3KV～10KV中高压多电平三相交流电动机变频驱动装置.pdf

3KV～10KV中高压多电平三相交流电动机变频驱动装置属于高压变频技术领域，主电路由多绕组副边移相隔离变压器、多个交—直—交三电平H桥功率单元组成。每个功率单元的整流部分为三相二极管不控整流，中间直流环节并电容，逆变部分为三电平H桥结构，采用二极管箝位型或电容箝位型三电平结构，其单元箝位电容电压动态控制。主开关器件根据输出电压等级和通过电流不同，可选用相应耐压和电流的功率半导体开关器件。几组功率单元输出串联后接成Y形。控制器以高性能数字信号微处理器为核心生成PWM控制信号，并对各功率单元箝位电容电压的平衡动态控制。它减少了移相变压器副边绕组数，降低了成本，同时箝位电容电压采用的动态控制策略提高了性能。

1、  3KV～10KV中高压多电平三相交流电动机变频驱动装置，含有多绕组副边移相隔离变压器和H桥功率变换单元，具有特征在于，
它含有：
多绕组副边移相隔离变压器，其副边绕组为多组三相绕组，每三组绕组输出线电压相位依次移过相同相位角。
多个交—直—交三电平H桥功率变换单元，简称三电平H桥功率单元，它采用二极管箝位型结构或电容箝位结构；上述每一个输出三相绕组连接一个三电平H桥功率单元，把不同相移的三相绕组连接的2～5级三电平H桥功率单元的输出串联，接成Y形；所述每一个三电平H桥功率单元含有：
整流部分，为三相功率二极管不控整流部分，它的三相输入端和多绕组副边移相隔离变压器副边的输出端相连接；
箝位电容电压检测环节，由电压传感器并接在箝位电容上，检测箝位电容电压；采用二极管箝位型结构时，箝位电容为两组耐压和容量相同的直流电容器串联，他们与上述三相不控整流部分的输出并联；采用电容箝位型结构时，箝位电容为分别跨接在两支桥臂上，且与中间两个开关并联的两组耐压和容量相同的直流电容器；
逆变部分，是一种三电平H桥结构，也称三电平H桥功率单元，两个三电平桥臂各由功率开关器件串联而成，其串联的中点即为单元电压的输出端，两三电平桥臂与整流部分的输出相并联，各功率开关器件根据输出电压等级的不同而采用相应等级的功率半导体开关器件；
全数字控制器，它包含：
数字信号微处理器，简称DSP，其模拟输入为，从各个三电平H桥功率单元的电压传感器输出的6×N路检测电压信号，经过模拟输入接口电路进行变换，然后连接输入到DSP的模数转换口，其中N是每相串联的三电平H桥单元级数，N取值在2～5之间；
脉宽调制信号扩展电路，即PWM信号扩展电路，它是一个现场可编程门列阵器件，DSP的三路PWM输出口和作为辅助控制线的15条I/O口连接输出到PWM信号扩展电路，它输出12×N路PWM脉冲信号，所述N是每相串联的三电平H桥单元级数，N取值在2～5之间；
脉宽调制信号的驱动电路，它的输入与PWM信号扩展电路输出的12×N路PWM脉冲信号相连接，输出为24×N路PWM功率驱动信号，且连接到各三电平功率单元对应的功率开关器件。

3KV～10KV中高压多电平三相交流电动机变频驱动装置
技术领域：
本发明涉及电力电子多电平拓扑结构，属于一种高压变频驱动装置，特指一种以电压型交-直-交三电平H桥为独立功率单元的三相串联结构，各三电平单元的箝位电容电压采用动态控制方法。
背景技术：
我国经济的持续增长对电力的需求将长期存在，同时我国发电总量的66％消耗在电动机上，其中一半以上用于各种风机和泵，以调速传动代替原有的不调速传动，通过改变转速来调节流量和压力，取代传统的用风挡和阀门调节的方法，平均可节电30％左右，此外调速传动还可改善锅炉燃烧，节约大量燃料。目前，常规电压和中小功率(＜200kW)的风机和泵应用变频调速传动技术已经成熟，取得很好效果，这类变频器已经产业化。而200kW以上的大中功率传动占市场70％以上，节电潜力巨大。我国现有的交流电动机200kW以下是低压380V，200kW以上电机电压等级多为6kV和10kV。电力部门从减小线损角度出发，希望提高供电电压，大力推行10kV供电，因此研制合适的6KV、10KV以上等级的交流电机变频器是重要课题。
目前中高压变频器已经得到了一些应用，也取得了显著的节能效果，多电平技术是中高压变频调速系统的发展方向，多电平逆变器具有以下优点：(1)、输出电压更加接近正弦，电压谐波含量小。(2)、输出电压dv/dt小，对负载(比如电机)的绝缘影响小，同时大大降低电磁干扰的水平。(3)、以低耐压水平的单管构成高压系统，解决高压系统的单管耐压问题。
目前采用多电平技术的中高压变频装置有交-直-交电压型三电平结构的变频装置和电压型H桥串联型变频装置，这两类变频装置的应用已经取得了一定效果，但也存在一些问题。
已有的电压型三电平变频器的主电路一般结构为图1所示。输入侧采用多重化12脉或24脉串联不控整流，输出为三电平逆变器，直流侧的串联电容中性点由两个整流桥的串联中点箝位，此中点也是三电平逆变器的箝位中点，主开关采用不同电压等级的器件或串联，可实现不同电压等级的大容量变频器。
三电平变频装置的特点为：通过中性点箝位实现中高压的输出，比两电平变频装置改善了输出波形，减少了谐波，网侧电流谐波小，主电路比H桥串联简单，所用器件少。
这种电路应用于中高压也有很大缺点：使用高压开关器件，输出dv/dt高，一般须加输出滤波器，增加了体积、成本和损耗；三电平结构以目前和今后一段时间的器件水平，在器件不串联的情况下不能达到6KV的输出，采用器件串联时可达到6KV，但存在大容量开关器件串联时固有的开关同步和均压的问题，且输出仍不能达到10KV。
已有的H桥串联型变频器的主电路一般结构为图2所示，图2a中副边多重化移相隔离变压器为各H桥功率单元提供三相交流输入，每个H桥功率单元为三相不控整流和两电平H桥逆变器结构，如图2b所示，每个H桥使用低压开关器件，多个H桥单元输出串联实现高压输出，输出电压波形更接近正弦，不用输出滤波器，同时网侧电流谐波小。
这种结构的缺点也很明显：由于输出电压等级越高，串联功率单元数也越多，一般输出6KV为5～7级功率单元串联，输出10KV为8～10级功率单元串联，这样所需的移相隔离变压器的副边绕组很多，需要15～30组副边三相绕组，一般移相隔离变压器的成本占到了系统成本的三分之一多。因此，移相隔离变压器体积大、接线复杂、制造难度增加，成本也增加很多，成为瓶颈。
发明内容：
本发明的目的是设计一种适用于高压大容量交流电机的变频驱动装置，尤其是在3KV～10KV电压等级都实用，且成本和可靠性优于现有方案。
本发明的特征在于，它含有：
多绕组副边移相隔离变压器，其副边绕组为多组三相绕组，每三组绕组输出线电压相位依次移过相同相位角。
多个交-直-交三电平H桥功率变换单元，简称三电平H桥功率单元，它采用二极管箝位型结构或电容箝位结构；上述每一个输出三相绕组连接一个三电平H桥功率单元，把不同相移的三相绕组连接的2～5级三电平H桥功率单元的输出串联，接成Y形；所述每一个三电平H桥功率单元含有：
整流部分，为三相功率二极管不控整流部分，它的三相输入端和多绕组副边移相隔离变压器副边的输出端相连接；
箝位电容电压检测环节，由电压传感器并接在箝位电容上，检测箝位电容电压；采用二极管箝位型结构时，箝位电容为两组耐压和容量相同的直流电容器串联，他们与上述三相不控整流部分的输出并联；采用电容箝位型结构时，箝位电容为分别跨接在两支桥臂上，且与中间两个开关并联的两组耐压和容量相同的直流电容器；
逆变部分，是一种三电平H桥结构，也称三电平H桥功率单元，两个三电平桥臂各由功率开关器件串联而成，其串联的中点即为单元电压的输出端，两三电平桥臂与整流部分的输出相并联，各功率开关器件根据输出电压等级的不同而采用相应等级的功率半导体开关器件；
全数字控制器，它包含：
数字信号微处理器，简称DSP，其模拟输入为，从各个三电平H桥功率单元的电压传感器输出的6×N路检测电压信号，经过模拟输入接口电路进行变换，然后连接输入到DSP的模数转换口，其中N是每相串联的三电平H桥单元级数，N取值在2～5之间；
脉宽调制信号扩展电路，即PWM信号扩展电路，它是一个现场可编程门列阵器件，DSP的三路PWM输出口和作为辅助控制线的15条I/O口连接输出到PWM信号扩展电路，它输出12×N路PWM脉冲信号，所述N是每相串联的三电平H桥单元级数，N取值在2～5之间；
脉宽调制信号的驱动电路，它的输入与PWM信号扩展电路输出的12×N路PWM脉冲信号相连接，输出为24×N路PWM功率驱动信号，且连接到各三电平功率单元对应的功率开关器件。
本发明具有的优点和创性之处：
1、对于3KV～10KV等级的中高压交流电动机的变频调速，以三电平H桥功率单元串联，且三电平H桥逆变器的箝位电容电压动态控制地中高压变频装置具有通用性。
2、本方案在3KV～10KV等级只需2～5级三电平H桥功率单元串联，与已有的相同输出电压等级的H桥串联、且采用相同电压等级的功率半导体开关的高压变频装置相比，移相隔离变压器副边绕组数减为原来的组，大大简化了其设计，降低了成本，一般移相隔离变压器的成本占到了系统成本的三分之一多。
3、三电平H桥功率单元采用的二极管箝位型结构，其箝位电容中点电压的平衡采用程序动态控制；或者三电平H桥功率单元采用电容箝位型结构，悬浮的箝位电容电压平衡采用程序动态控制，这两种结构可增加输出电压控制的灵活性，提高可靠性。这两种结构在实现上可根据要求来选择。
4、箝位电容电压平衡动态控制技术。各三电平H桥功率单元的箝位电容电压通过电压传感器(一般为霍尔电压传感器)实时测得，模数转换后送到DSP，由软件实时计算出所有电容电压值与设定的偏差，预测并发出实时的PWM控制脉冲，以此动态控制各箝位电容电压在设定值，进而控制各三电平H桥功率单元的正常运行。
附图9a，b，c为本方案采用的控制技术在一个实验系统上的波形。图9a为功率单元两个箝位电容电压在系统启动后动态控制的波形，波形表明采用本方案，可以达到直流侧箝位电容电压的稳定控制，使各三电平H桥功率单元的稳定运行，而已有的高压变频装置尚无此项技术。图9b为变频装置输出到的异步电机一相的相电压仿真波形，图9c为其相电压输出的实验波形，波形表明，本系统方案可以实现高压多电平输出，同时具有上文所述优点。
附图说明：
图1为交-直-交电压型三电平变频器的主电路一般结构，其中1为多绕组变压器，2为整流桥，3为中间直流环节，4为二极管箝位型三电平逆变器；
图2a为已有的H桥串联型高压变频器的主电路一般结构；
图2b为已有的H桥功率单元；
图3为采用三电平H桥功率单元串联的多电平高压大容量变频驱动装置的基本结构，其中1为多绕组副边移相隔离变压器，2为三电平H桥功率单元，3为全数字控制器，4为三相交流电动机；
图4为三电平H桥功率单元基本结构，其中1为整流部分，2为三电平H桥逆变部分，3为箝位电容电压检测环节；
图5为二极管箝位型三电平H桥功率单元，其中1为二极管箝位型三电平逆变器基本结构，2为电容电压检测环节；
图6为电容箝位型三电平H桥功率单元，其中1为电容箝位型三电平逆变器基本结构，2为电容电压检测环节；
图7为全数字控制器的电路逻辑原理图，其中N为每相串联的功率单元级数；
图8a为采用二极管箝位型三电平H桥功率单元串联的10KV变频装置的结构；
图8b为其对应的全数字控制器的电路逻辑原理图；
图9a采用本控制方案的一个三电平功率单元两个箝位电容电压动态控制的波形；
图9b实验系统模型输出到的异步电机一相的相电压仿真波形；
图9c实验系统相电压输出的实测波形。
具体实施方式：
为实现上述目的，本发明采用以下方案：
本发明由多绕组副边移相隔离变压器、多个交-直-交三电平H桥功率变换单元(以下简称三电平H桥功率单元)及全数字控制器组成，见图3所示。所述多绕组副边移相隔离变压器(以下简称移相隔离变压器)，其副边绕组为多组三相绕组，每三组绕组输出线电压相位依次移过相同相位角；每一个输出三相绕组连接一个三电平H桥功率单元，将不同相移的三相绕组连接的三电平H桥功率单元的输出串联，接成Y形。
所述三电平H桥功率单元分为整流部分1、三电平H桥逆变部分2和箝位电容电压检测环节3，见图4所示。a1、b1、c1为三相交流输入，整流部分为三相功率二极管不控整流；中间直流环节并电容，逆变部分为三电平H桥结构，x1、x2为单元电压输出。
在实现上采用二极管箝位型三电平结构，见附图5，电容电压检测环节2输出两路检测信号，功率开关S11～S14和S21～S24构成两个三电平桥臂，8路PWM驱动信号g11～g14、g21～g24作为相应功率开关的驱动触发信号，x1、x2为单元交流电压输出端子。
也可采用电容箝位型三电平结构，见附图6，两组箝位电容电压检测环节输出两路检测信号，功率开关S11～S14和S21～S24构成两个三电平桥臂，8路PWM驱动信号g11～g14、g21～g24作为相应功率开关的驱动触发信号，x1、x2为单元交流电压输出端子。
这两种三电平H桥功率单元的箝位电容的电压平衡动态控制。三电平H桥各开关器件根据输出电压等级不同可采用相应等级的功率半导体开关器件，如IGBT，IGCT等。采用2～5级三电平H桥功率单元串联，对应不同级数的串联可实现3KV～10KV不同电压等级的高压变频装置。
所述全数字控制器的电路逻辑原理框图见附图7，以高性能数字信号微处理器(DigitalSignal Processor)如TI公司的TMS320LF240xA为核心，以三路PWM输出口和15条I/O口作为辅助控制线，通过现场可编程门列阵器件(Field Programmable Gate Array/ComplexProgrammable Logic Device)如EPM7128S扩展为12×N路PWM输出，这里N取值在2～5之间为每相串联的三电平H桥单元级数，然后经驱动电路生成24×N路驱动PWM脉冲信号，去触发24×N个功率半导体开关。模拟输入接口电路完成信号调理和隔离的功能，将6×N路检测到的三电平功率单元的箝位电容电压信号进行变换后输入到DSP的模数转换口。软件实时计算出所有电容电压值与设定的偏差，预测并发出实时的PWM控制脉冲，以此动态控制各箝位电容电压在设定值，完成各三电平H桥功率单元的箝位电容电压平衡的动态控制，实现各三电平H桥功率单元的稳定运行，同时由软件生成的PWM信号也控制变频装置的交流电压输出。人机接口和通信单元通过串行通信接口完成键盘显示以及和PC机通信和监控的功能；开关量输入输出单元完成系统运行状态的监控、功率器件过流、过热等故障保护功能，其他外围控制功能，视具体实现要求而定。
附图8a，b为一个10KV高压多电平变频驱动装置的实现：移相隔离变压器的副边输出9组三相交流电压分别为a1、b1、c1、a2、b2、c2、a3、b3、c3，原边输入10KV，副边输出线电压有效值为2200V，线电压移相角度每三组分别为0度、20度、40度，可以使输入功率因数达到95％。每个三电平H桥功率单元采用二极管箝位型三电平H桥结构，见附图5，中间直流环节电容由两组耐压和容量相同的电容组串联，串联中性点引出，作为三电平逆变桥的中点，采用电压传感器检测单元电容电压；S11、S12、S13、S14，和S21、S22、S23、S24为8个3300V耐压的IGBT，分别构成两个三电平桥臂，由PWM驱动单元发出的触发信号g11～g14和g21～g24分别触发开关管S11～S14和S21～S24，箝位支路二极管为4个相同电压等级的快恢复功率二极管，每单元输出交流电压大于2000V；每相为三个三电平功率单元串联，三相接成Y形，保证叠加后输出相电压大于6000V，输出线电压达到10KV。
图8b为全数字控制器电路逻辑原理图，以高性能数字信号微处理器TMS320LF2407A为核心，其三路PWM输出口和15条I/O口作为辅助控制线，通过FPGA/CPLD器件EPM7128S扩展为36路PWM输出，经驱动电路生成72路驱动信号，触发9个H桥单元72个IGBT，18路检测到的电容电压信号调理后，经模数转换进入DSP，其串口输出到键盘显示，同时和PC机通信，开关量输入输出单元为系统运行状态的监控、IGBT过流、热保护功能。