三电平逆变器04130.ppt

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1、1第第5部分：三电平逆变器部分：三电平逆变器25.2 5.2 三电平逆变器三电平逆变器三电平逆变器三电平逆变器5.3 5.3 空间矢量调制空间矢量调制空间矢量调制空间矢量调制5.4 5.4 中点电压控制中点电压控制中点电压控制中点电压控制5.5 5.5 多电平二极管箝位式逆变器多电平二极管箝位式逆变器多电平二极管箝位式逆变器多电平二极管箝位式逆变器5.6 5.6 应用实例应用实例应用实例应用实例5.15.1简简简简 介介介介35.1 简简 介介中点箝位式（中点箝位式（中点箝位式（中点箝位式（NPCNPC）逆变器）逆变器）逆变器）逆变器:通过箝位二极管和串联直流电容器产生多电平交流电压，这种逆变

2、器就是二通过箝位二极管和串联直流电容器产生多电平交流电压，这种逆变器就是二通过箝位二极管和串联直流电容器产生多电平交流电压，这种逆变器就是二通过箝位二极管和串联直流电容器产生多电平交流电压，这种逆变器就是二极管箝位式多电平逆变器。这种逆变器的拓扑结构通常有三、四、五三种电极管箝位式多电平逆变器。这种逆变器的拓扑结构通常有三、四、五三种电极管箝位式多电平逆变器。这种逆变器的拓扑结构通常有三、四、五三种电极管箝位式多电平逆变器。这种逆变器的拓扑结构通常有三、四、五三种电平。平。平。平。三电平逆变器特点三电平逆变器特点三电平逆变器特点三电平逆变器特点:输出电压比两电平逆变器具有更小的输出电压比两电平

3、逆变器具有更小的输出电压比两电平逆变器具有更小的输出电压比两电平逆变器具有更小的du/dtdu/dt和和和和THD THD。无需采用器件串联，就可以应用于一定电压等级的中压传动系统。无需采用器件串联，就可以应用于一定电压等级的中压传动系统。无需采用器件串联，就可以应用于一定电压等级的中压传动系统。无需采用器件串联，就可以应用于一定电压等级的中压传动系统。45.2 三电平逆变器三电平逆变器1.1.1.1.拓扑结构拓扑结构拓扑结构拓扑结构D1D4:D1D4:反并联二极管反并联二极管反并联二极管反并联二极管S1S4:S1S4:功率器件功率器件功率器件功率器件GCT/IGBTGCT/IGBTDZ1DZ

4、1，DZ2:DZ2:钳位二极管钳位二极管钳位二极管钳位二极管逆变器直流侧的两个电容给出了逆变器直流侧的两个电容给出了逆变器直流侧的两个电容给出了逆变器直流侧的两个电容给出了中点中点中点中点Z Z，S2S2和和和和S3S3导通时。导通时。导通时。导通时。A A点通点通点通点通过一个箝位二极管连接到中点过一个箝位二极管连接到中点过一个箝位二极管连接到中点过一个箝位二极管连接到中点,每个直流电容上的电压每个直流电容上的电压每个直流电容上的电压每个直流电容上的电压E E，通常，通常，通常，通常为总直流电压为总直流电压为总直流电压为总直流电压VdVd的一半。的一半。的一半。的一半。52.2.开关状态开关

5、状态开关状态开关状态对对对对A A桥臂：桥臂：桥臂：桥臂：开关状态开关状态开关状态开关状态PP：桥臂上端的两个开关导通，逆变器：桥臂上端的两个开关导通，逆变器：桥臂上端的两个开关导通，逆变器：桥臂上端的两个开关导通，逆变器A A端相对于中点端相对于中点端相对于中点端相对于中点Z Z的的的的 端电压为：端电压为：端电压为：端电压为：V VAZAZ=+E=+E。开关状态开关状态开关状态开关状态NN：桥臂下端两个开关导通，逆变器：桥臂下端两个开关导通，逆变器：桥臂下端两个开关导通，逆变器：桥臂下端两个开关导通，逆变器A A端相对于中点端相对于中点端相对于中点端相对于中点Z Z的的的的 端电压为：端电

6、压为：端电压为：端电压为：V VAZAZ=-E=-E。开关状态开关状态开关状态开关状态OO：中间的两个开关导通，此时箝位二极管将：中间的两个开关导通，此时箝位二极管将：中间的两个开关导通，此时箝位二极管将：中间的两个开关导通，此时箝位二极管将V VAZAZ箝位在箝位在箝位在箝位在 零电压上。负载电流的方向将决定哪个二极管导通。零电压上。负载电流的方向将决定哪个二极管导通。零电压上。负载电流的方向将决定哪个二极管导通。零电压上。负载电流的方向将决定哪个二极管导通。例如，正向负载电流（例如，正向负载电流（例如，正向负载电流（例如，正向负载电流（I IAA00）强迫）强迫）强迫）强迫DZ1DZ1导通

7、，则导通，则导通，则导通，则A A端端端端 通过导通的通过导通的通过导通的通过导通的DZ1DZ1和和和和S2S2连接到中点连接到中点连接到中点连接到中点Z Z。6开关状态的定义开关状态的定义开关状态的定义开关状态的定义:开关状开关状开关状开关状态态态态器件开关状器件开关状器件开关状器件开关状态态态态（A A相）相）相）相）逆变器端逆变器端逆变器端逆变器端电压电压电压电压V VAZAZ S S1 1 S S2 2 S S3 3 S S4 4PP通通通通通通通通断断断断断断断断 E EOO断断断断通通通通通通通通断断断断 0 0NN断断断断断断断断通通通通通通通通 -E -E7开关状态、门极驱动信

8、号和逆变器端电压开关状态、门极驱动信号和逆变器端电压开关状态、门极驱动信号和逆变器端电压开关状态、门极驱动信号和逆变器端电压V VAZAZVg1Vg4:Vg1Vg4:开关开关开关开关S1S4S1S4的相应的相应的相应的相应门极驱动信号。门极驱动信号。门极驱动信号。门极驱动信号。Vg1,Vg3:Vg1,Vg3:互补。互补。互补。互补。Vg2,Vg4:Vg2,Vg4:互补。互补。互补。互补。V VAZAZ有三个电平：有三个电平：有三个电平：有三个电平：+E+E、0 0、-E-E三电平逆变器由此命名。三电平逆变器由此命名。三电平逆变器由此命名。三电平逆变器由此命名。8三电平逆变器端电压和线电压波形三

9、电平逆变器端电压和线电压波形三电平逆变器端电压和线电压波形三电平逆变器端电压和线电压波形线电压线电压线电压线电压V VABAB=V=VAZAZ-V-VBZBZ包括五个电平包括五个电平包括五个电平包括五个电平:+2E+2E、+E+E、0 0、-E-E、-2E-2E93.3.3.3.换相过程换相过程换相过程换相过程以开关状态从以开关状态从以开关状态从以开关状态从OO变到变到变到变到P(S3P(S3关断、关断、关断、关断、S1S1开通）的情况为例：开通）的情况为例：开通）的情况为例：开通）的情况为例：S1S1到到到到S3S3的切换图。互补开关之间存在一段互锁时间的切换图。互补开关之间存在一段互锁时间

10、的切换图。互补开关之间存在一段互锁时间的切换图。互补开关之间存在一段互锁时间 。10换相过程假设：换相过程假设：换相过程假设：换相过程假设：由于是感性负载，负载电流由于是感性负载，负载电流由于是感性负载，负载电流由于是感性负载，负载电流i iA A在换相期间固定不变；在换相期间固定不变；在换相期间固定不变；在换相期间固定不变；直流电容直流电容直流电容直流电容Cd1Cd1和和和和Cd2Cd2的电容足够大，能够保持电容两端的电的电容足够大，能够保持电容两端的电的电容足够大，能够保持电容两端的电的电容足够大，能够保持电容两端的电压为压为压为压为E E；所有的有源开关都为理想开关。所有的有源开关都为理

11、想开关。所有的有源开关都为理想开关。所有的有源开关都为理想开关。11工况工况工况工况1 1：i iA A00时换相时换相时换相时换相开关状态：由开关状态：由开关状态：由开关状态：由OO到到到到PP变换变换变换变换 开关状态为开关状态为开关状态为开关状态为OO时，时，时，时，S2S2、S3S3导导导导通，通，通，通，S1S1、S4S4关断。此时，由关断。此时，由关断。此时，由关断。此时，由i iA A00，DZ1DZ1导通，导通，导通，导通，S2S2、S3S3上上上上电压电压电压电压V VS2S2=V=VS3S3=0,S1=0,S1、S4S4上的上的上的上的电压为电压为电压为电压为E E；在在在

12、在 时间段内，时间段内，时间段内，时间段内，S3S3开始关断，开始关断，开始关断，开始关断，i iA A流过路径保持不变，流过路径保持不变，流过路径保持不变，流过路径保持不变，S3S3完全完全完全完全关断后，由分压电阻关断后，由分压电阻关断后，由分压电阻关断后，由分压电阻R3R3、R4R4作用，作用，作用，作用，S3S3、S4S4上的电压为上的电压为上的电压为上的电压为V VS3S3=V=VS4S4=E/2=E/2；开关状态为开关状态为开关状态为开关状态为PP，S1S1导通，导通，导通，导通，DZ1DZ1承受反压关断，负载电流从承受反压关断，负载电流从承受反压关断，负载电流从承受反压关断，负载

13、电流从DZ1DZ1换相到换相到换相到换相到S1S1，V VS3S3=V=VS4S4=E=E。12工况工况工况工况2 2：iA0iA0时换相时换相时换相时换相开关状态：由开关状态：由开关状态：由开关状态：由OO到到到到PP变换变换变换变换 开关状态为开关状态为开关状态为开关状态为OO时，时，时，时，S2S2、S3S3导导导导通，通，通，通，S1S1、S4S4关断。此时，由关断。此时，由关断。此时，由关断。此时，由i iA A0 ACS 6000AD SM ACS 6000SD PM ACS 6000PM IM ACS 6000AD TWIN -HISPIN 60ABB ACS6000 中压变频器

14、中压变频器 双双ARU(有源整流单元有源整流单元)公共公共CBU(电容组单元电容组单元)INU(逆变单元逆变单元)电动机电动机(2个异步电动机个异步电动机)1个同步电动机个同步电动机61ABB ACS6000 中压变频器中压变频器 9 MVA逆变器逆变器12 大功率半导体大功率半导体 4象限运行象限运行电动状态电动状态能量发电状态发电状态能量62ABB ACS6000 中压变频器中压变频器 ARU 供电时最多带供电时最多带 4 台电机台电机LSU 供电时最多带供电时最多带 5 台电机台电机63东芝三菱东芝三菱TMEIC 高压变频器高压变频器IEGT(Injection Enhanced Gat

15、e Transistor)：电子注入增强型门极晶体管：电子注入增强型门极晶体管耐压达耐压达4KV以上的以上的IGBT系列电力电子器件系列电力电子器件通过采取增强注入的结构实现了低通态电压通过采取增强注入的结构实现了低通态电压使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展使大容量电力电子器件取得了飞跃性的发展具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点具有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性，使其进一步扩大电流容量采用沟槽结构和多芯片并联而自均流的特性，使其进一步扩大电流容量日本东芝开发的日本东芝开发的IECT兼有兼有IGBT和和GTO两者的优点

16、：低饱和压降，宽安全工作区两者的优点：低饱和压降，宽安全工作区(吸吸收回路容量仅为收回路容量仅为GTO的的1/10左右左右)，低栅极驱动功率，低栅极驱动功率(比比GTO低两个数量级低两个数量级)和较高的和较高的工作频率工作频率器件采用平板压接式电极引出结构，可靠性高，性能已经达到器件采用平板压接式电极引出结构，可靠性高，性能已经达到4.5KV/1500A的水平的水平64IGCT 与与IGBT的损耗对比的损耗对比65sym.GTOIGCTDiodeLV-IGBT适于未来发展的高压适于未来发展的高压 IGBTs IGBTs Mercury-vapor rectifierHV-IGBTMOS-FETTransistorTransistorBipolarTransistorThyristorfast-switchingDiodeasym.GTO功率元件的发展功率元件的发展