多电平逆变研究

摘要：多电凭高压变频器自诞生以来就在节能和环保方面体现出极高的价值，也引起了众多的学者进行研究。本文对多电平高压变频器的两种主要拓扑结构及其原理进行分析。

关键词：三电平；单元串联多电平；应用

About multi-level high-voltage converter topology of the two TANG Xin g Long LIU Hui Kang XIONG Wen SUN Kai（Wuhan University of Science a nd Technology College of Information Science and Engineering,Wuhan Hu bei 430081）Abstract: With high voltage inverter, since its birth in the ene rgy-saving and environmental protection reflects the high value, it also ca used a lot of academics for research. In this paper, the multi-level high-vo ltage converter topology of the two main structure and principles for analy sis.Key words: Level 3; Series multi-level unit; Application

1 前言

对于高压电动机，我们如果采用传统的三相六拍的结构变频器对电动机进行控制，由于电压过高，加上电力电子器件开关速度的提高，这样开关器件输出的值就会很大。由于电动机的绕组的中性点是不接地的，电动机每绕组对地存在分布电容，输出电压的变化相当于电容两端电压的变化，即对电容的频繁充放电，充放电对电动机定子绕组的绝缘将造成冲击，而且越大，冲击也越大。电压输出端的电压谐波很容易引起电动机发热而造成电机的损坏，再加上由于电力电子器件本身制造的原因很难达到我所需要的6KV或10KV的高压所以就必须对变频器的拓扑结构进行研究。

多电平变换器最早引起研究者的兴趣是在1980年的IEEEIAS年会上，日本长冈科技大学的A.Naba。等人提出了中性点钳位型（Neutral Point Clamped-NPC）的三电平电路结构[1]。基本思想是通过一定的主电路拓扑结构获得多级阶梯波形输出来等效正弦波。由于多电平变换器对功率逆变器件和控制电路要求都很高，最初并未受到太多关注。直到90年代，随着GTO, IGBT的成熟应用和IGCT, IEGT等新型全控型器件的先后出现，以及以DSP为核心的高性能数字控制技术的普及，多电平变换器的研究和应用才有了迅猛发展。目前已提出多种多电平电路结构，根据主开关器件的电压钳位方式，可将其分为二极管钳位型（Diode Clamped，又称中性点钳位型NPC）、电容钳位型（Capacitor Clamped）和单元级联型（Cascaded Multicell）三类[2]。

2 三电平变频器及其派生的方案

2.1 三电平变频器的工作原理

图1 三电平电路原理结构图

图1所示是三电平逆变器单相的逆变部分的结构图，图中S1～S4是逆变器件的器件，逆变器件可以是GTO、IGBT或IGCT管。V1～V4是逆变器件的续流二极管，V 5和V6是钳位二极管，为了平衡的电路，所有的二极管在选用时必须有相同的功率和相同的耐压等级。而电容Ed的作用是滤去整流电压所产的谐波使得到的直流电压相对比较稳定，C点是中心点，是基点的参考电压。

通过对S1～S4功率逆变器件的开通和关断的控制，即可以输出三种不同的电平，当S1、S2开通时输出+Ed的电压，当S2、S3开通时输出的电压为0，当S3、S4开通时则输出-Ed的电压，由原理图可知在输出端能够输出三种不同的电压，所以把这种变频器叫做三电平变频器。对S1～S4的开通时间进行控制则能近似的输出需要的正弦可调的电压来驱动电机，即SPWM调制变频方式。我们可以建立如表1所示的工作状态表。

表1 各开关的工作状态

根据以上的原理，我们用12只全控的逆变器件加箝位二极管就可以组成三相的三电平电压型变频器。如下图2所示为三相三电平变频器的原理结构图，因为有共同的基点所以又称为中心点箝位变频器。

根据逆变器单相逆变器件的开关工作状态可知逆变器共有P、O、N三种稳定的工作状态。现在我们对逆变器件按单脉冲延时α角触发来对逆变器件的开关工作状态进行控制进行输出电压滤形的研究，若变频器对三相Y形阻性负载供电，图3是单相输出的电压形式，图4是负载的连接图。

图2 三电平电压型变频器原理图

图3 单脉冲控制单相输出电压波形

图4 电阻性负载Y形连接图

若假定负载的中点为O＇，电源逆变箝位中心点为O则可以用负载的相电压U AO＇如下的公式表示出：

公式中表示O＇与箝位中点的O的电位差。为了保证逆变器件的触发导通，我们这里设定触发的延迟角为：，即。A、B、C

三相的触发控制角相差120°，即。则我们可知三相端口各自的输出电压，表2. 5是它们在不同时刻的输出的电压表。

表2 一周期内三相三电平输出端的各相电压

根据表2和式（1）列出A相一个周期内的电压区间式子则有：

以上所求的为A相在上半个周期内各个时间区域内的输出电压，下半个周期内输出的电压大小绝对值相等，只是电压的方向刚好相反，依次为0、-2/3E d、-E d、4/3E d、-E d、-2/3E d、，三相电各个输出中，B相，C相分别滞后A相2TT/3和4TT/3。B 相的输出电压也是每∏/3就发生一次变化。根所上面所求的U AO＇和U BO＇就可以得到输出端两相之间的线电压U AB，如表3所示。

表3 线电压的输出电压表

根据表3我们可以画出A、B两相之间的电压输出波形图：

图5 三相三电平输出线电压的波形

由波形图5我们可以看出，输出的线电压的波形相似于正弦波形，但在接入电机前必须进行电抗器和电容进行滤波才能达到电机输入电压的控制要求，由于直接输出端的电压谐波比较大，所以三电平变频器必须有合理的滤波电路才能再对电机进行变频调的控制。通对单脉冲的控制我们可以看出，如果对三电平变频方式进行SPWM方式变频控制则输出的电压波形将进一步逼近正弦波。当然其滤波还是很大，必须接于较大的电抗器或者电容来减少谐波后对电机进行变频调速控制以免谐波的影响而损坏电机。

2.2 三电平变频的派生方案

（1）二极管钳位型多电平

在1983年的IAS年会上，A.Bhagwat等人进一步将三电平推广到任意多电平结构。[3]如图6所示为采用二极管钳位结构的五电平变频器，其原理与三电平变频器大同小异，只是输出电压的台阶数更多、波形更好，在相同器件耐压下，可输出更高的交流电压，适合做成更高电压等级的变频器，但器件的数量和系统的复杂性也大大增加了。