高性能大容量交流電機調速節能技術---現狀及展望

0 引言

能源短缺和環境污染是人類當前面臨的共同的世紀性難題。上世紀70年代以來兩次世界性的能源危機以及當前環境問題的嚴重性，引起世界各國對節能技術的廣泛關注。我國能源生產和消費已列世界第二，但仍遠遠滿足不了工業生產和人民生活發展的需要，在能源十分緊張的情況下，卻因為在節能方面的巨大差距，造成單位產值能耗太大，每年的能源浪費驚人。如相當一部分的風機、水泵類負載，由于采取恒速驅動，浪費掉大量的電能。這類拖動系統約占工業電力拖動總量的一半，如果采用調速節能技術則至少可節約20%以上的電能。我國“十一五”規劃提出了不斷提高能源利用效率和效益的節能目標，而節能工作的重點則放在推行量大面廣的節能技術上。其中一項重要措施就是要逐步實現電動機、風機、泵類設備和系統的經濟運行，發展電機調速節電和電力電子節電技術，只有這樣才能以較低的能源消費彈性系數和較大的節能量來長期支持國民經濟快速、健康、持續的發展。

此外，大量的煤炭、石油沒有經過深加工就被燒掉，不但熱利用率低，還造成對環境的嚴重污染。目前，汽車廢氣排放過度已造成全球性的溫室效應，也是造成北京地區空氣污染的主要原因之一。解決城市環境污染和交通擁擠的重要途徑是發展高速公共交通工具(地鐵，城市輕軌)及電動汽車，高速電氣化列車則是實現城際快速交通的首選，其核心技術都是上世紀80 年代以來和微電子技術并駕齊驅飛速發展起來的一門新技術———現代電力電子及交流電機傳動技術。此外，在軋鋼、造紙、水泥制造、礦井提升、輪船推進器等工業和民用領域中也應廣泛使用大中容量交流電機調速系統。此時，交流調速系統的應用不但可達到節能的目的，還可實現整個系統的性能最佳，改善工藝條件，并大大提高生產效率和產品質量。

從目前掌握的資料和市場上提供的大容量調速產品可以看到，目前每年世界范圍內的交流電機調速系統的硬件，軟件和外圍設備的總銷售額是48.5億美元。其中歐洲、中東和非洲總共占39%，日本占27%，北美占21%，亞洲12%，最后是拉丁美洲的1%。從系統功率的銷售分布看，小功率的調速系統仍然支配著市場，1~4 kW 的調速系統占了總銷售額的21%，5~40 kW系統則占總銷售額的26%。但是隨著以IGBT、IGCT為代表的新型復合器件耐壓、電流和開關性能的迅速提高，大容量交流電機調速技術必將獲得飛速的發展和長足的進步，其市場前景

十分鼓舞人心。

國外在高性能大容量交流電機傳動技術的研究和應用上遠遠走在我們前面，已有MV·A級的高壓逆變器產品大量投入市場，并應用于電力機車、船艦電力推進、軋鋼、造紙及供水等系統中，交流電機變頻調速技術及其產品已成為一些工業發達國家的先導產業。目前我國大、中容量交流調速系統的研制工作起步較晚，很多必需的場合均為國外產品所占領。

因此，研制性能可靠，價格便宜的大、中容量高性能交流電機變頻調速系統，并盡快投入批量生產，對促進國民經濟發展，實現經濟增長方式轉變，降低單位

產值能耗，打破西方國家在此領域的壟斷地位，都將具有重要的戰略和現實意義。

1 大容量交流電機調速技術發展現狀

20世紀80年代以來，現代電力電子技術開始向高頻、高效(低開關損耗)、高功率因數、高功率密度(組合集成化)及高壓大功率方向迅速發展。以GTO、JT、MOSFET 為代表的自關斷器件得到長足的發展，尤其是以IGBT 為代表的雙極型復合器件的驚人發展，使得電力電子器件正沿著大容量、高頻、易驅動、低損耗、智能模塊化的方向前進。伴隨著電力電子器件的飛速發展，大功率逆變器及交流調速技術的發展也日趨高性能化。

1.1 傳統大功率逆變電路

傳統的大功率交流電機調速系統采用的變換器主要有：

1)普通交-直-交三相逆變器;

2)降壓-普通變頻器-升壓;

3)交- 交變頻器;

4)變壓器耦合的多脈沖逆變器。

以上的大功率變換電路研究比較成熟，但在實現大功率交流傳動的同時，在性能上沒有什么突破，且裝置復雜，制作成本高，控制方式可靠性低，并且對電網污染嚴重，功率因數低，無功損耗大，須附加諧波治理裝置，設備成本成倍增加。因此近十幾年來，一些新型高壓大功率逆變器，尤其是電壓型多電平變換器拓撲引起了許多學者的注意。

1.2 新型多電平電壓型逆變器

日本長岡科技大學的A.Nabae 等人于1980年在IAS 年會上首次提出三電平逆變器，又稱中點箝位式(NPC)逆變器。它的出現為高壓大容量電壓型逆變器的研制開辟了一條新思路。在此基礎上，經過多年的研究，發展出幾種主要的多電平變換器拓撲結構，主要分兩種[1][2][3]：第一種為單一直流電源的箝位型變換器拓撲，包括二極管箝位型(DiodeClamped)，電容箝位型(Capacitor Clamped)，以及在此基礎上發展出的通用型拓撲，還有層疊式多單元拓撲(Stacked Multi-cell);第二種為獨立直流電源的級聯型拓撲(Cascaded Inverter with Separated DCSource)。現有的多電平變換器分類如圖1所示。

根據直流電壓源的性質和串聯方式不同，上述兩種拓撲可以用兩個電路模型表示：單一直流電源直接串聯分壓模型和多個電氣獨立的直流電源串聯模型，分別如圖2 和圖3 所示。在圖2中，多電平變換電路可以等效為虛線中的多路開關，現實中是由功率開關器件網絡構成的，不同的開關狀態即代表接到不同的節點。圖3 中作為直流電源的VDC1……

VDCn經過變換電路的不同開關狀態，可以在輸出端組合出多種電平值。

多電平變換器拓撲結構與普通兩電平逆變器相比具有以下優點：

1)更適合大容量、高壓的場合;

2)可產生M層階梯形輸出電壓，理論上提高電平數可接近純正弦波形，諧波含量很小;

3)電磁干擾(EMI)問題大大減輕，因為開關器件一次動作的dv/dt 通常只有傳統雙電平的1/(M-1);

4)效率高。消除同樣諧波，雙電平采用PWM控制法開關頻率高、損耗大;而多電平逆變器可用較低頻率進行開關動作，開關頻率低、損耗小，效率提高。

除上述共同特點外，幾種拓撲結構各有優缺點，

現比較如下。

1.2.1 二極管箝位的多電平逆變器

二極管箝位式多電平結構是出現較早，應用場合較多的一種結構。這種結構的特點是采用多個二極管對相應開關器件進行箝位，輸出相應M電平的相電壓。二極管箝位式拓撲具有多電平逆變器共同的優點，但存在自身不足：

1)箝位二極管承受的電壓不均勻;

2)器件所需額定電流不同，按最大額定設計將造成(M-1)(M-2)/2 的開關器件容量上有所浪費，利用效率低;

3)直流側電容由于一個周期內的流入和流出的電流可能不相等，造成不同級的直流側電容電壓在傳遞有功功率時出現不均衡現象;

4)當進行有功傳遞時，如不附加恒壓裝置，必將導致M 電平逐漸變為三電平(M 為奇數)或兩電平(M為偶數)。解決的辦法通常可用PWM電壓調節器

或電池來代替電容，但這樣又將導致系統復雜，使成本升高。

為解決以上問題，在傳統的二極管箝位式多電平結構上出現了幾種改進型結構。在兩個相鄰箝位二極管兩端加上箝位電容的改進拓撲結構不但解決了二極管串聯問題，而且所加電容對開關器件關斷時的過壓進行箝位。由于所加電容充放電的作用，減小了直流側電容電壓的不平衡性，且能實現電流的雙向流動。另一種是將兩個相同變換器背對背使用的改進結構，左邊作為整流器，右邊作為逆變器，把直流側電容相應節點進行連接，可較好地平衡電容電壓。

1.2.2 電容箝位的多電平逆變器

電容箝位的多電平逆變器最早由T.A.Meynard和H.Foch在1992年PESC年會上提出，最初目的是減少NPC 多電平逆變器中過多的箝位二極管，即采用懸浮電容器來代替箝位二極管工作，直流側的電容不變。其工作原理與二極管箝位電路相似。對比二極管箝位多電平逆變器，這種拓撲結構雖省去了大量的二極管，但又引入了不少電容。對高壓大容量系統而言，電容體積龐大、占地多、成本高、封裝不易。

電容的引進使電壓合成的選擇增多，開關狀態的選擇具有更大的靈活性，通過在同一電平上進行合適的不同開關狀態的組合，使電容電壓保持均衡，可較好地應用于有功調節和變頻調速系統，但控制方法變得較為復雜，而且開關頻率將增高，開關損耗加大，效率隨之降低。

為保持電容電壓的平衡，Meynard提出了一種采用背對背的變換器結構來調整電容充放電的平衡，并采用成一定比例的開關模式來同時控制整流橋和逆變橋，使得流向電容的功率和從電容流出的功率相同。通過對電容電壓進行檢測，如果出現不平衡，可以適當改變整流橋的控制。其缺點是，引入了大量的懸浮電容，而且存在著電容電壓平衡的問題，目前法國ALSTOM公司已開發出此類產品。

1.2.3 電壓自平衡式多電平變頻器拓撲

2000年美國密執根大學的彭方正博士提出了一種電壓自平衡的多電平拓撲，它不需要借助附加的電路來抑制直流側電容的電壓偏移問題，從理論上實現了一個真正的有實際應用價值的多電平結構，傳統的二極管箝位式和電容箝位式電路拓撲也可以由它簡化和發展而來。

高壓大容量多電平電路的一個技術難點就是中點電壓的控制問題。對于三電平及以上電平數的拓撲，如果中點電壓控制的不好，是不能有效地應用于大容量的電能變換場合的。對于以上幾種拓撲結構，電壓高于三電平時，或者是需要隔離的直流電源，或者是需要增加一個復雜的電路結構來幫助維持中點電壓的平衡。這種新的拓撲結構具有電壓自平衡的功能，對于各種逆變器控制策略和負載情況，都能有效地控制中點電壓。

圖4即為這種新型的自平衡多電平結構單相的拓撲，它是由基本的兩電平單元組成的。因為基本的單元是一個兩電平的單相電路(a two-level phaseleg)，所以由它組成的多電平結構又叫做P2多級逆變器。

這種可電壓自平衡的P2多電平拓撲的特點是：

1)系統的電能損耗反比于電容量和開關頻率，提高開關頻率和加入一些特定的開關狀態可以大大減小損耗，提高系統效率;

2)相比一般的二極管箝位和電容箝位式拓撲，該系統各級的中點電壓都能得到很好的控制;

3)對一個M級電平的P2逆變器系統，所需的開關器件/ 二極管數目為M(M-1)，需要的電容器數量為M(M-1)/2;

4)計算簡單，器件應力可達到最小化。

對圖4的系統進行簡化和變形，可以得到傳統的二極管箝位和電容箝位式多電平拓撲，以及一些其他的改進拓撲。去掉圖4所有的箝位開關，可以得到二極管-電容箝位的多電平系統，如圖5 所示;而去掉箝位開關和二極管，則得到電容箝位式的多電平系統，如圖6 所示;去掉箝位開關和電容，可得到二極管箝位式拓撲，如圖7所示;再對調二極管的連接，可得到一種改進的背對背的二極管箝位式系統，如圖8所示。

這種通用的多電平拓撲的應用還包括開關電容DC-DC 變換器和倍壓電路;此外，結合其他電路的使用還可實現雙向的DC-DC 變換。也可以用三電平單元代替兩電平單元來實現多電平變頻器。

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