倍頻SPWM技術在級聯型多電平變頻器中的應用

0 引言

高壓大功率變頻器是近年來電力電子行業的研究熱點，在礦山、冶金行業得到廣泛的應用。經過20多年的發展，高壓變頻器拓撲結構出現了多種形式，其中以單元級聯型拓撲結構最受工業場合青睞，它不需要大量的箝位二極管或電容，也不存在中間直流電壓中性點偏移問題，采用模塊化安裝，結構緊湊，而且采用倍頻SPWM 技術，可以在比較小的開關頻率情況下達到較高的等效輸出頻率，從而優化輸出波形，減少開關損耗。為此，本文將對級聯型多電平變頻器原理和控制策略進行分析，同時給出相應的實驗波形。

1 級聯型多電平變頻器主電路拓撲及工作原理

1.1 主電路

單元級聯型多電平變頻器采用若干個獨立的低壓功率單元級聯的方式來實現高壓輸出，其主電路拓撲如圖1所示。設級聯型H橋多電平變頻器每相級聯的單元數為N , 則輸出相電壓波形所含電平數為[1]

1.2 工作原理

以每相5單元為例，單元級聯型多電平變頻器原理如圖2所示。電網電壓經過二次側多重化的隔離變壓器降壓后給功率單元供電，如圖2(b)所示;

功率單元為三相輸入、單相輸出的交-直-交PWM電壓源型變頻器結構，見圖2(c)所示;將相鄰功率單元的輸出端串接起來，形成Y聯結結構，實現變壓變頻的高壓直接輸出，供給高壓電動機，如圖2(a)所示。每個功率單元分別由輸入變壓器的一組二次繞組供電，變壓器二次繞組之間相互隔離。

對于額定輸出電壓為6 kV的變頻器，每相由5個額定電壓為690 V的功率單元級聯而成，輸出相電壓最高可達3 450 V，線電壓可達6 kV左右，每個功率單元承受全部的輸出電流，但只提供1/5的相電壓和1/l5的輸出功率。所以，單元的電壓等級和級聯數量決定變頻器輸出電壓，單元的電流定額決定變頻器輸出電流。由于不是采用傳統的器件串聯的方式來實現高壓輸出，而是采用整個功率單元級聯，所以不存在器件串聯引起的均壓問題[2]。圖3 為級聯數N=5的相電壓輸出波形，從圖中可以看出，其波形數目為11個，非常接近正弦波。

2 倍頻SPWM技術

在普通PWM變流器中，器件開關頻率與輸出電壓載波頻率相等。所謂倍頻式PWM技術是指輸出電壓的載波頻率是功率器件開關頻率的2倍。簡而言之，倍頻式SPWM 技術是用一個正弦調制波與兩個在相位上互補的載波信號分別進行SPWM 調制，輸出電壓相當于兩個SPWM波形的代數相加，其消除和抑制諧波的效果相當于一個2倍載波頻率的常規SPWM。多電平載波相移SPWM 技術正是從倍頻式SPWM技術發展而來。由此可知載波相移SPWM技術的基本思想是：N個級聯單元均采用較低開關頻率的SPWM調制，并具有相同的頻率調制比kc，幅值調制比m和共同的正弦調制信號，而各級聯單元三角載波的相位角依次差茲，利用SPWM 技術中的波形生成方式和多重化技術中的波形疊加結構產生載波相移SPWM波形[3] [4]。現以每相2個功率單元級聯而成的級聯型變頻器為例來分析。

根據倍頻SPWM技術原理，采用2 對(每對含正反相信號)依次相移為90毅的三角載波CH1、CH2和參考波RU進行調制。圖4(a)表示U相的參考波形RU和三角波載波CH1、CH2，參考波形頻率為50 Hz，載波頻率為1 000 Hz。圖4(b)Ll為RU與第一個載波(無相移)CH1的比較結果，當RU大于載波CH1時，L1為高電平，RU小于載波CH1時，L1為低電平。L1用來控制U 相第一個H 橋功率單元中左橋臂IGBT V11 和V12的通斷，L1為高電平時，V11導通，V12截止，L1為低

電平時，V11截止，V12導通;RU 和第一個載波CH1的反向信號比較產生的R1用于控制V13和V14的通斷。

當RU大于反向載波時，R1為低電平，反之，R1為高電平，如圖4(c)所示。R1為高電平時，V13導通，V14關斷，反之亦然，由此可決定輸出電壓波形。實際上，L1與R1之差，就代表了輸出端VU1之間的電壓波形，即U 相第一個H橋功率單元的輸出電壓VU1，VU1具有+Vd c，0，-Vdc三種電平，如圖4(d)所示。同理，可以得到L2、R2，它們是用相移90毅的載波CH2及其反向載波分別和U相參考波RU比較的結果，見圖4(e)和圖4(f)所示。L2與R2之差表示U相的第二個H橋功率單元輸出電壓波形VU2，見圖4(g)所示。VU1、VU2級聯相加，即得到U相的相電壓輸出波形VUg，VUg有5種不同的電平，見圖4(h)所示。V相和W相的調制采用同樣的原理，只是參考波RV、RW依次相移120毅。

3 實驗波形

根據級聯型多電平變頻器工作原理，采用圖1所示主電路拓撲和倍頻SPWM技術，在實驗室設計和研制了一臺相電壓為五電平的級聯型變頻器裝置，它主要由DSP控制板、FPGA 電路、主電路及驅動電路構成。圖5為測得的一些觸發脈沖及輸出電壓波形。圖5(a)為功率開關管V11 和V14 的觸發脈沖，它們之間差1/2 個載波周期;圖5(b)為第一個H橋單元功率開關管V11 和第二個H 橋功率單元V21的觸發脈沖，它們之間差1/4 個載波周期，由圖5(a)、(b)可知，等效載波頻率提高了一倍，驗證了SPWM 倍頻技術的正確性。圖5(c)、(d)是輸出頻率分別為40 Hz和30 Hz的輸出電壓波形。

4 結語

級聯型多電平變頻器由于其輸入側采用移相變壓器供電，其功率因數高、輸出側是采用低壓單元疊加形成高壓輸出，因此輸出側dv/dt小。另外，由于采用倍頻SPWM技術，可以在低的開關頻率情況下達到較高的等效輸出頻率，從而減少開關損耗和諧波，使輸出波形性能得到大大的提高。

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