高效电流源型逆变器调制技术分析

电压源型逆变器在负载上产生特定的三相PWM电压波形；而电流源型逆变器（Current Source Inverter，CSI）则产生特定的PWM电流波形。PWM电流源型逆变器具有拓扑结构简单、输出波形好、可靠的短路保护等优点。

大容量传动系统通常采用两种电流源型逆变器：PWM电流源型逆变器和负载换相逆变器（Load-Commutated Inverter，LCI）。PWM电流源型逆变器中采用的是具有自关断能力的功率开关器件。在20世纪90年代后期GCT出现之前，CSI传动系统中的功率器件基本都采用的是GTO。负载换相逆变器则采用晶闸管器件，其换流方式是借助于具有超前功率因数的负载来实现的。LCI的拓扑结构非常适合于高达100 MW的大型同步电机传动系统。

本节主要介绍PWM电流源型逆变器和负载换相逆变器。

4.6.1 PWM电流源型逆变器

理想化的PWM电流源型逆变器如图4-26所示，其中逆变器由六个GCT组成。在大容量传动系统中，这六个GCT还可以由两个或更多器件串联代替。在电流源型逆变器中，采用的GCT是具有反向阻断能力的对称型GCT，即SGCT。逆变器产生特定的PWM输出电流wi，直流侧则是一个理想电流源Id。在实际中，电流源Id可用电流源型整流器（Current Source Rectifier，CSR）实现。

图4-26 PWM GCT电流源型逆变器

电流源型逆变器通常需要在输出端引入三相电容Cf来帮助开关器件换流。例如，在S1关断瞬间，逆变器的PWM电流iw在很短时间内要减小到零，电容则为储存在A相负载电抗中的能量提供了电流通路。否则可能产生很高的电压尖峰，并导致功率开关器件的损坏。电容同时还起着滤波器的作用，以改善输出电压、电流的波形。对开关频率在200 Hz左右的大容量传动系统，这个电容的值在0.3和0.6 pu（标幺值）之间。电容的值可随着开关频率的增加而相应减小。

PWM电流源型逆变器具有下列特征：

● 拓扑结构简单。逆变器使用SGCT功率开关器件，无须反并联续流二极管。

● 输出波形好。电流源型逆变器产生三相PWM电流，而不是像VSI一样产生三相PWM电压。在逆变器输出端滤波电容的作用下，负载电流和电压波形都非常接近正弦波。电流源型逆变器中不存在dv/dt过高的问题。

● 可靠的短路保护。如果逆变器输出端发生短路，直流电流Id的上升将受到直流电抗的限制，从而为保护电路启动提供了充足的时间。

● 动态响应速度慢。由于直流电流值不能瞬时改变，降低了系统的动态性能。

梯形脉宽调制（TPWM）：

为CSI设计的脉冲调制模式通常应注意两个条件：（a）直流电流Id应保持连续；（b）逆变器PWM电流wi应该是确定的。这两个条件可以转化为脉宽调制的开关约束条件，即在任何时刻（除了换流期间）只有两个功率开关器件导通，一个在上半桥而另一个在下半桥。当只有一个开关导通，就失去了电流的连续性，直流电抗上会产生极高的电压从而造成开关器件的损坏。如果超过两个开关器件同时开通，PWM电流wi将不再符合开关方式所定义的波形。例如，当S1，S2和S3同时导通，虽然在开关器件S1和S3中，即逆变器A相和B相的PWM电流之和仍为Id，但这两个电流的大小分配则受到负载的影响，难以确定。

图4-27所示为梯形脉宽调制的原理，其中vm是梯形调制波，vcr是三角形载波。幅值调制比ma为

图4-27 梯形脉宽调制的原理

这里和分别是调制波和载波的峰值。和电压源型逆变器中基于载波的PWM调制方法类似，通过比较vm和vcr可以得到开关S1的门极驱动信号vg1。然而，梯形脉宽调制在逆变器输出基波的正半周或负半周中间π/3 段不产生门极驱动信号。这样的排列能够满足CSI的脉冲调制的约束条件。从门极信号可看出，任何时刻只有两个GCT导通，从而使得iw波形是确定的，其幅值大小由直流母线电流Id决定。(www.xing528.com)

功率器件的开关频率可以用下式计算：

其中，f1是基波频率，Np是iw每半周期中的脉冲数。

图4-28（a）所示为Np＝13和ma＝0.85时逆变器输出电流iw的频谱。其中，Iwn为iw中第n次谐波电流的有效值，Iw1,max是根据下式计算得到的基波电流有效值的最大值

PWM电流iw为半波对称，不包含偶次谐波。TPWM方法在 n= 3(Np- 1)±1和 n= 3(Np- 1)±5处分布着其产生的两对主要谐波，在此例中为31、35、37和41次谐波。

图4-28（b）所示为iw中的谐波成分。基波分量Iw1并不随着幅值调制比ma的变化而明显改变。当ma从零变化到最大值1.0时，Iw1从最小值0.89Iw1,max变到Iw1,max，只增加了11%。这是因为，在每半个周期的中间π/3段没有对iw进行调制。在实际中，对Iw1的调制是通过整流器改变直流电流的幅值而不是改变ma来实现的。

图4-28（c）给出了主要的低次谐波电流。在ma为0.85时，大部分谐波电流的幅值接近它们的最小值，从而使得谐波畸变比较小。这个现象在Np为其他值时也是成立的。因此，ma应该选择为0.85，此时iw的THD最小，Iw1接近Iw1,max。

图4-28 Np＝13时采用TPWM时iw的谐波含量

4.6.2 负载换向逆变器（LCI）

另一种大家所熟知的电流源型逆变器拓扑结构是负载换向逆变器。图4-29所示为典型LCI控制同步电机（SM）的传动系统结构。在逆变器直流侧，需要一个直流电抗Ld来提供平滑的直流电流Id。逆变器采用SCR晶闸管取代GCT。SCR没有自关断能力，但是，它们可以在超前功率因数下由负载电压自然换向。因此，LCI的理想负载是运行在超前功率因数下的同步电机，这可通过调节励磁电流If来实现。

图4-29 同步电机传动系统的负载换相逆变器

SCR的自然换流，本质上是通过运行在一定速度下的电机感应电动势（Electro Motive Force，EMF）完成的。当电机运行在较低转速下（通常低于10%的额度转速），因感应电动势太小以至于无法用于SCR的换相。在这种情况下，通常需要依靠前端SCR整流器来完成换相。

由于使用低成本的SCR器件且没有PWM运行，LCI电机传动系统具有制造成本低和效率高的特点，因此LCI被广泛应用于超大功率传动系统中。一个典型的例子是用于100 MW风洞同步电机驱动系统，这里功率变换器包括整流器和逆变器在内的效率可以达到99%。

LCI传动系统的主要缺点是其有限的动态性能。因而LCI主要用于风机、泵、压缩机及传送带等动态响应要求不高的场合。另外，由于定子电流中有大量谐波，也会导致电机功率损耗很高。

PWM电流源型逆变器具有拓扑结构简单、输出波形好及可靠的短路保护特点，是中压传动系统比较理想的一种拓扑结构。在GCT问世前，GTO在CSI传动系统中应用广泛。但这个技术从20世纪90年代后期开始，已经被用GCT器件的电流源型逆变器所取代。