基于全息等效双模调制的大功率三电平防爆逆变器功率器件热容错控制

摘要

有必要三级防爆逆变器有较高的热稳定性和良好的输出特性避免问题造成的电力设备,如IGBT,所以它就会成为一个研究热点难点点只使用一个控制算法来保证输出特性和高的热稳定性。首先，提出了基于中点箝位三电平逆变器的简化SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation)算法，然后引入准方波控制与简化SVPWM一起构成了一种新的全息等效双模调制算法。建立了全息等效模型，分析了与两种单算法相比的相对优势。最后对动态输出功率和稳态功率器件损耗进行了分析，并在此基础上进行了功率损耗计算和系统仿真。实验证明该大功率三电平防爆逆变器具有良好的输出特性和热稳定性。

1.介绍

大功率三电平逆变器在矿井提升机领域得到了广泛的应用，在实际应用中表现出了良好的性能。然而，随着应用的多样化和复杂性，防爆环境中使用的逆变器对系统稳定性的要求越来越高。影响系统稳定性的因素有很多，如内部故障、过载、暂态等。而对于防爆型逆变器，从该阶段的应用反馈来看，影响系统稳定性的主要因素是热故障;即动力装置的功率损耗过大，具有一定散热能力的冷却系统无法满足制冷需求，导致动力装置因积热而损坏。逆变器热故障容错控制已受到国内外学者的关注，并取得了一定的进展。

逆变器内部功率器件在运行过程中的功率损耗是逆变器的主要热源。因此功率器件的建模分析是热分析的主要研究方向，其拓扑结构如图所示1．

与传统的两级拓扑结构相比，三级逆变器实现了更高的能量传递密度和更低的电压和电流谐波含量。在高压功率逆变器领域得到了广泛的应用，目前是现阶段许多世界知名电器制造商的主流产品中功率电路的主要拓扑，因此，基于大功率防爆NPC三电平逆变器的热容错控制是本文的主要内容。多位专家学者对此进行了研究，取得了一些实际成果。功率器件的功率损耗、热模型和寿命预测在[1]，但文中提到的热模型来自数据表，并据此建立RC等效电路，造成较大的计算误差。功率损耗和热模型建立于[2[同时，基于ANPC转换器的平台和IGBT-二极管封装模块的研究，在空气冷却条件下分析稳态热模型。在 [3.[作者，作者分析了基于传统的PSCAD / ETMDC内部模型的IGBT模块的热应力，并通过电模拟模式实现了热模型，但该方法建立的模式具有大的计算误差。作为热源，功率器件的功率损耗对逆变器的热场有影响，这引起了专家和学者的许多关注。基于IGCT的NPC三级逆变器的热管理方法已经提出[4]，考虑保护策略失效的可能性，采用合适的功率半导体器件热管理方法实现故障转移设计。针对功率器件的损耗分布和结温，分析了多组MW风力变流器在不同风速尺度和参数下的损耗分布[5，认为DFIG的机侧逆变器功率器件的热应力大于网侧(PMSM)变换器的热应力。然而，对象是两级转换器。针对低电压穿越(LVRT)工况，提出了一种基于NPC风力变流器的空间矢量调制方法来重新分配故障时的损耗。6[这是重新定向功率器件的热负荷，并且同样分裂在故障过程中产生的热量，以减少功率器件的结温。在 [7]，开发了基于双模控制的h桥逆变器温度管理，采用准方波调制与PWM调制相结合的策略，功率损耗可降低20% ~ 50%。热分析已经在各种拓扑和应用中进行，而温度管理在工程应用中尤其虚拟。大功率三级防爆逆变器在恶劣的煤矿井下工作时，对温度较为敏感，因此，亟需一种兼顾逆变器运行时电能质量和热稳定性的有效控制方法。大功率防爆逆变器的热管散热和水冷散热方式在现阶段得到了广泛的应用。为了满足热容的要求，需要散热器的容错能力。但在防爆条件下，由于空间有限，难以增加冷却系统的冗余度。

因此，考虑调制策略，本文提出了一种基于全息等效双模式的新调制算法。该计算不仅可以根据输出属性调整动态功率器件损耗，还可以在升降的不同速度区域中实现功率器件的最佳热管理。因此，可以实现高功率三层防爆逆变器的热容耐热控制。

2.全息等效双模的调制原理

首先，基于如图所示的逆变器拓扑，简单介绍了SVPWM的原理1．如图所示1每个桥臂由四个反并联二极管组成 ， ， ； )和两个箝位二极管（ ， ， ； ),分别。作为箝位二极管，每个相位输出P、O和N三个电平，其电压为 ，0和 ，分别。通过组合三相输出电压和27种空间电压矢量，如图所示2［8］．空间电压矢量的一般方程如下: 在哪里 ， ，和分别表示A、B和C相的状态。

空间电压矢量如图所示2可分为四种类型：零向量 ，小的向量- - - - - - ，媒介载体- - - - - - ，和长向量- - - - - - ．表格1列出与输出电压状态相对应的空间电压向量。

三电平电压空间矢量图如图所示2分解为堆叠6个两层空间矢量图，如图3.，它们被标记为 ．

由于六个小六边形的对称性，通过标记的小六边形，分析了基于参考电压矢量的SVPWM算法 ．如图所示4，将两级空间矢量分为六个三角形扇区，作为参考电压矢量位于第一个三角形扇区，根据矢量结式规则，得到基本矢量 ， ，和造成 ．不同条件下参考电压的矢量平移值如表所示2．

根据伏秒平衡原理，其关系可表示为: 在哪里为参考电压矢量，是载体周期，和 ， ，和分别影响时间。

引入翻译向量 ，所以

以Figure为基础4，可以表示为: 在哪里 ， ， ，和是否移动电压空间矢量。

如图所示4，电压移位后，电压矢量成为两层空间矢量图的原点，称为零矢量。和是基本向量。

通过以上分析可以发现，第一步是判断参考电压矢量，位于两层空间矢量标号 ，数据显示2和3.；然后根据表2，取决于不同的价值 ，相应地移动参考电压矢量。最后，可以计算基本矢量的实现时间，并且可以确定电力设备的切换序列[9- - - - - -13］．

在表2， ， 是空间矢量的参考电压，是坐标的两个基本分量。 ， 是它们对应的平移电压。

基于全息等效双模式的热稳定性容错控制是一种通过切换两种全息等效模式来调节功率器件损耗的方法。第一种是在传统PWM调制的基础上进行改进，是一种基于三电平参考电压矢量变换的简化SVPWM算法。该算法简化了三电平功率器件的控制，减少了计算时间，提高了输出功率质量。但这种调制下的功率损耗太大，无法保持连续工作的热稳定性。第二种是准方波调制算法，它需要每个周期的准方波电压来开关电源器件两次。如图所示5，与简化的SVPWM相比，该算法大大降低了功率器件的功率损耗，在运行过程中产生的热量也大大减少。但输出电能质量较差，不适合某些要求高性能控制效果的工况。这两种调制方式相当于两种全息等效模式。在提升机的不同阶段，根据控制电机的性能要求和功率器件温度控制的不同，在两种模式之间进行调制切换，在输出高质量功率之间保持平衡，保证提升机良好的提升性能。降低功率器件的功率损耗。在调制切换的基础上，实现了冷却系统暂态故障时的热稳定容错控制。双模调制的工作时间和温度-频率区域分布如图所示6．

全息等效模式的两种调制机制如下:

（简化的SVPWM基于三电平参考电压的矢量平移:在简化的SVPWM模式下，输入电压指令与PWM占空比的直接关系为

（)准方波调制:准方波调制模式下，开关角与正交分量和直接分量的关系为:

基准有效功率/扭矩和无功功率由值决定和 ．两者与参考电压分量的关系如下:

3.仿真和实验

实验平台如图所示7，包括电机部分和逆变器部分[14- - - - - -17］．

绕组异步电机参数及逆变主电路元件参数如表所示3.和4,分别。

井深348米。同时，一个循环的升力条件如图所示8．

同一桥梁电力损耗的仿真分析1及其在NPC三级防爆逆变器中的反并联二极管，基于两种全息等效模式，可以按照[14- - - - - -17］．仿真结果如图所示9．

通过分析图中的仿真结果可以看出9(一个)- - - - - -9（d）能量损失如图1所示，基于简化的SVPWM模式，其反并联二极管远大于准方波调制下的二极管。在图中9（e），计算出功率器件在双模调制下的功率损耗曲线。更重要的是,0在图9（e）为准方波调制与简化SVPWM之间的开关点，在启动阶段首先使用准方波调制，以减少过载期间高压大电流引起的超温功率损耗。将功率损耗值放入图中9为大功率防爆逆变器模式作为热源，热模拟如图所示8．

通过图中的热分析10基于两种全息等效模式可以发现，在逆变器系统中，采用准方波调制模式的散热片和衬底温升比采用简化的SVPWM模式平均高出15℃左右。

三电平防爆逆变器在正常情况下一个周期内的电气性能如图所示11，其中模式切换点为时间0.从图中可以看出11与简化的SVPWM相比，逆变器在准方波调制期间没有非常好的输出特性，因为扭矩电流具有更高的谐波含量，并将脉冲振动带入电机中。如图所示12简化SVPWM的谐波特性略好于双模调制的谐波特性。但它们都有一个可接受的谐波性能，在这个高功率的应用中，它们几乎是相同的。根据实验结果对同一IGBT的功耗分析、热分析和温升进行了比较1及其反并联二极管如图所示13，可以看出简化SVPWM模式的功率损耗和温升要比准方波调制模式的功率损耗和温升大约9℃。基于全息等效双模式的热稳定性容错控制是根据被控电机的性能和热状态的需要，在提升机各运行周期的不同阶段利用这一特性进行控制的。在一开始,电机过载和逆变器有一个更大更大的输出电流,也就是开始阶段要求给定的模式quasi-square-wave调制模式,有效地降低电力设备的功率损耗,保持起重机运行的稳定性。在恒速阶段，转速越高，对电机振动要求越小，运行稳定性要求越高，这时调制转换为简化的SVPWM，可以保证高质量的电机和逆变器输出和良好运行的特点也保证电力设备的功率损耗仍可控下逆变器冷却系统在恒速期实现功率器件热整个逆变器的容错控制系统。

4.结论

基于大功率三级防爆逆变器输出特性和热稳定性的特殊要求，在本文中，我们提出了一种基于简化的SVPWM和准方波调制的全息等效双模控制算法和在此基础上计算三级防爆逆变器中功率器件的功率损耗，并建立热模拟动力装置和冷却系统的热模拟。通过实验分析验证了全息等效双模控制对系统输出特性和热稳定性的有效性，因此该模式在实现功率器件热容错控制和提高高功率爆炸的热稳定性方面起着重要作用证明逆变器。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

感谢河南师范大学博士科研启动基金资助项目(批准号:20091010923)。5101239170001.

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