中點箝位式三電平逆變器動態(tài)換流分析

羅振成，張桂枝

(張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河北張家口075051)

1 引言

在變頻調(diào)速中多電平控制技術(shù)成為解決高壓難題的有效手段，其中三電平變頻器由于結(jié)構(gòu)簡單可控性好在實際中得到廣泛應(yīng)用。在三電平中選取相同容量開關(guān)時，系統(tǒng)容量和直流側(cè)電壓都可提高一倍。三電平逆變器輸出電壓波形的正弦度越高，電動機(jī)的調(diào)速性能越好，而逆變器的正確動態(tài)換流是確保其輸出正弦電壓波形的前提，故分析逆變器動態(tài)換流具有重要意義。

2 中點箝位式三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，中點箝位式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是最實用的一種多電平結(jié)構(gòu)。三電平是指逆變器的每相輸出電壓相對于直流側(cè)的電位中點有+Udc/2、0和–Udc/2三種電位。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1]如圖1。

圖1 中點箝位式三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Neutral point clamped three level inverter topology

Udc為直流側(cè)電壓，電容C1和 C2為均衡電容器，且C1=C2，每個電容上的壓降為Udc/2。O＇為電位中點。逆變器每相橋臂上均設(shè)置4個相串聯(lián)的單向功率開關(guān)，每個開關(guān)并聯(lián)一個續(xù)流二極管，每一相設(shè)置2個箝位二極管。

3 三電平逆變器輸出的三種穩(wěn)定狀態(tài)

三電平逆變器三個橋臂中的每個橋臂上輸出一相交流電，每個橋臂上的四個功率開關(guān)正常工作時有三種開關(guān)模式，每個開關(guān)模式都有兩個開關(guān)管導(dǎo)通。當(dāng)最上邊的兩個開關(guān)導(dǎo)通時，逆變器輸出電平為+Udc/2，稱為P狀態(tài);當(dāng)中間的兩個開關(guān)導(dǎo)通時，逆變器輸出電平為零，稱為O狀態(tài);當(dāng)最下邊的兩個開關(guān)導(dǎo)通時，逆變器輸出電平為－Udc/2，稱為N狀態(tài)[2]。

4 三電平逆變器的動態(tài)換流分析

如圖1所示，當(dāng)電流從逆變器流出，定義電流方向為正;反之，當(dāng)電流進(jìn)入逆變器時，定義電流方向為負(fù)[3]。

下面將以U相為例對三電平逆變器的P狀態(tài)與O狀態(tài)之間、O狀態(tài)與N狀態(tài)之間的動態(tài)換流過程進(jìn)行分析，V相和W相的工作情況與U相類似，不再重復(fù)敘述。

4.1 P狀態(tài)到O狀態(tài)的換流過程分析

4.1.1 當(dāng)負(fù)載電流方向為正時

4.1.1.1 當(dāng)原狀態(tài)為P狀態(tài)時，功率開關(guān)管Su1、Su2導(dǎo)通，U相輸出電位為+Udc/2。如圖2(a)所示，電流流通路徑為:P電位→Su1→Su2→U相輸出端。

4.1.1.2 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出關(guān)斷Su1信號，Su1還未恢復(fù)阻斷能力的瞬間，箝位二極管Du1(電流下降時，由于電機(jī)為感性負(fù)載，要產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢來阻礙電流的下降，該感應(yīng)電動勢對Du1產(chǎn)生正偏電壓的作用，使Du1導(dǎo)通)也處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時導(dǎo)致Du1和Su1瞬間短路，產(chǎn)生瞬間短路電流，短路電流大小取決于Su1的反向恢復(fù)電流的大小。短路電流的流通回路為:中性點O＇→Du1→Su1→P電位→C1→中性點O＇。如圖2(b)所示。當(dāng)Su1的反向電流下降到0時，Su1截止關(guān)斷，負(fù)載電流由Su1換到Du1流通，換流過程結(jié)束。此后全部負(fù)載電流由Du1和Su2流過。負(fù)載電流回路為:中性點O＇→Du1→Su2→U相輸出端，如圖2(c)所示。

4.1.1.3 換流過程結(jié)束后，觸發(fā)功率開關(guān)管Su3導(dǎo)通，逆變器保持前面狀態(tài)。負(fù)載電流回路仍為:中性點O＇→Du1→Su2→U相輸出端，通過Du1箝位作用使U相輸出0電位，如圖2(d)所示。

圖2

4.1.2 當(dāng)負(fù)載電流方向為負(fù)時

4.1.2.1 在狀態(tài)從P狀態(tài)切換至O狀態(tài)前，功率開關(guān)管Su1、Su2上雖然加有觸發(fā)脈沖，但由于電流為負(fù)，而開關(guān)管Su1、Su2單相導(dǎo)電，Su1、Su2無電流流過。負(fù)載電流由續(xù)流二極管Du3、Du4流通，U相輸出電位為+Udc/2。如圖3(a)所示，電流流通路徑為:U相輸出端→Du4→Du3→P電位。

4.1.2.2 當(dāng)對Su1發(fā)出關(guān)斷信號，Su1關(guān)斷，逆變器工作狀態(tài)不受影響，電流流通路徑仍為:U相輸出端→Du4→Du3→P電位。如圖3(b)所示。

4.1.2.3 當(dāng)Su3觸發(fā)導(dǎo)通的瞬間，箝位二極管Du2導(dǎo)通，此時造成Du2和Su3瞬間短路，產(chǎn)生短路電流，短路電流流通的路徑為:中性點O＇→C1→P電位→Du3→Du4→Su3→Du2→0電位。如圖3(c)所示。當(dāng)續(xù)流二極管Du3、Du4的電流下降到0時，全部負(fù)載電流由Su3和Du2流過，換流結(jié)束。此后全部負(fù)載電流由Du2和開關(guān)Su3流過，負(fù)載電流的流通回路為:U相輸出端→Su3→Du2→中性點O＇，通過Du2的箝位作用使U相輸出0電位，如圖3(d)所示。

圖3

4.2 O狀態(tài)到N狀態(tài)的換流過程分析

4.2.1 當(dāng)負(fù)載電流方向為正時

4.2.1.1 在從O狀態(tài)切換到N狀態(tài)之前，初狀態(tài)為Su2、Su3導(dǎo)通，U相輸出0電位。如圖4(a)所示，電流流通路徑為:O＇點→Du1→Su2→U 相輸出端。

4.2.1.2 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出關(guān)斷Su2信號時，Su3還未恢復(fù)阻斷能力的瞬間，Du1仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時導(dǎo)致Du1、Su2、Du5和Du6瞬間短路，產(chǎn)生瞬間短路電流，短路電流的流通回路為:中性點O＇→C2→N電位→Du6→Du5→Su2→Du1→中性點O＇。如圖4(b)所示。短路電流大小取決于Du1的反向恢復(fù)電流的大小。當(dāng)流過Du1的短路電流達(dá)到其反向截止電流時，短路電流開始下降減小，當(dāng)過Du1的電流下降到0時，Du1截止，Su2截止。負(fù)載電流由Du6和Du5流通，換流過程結(jié)束。電流的流通回路為:N電位→Du6→Du5→U相輸出端。如圖4(c)所示。

4.2.1.3 換流過程結(jié)束后，觸發(fā)Su4導(dǎo)通，逆變器保持前面狀態(tài)。負(fù)載電流的流通回路仍為:N電位→Du6→Du5→U相輸出端。電流由Du6、Du5流通，忽略管壓降，使U相輸出－Udc/2電位，如圖4(d)所示。

圖4

4.2.2 當(dāng)負(fù)載電流方向為負(fù)時

4.2.2.1 在從O狀態(tài)切換到N狀態(tài)之前，初狀態(tài)為Su2、Su3導(dǎo)通，U相輸出0電位。如圖5(a)所示，電流流通路徑為:U相輸出端→Su3→Du2→O＇點。

4.2.2.2 當(dāng)發(fā)出關(guān)斷Su2信號，Su2關(guān)斷，逆變器工作狀態(tài)不受影響，電流流通路徑仍為:U相輸出端→Su3→Du2→O＇點，如圖5(b)所示。

4.2.2.3 當(dāng)Su4觸發(fā)導(dǎo)通的瞬間，Du2處在導(dǎo)通狀態(tài)，此時造成Du2和Su4瞬間短路，產(chǎn)生短路電流，短路電流流通的回路為:中性點O＇→Du2→Su4→N電位點→C2→中性點O＇。如圖5(c)所示。短路電流大小取決于Du2的反向恢復(fù)電流的大小。當(dāng)流過Du2的短路電流達(dá)到其反向截止電流時，短路電流開始下降減小，當(dāng)流過Du2的電流下降到0時，Du2截止，此時負(fù)載電流都由Su3和Su4流通，換流過程結(jié)束。換流后電流流通路徑為:U相輸出端→Su3→Su4→N電位，Su3和Su4導(dǎo)通，不計管壓降，U相輸出與N點電位相同的電平－Udc/2，如圖5(d)所示。

圖5

5 總結(jié)

中點箝位式三電平逆變器的動態(tài)換流只能在P態(tài)與O態(tài)之間或N態(tài)與O態(tài)之間進(jìn)行，P態(tài)與N態(tài)之間不允許直接轉(zhuǎn)換，要轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過中間狀態(tài)O態(tài)。為了提高逆變器的工作可靠性，要嚴(yán)格控制同一橋臂上功率開關(guān)元件的觸發(fā)脈沖，對同一相上的四個開關(guān)，最多允許相鄰的兩個功率開關(guān)同時導(dǎo)通，其它兩個開關(guān)必須關(guān)斷。開關(guān)在通斷切換時要求先關(guān)斷后導(dǎo)通，為防止短路需在觸發(fā)脈沖間加入適量的開關(guān)死區(qū)。

[1]楊超，謝維達(dá)，袁登科 等.一種新型的三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究[J].機(jī)電一體化，2009，(5):74－77.

[2]劉亞軍.三電平逆變器SVPWM控制策略的研究[D].華中科技大學(xué)，2008.

[3]江濤.三電平逆變器關(guān)鍵技術(shù)及實驗研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2010.