1 引言
中點箝位三電平變換器的發(fā)明初衷是，通過箝位使不導(dǎo)通的兩個開關(guān)器件各承受1/2直流母線電壓，從而使變換器輸出電壓增大一倍。多年來人們對書本和文獻中介紹的電路存在疑慮，因為在某些情況下箝位電路不起作用,達不到預(yù)期效果。近日從abb公司的三電平產(chǎn)品中看到,電路中多了一個箝位電阻,疑慮頓解。
本文討論的第1個問題就是三電平電路中箝位電阻的作用。
在igct變換器發(fā)生短路故障時，即使迅速發(fā)出關(guān)斷器件指令，器件也關(guān)不斷，為此需要把過電流故障區(qū)分為運行過電流和短路兩種情況，采取不同保護對策，這是本文討論的第2個問題。
第3個問題討論igct變換器輸出容量與開關(guān)頻率和輸出頻率的關(guān)系。
有源pwm整流允許能量回饋，功率因數(shù)為1，電網(wǎng)側(cè)諧波小，因而在許多地方得到應(yīng)用。若采用常用的電壓空間矢量法或三角載波比較法產(chǎn)生pwm信號，可以有效的消除開關(guān)頻率以下的諧波，但對開關(guān)頻率之諧波無能為力。igct的開關(guān)頻率低，1khz以下，使pwm整流消除諧波能力大大降低，第4個問題討論如何在低開關(guān)頻率條件下消除更多諧波。
基于4500v igct的三電平變換器最大輸出交流線電壓3300v（直流母線電壓5000v），第5個問題介紹abb公司如何在此基礎(chǔ)上開發(fā)出6.9kv的9電平逆變器acs5000（相電壓5電平）。
2 三電平變換電路中的箝位電阻
在許多書和文獻中介紹的三電平變換電路（一相）示于圖1，由4個開關(guān)(s1-s4)、2個箝位二極管(d5、d6)、2個限制電流上升率電感(ld1、ld2)及直流電容(c1、c2)組成，沒有箝位電阻rc，其中每個開關(guān)(s)由一個igct管(vt)和一個反并續(xù)流二極管(d)組成。
圖1 三電平變換電路（一相）
三電平電路的設(shè)計初衷是，通過箝位使不導(dǎo)通的兩個開關(guān)器件各承受1/2直流母線電壓（vd/2），從而使變換器輸出電壓增大一倍。例如某時刻s3、s4導(dǎo)通，s1、s2關(guān)斷，輸出負電壓vo=-vd/2，希望通過箝位二極管d5的作用將a點電位箝位到0，使s1和s2各承受vd/2電壓，達到不采取附加均壓措施就能實現(xiàn)均壓之目的。這想法有時不能實現(xiàn)：若s1的斷態(tài)電阻大于s2的斷態(tài)電阻，a點電位偏負，二極管d5導(dǎo)通，箝位能實現(xiàn)，均壓之目的能達到；若s1的斷態(tài)電阻小于s2的斷態(tài)電阻，a點電位偏正，二極管d5不導(dǎo)通，箝位和均壓之目的均無法實現(xiàn)，s2承受電壓大于vd/2。
在abb公司的三電平變換電路中，增加了一個箝位電阻rc，其阻值選擇的原則是：流過該電阻的電流大于開關(guān)s的最大漏電流（igct最大正向漏電流+反并續(xù)流二極管最大反向漏電流）。在s3、s4導(dǎo)通，s1、s2關(guān)斷時，rc和s2并聯(lián)，這樣就保證了a點電位偏負，d5一定導(dǎo)通，從而實現(xiàn)箝位和均壓。對于用4500v、4000a的igct構(gòu)成之三電平變換器，取rc=12.5kω。
3 igct逆變器的過流保護和短路保護
igbt是在大功率晶體管基礎(chǔ)上的發(fā)展，過流時器件退出飽和，管壓降vce增大，發(fā)現(xiàn)這情況后立即撤除門極電壓，器件便關(guān)斷，具有短路保護能力。igct則不同，它是在晶閘管基礎(chǔ)上的發(fā)展，其關(guān)斷機理是通過在門極上施加負的關(guān)斷電流脈沖，把陽極電流從陰極向門極分流，使原來的pnpn四層結(jié)構(gòu)變成pnp三層結(jié)構(gòu)，從而關(guān)斷器件。由于負的關(guān)斷電流脈沖限制，每個igct器件都有一個能關(guān)斷的最大陽極電流值，超過此值器件便關(guān)不斷，出現(xiàn)“直通”現(xiàn)象，器件的額定電流就定義為這個最大可關(guān)斷電流，因此igct沒有短路保護能力，它的過電流需分為“運行過電流”和“短路”兩種情況，采取不同保護對策。
3.1 運行過電流
在電機突加負載和（或）調(diào)節(jié)不當時，可能出現(xiàn)“運行過電流”，這電流從電機繞組流過，由于繞組漏電感l(wèi)σ較大，電流上升慢，在檢測和判斷出過電流故障發(fā)生時，電流值還沒達到igct的最大可關(guān)斷電流值，可以通過立即發(fā)出關(guān)斷逆變器中所有igct的方法實現(xiàn)保護。在關(guān)斷所有igct后，逆變器輸出電流io下降，為減少停機情況發(fā)生，可以在經(jīng)過短時間的延時后解除對觸發(fā)脈沖的封鎖，試恢復(fù)運行，若過電流不再出現(xiàn)，系統(tǒng)繼續(xù)運行下去，若還過電流，則停機（abb公司允許試運行兩次）。應(yīng)該指出，這個過電流保護是對輸出電流的第二級保護，很少動作，第一級是調(diào)節(jié)系統(tǒng)本身的限流特性。
3.2 短路
在器件損壞、igct誤觸發(fā)或逆變器內(nèi)部短路時,將出現(xiàn)“短路”故障情況,這時貯存在直流電容c1和c2中的電能通過未損壞的igct短路放電,放電電流不流經(jīng)電機繞組,僅靠電感l(wèi)d1和ld2限制電流上升率,di/dt=500a/μs,由于電流上升非常快，在檢測和判斷出故障發(fā)生時，電流值將超過igct的最大可關(guān)斷電流值，己不可能采用關(guān)斷igct的方法實現(xiàn)保護。這“短路”故障也不能用熔斷器來保護，因為現(xiàn)在還沒有高電壓、大電流、能保護igct的快速熔斷器,即使有,該熔斷器必將體積龐大,損耗大,發(fā)熱嚴重,并影響設(shè)備可靠性。abb公司采用“保護觸發(fā)”（“protection firing”）技術(shù)來解決這問題，也就是通過觸發(fā)逆變器中所有igct，讓三個支路都短路，共同分擔電容短路放電電流，以減小流過故障支路的電流，避免器件損壞。逆變器電路及短路電流波形示于圖2，圖2(a)是逆變器電路，其中cbu是直流電容單元，inu是逆變器單元,圖2(b)是短路電流波形，其中大者為總電流波形，小者為三個支路電流波形，它們的幅值約為總電流的1/3。
圖2 逆變器電路及短路電流波形
3.3 短路保護措施
判斷“短路”故障發(fā)生的方法是檢測限制di/dt電感（ld1和ld2）上的電壓，“短路”時電流不流過電機繞組，di/dt高，電感上電壓高，經(jīng)比較器，便可判斷“短路”是否發(fā)生。
圖3 二極管整流單元lsu及其短路放電回路
為避免在逆變器三個支路短路及電容電壓降低后，巨大的電流從電網(wǎng)經(jīng)變頻器的整流單元流入，必需采取下列幾項措施：
（1）在觸發(fā)逆變單元inu的igct同時，短路整流單元的直流母線，這樣就不會有電流流入cbu單元，反而可以分擔部分電容放電電流，減少流入inu的電流，見圖3(b)。具體的做法是：
● 若整流單元是igct有源整流器，則通過觸發(fā)所有igct來短路直流母線；
● 若整流單元是二極管整流器lsu,則需在直流母線上加裝晶閘管短路器，參見圖3(a)[1],通過觸發(fā)晶閘管來短路直流母線。這短路器由兩套三相晶閘管整流橋構(gòu)成,正常工作時它們不工作,不影響二極管整流橋的工作,在需要短路直流母線時,所有晶閘管全觸發(fā)并導(dǎo)通。
（2）為限制在整流單元直流母線短路后，交流進線電流過大，要求整流變壓器的短路阻抗大。
● 若整流單元是igct有源整流器，短路阻抗最小為15％；
● 若整流單元是二極管整流器,短路阻抗為8％(二極管和晶閘管過載能力比igct大,所以短路阻抗略小)。
（3）必須保證整流變壓器前主斷路器的最大分斷時間≤60ms（分斷時間+拉弧時間），控制回路響應(yīng)時間≤15ms，這樣分斷動作總響應(yīng)時間≤75ms。
4 igct變換器輸出容量與開關(guān)頻率和輸出頻率的關(guān)系
雖然igct開關(guān)快，但由于電壓高、電流大，開關(guān)損耗仍較大，開關(guān)頻率對變換器(有源整流器和/或逆變器)的輸出容量有很大影響。根據(jù)abb公司提供的數(shù)據(jù)，對于用4500v、4000a的igct構(gòu)成之三電平變換器，輸出容量與20ms的開關(guān)次數(shù)/(20ms內(nèi)的開關(guān)次數(shù)定義為開關(guān)1次=開1次+關(guān)1次)的關(guān)系如下：
在三電平變換器（圖1）工作時，若輸出電壓vo>0，只有開關(guān)s1和s3動作，而開關(guān)s2和s4狀態(tài)不變，若輸出電壓vo<0，只有開關(guān)s2和s4動作，而開關(guān)s1和s3狀態(tài)不變，也就是說每個開關(guān)只在半個輸出周期中動作。如果輸出頻率=50hz，變換器的開關(guān)頻率=2×50×(開關(guān)次數(shù)/20ms)，則輸出容量與開關(guān)頻率的關(guān)系如下：
這開關(guān)頻率值比abb公司說的開關(guān)頻率值大一倍，原因是它們按一個輸出周期中某個開關(guān)的動作次數(shù)計算，而這開關(guān)在半個周期內(nèi)沒動作，所以算出的頻率值小，abb公司說的開關(guān)頻率實際上是一個周期中的平均開關(guān)頻率。開關(guān)次數(shù)/20ms=7，輸出頻率=50hz條件下，abb公司有源整流器的相電壓波形示于圖4，從圖4中看出，一個周期中有14個波，開關(guān)頻率=700hz。
圖4 abb公司有源整流器的相電壓波形（開關(guān)次數(shù)/20ms=7）
igct逆變器的電流輸出能力取決于兩個條件：
（1）最大電流峰值必須小于器件的最大關(guān)斷電流—額定電流時不能過載；
（2）器件最高結(jié)溫必須低于125℃。
第一個條件很明確，容易實現(xiàn)。第二個條件較麻煩，因為結(jié)溫與輸出電流大小、頻率、開關(guān)狀態(tài)、散熱條件等諸多因素有關(guān)，很難計算，只能通過仿真得到。
逆變器輸出相電流是交流電流，時大時小周期性變化，電流大時該相器件的結(jié)溫升高，電流小時器件結(jié)溫降低，由于器件和散熱器有一定熱容量，結(jié)溫變化滯后于電流變化，且波動幅度減小。輸出頻率越高，結(jié)溫波動幅度越小，最高結(jié)溫基本上取決于電流有效值。隨輸出頻率降低，結(jié)溫波動幅值加大，為限制最高結(jié)溫，輸出電流有效值必須減小，若輸出頻率≈0hz，電流幾乎變成直流，必須按電流峰值來計算結(jié)溫，有效值減至70％。abb公司給出之a(chǎn)cs6000變頻器低頻時降低輸出電流的要求如下：0～3hz降至70％；3～8hz從70％至100％線性增加；8hz以上均為100％（不降）。
5 有源整流器的pwm生成方法
變頻器的整流單元采用有源整流器有許多好處，允許能量回饋，功率因數(shù)為1，電網(wǎng)側(cè)諧波小，因而在許多地方得到應(yīng)用。有源整流器基于pwm和矢量控制，abb公司的igct有源整流矢量控制系統(tǒng)與許多文獻中介紹的系統(tǒng)[2]無區(qū)別，但pwm生成方法不同。通常pwm信號用電壓空間矢量法或三角載波比較法產(chǎn)生,因為它們實現(xiàn)簡單、響應(yīng)快，但只能消除開關(guān)頻率以下的諧波，對開關(guān)頻率之諧波無能為力，igct的開關(guān)頻率很低，1khz以下，使pwm整流消除諧波能力大大降低。abb公司采用“指定諧波消除法”產(chǎn)生pwm信號（shepwm），它能在較低開關(guān)頻率條件下消除更多次數(shù)的潛波。shepwm的原理在許多文獻中都有介紹[3],這里不再重復(fù),本文只討論在有源整流中應(yīng)用此法的特點及問題。
shepwm是一種同步pwm技術(shù)，即脈寬波形與被調(diào)制的正弦波同步，從諧波分析知，只存在5、7、11、13、17、19、23、25、…等次諧波，無中間諧波。從shepwm原理知，如果在被調(diào)制正弦波的1/4周期內(nèi)有m次器件開或關(guān)動作（開關(guān)1次算2次動作），則可以消除m—1個諧波，以圖4所示波形為例，在1/4個周期內(nèi)有7次開或關(guān)動作，m=7，所以可以消除6個諧波，即5、7、11、13、17、19次諧波，第一個未被消除的諧波是23次，頻率1150hz，也就是說1150hz以下的諧波全被消除,各次電流諧波大小示于圖5。如果采用電壓空間矢量法或三角載波比較法,只能消除700hz(14次)以下的諧波，消諧效果比shepwm差很多。
圖5 m=7時電流諧波圖
采用shepwm存在三個問題：
（1）被指定的諧波消除后，第一個未指定的諧波被放大，以圖5為例，第23次諧波被放大，接近國家標準允許值。這問題可以通過在有源整流器交流輸入側(cè)加裝第23次諧波濾波器解決，由于頻率已高，諧波電流不大，所以濾波器也不大。
（2）為求出每次開或關(guān)時刻的相位角,要求解m維三角函數(shù)聯(lián)立方程,計算量大,不宜用于實時控制,須離線求出開關(guān)角數(shù)值,預(yù)先存貯在查詢表中,待控制時調(diào)用。由于有源整流的交流調(diào)制波的頻率固定(50hz),電壓幅值變化范圍不大,所以預(yù)存貯的信息量比用于逆變器時小。
（3）為了取得好的消諧效果，通常每一個正弦波周期或半個周期更新一次pwm開關(guān)角數(shù)據(jù)，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)慢。有源整流要求快速響應(yīng)，為此不再每一個周期或半個周期更新一次開關(guān)角，而是根據(jù)矢量控制器輸出的電壓向量幅值和相位角期望值隨時更新開關(guān)角，雖然影響消諧效果，但快速性提高。abb公司有源整流器輸入電流有功分量及無功分量的階躍響應(yīng)示于圖6，響應(yīng)時間小于10ms。
圖6 有源整流器的階躍響應(yīng)
6 使用4.5kv器件的6.9kv逆變器拓撲
4.5kv之igct能承受的最大正向工作阻斷電壓為2.5kv，構(gòu)成三電平逆變器后，直流母線電壓vd =5kv，逆變器最大輸出線電壓有效值3.3kv。為滿足亞洲某些國家的特殊需要，abb公司推出一種基于4.5kv之igct及三電平變換的6.9kv變頻器acs5000，主電路示于圖7所示。
圖7 6.9kv變頻器主電路
6.9kv變頻器的整流部分由有6組付方的整流變壓器,6組二極管整流橋組成，構(gòu)成3套±2.5kv(vd＝5kv)彼此隔離的直流電源。6.9kv變頻器的逆變部分由3套三電平h橋構(gòu)成，在圖8中示出三電平h橋主電路。
圖8 三電平h橋主電路
每套三電平h橋由兩個并聯(lián)的中點箝位三電平橋臂組成，每個橋臂都能輸出+vd/2、-vd/2和0三種電平，兩橋臂合在一起便能輸出+vd、+vd/2、-vd/2、-vd和0五種電平。3個h橋y接，構(gòu)成三相逆變器，每個h橋輸出五電平相電壓，線電壓為9電平，由于h橋y接中點與電機中點不聯(lián)，所以可采用“準梯形波調(diào)制”技術(shù)提高輸出電壓15％，則三相逆變器的最大輸出線電壓有效值vlo為：
（kv）
式中vd=5kv。
筆者認為，如果把每個三電平h橋改為2個兩電平h橋串聯(lián)，可能更簡單，元、器件不增加，還可省去箝位二極管，輸出電壓值和電平數(shù)不變。
7 結(jié)束語
本文討論了大功率igct變換器的幾個問題：
（1）三電平變換電路中箝位電阻的作用—消除中點箝位可能不起作用的隱患；
（2）igct無短路保護能力,逆變器的過電流需分為“運行過電流”和“短路”兩種情況,采取不同保護對策；
（3）開關(guān)頻率500hz以上，輸出頻率8hz以下，igct變換器要降低輸出容量；
（4）在有源整流器中采用shepwm方法生成pwm信號，能在較低開關(guān)頻率條件下消除更多次數(shù)潛波;
（5）介紹使用4.5kv器件的6.9kv逆變器拓撲。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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