二极管箝位中压三电平变频器系统设计

　　1绪论

　　中压大功率传动系统已在工业生产中得到了广泛应用，例如石化行业中的管道泵、水泥行业中的风机、水泵站的供水泵、运输行业中的牵引机械以及冶金行业中的轧机等。与低压传动相比，中压传动在很多方面都有更高的技术要求和挑战。德国学者Holtz于1977年提出了三电平逆变器的电路拓扑，其中每相桥臂带一对开关管，以辅助中点箱位。后来，1980年日本学者Nabae在此基础上继续发展，将这些辅助开关变为一对二极管，分别与上下桥臂串联的主管中点相连，以辅助中点箱位。该电路比前者更易于控制，且主管关断时仅承受直流母线一半的电压，因此更为实用。

　　2三电平变频器主回路设计

　　三电平变频器主电路示意图如图1所示。其中，移相变压器一次为△接，二次侧分别为Y接和△接的两个对称绕组。两个二次绕组的输出分别经过两个完全相同的6 脉波整流单元形成12脉波整流器。12脉波整流器可使各6脉波二极管整流器产生的低次谐波相互抵消，从而降低网侧电流的谐波畸变，提高网侧的功率因数。一般来说，二极管整流器脉波数目越多，输出网侧电流的谐波畸变越小。但在实际产品中很少采用脉波数多于30的二极管整流器，主要原因在于变压器的成本会增加很多，而性能的改变却不明显。因此，本文采用12脉波二极管整流。

　　图1 二极管箝位的三电平变频器主回路

　　由图1可见，每一个桥臂上有4个IGBT、2个箝位二极管和4个反向恢复二极管。以A相为例，当 和 或者它们的体二极管导通时，电机定子A相电压为 ;当 和 或者们的体二极管导通时，定子A相电压为 ;当 和 导通时，定子A相电压为0。 和 不可能同时导通，哪一个导通取决于A相负载电流的方向。因此，对于三电平逆变器来说其交流侧电压有 、0、 3种状态，3个桥臂进行组合，共有 =27种开关状态，即有27个空间电压矢量。该拓扑结构的不足之处在于：三电平及以上逆变器需要器件数量较多，控制复杂性明显增加以及中性点电压发生波动。

　　3 三电平变频器控制回路设计

　　三电平变频器控制系统框图如图2所示。包括12路IGBT驱动电路、电压、电流检测电路、接口处理电路、DSP控制电路及人机交互界面等。

　　图2 三电平变频器控制系统框图

　　其中，DSP控制电路按照人机界面输入的电机参数及工作模式等指令输出相应的PWM驱动信号，驱动信号经接口电路处理后由光纤发送至驱动电路。驱动电路接收光纤的信号并由专用的驱动芯片2SD315AI驱动IGBT。电压、电流检测分别采用LEM公司生产的高精度电压霍尔和电流霍尔。电压检测包括正负母线电压检测和中点电压检测。检测电路返回的电压、电流值经过接口电路处理整定后送给DSP控制电路进行运算。当母线电压或中点电压波动超出允许范围时，保护电路动作，封锁IGBT信号，并通过人机界面显示当前报警。