串联高压变频结构。其主要思想是用变压器将三个由IGBT或IGCT构成的常规逆变器单元的输出叠加起来，实现更高压的输出，并且这三个常规逆变器可采用同一种控制方式，电路结构和控制方法都大大简化。其拓扑如图12所示。

这种三相逆变器串联式逆变器结构的优点是：

1)以三个常规的逆变器为核心构成高压变频器，每个逆变器可采用常规PWM调制方法;

2)三个常规的逆变器平衡运行，各分担总输出功率的1/3;

3)整个变频器输出可等效为7 电平PWM，谐波小且dv/dt低;

4)输出变压器的容量只需总容量的1/3;

5)18脉冲输入，网侧无谐波且功率因数高。

由于三相逆变器串联式结构的三个逆变器电压、电流和功率完全对称，三个逆变器可采用完全相同的控制规律，但是相当于两电平的高压变频器，dv/dt 太大。因此可以采用将三个逆变器的PWM 信号相互错开1/3周期的办法，对SPWM来说就是三个逆变器各自采用一个三角波，相位互差120°，相当于一个线电压为7电平的高频变压器。电机线电压PWM波形与变压器绕组如图13、图14所示。

综上所述，二极管箝位式和电容箝位式由于存在均压问题，比较适合应用于无功调节，而在有功传递，如电机调速方面控制较难，需要实施额外的算法。电压自平衡的P2多电平系统不需要大量的变压器，结构紧凑，功率因数高，无电磁干扰，损耗低，在多电平逆变器实现的领域上引起了广泛的关注和应用。在输入变压器成本允许的前提下，串联型结构以较低耐压器件实现高压大容量，由于电平数可以很多，网侧和输出侧谐波很低，若采用四象限整流，并与现代电机控制理论结合，高性能四象限大容量交流电机变频调速将成为可能，其在交流传动领域的应用将很乐观。三相逆变器串联式可以保证均衡利用功率和变转矩负载条件的运行，并且对电网谐波污染小，可很好地用于中压(2 300～4 160 V)的交流

电机调速驱动系统。

2 PWM 控制技术

大功率逆变器电路拓扑结构不断更新的同时，与之相应的PWM控制技术也得到了飞速的发展。各国学者不仅对传统的PWM进行革新，也不断地提出一些全新的控制策略。

2.1 传统的PWM控制技术及其发展

传统的PWM 控制技术多用于两电平逆变器的门极驱动控制，其主要方法是依靠载波和调制波的比较，得出交点，或采用微机计算方法得到门极触发脉冲控制信号。正弦脉宽调制SPWM，调制波为正弦波，实现的典型方法有自然采样PWM，规则采样PWM，等面积PWM 等方法。三电平电路中，若采用两个正弦波与一个三角波比较，可得到双向dipolar调制PWM[14]，可大大减少相间电压的谐波。以上这些方法都可以在多电平电路中加以使用。且根据结构的不同，实现的方法也不同。

2.2 优化PWM技术

近年来，优化PWM技术得到了迅速发展。它是根据谐波含量，谐波畸变率(THD)最小，转矩脉动最小等目标函数，寻求PWM 控制波形。最优化PWM有一般PWM方法不具备的特殊优点，如电压利用率高，开关次数少及可实现特定优化目标等。优化PWM可用于多电平逆变器，而且可利用NPC逆变器的特点对每个开关器件的控制规律进行优化以提高整体性能，降低电机损耗。

2.3 多电平逆变器与空间电压矢量PWM

空间电压矢量PWM 法，是以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁通为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，由比较结果决定逆变器的开关顺序，形成所需的PWM波形。电压矢量PWM法消除谐波效果类似于多电平SPWM。对于三电平、五电平逆变器，开关模式容易计算，易于数字化实现。但随电平数增加，开关模式的计算量剧增，而且所需内存增加很多。由于开关模式选择冗余度大，选择合适矢量，可达到消除共模电压作用，而且对于二极管箝位式多电平逆变器，可消除或减小直流侧电容电压的不平衡性。

随着多电平逆变器的出现，空间电压矢量SVPWM有了进一步的发展。比如对三电平中点箝位式逆变器，选取适当的空间矢量组合和电压矢量导通时间，可得到很逼近圆形的磁通。根据选择矢量的不同还可以有多种SVPWM 控制方案，各种方法得到的调制矢量角各不相同，控制性能也各不相同。比起双电平空间矢量，其矢量选择范围大，能更好地逼近正弦磁通，控制电机能获得更好的性能。同时，其良好的拓扑结构使系统容量变大，可靠性提高，损耗减少。

三电平逆变器存在直流侧的高压，因此对器件仍有潜在的高压威胁，可靠性受到一定的限制。另外，直流侧电容电压的均衡问题是控制上比较棘手的地方。这种逆变器也存在网侧的谐波，用特殊的处理方法，比如双PWM技术可以得到很好的结果。在某些场合(比如UPS 中)，多电平逆变器还可采用电流滞回控制PWM方法。

3 结论及展望

由于在功率器件研制及拓扑结构方面取得的突破性进展，大容量交流电机调速技术的发展呈现着崭新的面貌，蕴藏着巨大的发展机遇。

传统大功率逆变电路由于体积大，性能差，并对电网产生较多谐波，因此应用领域越来越多地受到限制。而新型多电平逆变器由于具有动态性能好，对电网和电机产生的谐波较少，可以升高电压等优点，受到越来越多的重视。当PWM技术应用于多电平逆变器时，产生一些改进方案，对高性能大容量逆变器的应用起了重要作用。

目前我国电动机调速技术的特点是以低压、小容量调速对象为主，高压、高效的变频调速装置以进口为主。面对节能、改善工艺的迫切需求和巨大的市场前景，国产高压大功率变频器产品的生产还基本上刚刚起步。然而，困难与希望同在，挑战与机遇共存。国际上具有生产、研制新型大功率变频调速装置能力的均是世界知名的大电工电气公司，由于他们在电力电子技术发展的过程中一直是按部就班进行的，形成了从功率半导体器件到整机生产的全套工业环节，市场惯性和企业本身的庞大机构使得他们不会马上转产全新的产品。而我国是一个新兴的发

展中国家，尽管在老技术方面有一些投资，但投资相对较小，包袱不大，可以马上转入最新技术的开发和利用，借鉴别人的经验，跨过他们已经走过的路程。

在最新领域取得研究成果的基础上尽快产业化，可大大缩短与先进国家的差距，在某些方面甚至还可以超过他们。从目前看，大容量交流电机调速技术应用的时机业已成熟，国内只要在体制改革、生产管理和经营决策方面走上轨道，其发展前途不可限量。