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，重點闡述了結(jié)合IEGT運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 三電平中性點箝位 注入增強柵晶體管 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變頻器是科孚德機電公司的高性能中壓工程型變頻器，采用比較新的IEGT（注入增強柵晶體管）功率開關(guān)元件和三電平中性點箝位（NPC）拓撲結(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變頻器的應用范圍非常廣，從船舶推進到永磁風力發(fā)電機；從鋼廠軋機到礦井提升機；從電廠風機到天然氣管道的高速壓縮機都是其主要的應用場合。因此為了滿足各種應用要求，變頻器的PWM調(diào)制技術(shù)必需具有非常高的適用性，能夠面對不同應用場合或同一應用場合不同的階段進行實時改變，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進行控制：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參考波形等效；第二為逆變器本身運行狀態(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
 輸出的比較大電流必須在安全運行區(qū)域（SOA）內(nèi)
 交流電流中的諧波失真（THD）必須比較低

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)是基于標準的正弦波/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而決定。
對于三電平的拓撲結(jié)構(gòu)，調(diào)制波需要于兩個三角載波進行比較，而二電平調(diào)制只需要一個三角載波，見圖（3）：

圖（3）標準的正弦/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現(xiàn)滿使用，電壓利用率低。實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%，如果考慮到比較小開關(guān)時間，那么這個差距會更大，甚至可以達到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。應該注意到由于系統(tǒng)的對稱性在負載線電壓上是看不到這個零序電壓的，但實際上所有的零序分量諧波電壓都會出現(xiàn)在負載星形中點和直流母線中點之間。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，比較終的調(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)制波的比較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)點在于：
 使直流母線中性點電壓平衡保持比較佳
 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
 將會在電動機中產(chǎn)生較高的零序共模電壓，這將導致對電動機絕緣的非常嚴格的要求

2.1.2 中點電壓平衡NPSPWM調(diào)制方式
中點電壓平衡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）中點電壓平衡NPSPWM調(diào)制方式

中點電壓平衡NPSPWM調(diào)制方式的優(yōu)點在于：
 能夠使直流母線中點電壓的平衡比較優(yōu)化，實際上零序電壓是專門用于穩(wěn)定中點電壓的。
 能夠優(yōu)化電流THD性能
中點電壓平衡NPSPWM調(diào)制方式的局限性在于：
 開關(guān)損耗沒有比較優(yōu)化
 比較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算而得到的，計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)其比較終調(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比較大峰值電流期間進入非調(diào)制階段從而使開關(guān)損耗比較優(yōu)化。
 比較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，提高了在中性點箝位NPC結(jié)構(gòu)中IEGTs之間的熱均衡性能。
 在調(diào)制深度比較高點實現(xiàn)輸出性能的優(yōu)化，因為它能避免電壓參數(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)制深度的應用，電流THD與傳統(tǒng)的H3PWM調(diào)制技術(shù)相比高30%
 在電動機上會產(chǎn)生較高的零序共模電壓，因此對于電動機的絕緣有更嚴格的要求
 對于直流母線中點電壓平衡無法實現(xiàn)比較優(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)制方式稱為預計算優(yōu)化PWM調(diào)制方式，是通過在預先確定的時刻實現(xiàn)特定開關(guān)的切換，從而產(chǎn)生預期的比較優(yōu)PWM控制，且能消除選定的低頻次諧波。
在實際應用中，通過確定N次的諧波頻率就可以計算出在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）預計算PWM調(diào)制方式消除的輸出電壓諧波
 

2.2.1 預計算PWM調(diào)制方式1
　　預計算PWM調(diào)制方式1只需計算一個開關(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）計算而得到的開關(guān)角度：

圖（8）預計算PWM調(diào)制方式1開關(guān)角度

圖（9）預計算PWM調(diào)制方式1的輸出波形
 

2.2.2 預計算PWM調(diào)制方式2
預計算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）預計算PWM調(diào)制方式2開關(guān)角度

圖（11）預計算PWM調(diào)制方式2的輸出波形

2.2.3 預計算PWM調(diào)制方式3
　　預計算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）預計算PWM調(diào)制方式3開關(guān)角度

圖（13）預計算PWM調(diào)制方式3的輸出波形

預計算PWM調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點在于：
 在預計算PWM調(diào)制方式中，所有開關(guān)器件的動作都是預先知道的，因此與異步PWM調(diào)制技術(shù)相比可以很容易地計算開關(guān)損耗，從而使預計算PWM調(diào)制技術(shù)可以應用于高速電動機，因為在此應用中同步PWM調(diào)制技術(shù)中的開關(guān)損耗將作為主要考慮的因素。
 因為輸出波形接近與方波，所以逆變器輸出電壓的可用性很高。

2.3 不同PWM調(diào)制方式的應用域
根據(jù)不同PWM調(diào)制方式的特性，對于不同電動機速度和不同調(diào)制深度的操作運行點，可以使用不同的PWM調(diào)制方式，圖（14）就顯示了PWM調(diào)制方式不同的應用域；

圖（14）不同PWM調(diào)制方式的應用域

　　這其中應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際應用電流需求的影響。

3 實際案例：

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）低速電動機的PWM調(diào)制方式



表（3）正常速度電動機的PWM調(diào)制方式


表（4）高速電動機的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)運行點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變頻器得到廣泛應用的主要原因。

作者簡介

章鈞（1974-）男 上海海事大學工程碩士，供職于科孚德機電（上海）有限公司，主要從事大功率變頻器應用推廣。

參考文獻：

1.Work package calculation tools – MV7000 voltage and current harmonic calculations – Driving sizing tools – L. Leclere

2.A new medium voltage IGBT Press-Pack converter: A significant step in electrical propulsion drives – B. Gollentz, N. Gruau, A Mirzaiain, E. Lewis

3.A new step in high power electrical propulsion systems with PWM converters and large induction motors – G. Flury, E. Leleu, P. Manuelle, J-C Mercier, F. Terrien

4.Advanced electrical propulsion with a high power Press Pack IGBT drive – G. Flury, P. Manuelle, D. Begin, E. Leleu

5.Entrainements electriques a vitesse variable – Volume 2 – Jean Bonal, Guy Seguier

6.《交流同步電機調(diào)速系統(tǒng)》-科學出版社-李崇堅 著

7. 《大容量多電平變換器-原理、控制、應用》-科學出版社-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)》-機械工 業(yè)出版社-張皓,續(xù)明進,楊梅 編著