浅谈1140V三电平隔爆变频器在大功率场合应用的优势

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[摘 要]目前，1140v矿用隔爆兼本安型变频器领域，得到最广泛应用的是两电平变频器，由于受到开关器件耐压高、输出电压谐波大和电磁噪音高等缺点的制约，已不能满足矿用变频器大功率应用场合的要求，为克服两电平变频器缺陷导致的性能优良的PWM变频调制技术的应用制约，三电平变频器这种新型的、适合于环保节能应用的变频器新思路开始出现。

[关键词]三电平；隔爆变频器；1140V；中点IGBT钳位

中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）23-0355-01

1 引言

随着我国煤炭生产自动化程度的不断提高，矿用隔爆变频器在煤矿井下的调速应用中发挥了良好的调速性能和节能降耗的作用，并得到了广泛的应用。目前，在变频器领域，尤其是矿用隔爆兼本安型变频器领域，得到最广泛应用的是两电平变频器。所谓两电平变频器，就是通过控制开关管的导通和关断，在输出端把直流电源的正极和负极电压分别引出，将直流电能变换成交流电能的一种电能变换器。其优点是功能实现容易、结构简单，且经过较长时间的发展后，整个产业也逐靳形成了规模化，单机成本也己大幅降低，因此两电平变频器得以在市场上得到广泛应用。但与此同时两电平产品也有其自身无法克服的缺陷，包括开关器件耐压高、输出电压谐波大和电磁噪音高等，这些缺陷严重制约了两电平变频器的发展潜力，而其最大的缺陷是不适宜高压大功率的应用场合，可以说目前两电平变频器的发展已基本触碰到了“天花板”，性能上的大幅提升已基本不可能。为克服两电平变频器缺陷导致的性能优良的PWM变频调制技术的应用制约，三电平变频器这种新型的、适合于环保节能应用的变频器新思路开始出现。

2 三电平变频器原理

与普通两电平变频器相比，三电平变频器直流侧电容数量增加到两个，每相桥臂开关管数量由两电平的两个变为四个，并在每相桥臂上增加钳位IGBT。从而在正、负两种电平的基础上，加入了一个O电平，变成三电平，使得输出电压波形的正弦度提高，波形质量有较大改善，从而克服两电平变频器的性能缺陷，使其适宜高压大功率应用场合的，使得性能优良的PWM变频调制技术得以在高压大功率条件下实现，图1是中点钳位三电平变频器电路图。

该电路的每一相桥臂有四个开关元件、4个续流二极管。两个串联器件的中点通过钳位IGBT和直流侧电容的中点相连接。钳位IGBT的作用是在开关管导通时提供电流通道防止电容短路。从图1所示的三电平逆变器主电路结构出发，可以描述出相电压的三种输出状态如下：

（1）给U1、U5导通触发脉冲，U2、U3、U4、U6关断时：W相输出电压U=UDC/2。

（2）给U2、U5导通触发脉冲，U1、U3、U4、U6关断时：W相输出电压U=0，同理给U3、U6导通触发脉冲，U1、U2、U4、U5关断时：W相输出电压U也为0。

（3）给U4、U6导通触发脉冲，U1、U2、U3、U5关断时：W相输出电压U=-UDC/2，。

3 三电平变频器的优势

与传统的两电平变频器相比，三电平变频器具有如下优点：

（1）适合高压大容量的场合。

两电平变频器的开关器件所需承受的压降高，对IGBT的耐压要求高。如1140V整流后直流电压为1600V因此IGBT的额定耐压至少为1700V。同时供电电压有超调范围，实际电压高于1700V，且需要保证耐压的安全余量，因此需要采用3300V的IGBT；而三电平变频器每一个功率器件承受的关断电压仅为直流母线电压的一半，这样在相同情况下直流电压可以提高一倍，容量提高一倍，如1600V的直流电压只需使用1400V的IGBT即可保证耐压要求。

（2）提高输出电压质量，输出力矩增大，传输距离增加。

图2、图3分别为同电压等级，同功率的两电平和三电平的PWM波形，对比可以发现两电平的PWM波形，由于两电平只能输出+、-，因此其PWM波形与标准正弦波形近似程度低，谐波含量较高；三电平的PWM波形，可产生多层梯形输出电压，对阶梯波再作调整可以得到很好近似的正弦波，较高的正弦波提高了输出电压波形质量降低谐波含量，因此三电平变频器比两电平变频器输出力矩大、传输距离远。

（3）开关频率降低，电磁干扰减弱，提高了系统的可靠度与使用寿命。

两电平变频器由于只有一个直流电源，因此du/dt大，如3-1图所示，每次开关的du=1600v，开关时间与三电平基本一致。du/dt大，电场的变化剧烈，因此激发的磁场的变化剧烈，电磁干扰大。而与此同时，瞬时过大的du/dt会带来很大的冲击电流，对负载（如异步电动机）和变频器本身都有非常大的危害；三电平变频器由于输出电平数的增加使得三电平逆变器可以在较低的开关频率下输出正弦都较好的波形。每次开关动作的电压变化率dv/dt只有两电平的1/（N-1）。如图3-2所示，每次开关的du=1600/2=800V，开关时间与两电平基本一致，因此理论上du/dt只有两电平的一半左右。电场的变化大大减弱，则同时产生的磁场的变化也大大减弱，电磁干扰问越减弱。而同时du/dt带来的冲击电流对负载、变频器的危害均大大减轻.提高了系统的可靠度与使用寿命。

（4）效率高，热负荷低。

传统两电平变频器由于工作在较高的开关频率下所一会造成较高的开关损耗多电平逆变器由于工作在较低的开关频率下可以减小开关损耗提高系统效率。每次开关动作的损耗大，系统的效率降低，相同电压、功率等级的两、三电平变频器的输出电流相同。每次开通关断的损耗为瞬时损耗功率U*I对dt的积分，相同电流条件下，du为1600V，因此每次开关动作的瞬时损耗功率高.积分得到的损耗高；而三电平变频器系统自身损耗低，效率高.相同电压、功率等级的两、三电平变频器的输出电流相同.每次开通关断的损耗为瞬时损耗功率U*I对dt的积分，相同电流条件下，du为800v.因此每次开关动作的瞬时损耗功率低，积分得到的损耗低。与此同时，在三电平拓扑结构下.开关数量由两电平的2个变为4个，开通关断动作可以分配到不同的IGBT完成，因此单个IGBT的功耗降低，发热量更小，散热效果更好。

（5）相对两电平变频器三电平变频器可以减小共模电压输出，降低电机绕组的电压力。

3.总结语

综上所述，三电平变频技术可以有效克服两电平变频器的种种缺陷，可以带来更好的节能效果，同时可以实现更大功率输出，更高电压等级也可降低输出电流，从而使得线路耗降低。三电平变频器的种种优势使其将会在矿用大功率变频场合得到广泛的应用。

参考文献

[1] 何湘宁，陈柯莲.多电平变换器的理论和应用技术机械工业出版社，2006-9-1.

[2] 杨玉涛.矿用变频器与采煤机电牵引系统使用与维修煤炭工业出版社，2009-6.