五电平变流器
ANPC-5L技术与 ACS 2000传动
FREDERICK KIEFERNDORF, MICHAEL BASLER,LEONARDO SERPA, JAN-HENNING FABIAN, ANTONIOCOCCIA, GERALD SCHEUER –
现代电力电子技术已彻底改变了电力系统的传输与使用。在传动领域，任意选择、连续改变逆变器的输出电压频率和振幅等能力大幅增强了增效节能和可控制性这两方面的性能。逆变器通过使用半导体在不同直流电压等级之间进行高频切换来合成交流电压。由于采用脉宽调制开关模式，由此产生的波形与 “理想的 ”正弦波不同。这一差别足以使传动的使用符合高 “质量 ”交流电压的应用需要。提高直流电压电平数能够在更多应用中发挥传动的增效节能优势。 ABB的ACS 2000以创新的五电平技术取代了常用的三电平，通过巧妙的拓扑结构避免许多常见问题，从而降低五电平变流器的复杂性。
逆变器（将直流转换为交流的电路）基于不同直流电压电平之间的转换原理 ,输出高频矩形脉冲取代交流正弦波，目的在于尽量精确地再现正弦波→1c。以低分辨率的数码相片为例。照片由于像素数低，无法再现所有的细节，因此无法精确地再现拍摄对象。同样，使用矩形脉冲接近理想正弦波的能力也受到电压电平数的限制，与照片不同的是，这里的差异不仅仅是美学问题：非理想的正弦波形会导致谐波（高频电流和电压）产生，造成不良影响，例如电机绝缘装置和轴承应力和干扰其他设备等。谐波滤波器可通过吸收问题谐波调节输出，但涉及成本因素，并会导致额外损耗。为消除该类谐波的影响，或者电机必须能够处理附加应力（排除了很多标准样本电机的使用），或者该类变流器无法用于现有的应用，因此亟需一台新型变流器来实现更理想的正弦输出。
逆变器电压等级
两电平变流器是最简单的逆变器。之所以称之为两电平，是因为该变流器仅适用于两个电压等级：直流电源电压及其反向电压。中性点箝位型三电平（NPC）变流器是这一概念的延伸，还可使用中性点电压→1a并生成→1c中所示的开关模型类型。
最新的变流器比上述变流器更进一步，可输出五个电压等级，但该类电路往往极为复杂。例如，如果直流电源采用五个电压电平取代三个电压电平，则需要增加额外的箝位二极管和电容器以及相应的控制和充电电路。另一个替代方法是串联变流器。
这一方法需要造价较高的变压器对电源进行电流分离，因此也会增加直流电源电路的复杂性。这些解决方案适用于高功率水平，而低功率的中压传动系统需要更为简单的解决方案。
ABB已开始着手解决这些问题，并且找到了一个较为理想的解决方案，可在不增加直流电源复杂性的前提下输出五个功率等级。仅使用一个三电平直流电源无法提供五个电压等级，因此电路的每个输出项需要增加一个额外的电容器。 ABB创建的解决方案能够巧妙地为电容器充电，无需专用控制电路。
ANPC-5L
有源中性点箝位五电平（ ANPC-5L）变流器的基本原理参见→2a。相电容器 Cph保持相当于直流母线电容器一半的电压，即直流母线总电压的四分之一。该电路的整体原理为一个 NPC三电平变流器加一个额外的电容器。该相电容器与三电平变流器相串联，并提供两个额外的中间输出电平。
直流电源 NPC三电平变流器的电源相同。→2b中的单元 1与NPC三电平变压器在拓扑结构上明显相似→1b。与该电路类似，单元 1中IGBT（绝缘栅双极晶体管）开关装置的额定电压等于直流母线电压的一半。由于额外电容器的电压为直流母线电压的四分之一，单元2和单元 3中的IGBT也采用这一较低电压。使用额定值较低的装置可简化变流器结构。该变流器的设计十分简洁明快，与 NPC三电平变流器相比，每相仅需增加一个电容器，还能提供完整的四象限功能（电源可进行双向转换）。
ANPC-5L的工作
单元1中的开关装置（2b）为互补模式，S1和Snp2为同步操作（S4和Snp1与之相同）。单元 2中的开关装置与单元3中的工作为相反模式。每相的开关状态总数如→3所示。共有八种可用状态。该变流器只有五个输出电平，因此一部分状态为冗余。某些变流器状态永远不会用到，研究结果态为冗余。某些变流器状态永远不会用到，研究结果→3显示，三个冗余状态对中的两个，即 V1/V2和 V5/V6，可在相容器充电时达到相反的效果。→4对比 V5和 V6，结果显示了V6如何从直流母线电压中减去VDC/2，而V5则将其加至中性点电压。
1．NPC变流器基础原理（仅显示一相）
1a工作原理 1b电路 1c电压波形（样图）
与NPC三电平变流器相比， ANPC-5L每相仅需增加一个电容器。
最后通过相电容器的电流为反向电流。这一功能可用于维持相电容器的所需电压，无需更多充电电路。
ACS 2000
ACS 2000传动带有两个背靠背（ B2B）配置的五电平变流器。 ACS 2000的基本布局参见→5。
机械设计
ACS 2000无变压器传动→6旨在通过模块化结构实现正常运行时间最大化。
ACS 2000 无变压器传动旨在通过模块化结构实现正常运行时间最大化
部件设计能实现预期寿命，简单的前端进入适用于所有关键部件。抽屉式相模块设计可在发生故障时进行快速安全的更换。
相模块是模块概念中的一个关键组成部分→7。该模块由变流器相桥臂的主要部件组成（如→2b所示），包括功率半导体、门极单元及相电容器。此外，该模块还包含一个上级控制的接口板以及电流和电压测量设备，只需建立一个电源连接和一个光纤连接，互相连接更为简单。使用接触插排实现载流连接。
由于结构简单，最终用户能够在数分钟内完成模块的更换。
测试
ACS 2000采用 B2B配置进行测试。安装两台 ACS 2000传动： DUT（被测设备）和负载变频器。这两台传动均由一个常见的三相电网连接供电，并与各自的电机相连（同轴）。这一互连的实际结果是电源仅需补偿传动系统中的损耗。由于两台传动（ DUT和负载变频器）均为 ACS 2000，因此可同时使用驱动和再生模式。长期的 B2B测试还用于检验传动的可靠性。
输入与输出性能
整流器性能如→8所示。五电平逆变器可为电机提供九电平线电压。典型电压电流波形如→9所示。全新五电平逆变器的输出非常接近正弦，无需降容即可满足直接在线（ DOL）连接的传动电机要求。
2．ANPC-5L变流器原理（仅显示一相）
2a工作原理，电容器Cph持续保持直流母线电容器一半的电压 2b电路
3.ANPC-5L变流器的相态
4.产生相同输出电压的两条不同电流通路
4a来自→3的开关状态V6 4b来自→3的开关状态V5
Cph中的反向电流可保持该电容器的电荷
5.ACS 2000传动的基本配置
6. 800KW 6KV无变压器ACS 2000传动 7. ACS 2000相模块
8. 传动输入的电压和电流指示单位功率因数运行
失电跨越
ANPC-5L多电平技术与直接转矩控制的动态性能相结合，即使在断电持续数秒的情况下也能防止传动跳闸。辅助电源故障持续一定时间时仍可保持运行。断电的最大持续时间取决于断电前的负荷、电机以及工作点。
在进行失电跨越操作时，直流母线的电压保持在特定水平，目的是保持电机的励磁。为此，通过逆变器回送电机和负载旋转产生的能量补偿损耗并维持直流母线电压。失电跨越模式可持续到旋转质量生成的能量不能满足所需为止。主电源电压恢复时，设备将立即开始加速，恢复至所需速度。
实际客户设备的现场测量参见→10。电网断电一秒。如→10a显示，电网中的电压和输入电流下降为零。在→10c中，断电过程中重新产生电机转矩，用于维持直流母线电压→10b。电网电压恢复后，转矩迅速恢复至电机传动模式。
应用与成就
ACS 2000 可用于通用传动市场中各行各业不同的应用领域，如→11所示。
荣膺大奖
2010年，商业咨询机构 Frost & Sullivan为 ACS 2000颁发了 2010年欧洲中压传动新产品创新奖。该机构表示： “该产品拥有灵活的电源连接、低谐波、低能耗、安装和调试简单、性能可靠以及低成本等众多优势。 ACS 2000是唯一采用无变压器设计以及专利的 IGBT多电平控制的电压源逆变器（ VSI）拓扑结构的传动，是中压（ MV）传动领域的一个里程碑 [...] 该产品带有一系列增值功能，包括简单安装、调试和运行。这些特性都是基于最终用户的角度而设计。
9.测量所得的电压波形
9a无电平波形（相到中性点）
9
b 九电平波形（相到相）
全新五电平逆变器的输出无需降容即可满足直接在线（ DOL）连接的传动电机需求。
ANPC-5L多电平技术与直接转矩控制的动态性能相结合，即使在断电持续数秒的情况下也能防止传动跳闸。
10.短暂断电研究：失电跨越模式测量
10a电源 10b直流母线电压
10c输出性能
11.ACS 2000的目标行业与应用
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