ANPC-5L技術與 ACS 2000傳動

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

　　現代電力電子技術已徹底改變了電力系統的傳輸與使用。在傳動領域，任意選擇、連續改變逆變器的輸出電壓頻率和振幅等能力大幅增強了增效節能和可控制性這兩方面的性能。逆變器通過使用半導體在不同直流電壓等級之間進行高頻切換來合成交流電壓。由于采用脈寬調制開關模式，由此產生的波形與 “理想的 ”正弦波不同。這一差別足以使傳動的使用符合高 “質量 ”交流電壓的應用需要。提高直流電壓電平數能夠在更多應用中發揮傳動的增效節能優勢。 ABB的ACS 2000以創新的五電平技術取代了常用的三電平，通過巧妙的拓撲結構避免許多常見問題，從而降低五電平變流器的復雜性。

　　逆變器(將直流轉換為交流的電路)基于不同直流電壓電平之間的轉換原理 ,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正弦波→1c。以低分辨率的數碼相片為例。照片由于像素數低，無法再現所有的細節，因此無法精確地再現拍攝對象。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的限制，與照片不同的是，這里的差異不僅僅是美學問題：非理想的正弦波形會導致諧波(高頻電流和電壓)產生，造成不良影響，例如電機絕緣裝置和軸承應力和干擾其他設備等。諧波濾波器可通過吸收問題諧波調節輸出，但涉及成本因素，并會導致額外損耗。為消除該類諧波的影響，或者電機必須能夠處理附加應力(排除了很多標準樣本電機的使用)，或者該類變流器無法用于現有的應用，因此亟需一臺新型變流器來實現更理想的正弦輸出。

　　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，是因為該變流器僅適用于兩個電壓等級：直流電源電壓及其反向電壓。中性點箝位型三電平(NPC)變流器是這一概念的延伸，還可使用中性點電壓→1a并生成→1c中所示的開關模型類型。

　　最新的變流器比上述變流器更進一步，可輸出五個電壓等級，但該類電路往往極為復雜。例如，如果直流電源采用五個電壓電平取代三個電壓電平，則需要增加額外的箝位二極管和電容器以及相應的控制和充電電路。另一個替代方法是串聯變流器。

　　這一方法需要造價較高的變壓器對電源進行電流分離，因此也會增加直流電源電路的復雜性。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，并且找到了一個較為理想的解決方案，可在不增加直流電源復雜性的前提下輸出五個功率等級。僅使用一個三電平直流電源無法提供五個電壓等級，因此電路的每個輸出項需要增加一個額外的電容器。 ABB創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 NPC三電平變流器加一個額外的電容器。該相電容器與三電平變流器相串聯，并提供兩個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。→2b中的單元 1與NPC三電平變壓器在拓撲結構上明顯相似→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構。該變流器的設計十分簡潔明快，與 NPC三電平變流器相比，每相僅需增加一個電容器，還能提供完整的四象限功能(電源可進行雙向轉換)。

　　ANPC-5L的工作

　　單元1中的開關裝置(2b)為互補模式，S1和Snp2為同步操作(S4和Snp1與之相同)。單元 2中的開關裝置與單元3中的工作為相反模式。每相的開關狀態總數如→3所示。共有八種可用狀態。該變流器只有五個輸出電平，因此一部分狀態為冗余。某些變流器狀態永遠不會用到，研究結果態為冗余。某些變流器狀態永遠不會用到，研究結果→3顯示，三個冗余狀態對中的兩個，即 V1/V2和 V5/V6，可在相容器充電時達到相反的效果。→4對比 V5和 V6，結果顯示了V6如何從直流母線電壓中減去VDC/2，而V5則將其加至中性點電壓。

　　1.NPC變流器基礎原理(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傳動帶有兩個背靠背( B2B)配置的五電平變流器。 ACS 2000的基本布局參見→5。

　　機械設計

　　ACS 2000無變壓器傳動→6旨在通過模塊化結構實現正常運行時間最大化。

　　ACS 2000 無變壓器傳動旨在通過模塊化結構實現正常運行時間最大化

　　部件設計能實現預期壽命，簡單的前端進入適用于所有關鍵部件。抽屜式相模塊設計可在發生故障時進行快速安全的更換。

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

　　由于結構簡單，最終用戶能夠在數分鐘內完成模塊的更換。

　　測試

　　ACS 2000采用 B2B配置進行測試。安裝兩臺 ACS 2000傳動： DUT(被測設備)和負載變頻器。這兩臺傳動均由一個常見的三相電網連接供電，并與各自的電機相連(同軸)。這一互連的實際結果是電源僅需補償傳動系統中的損耗。由于兩臺傳動( DUT和負載變頻器)均為 ACS 2000，因此可同時使用驅動和再生模式。長期的 B2B測試還用于檢驗傳動的可靠性。

　　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多電平技術與直接轉矩控制的動態性能相結合，即使在斷電持續數秒的情況下也能防止傳動跳閘。輔助電源故障持續一定時間時仍可保持運行。斷電的最大持續時間取決于斷電前的負荷、電機以及工作點。

　　在進行失電跨越操作時，直流母線的電壓保持在特定水平，目的是保持電機的勵磁。為此，通過逆變器回送電機和負載旋轉產生的能量補償損耗并維持直流母線電壓。失電跨越模式可持續到旋轉質量生成的能量不能滿足所需為止。主電源電壓恢復時，設備將立即開始加速，恢復至所需速度。

　　實際客戶設備的現場測量參見→10。電網斷電一秒。如→10a顯示，電網中的電壓和輸入電流下降為零。在→10c中，斷電過程中重新產生電機轉矩， 用于維持直流母線電壓→10b。電網電壓恢復后，轉矩迅速恢復至電機傳動模式。

　　應用與成就

　　ACS 2000 可用于通用傳動市場中各行各業不同的應用領域，如→11所示。

　　榮膺大獎

　　2010年，商業咨詢機構 Frost & Sullivan為 ACS 2000頒發了 2010年歐洲中壓傳動新產品創新獎。該機構表示： “該產品擁有靈活的電源連接、低諧波、低能耗、安裝和調試簡單、性能可靠以及低成本等眾多優勢。 ACS 2000是唯一采用無變壓器設計以及專利的 IGBT多電平控制的電壓源逆變器( VSI)拓撲結構的傳動，是中壓( MV)傳動領域的一個里程碑 [...] 該產品帶有一系列增值功能，包括簡單安裝、調試和運行。這些特性都是基于最終用戶的角度而設計。

　　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)連接的傳動電機需求。

　　ANPC-5L多電平技術與直接轉矩控制的動態性能相結合， 即使在斷電持續數秒的情況下也能防止傳動跳閘。