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MV7000变频器PWM调制技术

发布时间:2009-09-02 17:45   类型:技术前沿   人浏览

摘要:本文介绍了MV7000三电平中压变频器的主要结构及其特点,重点阐述了结合IEGT运行要求和逆变输出性能要求的各种PWM调制方式。
关键词:中压变频器 三电平中性点箝位 注入增强栅晶体管 PWM调制方式
Abstract: This paper introduce the main characteristic and topology of MV7000 three level middle-voltage converter , the focal point lies in various PWM (Pulse-Width Modulation) methods base on IEGT safety operation area requirement and inverter output performance. 
Key words: Middle-voltage converter  NPC(neutral point clamped)  IEGT(Injection enhanced gate transistor)  PWM(Pulse-Width Modulation)

1  MV7000变频器简介
  MV7000变频器是科孚德机电公司的高性能中压工程型变频器,采用最新的IEGT(注入增强栅晶体管)功率开关元件和三电平中性点箝位(NPC)拓扑结构,其逆变桥的主要结构图(1)所示:


 图(1)三电平逆变桥结构图



   MV7000变频器的应用范围非常广,从船舶推进到永磁风力发电机;从钢厂轧机到矿井提升机;从电厂风机到天然气管道的高速压缩机都是其主要的应用场合。因此为了满足各种应用要求,变频器的PWM调制技术必需具有非常高的适用性,能够面对不同应用场合或同一应用场合不同的阶段进行实时改变,从而保证系统具有非常高的调速性能。

   众所周知PWM调制技术主要面对两方面的目标进行控制:第一为输出电压的控制,即逆变器输出的脉冲序列在伏秒上与目标参考波形等效;第二为逆变器本身运行状态的控制,包括直流电容的电压平衡控制、输出谐波控制、所有功率开关的输出功率平衡控制、器件开关损耗控制等。因此根据以上两个原则,MV7000变频器开发了一系列的PWM调制方式,采用调制波和载波双可变的技术,使得变频器能够完全适用于各类应用场合并且具有非常优越的调速性能。

MV7000变频器PWM调制基本原则
MV7000变频器的PWM调制技术能够使逆变桥能够满足下列的基本原则:
    IEGT的结温不超过100°C
    输出的最大电流必须在安全运行区域(SOA)内
    交流电流中的谐波失真(THD)必须最低


 
图(2)IEGT的SOA图


2  PWM调制方式
  MV7000变频器的调制方式包括异步PWM调制方式和同步PWM调制方式,异步PWM调制方式采用波形PWM调制技术,而同步PWM调试方式采用优化的PWM调制技术。

2.1 异步PWM调制方式
  异步PWM调制技术是基于标准的正弦波/三角波载波调制技术。该调制技术通过比较基本频率的调制波与开关频率的三角波而得到,IEGT的控制信号通过每次调制波与三角载波的交点而决定。
  对于三电平的拓扑结构,调制波需要于两个三角载波进行比较,而二电平调制只需要一个三角载波,见图(3):


 
图(3)标准的正弦/三角波PWM调制图

   在正弦/三角波PWM调制方式下,无法对可用的直流母线电压实现满使用,电压利用率低。实际上逆变器输出电压的有效值与方波调制技术相比低21.5%,如果考虑到最小开关时间,那么这个差距会更大,甚至可以达到30%,这个输出电压损失可以部分的通过提高调制深度使其大于1而得到补偿,这意味着正弦调制电压波的电压幅值大于直流母线电压值的一半,这种方式称为过调调制技术,但是这种方式增加了输出电压中的谐波含量,使得输出电压THD变差。
   因此可以通过把零序电压信号加入到正弦电压调制波中而不出现过调制的情况(见图4)。即使在正弦电压信号的幅值高于这个电压限制值,零序电压信号也可以迫使调制波幅值低于VDC/2,同时附加产生的谐波电压也可抵消。应该注意到由于系统的对称性在负载线电压上是看不到这个零序电压的,但实际上所有的零序分量谐波电压都会出现在负载星形中点和直流母线中点之间。图(4)显示了这种调制技术,其中零序电压采用三次谐波电压:

图(4)加入三次谐波的PWM调制图

可以清楚得看到,最终的调制波形由正弦电压参考波形和零序电压波形组合而成,调制波的最大幅值不会超过直流母线电压的一半。在该调制技术下,能够使输出电压基波的幅值增加 波形系数达到2。零序电压给正弦/三角波PWM调制技术带来了更多的自由度,同时也使得下列的调制性能得到提高:

  减少了开关损耗

  改善了直流母线的平衡性能


  在零序电压注入调制技术中,逆变桥输出的线电压有效值由等式1确定: 


 
等式(1)

   基于正弦/三角波PWM调制原理和零序电压注入技术,下列一些PWM调制方式已经被运用于MV7000变频器中:

2.1.1  平均损耗LSPWM调制方式
  平均损耗LSPWM调制技术是基于正弦/三角波PWM调制技术,而其注入的零序电压信号采用矩形脉冲信号,在开关频率点的幅值为+/-0.5 pu。对于LSPWM调制方式,两个三角载波之间有180相位差。


图(5)平均损耗LSPWM调制方式


平均损耗LSPWM调制方式的优点在于:
    使直流母线中性点电压平衡保持最佳
    在低频的时候能够获得大电流,意味着在零速的时候可以获得足够高的转矩
    开关损耗与常规的三次谐波注入PWM调制方式相比降低了50%
平均损耗LSPWM调制方式的局限性在于:
    该调制方式不能用于较高的调制深度,在实际使用中该调制方式只能用于调制深度低于0.4的基波调制波
    将会在电动机中产生较高的零序共模电压,这将导致对电动机绝缘的非常严格的要求

2.1.2  中点电压平衡NPSPWM调制方式
中点电压平衡NPSPWM调制技术是基于正弦/三角波PWM调制技术,而其注入的零序电压信号由幅值正比于1/4调制深度的三次谐波电压和一定百分比的九次谐波电压信号组合。


图(6)中点电压平衡NPSPWM调制方式


中点电压平衡NPSPWM调制方式的优点在于:
    能够使直流母线中点电压的平衡最优化,实际上零序电压是专门用于稳定中点电压的。
    能够优化电流THD性能
中点电压平衡NPSPWM调制方式的局限性在于:
    开关损耗没有最优化
    最大的输出电压是受限制的

2.1.3  非连续GDPWM调制方式
非连续GDPWM调制方式是基于正弦/三角波PWM调制技术,而其注入的零序电压信号是通过计算而得到的,计算的原则就是使得在整个基波周期内,有两段维持时间为60度的时间内其最终调制波的调制深度被夹箝在+1和-1上。

图(7)非连续GDPWM调制方式

非连续GDPWM调制方式的优点在于:
    在两个每段维持60度的非调制周期内没有开关损耗,利用该特性可以使得某一相在最大峰值电流期间进入非调制阶段从而使开关损耗最优化。
    最低的谐波电流频率是开关频率的1.5倍。
    与传统的H3PWM调制技术相比,提高了在中性点箝位NPC结构中IEGTs之间的热均衡性能。
    在调制深度最高点实现输出性能的优化,因为它能避免电压参数的非线性。
非连续GDPWM调制方式的局限性在于:
    对于低调制深度的应用,电流THD与传统的H3PWM调制技术相比高30%
    在电动机上会产生较高的零序共模电压,因此对于电动机的绝缘有更严格的要求
    对于直流母线中点电压平衡无法实现最优化

2.1.4  其他异步PWM调制方式:
H3 PWM调制方式:零序电压是基波的三次谐波,其幅值正比于调制深度的1/6。
THIP 1/4 PWM调制方式:与H3类似,但幅值正比于调制深度的1/4。
3LC PWM调制方式:对于低调制深度的调制波信号在两段60度期间被夹箝在0 ,而对于较高调制深度的调制波信号,一段60度夹箝在0的信号被改变成夹箝在+1或-1。

2.2  同步PWM调制方式
在MV7000变频器中使用的同步PWM调制方式称为预计算优化PWM调制方式,是通过在预先确定的时刻实现特定开关的切换,从而产生预期的最优PWM控制,且能消除选定的低频次谐波。
在实际应用中,通过确定N次的谐波频率就可以计算出在0° 到90° 之间的开关角度,因此考虑到系统的对称性,整个PWM脉冲序列就能被确定。在输出电压中只包含奇数次的谐波,并且由下面的公式决定:

等式(2)
的开关角度。
因此该方法具有N个自由度,其中一个用于决定基波,(N-1)个自由度用于消除(N-1)个指定的谐波。

 


表(1)预计算PWM调制方式消除的输出电压谐波

2.2.1  预计算PWM调制方式1
  预计算PWM调制方式1只需计算一个开关角度用于决定基波的幅值,开关角度由以下公式计算而得:

等式(3)
其中M是调制深度
图(8)显示了在不同调制深度条件下由等式(3)计算而得到的开关角度:


图(8)预计算PWM调制方式1开关角度

图(9)预计算PWM调制方式1的输出波形


2.2.2  预计算PWM调制方式2
预计算PWM调制方式2中一个开关角度用于决定基波的幅值,另一个开关角度用于消除5次电压谐波,开关角度由以下等式方程组计算而得: 
   等式(3)
其中M是调制深度
该等式方程组属于非线性超越方程,因此具有多重解,这些非线性等式可以通过离线的数值解法求解。
图(10)显示了在不同调制深度条件下由方程组求得的解:


 图(10)预计算PWM调制方式2开关角度



 
图(11)预计算PWM调制方式2的输出波形

2.2.3  预计算PWM调制方式3
  预计算PWM调制方式3中一个开关角度用于决定基波的幅值,另外两个开关角度用于消除5次和7次电压谐波,开关角度由以下等式方程组计算而得:
等式(4)
其中M是调制深度
  该等式方程组属于非线性超越方程,因此具有多重解,这些非线性等式可以通过离线的数值解法求解。
图(12)显示了在不同调制深度条件下由方程组求得的解

 图(12)预计算PWM调制方式3开关角度



 
图(13)预计算PWM调制方式3的输出波形



预计算PWM调制技术的优点在于:
    在预计算PWM调制方式中,所有开关器件的动作都是预先知道的,因此与异步PWM调制技术相比可以很容易地计算开关损耗,从而使预计算PWM调制技术可以应用于高速电动机,因为在此应用中同步PWM调制技术中的开关损耗将作为主要考虑的因素。
    因为输出波形接近与方波,所以逆变器输出电压的可用性很高。

2.3  不同PWM调制方式的应用域
根据不同PWM调制方式的特性,对于不同电动机速度和不同调制深度的操作运行点,可以使用不同的PWM调制方式,图(14)就显示了PWM调制方式不同的应用域;


 
图(14)不同PWM调制方式的应用域


  这其中应注意到在图中从一种PWM调制方式转换到另一种PWM调制方式的界限仅供参考。这个转换过程在某些情况下受到实际应用电流需求的影响。

3    实际案例:

以下一些案例中,IEGT的额定电流值为1350A,额定电压为4500V。由其组成的逆变桥功率为6MW ,输出额定电压为3300V。 

表(2)低速电动机的PWM调制方式 


        
表(3)正常速度电动机的PWM调制方式 

         
表(4)高速电动机的PWM调制方式

表(5)AFE主动前端的PWM调制方式

结论

  根据运行点的速度和电压情况采用不同的PWM调制方式能够确保变频器具有很高的适用性和可靠性,这也是MV7000变频器得到广泛应用的主要原因。

作者简介

章钧(1974-)男 上海海事大学工程硕士,供职于科孚德机电(上海)有限公司,主要从事大功率变频器应用推广。

参考文献:

1.Work package calculation tools – MV7000 voltage and current harmonic calculations – Driving sizing tools – L. Leclere

2.A new medium voltage IGBT Press-Pack converter: A significant step in electrical propulsion drives – B. Gollentz, N. Gruau, A Mirzaiain, E. Lewis

3.A new step in high power electrical propulsion systems with PWM converters and large induction motors – G. Flury, E. Leleu, P. Manuelle, J-C Mercier, F. Terrien

4.Advanced electrical propulsion with a high power Press Pack IGBT drive – G. Flury, P. Manuelle, D. Begin, E. Leleu

5.Entrainements electriques a vitesse variable – Volume 2 – Jean Bonal, Guy Seguier

6.《交流同步电机调速系统》-科学出版社-李崇坚 著

7. 《大容量多电平变换器-原理、控制、应用》-科学出版社-李永东,肖曦,高跃 编著

11.《高压大功率交流变频调速技术》-机械工     业出版社-张皓,续明进,杨梅 编著


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