ANPC-5L技術(shù)與 ACS 2000傳動

　　FREDERICK KIEFERNDORF, MICHAEL BASLER,LEONARDO SERPA, JAN-HENNING FABIAN, ANTONIOCOCCIA, GERALD SCHEUER –

　　現(xiàn)代電力電子技術(shù)已徹底改變了電力系統(tǒng)的傳輸與使用。在傳動領(lǐng)域，任意選擇、連續(xù)改變逆變器的輸出電壓頻率和振幅等能力大幅增強(qiáng)了增效節(jié)能和可控制性這兩方面的性能。逆變器通過使用半導(dǎo)體在不同直流電壓等級之間進(jìn)行高頻切換來合成交流電壓。由于采用脈寬調(diào)制開關(guān)模式，由此產(chǎn)生的波形與 “理想的 ”正弦波不同。這一差別足以使傳動的使用符合高 “質(zhì)量 ”交流電壓的應(yīng)用需要。提高直流電壓電平數(shù)能夠在更多應(yīng)用中發(fā)揮傳動的增效節(jié)能優(yōu)勢。 ABB的ACS 2000以創(chuàng)新的五電平技術(shù)取代了常用的三電平，通過巧妙的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)避免許多常見問題，從而降低五電平變流器的復(fù)雜性。

　　逆變器(將直流轉(zhuǎn)換為交流的電路)基于不同直流電壓電平之間的轉(zhuǎn)換原理 ,輸出高頻矩形脈沖取代交流正弦波，目的在于盡量精確地再現(xiàn)正弦波→1c。以低分辨率的數(shù)碼相片為例。照片由于像素?cái)?shù)低，無法再現(xiàn)所有的細(xì)節(jié)，因此無法精確地再現(xiàn)拍攝對象。同樣，使用矩形脈沖接近理想正弦波的能力也受到電壓電平數(shù)的限制，與照片不同的是，這里的差異不僅僅是美學(xué)問題：非理想的正弦波形會導(dǎo)致諧波(高頻電流和電壓)產(chǎn)生，造成不良影響，例如電機(jī)絕緣裝置和軸承應(yīng)力和干擾其他設(shè)備等。諧波濾波器可通過吸收問題諧波調(diào)節(jié)輸出，但涉及成本因素，并會導(dǎo)致額外損耗。為消除該類諧波的影響，或者電機(jī)必須能夠處理附加應(yīng)力(排除了很多標(biāo)準(zhǔn)樣本電機(jī)的使用)，或者該類變流器無法用于現(xiàn)有的應(yīng)用，因此亟需一臺新型變流器來實(shí)現(xiàn)更理想的正弦輸出。

　　逆變器電壓等級

　　兩電平變流器是最簡單的逆變器。之所以稱之為兩電平，是因?yàn)樵撟兞髌鲀H適用于兩個(gè)電壓等級：直流電源電壓及其反向電壓。中性點(diǎn)箝位型三電平(NPC)變流器是這一概念的延伸，還可使用中性點(diǎn)電壓→1a并生成→1c中所示的開關(guān)模型類型。

　　最新的變流器比上述變流器更進(jìn)一步，可輸出五個(gè)電壓等級，但該類電路往往極為復(fù)雜。例如，如果直流電源采用五個(gè)電壓電平取代三個(gè)電壓電平，則需要增加額外的箝位二極管和電容器以及相應(yīng)的控制和充電電路。另一個(gè)替代方法是串聯(lián)變流器。

　　這一方法需要造價(jià)較高的變壓器對電源進(jìn)行電流分離，因此也會增加直流電源電路的復(fù)雜性。這些解決方案適用于高功率水平，而低功率的中壓傳動系統(tǒng)需要更為簡單的解決方案。

　　ABB已開始著手解決這些問題，并且找到了一個(gè)較為理想的解決方案，可在不增加直流電源復(fù)雜性的前提下輸出五個(gè)功率等級。僅使用一個(gè)三電平直流電源無法提供五個(gè)電壓等級，因此電路的每個(gè)輸出項(xiàng)需要增加一個(gè)額外的電容器。 ABB創(chuàng)建的解決方案能夠巧妙地為電容器充電，無需專用控制電路。

　　ANPC-5L

　　有源中性點(diǎn)箝位五電平( ANPC-5L)變流器的基本原理參見→2a。相電容器 Cph保持相當(dāng)于直流母線電容器一半的電壓，即直流母線總電壓的四分之一。該電路的整體原理為一個(gè) NPC三電平變流器加一個(gè)額外的電容器。該相電容器與三電平變流器相串聯(lián)，并提供兩個(gè)額外的中間輸出電平。

　　直流電源 NPC三電平變流器的電源相同?！?b中的單元 1與NPC三電平變壓器在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上明顯相似→1b。與該電路類似，單元 1中IGBT(絕緣柵雙極晶體管)開關(guān)裝置的額定電壓等于直流母線電壓的一半。由于額外電容器的電壓為直流母線電壓的四分之一，單元2和單元 3中的IGBT也采用這一較低電壓。使用額定值較低的裝置可簡化變流器結(jié)構(gòu)。該變流器的設(shè)計(jì)十分簡潔明快，與 NPC三電平變流器相比，每相僅需增加一個(gè)電容器，還能提供完整的四象限功能(電源可進(jìn)行雙向轉(zhuǎn)換)。

　　ANPC-5L的工作

　　單元1中的開關(guān)裝置(2b)為互補(bǔ)模式，S1和Snp2為同步操作(S4和Snp1與之相同)。單元 2中的開關(guān)裝置與單元3中的工作為相反模式。每相的開關(guān)狀態(tài)總數(shù)如→3所示。共有八種可用狀態(tài)。該變流器只有五個(gè)輸出電平，因此一部分狀態(tài)為冗余。某些變流器狀態(tài)永遠(yuǎn)不會用到，研究結(jié)果態(tài)為冗余。某些變流器狀態(tài)永遠(yuǎn)不會用到，研究結(jié)果→3顯示，三個(gè)冗余狀態(tài)對中的兩個(gè)，即 V1/V2和 V5/V6，可在相容器充電時(shí)達(dá)到相反的效果?！?對比 V5和 V6，結(jié)果顯示了V6如何從直流母線電壓中減去VDC/2，而V5則將其加至中性點(diǎn)電壓。

　　1.NPC變流器基礎(chǔ)原理(僅顯示一相)

　　

　　與NPC三電平變流器相比， ANPC-5L每相僅需增加一個(gè)電容器。

　　最后通過相電容器的電流為反向電流。這一功能可用于維持相電容器的所需電壓，無需更多充電電路。

　　ACS 2000

　　ACS 2000傳動帶有兩個(gè)背靠背( B2B)配置的五電平變流器。 ACS 2000的基本布局參見→5。

　　機(jī)械設(shè)計(jì)

　　ACS 2000無變壓器傳動→6旨在通過模塊化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行時(shí)間最大化。

　　ACS 2000 無變壓器傳動旨在通過模塊化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行時(shí)間最大化

　　部件設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)預(yù)期壽命，簡單的前端進(jìn)入適用于所有關(guān)鍵部件。抽屜式相模塊設(shè)計(jì)可在發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行快速安全的更換。

　　相模塊是模塊概念中的一個(gè)關(guān)鍵組成部分→7。該模塊由變流器相橋臂的主要部件組成(如→2b所示)，包括功率半導(dǎo)體、門極單元及相電容器。此外，該模塊還包含一個(gè)上級控制的接口板以及電流和電壓測量設(shè)備，只需建立一個(gè)電源連接和一個(gè)光纖連接，互相連接更為簡單。使用接觸插排實(shí)現(xiàn)載流連接。

　　由于結(jié)構(gòu)簡單，最終用戶能夠在數(shù)分鐘內(nèi)完成模塊的更換。

　　測試

　　ACS 2000采用 B2B配置進(jìn)行測試。安裝兩臺 ACS 2000傳動： DUT(被測設(shè)備)和負(fù)載變頻器。這兩臺傳動均由一個(gè)常見的三相電網(wǎng)連接供電，并與各自的電機(jī)相連(同軸)。這一互連的實(shí)際結(jié)果是電源僅需補(bǔ)償傳動系統(tǒng)中的損耗。由于兩臺傳動( DUT和負(fù)載變頻器)均為 ACS 2000，因此可同時(shí)使用驅(qū)動和再生模式。長期的 B2B測試還用于檢驗(yàn)傳動的可靠性。

　　輸入與輸出性能

　　整流器性能如→8所示。五電平逆變器可為電機(jī)提供九電平線電壓。典型電壓電流波形如→9所示。全新五電平逆變器的輸出非常接近正弦，無需降容即可滿足直接在線( DOL)連接的傳動電機(jī)要求。

　　2.ANPC-5L變流器原理(僅顯示一相)

　　

　　

　　

　　

　　

　　

　　失電跨越

　　ANPC-5L多電平技術(shù)與直接轉(zhuǎn)矩控制的動態(tài)性能相結(jié)合，即使在斷電持續(xù)數(shù)秒的情況下也能防止傳動跳閘。輔助電源故障持續(xù)一定時(shí)間時(shí)仍可保持運(yùn)行。斷電的最大持續(xù)時(shí)間取決于斷電前的負(fù)荷、電機(jī)以及工作點(diǎn)。

　　在進(jìn)行失電跨越操作時(shí)，直流母線的電壓保持在特定水平，目的是保持電機(jī)的勵磁。為此，通過逆變器回送電機(jī)和負(fù)載旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的能量補(bǔ)償損耗并維持直流母線電壓。失電跨越模式可持續(xù)到旋轉(zhuǎn)質(zhì)量生成的能量不能滿足所需為止。主電源電壓恢復(fù)時(shí)，設(shè)備將立即開始加速，恢復(fù)至所需速度。

　　實(shí)際客戶設(shè)備的現(xiàn)場測量參見→10。電網(wǎng)斷電一秒。如→10a顯示，電網(wǎng)中的電壓和輸入電流下降為零。在→10c中，斷電過程中重新產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)矩， 用于維持直流母線電壓→10b。電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，轉(zhuǎn)矩迅速恢復(fù)至電機(jī)傳動模式。

　　應(yīng)用與成就

　　ACS 2000 可用于通用傳動市場中各行各業(yè)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，如→11所示。

　　榮膺大獎

　　2010年，商業(yè)咨詢機(jī)構(gòu) Frost & Sullivan為 ACS 2000頒發(fā)了 2010年歐洲中壓傳動新產(chǎn)品創(chuàng)新獎。該機(jī)構(gòu)表示： “該產(chǎn)品擁有靈活的電源連接、低諧波、低能耗、安裝和調(diào)試簡單、性能可靠以及低成本等眾多優(yōu)勢。 ACS 2000是唯一采用無變壓器設(shè)計(jì)以及專利的 IGBT多電平控制的電壓源逆變器( VSI)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳動，是中壓( MV)傳動領(lǐng)域的一個(gè)里程碑 [...] 該產(chǎn)品帶有一系列增值功能，包括簡單安裝、調(diào)試和運(yùn)行。這些特性都是基于最終用戶的角度而設(shè)計(jì)。

　　9.測量所得的電壓波形

　　

　　

　　b 九電平波形(相到相)

　　全新五電平逆變器的輸出無需降容即可滿足直接在線( DOL)連接的傳動電機(jī)需求。

　　ANPC-5L多電平技術(shù)與直接轉(zhuǎn)矩控制的動態(tài)性能相結(jié)合， 即使在斷電持續(xù)數(shù)秒的情況下也能防止傳動跳閘。