高性能大容量交流电动机调速节能技术——现状及展望

1、前言

    能源短缺和环境污染是人类当前面l临的共同的世纪性难题。20 世纪70年代以来两次世界性的能源危机以及当前环境问题的严重性，引起世界各国对节能技术的广泛关注。我国能源生产和消费已列世界第二，但仍远远满足不了丁工业生产和人民生活发展的需要．在能源十分紧张的情况下，却因为在节能方面的巨大差距，造成单位产使能耗太大，每年的能源浪费惊人。有相当部分的风机、水泵类负载，由于采取恒速驱动，浪费掉大量的的电能。这类拖动系统约占工业电力能动总量的一半，如果采用调速节能技术至少可节约20％以上的电能。我国“十五”计划提出了不断提高能源利用效率和效益的节能目标，而节能工作的重点则放在推行量大面广的节能技术上。其中一项重要措施就是要逐步实现电动机、风机、泵类设备和系统的经济运行，发展电动机调速节电和电力电子节电技术，只有这样才能以较低的能源消费弹性系数和较大的节能量来长期支持国民经济快速、健康、持续的发展。

    此外，大量的煤炭、石油没有经过深加工就被烧掉，不但热利用率低，还造成对环境的严重污染。目前，汽车废气排放过度已造成全球性的温室效应，也是造成北京地区宅气污染的主要原因之一。解决城市环境污染和交通拥挤的重要途径是发展高速公共交通工具（地铁、城市轻轨）及电动汽车，高速电气化列车则是实现城际快速交通的首选，其核心技术都是20世纪80年代以来和微电子技术并驾齐驱飞速发展起来的一门新技术——现代电力电子及交流电动机传动技术。此外，在轧钢，造纸，水泥制造、矿井提升、轮船推进器等工业和民用领域中也应广泛使用大中容量交流电动机调速系统。此时，交流调速系统的应用不但可达到节能的目的，还可实现整个系统的性能最佳，改善工艺条件，并大大提高生产效率和产品质量。

    从目前掌握的资料和市场上提供的大容量调速产品可以看到，目前每年世界范围内的交流电动机调速系统的硬件、软件和外围设备的总销售额足48．5亿美元。其中欧洲、中东和非洲总共占39％，日本占27％，北美占21％，亚洲12％，最后是拉1美洲的1％。从系统功率的销售分布看，小功率的调速系统仍然支配了市场，1～4kW的调速系统占了总销售额的21％，5～40kW系统则占总销售额的26％。但是随着以IGBT、IGCT为代表的新型复合器件耐压、电流和开关性能的迅速提高，大容量变流电动机调速技术必将获得飞速的发展和长足的进步，其市场前景十分鼓舞人心。

    国外在高性能大容量交流电动机传动技术的研究和应用方面上远远走在我们前面，MVA级的高压逆变器已有产品大量投入市场，并应用于电力机车、船舰电力推进、轧钢、造纸及供水等系统中，交流电动机变频调速技术及其产品已成为些工业发达国家的先导产业。目前我国大中容量交流调速系统的研制工作起步较晚，很多必需的场合均为国外产品所占领。因此，研制性能可靠，价格便宜的大中容量高性能交流电动机变频调速系统，并尽快投入批量生产，对促进国民经济发展、实现经济增跃方式转变、降低单位产值能耗，打破西方国家在此领域的垄断地位，都将具有重要的战略和现实意义。

2、大容量交流电动机调速技术发展现状

    20世纪80年代以来，现代电力电子技术开始向高频，高效（低开关损耗），高功率因数，高功率密度（组合集成化）及高压大功率方向迅速发展。以GTO、BJT、MOSFET为代表的自关断器件得到长足的发展，尤其是以IGBT为代表的双极型复合器件的惊人发展．使得电力电子器件正沿着大容量、高频、易驱动、低损耗、智能模块化的方向前进。伴随着电力电子器件的飞速发展，大功率逆变器及交流调速技术的发展也日趋高性能化。

    （1）传统大功率逆变电路
    传统的大功率交流电动机调速系统采用的变换器主要有：普通交直交三相逆变器、降压—普通变频器升压、交交变频器、变压器耦合的多脉冲逆变器。以上的大功率变换电路研究比较成熟，但在实现大功率交流传动的同时，在性能上没有什么突破，且装置复杂，制作成本高，控制方式可靠性低，并且对电网污染严重，功率因数低，无功损耗大，须附加谐波治理装置，设备成本成倍增加。因此近十几年来，些新型高压大功率逆变器，尤其是电压型多电平变换器拓扑吸引了许多学者的注意。

    （2）新型多电半电压型逆变器
    口本长冈科技大学的A•Nabae等人于1980年在IAS年会上首次提出三电半逆变器，又称中点箝位式（NPC）逆变器。它的出现为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。在此基础上，经过多年的研究发展出几种主要的多电平变换器拓扑结构，主要分两种：一种为单一直流电源的箝位型变换器拓扑，包括二极管箝位型（Dlode CLamped），电容箝位型（capacltor Clamped），以及在此基础上发展出的通用型拓扑，还有就是层叠式多单兀拓扑（StackedMulticell）；第一种为独立直流电源的级联型拓扑（Cascaded Inverter with Separated Dc Source）。图1将现有的多电平变换器进行分类。

    根据直流电压源的性质和串联方式不同，上述两种拓扑可以用两个电路模型表示：单一直流电源直接串联分压模型和多个电气独立的直流电源串联模型，见图2和图3。在图2中，多电平变换电路可以等效为虚线中的多路开关，现实中由功率开关器件网络构成的，小同的开关状态即代表接到不同的节点。图3中作为直流电源的经过变换电路的不同开关状态，可以在输出端组合出多种电平值。

    多电平变换器拓扑结构与普通两电平逆变器相比具有以下优点：
    1）更适合大容量、高压的场合。
    2）可产生M层阶梯形输出电压，理论上提高电平数可接近纯正弦波形，谐波含量很小。
    3）电磁干扰（EMI）问题大大减轻，因为开关元件一次动作的dv/dt通常只有传统双电平的I/（M-1）。
    4）效率高。消除同样谐波，双电平采用PWM控制法开关频率高、损耗大，而多电平逆变器可用较低频率进行开关动作，开关频率低、损耗小，效率提高。
    除上述共同特点外，几种拓扑结构各有优缺点，现比较如下：

    （1）二极管箝位的多电平逆变器
    二极管箝位式多电平结构是出现较早，应用场合较多的一种结构。这种结构的特点是采用多个一极管对相应开关元件进行箝位，输出相应M电平的相电压。二极管箝位式拓扑具有多电平逆变器兆同的优点，图2单一直流源多电平电路模型但存在自身不足：①箝位二极管承受电压不均匀。②器件所需额定电流不同。按最大额定设计将造成（M-1）（M-2）/2的开关元件容量上有所浪费，利用效率低。③直流侧电容由于一个周期内的流入和流出的电流可能不相等，造成不同级的直流侧电容电压在传递有功功率时出现不均衡现象。而当进行有功传递时孤不附加恒压装置，必将导致M电平逐渐变为三电平（M为奇数）或两电平（M为偶数）。解决的办法通常可用PWM电压调节器或电池来代替电容，但这样又将导致系统复杂，使成本升高。
    为解决以上问题，在传统的二极管箝位式多电平结构上出现了几种改进型结构。在两个相邻箝位二极管两端加上箝位电容的改进拓扑结构不但解决二极管串联问题，而且所加电容对开关器件关断时的过压进行箝位。由于所加电容充放电的作用，减小了直流侧电容电压的不平衡性，且能实现电流的烈向流动。另一种将两个相同变换器背对背使用的改进结构，左边作为整流器，右边作为逆变器，直流侧电容相应节点进行连接，可较好的平衡电容电压。

    （2）电容箝位的多电平逆变器
    电容箝位的多电平逆变器最早由T•A•Meynard同H•Foch在1992年PESC年会上提出，最初目的是减少NPC多电平逆变器中过多的嵌位二极管，即采用悬浮电容器来代替嵌位二极管丁作，直流侧的电容不变。其一工作原理与二极管箝位电路相似。对比二极管嵌位多电平逆变器，这种拓扑结构虽省去了大量的二极管，但又引入不少电容。对高压大容量系统而言。电容体积庞大、占地多、成本高、封装不易。电容的引进使电压合成的选择增多，开关状态的选择具有更大的灵活件，通过在同一电平上进行合适的不同开关状态的组合，可使电容电压保持均衡，可较好地应用于有功调节和变频调速系统，但控制方法变得较为复杂，而且开关频率将增高，开关损耗加大，效率随之降低。
    为保持电容电压的平衡，Meynard提出了一种采用背对背的变流器结构来调整电容充放电的平衡，并采用成一定比例的开关模式来同时控制整流桥和逆变桥，使得流向电容的功率和从电容流出的功率相同。通过对电容电压进行检测，如果出现不平衡，可以适当改变整流桥的控制。其缺点是：引入了大量的悬浮电容，而月存在着电容电压平衡的问题，目前法国ALSTOM公司开发出产品。

    （3）电压自甲衡式多电平变频器拓扑
    2000年美国密执根大学的彭方正搏士提出了一种电压自平衡的多电平拓扑，它不需要借助附加的电路来抑制直流侧电容的电压偏移问题，从理论上实现了一个真正的有实际应用价值的多电平结构，传统的二极管钳位式和电容钳位式电路拓扑也可以由它简化和发展而来。
    高压大容量多电平电路的一个技术难点就是中点电压的控制问题。对于三电平及以上电平数的拓扑，如果中点电压控制的不好，是不能有效的应用于大容量的电能变换场合的。对于以上几种拓扑结构，电压高于三电甲时，或者是需要隔离的直流电源，或者是需要增加一个复杂的电路结构来帮助维持中点电压的平衡。这种新的拓扑结构具有电压白平衡的功能，对十各种逆变器控制策略和负载情况．都能有效的控制中点电压。

    图5即为这种新型的白平衡多电平结构单相的拓扑，由图可知，它是由图4所示的基本单元组成的。因为基本的单元是一个两电平的单相电路（a two-level phase leg），所以由它组成的多电甲结构又叫做P2多级逆变器。
    这种可电压自平衡的F2多电平拓扑的特点是：
    1）该系统的电能损耗反比于电容量和开关频率。提高开关频率和加入些特定的开关状态可以大大减小损耗，提高系统效率。
    2）相比起一般的二极管钳位和电容钳位式拓扑，该系统各级的中点电压都能得到很好的控制。
    3）对一个M级电平的P2逆变器系统，所需的开关器件/二极管数目为M＊（M-1）；需要的电容器数量为M＊（M-1）/2。
    4）计算简单，器件应力可达到最小化。
    对图5的系统进行简化和变形，可以得到传统的二极管钳位和电容钳位式多电平拓扑，以及一些其他的改进拓扑。去掉圈5所有的钳位开关，可以得到二极管电容钳位的多电平系统，见图6；而去掉钳位开关和二极管，则得到电容钳位式的多电平系统，见图7；去掉钳位开关和电容，可得到二极管钳位式拓扑，见图8；再对调二极管的连接，可得到一种改进
的背对背的二极管钳位式系统，见图9。

    这种通州的多电平拓扑的应用还包括，开关电容DC——DC变换器和倍压电路；此外，结合其他电路的使用还可实现双向的DC—DC变换。也可以用三电平单元代替两电平单元来实现多电平变频器。

    （4）层叠式多单元结构（SMC）见图10，也能实现高压、多电平输出。结构比一般电容箝位型结构有一定优势，可以使用更少个数和更小体积的电容，减少了装置的体积，尤其在大于三电平以上高压输出的应用中。

    SMC拓扑结构是基于跨接电容和开关组成的基本换流单元的一个混合结构。图11为两层叠两单元变换器的结构。这种结构相当于把两个电容箝位型单元叠加起来，图中为互补开关，不能同时开通，同样其他开关也有类似的互补开关对。上层和下层采用类似电容箝位型的开关方法，就可以实现多电平的输出。

    但是，这个结构也有一些缺点：为了满足最底层和顶层一方开通时的耐压要求，拓扑中外侧功率开关都是两管直接串联，带来了开通和关断同步问题，而且由于不是总工作在上述的两个状态，从另一个角度说，浪费了功率器件的耐压容量，而且当需要进一步上高压，层叠数超过两层时，开关数量会人大增加，电容也会增多；同时，这类拓扑的控制方法也比较复杂，其优越性也不明显。

    （5）带分离直流电源的串联型多电平逆变器对于带分离直流电源的串联型多电平逆变器，要获得更多电平只须将每相所串联的单元逆变桥数目同等增加即可。其特点是：
    1）直流侧采用电压相同但相互隔离的直流电源，不存在电压均衡问题，无须二极管或电容箝位，易于进行调速控制。
    2）因每个H桥都采用单相控制，直流电容在任一时刻都有交流电流通过，因此需要用较大容量的直流电容。
    3）控制方法相对简单。因每一级结构的相同性．可分别对每级进行PWM控制，然后进行波形重组。
    4）对相同电平数而言，串联型结构所需器件数目最少。

    5）一般二极管嵌位式、电容悬浮式限于7或9电平，串联型结构因无二极管和电容的限制，电平数可较大，适合更高电压，谐波含量更少。
    6）由于每一级逆变桥构造相同，给模块化设计和制造带来方便，且装配简单，系统可靠性高。另外，某一级逆变桥出现故障时，就被旁路掉，剩余模块可不间断供电，以尽量减少生产损失。
    因这种结构较容易采用低压的功率开关器件，实现多级电压串联，获得高电压，大容量，因此具有较大的实用性。当然，这种结构的不足之处在于需要很多隔离的直流电源，应用受到一定限制。
    目前，国际上很多著名的电气公司包括罗宾康、东芝、ANSLADO、三菱都已经具有同类的产品，可以用在大容量电动机调速、无功补偿等一些行业。国内也有产品问世，可用于拖动风机、水泵等调速系统中。
    （6）三相逆变器串连式结构1999年E•Cengelci等人提出了一种新型的变压器耦合式单元串联高压变频结构。其主要思想是用变压器将三个由IGBT或IGCT构成的常规逆变器单元的输出叠加起来，实现更高压的输出，并且这三个常规逆变器司采用同种控制方式，电路结构和控制方法都大大简化。其拓扑如图13所示。

    这种三相逆变器串联式逆变器结构的优点是：
    1）三个常规的逆变器为核心构成高压变频器，且每个逆变器可采用常用PWM方法。
    2）n三个常规的逆变器平衡运行，各分担总输出功
    3）整个变频器输出可等效为7电平PWM，谐波小和dv/dt低。
    4）输出变压器的容量只需总容量的1/3。
    5）18脉冲输入，网侧无谐波且功率因数高。

    由于三相逆变器串连式结构的三个逆变器电压、电流和功率完全对称，三个逆变器可采用完全相同的控制规律，但是相当于两电平的高压变频器，dv/dt太大。因此可以采用将三个逆变器的PWM信号相互错开1/3周期的办法，对SPWM来说就是三个逆变器各自采用个三角波，相位互差120°，相当于一个线电压为7电平的高频变压器。
    综上所述，二极管嵌位式和电容嵌位式由于存在均压问题，比较适合应用于无功调节，而在有功传递，如电动机调速方面控制较难，需要实施额外的算法。电压自平衡的P2多电平系统小需要大量的变压器，结构紧凑，功率因数高，无电磁干扰，损耗低，在多电平逆变器实现的领域上引起了广泛的关注和应用。在输入变压器成本允许的前提下，串联型结构以较低耐压器件实现高压大容量，由于电平数可以很多，网侧和输出侧谐波很低，若采用四象限整流，并与现代电动机控制理论结合，高性能四象限大容量交流电动机变频调速将成为可能，其在交流传动领域的应用将很是乐观。三相逆变器串联式可以保证均衡利用功率和变转矩负载条件的运行，并且对电网谐波污染小，可很好的用于中压（2 300～4 160 V）的交流电动机调速驱动系统。

    （3）PWM控制技术
    大功率逆变器电路拓扑结构不断更新的同时，与之相应的PWM控制技术也得到了飞速的发展。各国学者不仅对传统的PWM进行革新，也不断地提出些全新的控制策略。

    1）传统的PWM控制技术及其发展
    传统的PWM控制技术多用于两电平逆变器的门极驱动控制，其主要方法是依靠载波和调制波的比较得出交点，或采用微机计算方法得到门级触发脉冲控制信号。正弦脉宽调制SPWM，调制波为正弦波，实现的典型方法有自然采样PWM，规则采样PWM，等面积PWM等方法。三电平电路中，若采用两个正弦波与一个三角波比较，可得到双向dipolar调制PWM，可大人减少相间电压的谐波。以上这些方法都可以在多电甲电路中加以使用。且根据结构的小同，实现的方法也不同。

    2）优化PWM技术
    近年来，优化PWM技术得到了迅速发展。它是根据谐波含量，谐波畸变率（THD）最小，转矩脉动最小等目标函数．寻求PWM控制波形。最优化PWM有一般PWM方法不具备的特殊优点，如电压利用率高，开关次数少及可实现特定优化目标等。优化PWM可用十多电平逆变器，而且可利用NPC逆变器的特点对每个开关元件的控制规律进行优化以提高整体性能，降低电动机损耗。

    3）多电平逆变器与空间电压矢量PWM
    空间电压矢量PWM法，是以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁通为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准圆磁通，由比较结果决定逆变器的开关顺序，形成所需的PWM波形。电压矢量PWM法消除谐波效果类似于多电平SPWM。对于三电甲，五电平逆变器，开关模式容易计算，易于数字化实现。但随电平数增加，开关模式的计算量剧增，而且所需内存增加很多。由于开关模式选择冗余度大，选择合适矢量，可达到消除共模电压作用，而且对于二极管箝位式多电平逆变器，可消除或减小直流侧电容电压的不甲衡性。
    随着多电平逆变器的出现，空间电压欠量SVPWM有了进一步的发展。比如对三电平中点嵌位式逆变器，选取适当的空问矢量组合和电压矢量导通时间，可得到很逼近圆形的磁通。根据选择矢量的不同还可以有多种SVPWM控制方案，各种方法得到的调制矢量角各不相同，控制性能也各不相同。比起双电平空间矢量，其矢量选择范围大，能更好地逼近正弦磁通，控制电动机能获得更好的性能。同时，其良好的拓扑结构使系统容量变大，可靠性提高，损耗减少。
    三电平逆变器存在直流侧的高压，因此对器件仍有潜在的高压威协，可靠性受到一定的限制。另外，直流侧电容电压的均衡问题是控制上比较棘手的地方。这种逆变器也存在网侧的谐波，用特殊的处理方法，比如双PWM技术可以得到很好的结果。在某些场合（比如UPS中），多电平逆变器还可采用电流滞回控制PWM方法。

3、结论及展望

    由于在功率器件研制及拓扑结构方面取得的突破性进展，大容量交流电动机调速技术的发展呈现着崭新的面貌，蕴藏着巨大的发展机遇。
    传统大功率逆变电路由于体积大，性能差，并对电网产生较多谐波，因此应用领域越来越多地受到限制。而新型多电平逆变器由丁具有动态性能好，对电网和电动机产生的谐波较少，可以上高压等优点，受到越来越多的重视。当PWM技术应当于多电平逆变器时，产生一些改进方案，对高性能大容量逆变器的应用起了重要作用。
    目前我国电动机调速技术应用的特点是以低压、小容量调速对象为主，高压、高教的变频调速装置以进口为主。面对节能、改善工艺的迫切需求和巨大的市场前景，国产高压大功率变频器的产品生产还基本上刚刚起步。然而，困难与希望同在，挑战与机遇共存。国际上具有生产、研制新型大功率变频调速装置能力的均是世界知名的大电工电气公司，由于他们在电力电子技术发展的过程中一直是按部就班进行的，形成了从功率半导体器件到整机生产的全套工业环节，市场惯性和企业本身的庞大机构使得他们不会马上转产全新的产品。而我国是个新兴的发展中国家，尽管在老技术方面有一些投资，但投资相对较小，包袱不大，可以马上转入最新技术的开发和利用，借鉴别人的经验．跨过他们已经走过的路程。在最新领域的研究取得成果的基础上尽快产业化，可大大缩短与先进国家的差距，在某些方面甚至还可以超过他们。从日前看，大容量变流电动机调速技术应用的时机业已成熟，国内只要在体制改革、生产管理和经营决策方面走上轨道，其发展前途不可限量。