摘要：本文介紹了MV7000三電平中壓變頻器的主要結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述了結(jié)合IEGT運(yùn)行要求和逆變輸出性能要求的各種PWM調(diào)制方式。
關(guān)鍵詞：中壓變頻器 三電平中性點(diǎn)箝位 注入增強(qiáng)柵晶體管 PWM調(diào)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變頻器簡介
MV7000變頻器是科孚德機(jī)電公司的高性能中壓工程型變頻器，采用最新的IEGT（注入增強(qiáng)柵晶體管）功率開關(guān)元件和三電平中性點(diǎn)箝位（NPC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其逆變橋的主要結(jié)構(gòu)圖（1）所示：
圖（1）三電平逆變橋結(jié)構(gòu)圖
MV7000變頻器的應(yīng)用范圍非常廣，從船舶推進(jìn)到永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)；從鋼廠軋機(jī)到礦井提升機(jī)；從電廠風(fēng)機(jī)到天然氣管道的高速壓縮機(jī)都是其主要的應(yīng)用場合。因此為了滿足各種應(yīng)用要求，變頻器的PWM調(diào)制技術(shù)必需具有非常高的適用性，能夠面對不同應(yīng)用場合或同一應(yīng)用場合不同的階段進(jìn)行實(shí)時改變，從而保證系統(tǒng)具有非常高的調(diào)速性能。
眾所周知PWM調(diào)制技術(shù)主要面對兩方面的目標(biāo)進(jìn)行控制：第一為輸出電壓的控制，即逆變器輸出的脈沖序列在伏秒上與目標(biāo)參考波形等效；第二為逆變器本身運(yùn)行狀態(tài)的控制，包括直流電容的電壓平衡控制、輸出諧波控制、所有功率開關(guān)的輸出功率平衡控制、器件開關(guān)損耗控制等。因此根據(jù)以上兩個原則，MV7000變頻器開發(fā)了一系列的PWM調(diào)制方式，采用調(diào)制波和載波雙可變的技術(shù)，使得變頻器能夠完全適用于各類應(yīng)用場合并且具有非常優(yōu)越的調(diào)速性能。
MV7000變頻器PWM調(diào)制基本原則
MV7000變頻器的PWM調(diào)制技術(shù)能夠使逆變橋能夠滿足下列的基本原則：
IEGT的結(jié)溫不超過100°C
輸出的最大電流必須在安全運(yùn)行區(qū)域（SOA）內(nèi)
交流電流中的諧波失真（THD）必須最低
圖（2）IEGT的SOA圖
2 PWM調(diào)制方式
MV7000變頻器的調(diào)制方式包括異步PWM調(diào)制方式和同步PWM調(diào)制方式，異步PWM調(diào)制方式采用波形PWM調(diào)制技術(shù)，而同步PWM調(diào)試方式采用優(yōu)化的PWM調(diào)制技術(shù)。
2.1 異步PWM調(diào)制方式
異步PWM調(diào)制技術(shù)是基于標(biāo)準(zhǔn)的正弦波/三角波載波調(diào)制技術(shù)。該調(diào)制技術(shù)通過比較基本頻率的調(diào)制波與開關(guān)頻率的三角波而得到，IEGT的控制信號通過每次調(diào)制波與三角載波的交點(diǎn)而決定。
對于三電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，調(diào)制波需要于兩個三角載波進(jìn)行比較，而二電平調(diào)制只需要一個三角載波，見圖（3）：
圖（3）標(biāo)準(zhǔn)的正弦/三角波PWM調(diào)制圖
在正弦/三角波PWM調(diào)制方式下，無法對可用的直流母線電壓實(shí)現(xiàn)滿使用，電壓利用率低。實(shí)際上逆變器輸出電壓的有效值與方波調(diào)制技術(shù)相比低21.5%，如果考慮到最小開關(guān)時間，那么這個差距會更大，甚至可以達(dá)到30%，這個輸出電壓損失可以部分的通過提高調(diào)制深度使其大于1而得到補(bǔ)償，這意味著正弦調(diào)制電壓波的電壓幅值大于直流母線電壓值的一半，這種方式稱為過調(diào)調(diào)制技術(shù)，但是這種方式增加了輸出電壓中的諧波含量，使得輸出電壓THD變差。
因此可以通過把零序電壓信號加入到正弦電壓調(diào)制波中而不出現(xiàn)過調(diào)制的情況（見圖4）。即使在正弦電壓信號的幅值高于這個電壓限制值，零序電壓信號也可以迫使調(diào)制波幅值低于VDC/2，同時附加產(chǎn)生的諧波電壓也可抵消。應(yīng)該注意到由于系統(tǒng)的對稱性在負(fù)載線電壓上是看不到這個零序電壓的，但實(shí)際上所有的零序分量諧波電壓都會出現(xiàn)在負(fù)載星形中點(diǎn)和直流母線中點(diǎn)之間。圖（4）顯示了這種調(diào)制技術(shù)，其中零序電壓采用三次諧波電壓：
圖（4）加入三次諧波的PWM調(diào)制圖
可以清楚得看到，最終的調(diào)制波形由正弦電壓參考波形和零序電壓波形組合而成，調(diào)制波的最大幅值不會超過直流母線電壓的一半。在該調(diào)制技術(shù)下，能夠使輸出電壓基波的幅值增加
波形系數(shù)達(dá)到2。零序電壓給正弦/三角波PWM調(diào)制技術(shù)帶來了更多的自由度，同時也使得下列的調(diào)制性能得到提高：
減少了開關(guān)損耗
改善了直流母線的平衡性能
在零序電壓注入調(diào)制技術(shù)中，逆變橋輸出的線電壓有效值由等式1確定：
等式（1）
基于正弦/三角波PWM調(diào)制原理和零序電壓注入技術(shù)，下列一些PWM調(diào)制方式已經(jīng)被運(yùn)用于MV7000變頻器中：
2.1.1 平均損耗LSPWM調(diào)制方式
平均損耗LSPWM調(diào)制技術(shù)是基于正弦/三角波PWM調(diào)制技術(shù)，而其注入的零序電壓信號采用矩形脈沖信號，在開關(guān)頻率點(diǎn)的幅值為+/-0.5 pu。對于LSPWM調(diào)制方式，兩個三角載波之間有180相位差。
圖（5）平均損耗LSPWM調(diào)制方式
平均損耗LSPWM調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)在于：
使直流母線中性點(diǎn)電壓平衡保持最佳
在低頻的時候能夠獲得大電流，意味著在零速的時候可以獲得足夠高的轉(zhuǎn)矩
開關(guān)損耗與常規(guī)的三次諧波注入PWM調(diào)制方式相比降低了50%
平均損耗LSPWM調(diào)制方式的局限性在于：
該調(diào)制方式不能用于較高的調(diào)制深度，在實(shí)際使用中該調(diào)制方式只能用于調(diào)制深度低于0.4的基波調(diào)制波
將會在電動機(jī)中產(chǎn)生較高的零序共模電壓，這將導(dǎo)致對電動機(jī)絕緣的非常嚴(yán)格的要求
2.1.2 中點(diǎn)電壓平衡NPSPWM調(diào)制方式
中點(diǎn)電壓平衡NPSPWM調(diào)制技術(shù)是基于正弦/三角波PWM調(diào)制技術(shù)，而其注入的零序電壓信號由幅值正比于1/4調(diào)制深度的三次諧波電壓和一定百分比的九次諧波電壓信號組合。
圖（6）中點(diǎn)電壓平衡NPSPWM調(diào)制方式
中點(diǎn)電壓平衡NPSPWM調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)在于：
能夠使直流母線中點(diǎn)電壓的平衡最優(yōu)化，實(shí)際上零序電壓是專門用于穩(wěn)定中點(diǎn)電壓的。
能夠優(yōu)化電流THD性能
中點(diǎn)電壓平衡NPSPWM調(diào)制方式的局限性在于：
開關(guān)損耗沒有最優(yōu)化
最大的輸出電壓是受限制的
2.1.3 非連續(xù)GDPWM調(diào)制方式
非連續(xù)GDPWM調(diào)制方式是基于正弦/三角波PWM調(diào)制技術(shù)，而其注入的零序電壓信號是通過計(jì)算而得到的，計(jì)算的原則就是使得在整個基波周期內(nèi)，有兩段維持時間為60度的時間內(nèi)其最終調(diào)制波的調(diào)制深度被夾箝在+1和-1上。
圖（7）非連續(xù)GDPWM調(diào)制方式
非連續(xù)GDPWM調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)在于：
在兩個每段維持60度的非調(diào)制周期內(nèi)沒有開關(guān)損耗，利用該特性可以使得某一相在最大峰值電流期間進(jìn)入非調(diào)制階段從而使開關(guān)損耗最優(yōu)化。
最低的諧波電流頻率是開關(guān)頻率的1.5倍。
與傳統(tǒng)的H3PWM調(diào)制技術(shù)相比，提高了在中性點(diǎn)箝位NPC結(jié)構(gòu)中IEGTs之間的熱均衡性能。
在調(diào)制深度最高點(diǎn)實(shí)現(xiàn)輸出性能的優(yōu)化，因?yàn)樗鼙苊怆妷簠?shù)的非線性。
非連續(xù)GDPWM調(diào)制方式的局限性在于：
對于低調(diào)制深度的應(yīng)用，電流THD與傳統(tǒng)的H3PWM調(diào)制技術(shù)相比高30%
在電動機(jī)上會產(chǎn)生較高的零序共模電壓，因此對于電動機(jī)的絕緣有更嚴(yán)格的要求
對于直流母線中點(diǎn)電壓平衡無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化
2.1.4 其他異步PWM調(diào)制方式：
H3 PWM調(diào)制方式：零序電壓是基波的三次諧波，其幅值正比于調(diào)制深度的1/6。
THIP 1/4 PWM調(diào)制方式：與H3類似，但幅值正比于調(diào)制深度的1/4。
3LC PWM調(diào)制方式：對于低調(diào)制深度的調(diào)制波信號在兩段60度期間被夾箝在0 ，而對于較高調(diào)制深度的調(diào)制波信號，一段60度夾箝在0的信號被改變成夾箝在+1或-1。
2.2 同步PWM調(diào)制方式
在MV7000變頻器中使用的同步PWM調(diào)制方式稱為預(yù)計(jì)算優(yōu)化PWM調(diào)制方式，是通過在預(yù)先確定的時刻實(shí)現(xiàn)特定開關(guān)的切換，從而產(chǎn)生預(yù)期的最優(yōu)PWM控制，且能消除選定的低頻次諧波。
在實(shí)際應(yīng)用中，通過確定N次的諧波頻率就可以計(jì)算出在0° 到90° 之間的開關(guān)角度，因此考慮到系統(tǒng)的對稱性，整個PWM脈沖序列就能被確定。在輸出電壓中只包含奇數(shù)次的諧波，并且由下面的公式?jīng)Q定：
等式（2）
的開關(guān)角度。
因此該方法具有N個自由度，其中一個用于決定基波，（N-1）個自由度用于消除（N-1）個指定的諧波。
表（1）預(yù)計(jì)算PWM調(diào)制方式消除的輸出電壓諧波
2.2.1 預(yù)計(jì)算PWM調(diào)制方式1
預(yù)計(jì)算PWM調(diào)制方式1只需計(jì)算一個開關(guān)角度用于決定基波的幅值，開關(guān)角度由以下公式計(jì)算而得：
等式（3）
其中M是調(diào)制深度
圖（8）顯示了在不同調(diào)制深度條件下由等式（3）計(jì)算而得到的開關(guān)角度：
圖（8）預(yù)計(jì)算PWM調(diào)制方式1開關(guān)角度
圖（9）預(yù)計(jì)算PWM調(diào)制方式1的輸出波形
2.2.2 預(yù)計(jì)算PWM調(diào)制方式2
預(yù)計(jì)算PWM調(diào)制方式2中一個開關(guān)角度用于決定基波的幅值，另一個開關(guān)角度用于消除5次電壓諧波，開關(guān)角度由以下等式方程組計(jì)算而得：
等式（3）
其中M是調(diào)制深度
該等式方程組屬于非線性超越方程，因此具有多重解，這些非線性等式可以通過離線的數(shù)值解法求解。
圖（10）顯示了在不同調(diào)制深度條件下由方程組求得的解：
圖（10）預(yù)計(jì)算PWM調(diào)制方式2開關(guān)角度
圖（11）預(yù)計(jì)算PWM調(diào)制方式2的輸出波形
2.2.3 預(yù)計(jì)算PWM調(diào)制方式3
預(yù)計(jì)算PWM調(diào)制方式3中一個開關(guān)角度用于決定基波的幅值，另外兩個開關(guān)角度用于消除5次和7次電壓諧波，開關(guān)角度由以下等式方程組計(jì)算而得：
等式（4）
其中M是調(diào)制深度
該等式方程組屬于非線性超越方程，因此具有多重解，這些非線性等式可以通過離線的數(shù)值解法求解。
圖（12）顯示了在不同調(diào)制深度條件下由方程組求得的解
圖（12）預(yù)計(jì)算PWM調(diào)制方式3開關(guān)角度
圖（13）預(yù)計(jì)算PWM調(diào)制方式3的輸出波形
預(yù)計(jì)算PWM調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：
在預(yù)計(jì)算PWM調(diào)制方式中，所有開關(guān)器件的動作都是預(yù)先知道的，因此與異步PWM調(diào)制技術(shù)相比可以很容易地計(jì)算開關(guān)損耗，從而使預(yù)計(jì)算PWM調(diào)制技術(shù)可以應(yīng)用于高速電動機(jī)，因?yàn)樵诖藨?yīng)用中同步PWM調(diào)制技術(shù)中的開關(guān)損耗將作為主要考慮的因素。
因?yàn)檩敵霾ㄐ谓咏c方波，所以逆變器輸出電壓的可用性很高。
2.3 不同PWM調(diào)制方式的應(yīng)用域
根據(jù)不同PWM調(diào)制方式的特性，對于不同電動機(jī)速度和不同調(diào)制深度的操作運(yùn)行點(diǎn)，可以使用不同的PWM調(diào)制方式，圖（14）就顯示了PWM調(diào)制方式不同的應(yīng)用域；
圖（14）不同PWM調(diào)制方式的應(yīng)用域
這其中應(yīng)注意到在圖中從一種PWM調(diào)制方式轉(zhuǎn)換到另一種PWM調(diào)制方式的界限僅供參考。這個轉(zhuǎn)換過程在某些情況下受到實(shí)際應(yīng)用電流需求的影響。
3 實(shí)際案例：
以下一些案例中，IEGT的額定電流值為1350A,額定電壓為4500V。由其組成的逆變橋功率為6MW ,輸出額定電壓為3300V。
表（2）低速電動機(jī)的PWM調(diào)制方式
表（3）正常速度電動機(jī)的PWM調(diào)制方式
表（4）高速電動機(jī)的PWM調(diào)制方式
表（5）AFE主動前端的PWM調(diào)制方式
4 結(jié)論
根據(jù)運(yùn)行點(diǎn)的速度和電壓情況采用不同的PWM調(diào)制方式能夠確保變頻器具有很高的適用性和可靠性，這也是MV7000變頻器得到廣泛應(yīng)用的主要原因。
作者簡介
章鈞（1974-）男 上海海事大學(xué)工程碩士，供職于科孚德機(jī)電（上海）有限公司，主要從事大功率變頻器應(yīng)用推廣。
參考文獻(xiàn)：
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5.Entrainements electriques a vitesse variable – Volume 2 – Jean Bonal, Guy Seguier
6.《交流同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)》-科學(xué)出版社-李崇堅(jiān) 著
7. 《大容量多電平變換器-原理、控制、應(yīng)用》-科學(xué)出版社-李永東,肖曦,高躍 編著
11.《高壓大功率交流變頻調(diào)速技術(shù)》-機(jī)械工 業(yè)出版社-張皓,續(xù)明進(jìn),楊梅 編著