二极管箝位式多电平逆变器
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多电平逆变器主要有三种拓扑结构:二极管箝位型、飞跨电容型和级联型。
二极管箝位型电路需要保证直流侧电容均压,控制困难,实际应用中还是三电平电路为主,一般不超过五电平。
飞跨电容型,亦称电容箝位型,同样存在电容电压平衡控制及冗余开关状态优化的问题,实际应用较少。
级联型多电平逆变器,又称链式逆变器,以普通的单相全桥(H桥)逆变器为基本单元,将若干个功率单元直接串联,串联数越多,输出电平数也越多。
它的优点是不存在电容平衡问题,电路可靠性提高,易于模块化,适合7电平、9电平及以上的多电平应用,是目前应用最广的多电平电路。
缺点是需要多路独立的直流电源且不易实现四象限运行。
多电平逆变器的PWM控制策略可分为:在上述的多电平逆变器的PWM控制法中,空间电压矢量控制法适用于三-五电平的逆变器,五电平以上的多电平逆变器空间电压矢量数目较多,控制算法复杂,不适合用该方法。
对于五电平以上的多电平逆变器,适合采用载波调制PWM控制法。
载波层叠PWM控制法和开关频率优化PWM控制法,既可用于二极管箝位型和飞跨电容型逆变器,也可以应用于具有独立直流电源的级联型逆变器。
载波移相PWM 控制法和开关频率优化PWM控制法,则适合于级联型多电平逆变器。
开关频率优化PWM控制法由于正弦调制波中加入了三次谐波,因而只适用于三相多电平逆变器。
对于三相具有独立直流电源的级联型多电平逆变器,载波移相和开关频率优化结合的PWM控制法,可提高等效开关频率,控制效果更好。
多电平三相逆变器中,空间矢量密集,可供选择的矢量模大小种类很多,电压合成更加接近正弦波,所以多电平的空间电压矢量法控制进度高,输出电压的谐波含量小。
但在电平数在5电平以上的多电平逆变器中,此时空间电压矢量法控制算法非常复杂。
PWM.型多电平逆变器一、NPC)2优点:1)可根据不同的需要选择不同的功率器件,提高功率器件的利用率;)3电平数越大,输出电压的谐波含量就越少,输出电压波形与正弦波就越接近;可直接实现大功率和高电压,功率变换装置的成本降低。
多电平逆变器技术介绍摘要本文首先介绍了多电平逆变器的发展历史,然后根据单电源供电和多电源供电的不同分别阐述了中点钳位型、电容钳位型和级联H桥型等几种多电平逆变器拓扑和工作原理。
关键词多电平;逆变器;钳位;级联H桥德国的学者Holtz于1977年提出了一种三电平逆变器,他在两电平半桥式逆变器电路的基础上,加人了开关管辅助钳位电路,得到了三电平电压输出。
但这种三电平逆变器由于采用的是开关管辅助钳位结构形式,故只能得到三电平输出,即使增多开关管也不能得到多电平输出,所以只能算是一种多电平逆变器的雏形,还算不上是真正的多电平逆变器。
1980年,日本长冈科技大学的南波江章(A. Kira Nabae)等人对其进行了改进与发展,在IEEE工业应用(IAS)年会上提出了二极管钳位式三电平逆变器主电路的结构。
这才开始进入到多电平逆变器的研发新阶段。
由于电力系统的发展、高压大功率交流电动机变频调速的发展和环保节能的需要,又促使高电压大功率多电平逆变器的研究进入到一个新高潮。
随着Akira Nabae二极管钳位式三电平逆变器的出现,1983年,P. M. Bhagwat等人将三电平扩展到五电平、七电平和多电平二极管钳位式逆变器。
1999年,Xiaoming Yuan提出了二极管自钳位多电平逆变器。
1992年,法国学者T. A. Meynard和H. Foch,提出了飞跨电容钳位式多电平逆变器。
2000年由Fang Z.Peng在综合了多种钳位式多电平逆变器(如二极管钳位式、飞跨电容钳位式以及二极管与飞跨电容混合钳位式多电平逆变器)的特点以后,在2000年的IEEE 工业应用(IAS)年会上,提出了一种通用式的多电平逆变器的主电路结构。
这种电路结构可以不需要借助于附加电路来抑制直流侧电容的电压偏移问题,并从理论上实现了一个真正的有实际应用价值的多电平逆变器的主电路结构。
此电路结构是以飞跨电容钳位的半桥式结构为基本单元组成的电容电压自平衡式通用钳位多电平逆变器。
二极管钳位型三电平逆变器共模电压抑制吴可丽;夏长亮;张云;谷鑫【摘要】二极管钳位型(NPC)三电平逆变器是一种应用广泛的多电平逆变器结构.中点电位不平衡是NPC三电平逆变器固有的缺点.传统虚拟空间矢量调制(NTV2)能在输出电压全范围内控制中点电位平衡,但其产生的共模电压较大.针对上述缺点,提出了一种新型NTV2方法,选用产生共模电压较小的基本电压矢量合成新的虚拟小矢量和虚拟中矢量.同时,提出相占空比法,降低了新型NTV2方法的开关频率,使其开关频率固定.仿真和实验结果验证了新型NTV2方法能够有效地抑制共模电压,且在输出电压全范围内控制中点电位平衡.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2015(030)024【总页数】9页(P110-117,170)【关键词】三电平逆变器;共模电压;中点电位平衡;虚拟空间矢量;相占空比法【作者】吴可丽;夏长亮;张云;谷鑫【作者单位】天津大学电气与自动化工程学院天津 300072;天津大学电气与自动化工程学院天津 300072;天津大学电气与自动化工程学院天津 300072;天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室天津 300387【正文语种】中文【中图分类】TM464在大功率应用场合中,多电平变换器由于其开关器件承受的电压低、输出电压谐波含量小和开关频率低等优点,得到了越来越广泛的应用[1]。
其中二极管钳位型(Neutral Point Clamped,NPC)三电平逆变器是应用最广泛的一种多电平结构,它只需要一个独立的直流电压源,对硬件的要求较低[2,3]。
中点电位不平衡是NPC三电平逆变器的主要缺点,目前控制中点电位平衡的方法总体上分硬件方法和调制方法。
硬件方法需要增加硬件设备,使系统体积增大、成本增加[4,5]。
而调制方法不会增加硬件设备和控制系统,是一种较好的选择[6-8]。
虚拟空间矢量(Nearest Three Virtual Vectors,NTV2)调制方法利用基本电压矢量合成新的虚拟空间矢量,每个虚拟空间矢量满足产生的平均中点电流为零的条件,能够在全范围内控制中点电位平衡。
收稿日期:2002-10-14作者简介:吴志红(1961-),男,浙江宁波人,教授,工学博士.E mail:zhihong.w u@二极管钳位式多电平逆变器的拓扑结构分析吴志红1,陶生桂2,崔俊国2,毛明平2(1.同济大学中德学院,上海 200092; 2.同济大学沪西校区铁道与城市轨道交通研究院,上海 200331)摘要:为了解决低压(中压)主开关器件在高压应用情况下的矛盾,国外有许多学者提出了多电平逆变技术,并在铁路牵引系统中有初步应用.在分析三电平和五电平逆变器基础上,对多电平逆变器的拓扑结构进行归纳分析,总结出多电平逆变器的通用结构,并对多电平逆变器进行了电压空间矢量分析.关键词:多电平逆变器;电压空间矢量;钳位中图分类号:T M 464 文献标识码:A 文章编号:0253-374X(2003)10-1217-06Analysis on Topology Structure of Diode clam pingMulti level InverterW U Zhi hong 1,TA O Sheng gui 2,C UI J un guo 2,MA O M ing p ing 2(1.Sino German College for Post graduates,T ongji U niversity,Sh anghai 200092,China;2.Research Institute of Railw ay and Urban Mas s Tran sit,Tongji University West Campu s,Sh anghai 200331,China)Abstract :M any authors abroad proposed multi level inverter technology applied in the system of railw ay trac tion,to solve the difficulty in low voltage (medium voltage)m ain sw itch device applied to high voltage.The article analyzes the topology structure of multi level inverter and summaries the universal structure of multi level inverter,on the basis of analyzing three level and five level inverters.At the same time,the article ana lyzes and studies multi level inverters based on voltage space vector.Key words :m ulti level inverter;voltage space vector;clamping为了节约能源,提高生产效率,降低生产成本,采用高压大功率变频器成为人们的首选.但仍有一定技术上的困难阻碍变频调速技术在高压大容量场合中的应用,主要因素有: 逆变器主管耐压值不够高,与电力系统中高压范围不能直接匹配; 高电压电力电子器件的开关损耗较大,影响到逆变器的工作效率;!开关(脉冲)频率不能太高,逆变器输出波形的谐波含量较大,对有些负载装置要求高供电质量时还需要额外增加滤波器等.随着电力电子技术的发展,尤其是变频调速技术的发展,高压大功率调速技术逐步在各行业得到了一定的应用.在国内外铁路电牵引方面,网压多采用25kV AC 和15kV AC 供电方式,对于中间直流回路电压大于4kV DC 的牵引系统,需采用高压逆变技术.对于具有高速开关特性的开关功率器件,是不允许直接串联的.否则由于器件开关特性的分散性,中间回路的高电压直接加在晚开通的器件上,使晚开通开关功率器件可能承受高压而被击穿,进而导致整个桥臂上开关功率器件损坏.这种情况下采用开关功率器件直接串联将带来麻烦的开关功率器件的静态和动态的均压问题.大容量开关器件的发展也会随其物理性质而逐渐达到极限,而且容量越大,器件成本越高,实用性、可靠性就会大大降低.目前高压变频器的电路拓扑结构种类较多,相应的开关功率器件容量也越来越大.其主要有3种基本的拓扑结构: H 桥级连式(多重化); 电容钳位式;!二极管钳位式.这些直接高压变频器拓扑结构因输出电压第31卷第10期2003年10月同 济 大 学 学 报JOURNAL OF T ONGJI UN IVERSIT Y Vol.31No.10 Oct.2003比通用二电平变频器输出电平数多,而被称为多电平变频器.所谓多电平逆变技术,就是指逆变器输出相对于中间直流回路中点有多个电平.当电平数为3时,称为三电平逆变器,并可依此类推.下面就以三电平、五电平逆变器为例对二极管钳位式拓扑结构进行分析,以得到通用的二极管钳位式多电平逆变器拓扑结构.1 三电平逆变器[1]三电平逆变器是多电平逆变器中最简单又最有实用意义的一种电路.它属于电压型逆变器.所谓三电平是指逆变器交流侧每相输出电压相对于直流侧电压有3种取值的可能,即正端电压、负端电压和中点零电位.图1 三电平逆变器一相电路的原理图Fig.1 Principle of one arm circuit of 3 level inverter三电平逆变器主电路拓扑图最早是由德国学者提出的,它的结构如图1a 所示.这种拓扑结构仅仅是为了改善电压质量,降低电压谐波分量,在二点式的基础上在中间直流回路增加了一个零电平(由反并联的2个开关器件引出,并把零电平引入到逆变回路).后来经过日本学者的发展,用功率二极管代替主开关管,并利用中间的主开关器件把功率二极管引出的零电平加到输出端上,从而利用功率二极管的钳位达到输出电位相对于中间直流回路有3个值的目的.其结构如图1b所示.图中,三电平逆变器每一相主开关管数与续流二极管数都为4,钳位二极管数为2,电容数为2,平均每个主管承受正向电压为E d /2.比较图1a 和图1b 可知,图1b 采用的钳位二极管不但能达到引出中点电位的目的,而且使主管的耐压值降低为中间直流回路电压的一半,从而使这种拓扑结构在高压应用场合成为可能,同时也可以解决功率开关器件耐压值低与直流回路电压高之间的矛盾;并且用功率二极管代替开关器件可以降低逆变器的生产成本.图1b 所示的结构图成为三电平逆变器主电路中目前较为流行的拓扑结构.由于这种拓扑结构采用的是功率二极管钳位得到的中点电平,因此有人又称这种结构为中点钳位式结构(或二极管钳位式结构).将三电平逆变器拓扑结构引入到多电平逆变器中去,从而可得到实用的多电平逆变器结构图(即二极管钳位式逆变器拓扑结构).在第3节中将以五电平逆变器为例,讨论多电平逆变器的通用型拓扑结构.由电压空间矢量的定义,逆变器输出电压空间矢量为V r =(2/3)(V A + V B + 2V C ).式中: =e j2 /3,为矢量旋转因子;V A ,V B ,V C 为逆变器输出相电压.图2 三电平与二电平逆变器电压空间矢量图Fig.2 Spa ce volta ge vector representa tion of 3 level and 2 lev el inv erters 在电容分压均匀的前提下,把三电平逆变器输出电压代入电压矢量定义式,可得到其矢量图,如图2a 所示.通过计算分析可知道,三电平逆变器电压矢量图中最长的矢量幅值为(2/3)E d ,其他矢量幅值依次为:(1/3)E d ,(1/3)E d ,0,共有4种矢量幅值.三电平逆变器共有33=27种电压空间矢量,其中独立的电压矢量为1+1∀6+2∀6=19个,依次连接相邻的2个电压空间矢量,并定义以原点(零矢量)为中心的最外边的六边形为第1个六边形,依次向内的六边形为第2个、第3个(第3个六边形可看成缩至为零的虚六边形,即零矢量),则三电平逆变器电压空间矢量图共含有3个六边形.第1个六边形的边上中点与顶点处是独立的电压矢量,第2个六边形顶点处重复矢量数为2,第3个虚六边形原点重复矢量数为3.把矢量幅值与之对应起来,可以很清楚地看出三电平电压矢量分布规律.对矢量图分析一般按照对称原则,只分析其中60#区域.对于三电平逆变器矢量图,60#区域小三角形个数为:1+3=4.三电平逆变器输出相电压从波谷到波峰之间的电压等级数为:4∀2+1=9,输出线电压从波谷到波峰之间的电压等级数为:2∀2+1=5.而二电平逆变器对应的输出相电压的电压等级1218 同 济 大 学 学 报第31卷数为:4∀1+1=5;输出线电压的电压等级数为:2∀1+1=3.上述的分析方法可以应用到多电平和二电平逆变器中.以二电平逆变器电压矢量图为例,其矢量图如图2b 所示.该矢量图中共含有2个六边形,第1个六边形顶点处是独立的电压矢量,第2个虚六边形(原点)重复矢量数为2;60#区域小三角形个数为1;含有23=8种电压空间矢量,其中独立的电压矢量为7个。
多电平逆变器拓扑结构及其控制策略的比较多电平逆变器主要有三种拓扑结构:二极管箝位型、飞跨电容型和级联型。
二极管箝位型电路需要保证直流侧电容均压,控制困难,实际应用中还是三电平电路为主,一般不超过五电平。
飞跨电容型,亦称电容箝位型,同样存在电容电压平衡控制及冗余开关状态优化的问题,实际应用较少。
级联型多电平逆变器,又称链式逆变器,以普通的单相全桥(H桥)逆变器为基本单元,将若干个功率单元直接串联,串联数越多,输出电平数也越多。
它的优点是不存在电容平衡问题,电PWM控弦波,5电平以一、NPC型多电平逆变器优点:1)可根据不同的需要选择不同的功率器件,提高功率器件的利用率;2)电平数越大,输出电压的谐波含量就越少,输出电压波形与正弦波就越接近;3)可直接实现大功率和高电压,功率变换装置的成本降低。
缺点:1)每相桥臂开关器件的工作频率不同,造成了各开关器件的负荷不一致;2)对于m电平电路来说,每个桥臂需要(m-1)(m-2)个箝位二极管,即随着电平数的增加,所需箝位二极管数目将快速增加,成本增加;3)电平数越大,利用冗余开关状态来平衡分压电容的电压平衡的控制算法就越复杂。
二极管箝位型三电平逆变器1.拓扑结构三电平逆变器共有33=27的空间电压矢量,3个零矢量,独立的空间电压矢量有19(=1+1*6+2*6)个,60°区域小三角形个数为1+3=4。
2.控制策略1实际上,2运算34①坐标变换采用的60°坐标系为g-h坐标系,取g轴与α轴重合,逆时针旋转60°为h轴,设参考矢量,坐标系α-β到g-h坐标系的坐标变换公式为:则坐标系a-b-c到g-h坐标系的坐标变换公式为:归一化处理后(矢量坐标整数化),将三电平逆变器的基本矢量变换至g-h坐标系,得到的变换到60°坐标系下三电平逆变器的空间矢量图如图所示:②矢量分区方法扇区的确定方法:空间矢量图可分成6个扇区(A-F),设参考电压矢量在60°坐标系中的坐标为。
目录第一章绪论 (1)1.1多电平逆变器的背景 (1)1.2多电平逆变器的研究现状 (2)1.3多电平逆变器的应用 (3)第二章多电平逆变器的种类介绍 (6)2.1二极管箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.2电容箝位式多电平逆变器及其优缺点 (6)2.3H桥级联式多电平逆变器及其优缺点 (7)第三章多电平变换器PWM调制策略 (8)3.1多电平变换器PWM调制策略的分类 (8)3.2多电平SPWM调制策略 (9)3.2.1 SPWM调制策略 (9)3.2.2 载波垂直分布多电平调制策略 (9)3.2.3 载波水平移相多电平调制策略 (10)3.2.4多载波SPWM调制策略谐波分析 (10)3.3多电平SVPWM调制策略 (46)3.3.1 SVPWM调制策略 (46)第四章多电平逆变器中的电压平衡技术 (48)第五章三电平中点箝位型逆变器SPWM控制策略与仿真 (53)5.1三电平NPC逆变器SPWM方法 (53)5.2基于MATLAB的三电平NPC逆变器SPWM仿真 (54)5.2.1仿真系统整体框图 (54)5.2.2 基于载波反向SPWM带电机负载的仿真模块 (55)5.3基于载波同向SPWM带电机负载的仿真模块 (57)5.3.1 SPWM开关信号的发生模块 (57)5.3.2仿真结果与分析 (57)5.4基于注入三次谐波的SPWM带电机负载的仿真模块 (58)5.4.1 SFOPWM开关信号的发生模块 (58)5.4.2仿真结果与分析 (58)5.5三电平NPC逆变器SPWM的实验结果 (59)5.6小结 (59)第六章总结展望 (60)第一章绪论1.1 多电平逆变器的背景电力电子技术自二十世纪50年代诞生以来,经过近半个世纪的飞速发展,至今已被广泛应用于需要电能变换的各个领域。
在低压小功率的用电领域,电力电子技术的各个方面己渐趋成熟,将来研究的目标是高功率密度、高效率、高性能;而在高压大功率的工业和输配电领域,各个方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。
二极管中点钳位型三电平结构二极管中点钳位型三电平结构在电力电子领域,二极管中点钳位型三电平结构是一种重要的电路拓扑结构。
它在工业领域得到广泛应用,尤其在高功率电力转换器中起着至关重要的作用。
本文将从简单到复杂、由浅入深地介绍二极管中点钳位型三电平结构的原理、特点以及应用。
1. 什么是二极管中点钳位型三电平结构二极管中点钳位型三电平结构是一种特殊的多电平电压输出结构,可以通过控制开关管的导通与断开来实现不同电压级别的输出。
它由两个独立的能力相等、反向导通型的开关二极管组成,中点与系统的负极相连并接地。
这样设计的优势在于可以实现更低的开关损耗和更高的功率传递效率,同时减小对传感器和驱动电路的要求。
2. 二极管中点钳位型三电平结构的工作原理二极管中点钳位型三电平结构的工作原理基于电压的分段输出。
当两个开关管同时导通时,电压输出至最高级别;当两个开关管均断开时,电压输出至最低级别;而当一个开关导通、另一个开关断开时,电压在两级之间变化。
借助这种电压级别的变化,可以实现电力转换器的输出电压的调节和控制。
3. 二极管中点钳位型三电平结构的特点和优势二极管中点钳位型三电平结构具有以下特点和优势:- 较低的开关损耗:由于中点钳位结构,二极管承担了大部分的负载电压,从而减小了开关管的负载电压并降低了开关损耗。
- 高效率:通过减小电流进行分段输出,可以有效降低功率损耗,从而提高转换效率。
- 减小谐波失真:采用三电平结构可以减小谐波含量,提高转换器质量。
- 稳定性强:由于三电平结构可以提供更平滑的输出电压,因此转换器的稳定性较高。
- 适应性强:二极管中点钳位型三电平结构可以适应不同功率级别的电力转换器,并且具有较强的抗干扰能力。
4. 二极管中点钳位型三电平结构的应用二极管中点钳位型三电平结构广泛应用于各类电力电子设备,特别是高功率电力转换器中的应用。
它可以用于电力传输系统、电力变换设备以及直流输电系统等。
在交流/直流或者直流/交流的转换中也有着重要的应用价值。
摘要随着近年来对高质量,高可靠性电源系统的需求不断发展,生产的总电能中,越来越多的电能必须经过电力电子技术实行能量变换后,再用于民用、工业或军事的需要。
而逆变器是对电能进行变换和控制的一种关键器件,具有输出高质量电压波形的能力。
高性能数字信号处理器(DSP)的飞速发展,使数字化逆变器系统成为今后发展的潮流。
本文主要对NPC三电平逆变器系统进行了分析和研究:1.以中点钳位式三电平逆变器的基本拓扑结构为基础,阐述了三电平逆变器的运行机理。
2.在两电平逆变器基础上详细研究了三电平逆变器中空间电压矢量调制技术的基本原理,提出了一种采用最近三矢量法合成参考矢量的空间矢量脉宽调制算法,给出了小三角形区域判断规则、合成参考电压矢量的相应输出电压矢量作用顺序和作用时间以及开关信号的产生方法。
由于中点电位的不平衡是二极管钳位式三电平逆变器运行过程中比较严重的问题,本文分析了不同矢量对中点电位的影响,并得出通过对成对小矢量的作用时间分配能够控制中点电位的结论。
逆变器控制系统在控制策略上采用电压型PWM逆变控制,并用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A、XILINX公司的CPLD芯片XC95144XL、相应的驱动电路和高速数据采集电路等实现这种闭环控制。
另外,本文还通过MATLAB仿真软件对基于空间矢量调制的SVPWM波控制的二极管钳位式逆变器进行了仿真,对逆变后的电压和电流波形以及波形谐波畸变率进行了分析,并验证了三电平逆变器较两电平逆变器的优越性。
关键词:DSP;逆变;二极管钳位式;SVPWM;仿真AbstractIn recent years, with high quality, high reliability of power system needs cons tant development, the production of total power, more and more power must pass power electronic technology transformation of energy, then for civilian use, industrial and military needs. And inverter is electric transformation and control of a key components, with high quality output voltage waveform ability. High-performance digital signal processor (DSP) rapid development, make the digital inverter system become the trend of development in the future.This paper mainly to the NPC three-level inverter system analysis and research: 1. The halfway point in the ground-clamp type three-level inverter based the basic topological structure, this paper expounds the three-level inverterThe operation mechanisms.2. In two level inverter based on a detailed study of the three-level inverter in space voltage vector modulation technology,The basic principle, put forward a kind of the last three vectorsynthesis method of vector space vector reference pulse width modulation calculate Method, gives small triangle area judge rules, synthetic reference voltage vector corresponding output voltage vector function Order and function and switch time signal generation method.Due to the halfway point of the potential imbalance is the ground-clamp diode type three-level inverter in the process of operation is a relatively serious problem, this paper analyzes the different vector to point the influence of the electric potential, and that the pair small vector by the role of the distribution of time to control the halfway point of the potential conclusions. Inverter control system control strategy in the voltage source PWM inverter control, and the DSP TMS320LF2407A TI company, XILINX company XC95144XL CPLD chip, the corresponding drive circuit and high speed data acquisition circuit to realize the closed-loop control. In addition, this paper also through MATLAB simulation software based on space vector modulation of the wave to control of diode SVPWM embedded a type inverter is simulated, and the inverter to the voltage and current waveform and waveform harmonic distortion rate is analyzed,And verify the three-level inverter is two level inverter superiority.Keywords: DSP;inverter;diode embedded type;space vector;simulation目录第一章绪论 (3)1.1课题研究背景及意义 (3)1.2研究现状及特点 (4)1.3拓扑结构选择 (5)1.4本文的主要目的、任务、技术指标及主要内容 (8)第二章二极管钳位式三电平逆变器主电路的设计 (10)2.1二极管钳位式逆变电路拓扑 (10)2.2逆变器工作状态分析 (11)第三章三电平SVPWM简化控制算法 (13)3.1引言 (13)3.2基于参考电压分解的SVPWM简化算法 (14)3.2.1两电平统一电压调制算法 (14)3.2.2三电平SVPWM简化算法 (17)3.2.3三电平SVPWM与SPWM的统一 (18)第四章中点平衡 (23)4.1中点电位不平衡的原因 (23)4.2三电平逆变器中点电压波动分析 (24)4.2.1 三电平逆变器中点电压波动定性分析 (24)4.2.2 对三电平逆变器中点电位波动的定量分析 (25)第五章三电平逆变器的硬件设计 (28)5.1系统构成 (28)5.2主电路设计 (29)5.2.1母线电容的选择 (29)5.2.2功率器件的选择 (29)5.2.3变压器的选择 (30)5.2.4输出滤波器设计 (32)5.3控制电路设计 (33)5.3.1TMS320LF2407A简介及特点 (34)5.3.2、CPLD接口电路 (39)5.3.3 SVPWM波形的产生 (39)5.4、采样电路设计 (42)5.5驱动电路设计 (45)5.6其他外围电路设计 (48)第六章系统软件设计 (52)6.1计算模块 (52)6.2主控制程序及中断程序设计 (54)第七章三点平逆变器的仿真..................... 错误!未定义书签。
电力电子学大作业
题目:二极管箝位式多电平逆变器学院:电气与电子工程学院专业:电力电子与电力传动学生姓名:
授课教师:
2011年6 月7日
二极管箝位式多电平逆变器
摘要:二极管箝位式多电平逆变器是由箝位二极管和串联的直流电容器实现的多电平交流电压。
本文对三电平和四电平二极管箝位式逆变器进行了研究,并通过Matlab/Simulink得出了仿真结果。
关键词:二极管、箝位、多电平、逆变器
二极管箝位式多电平逆变器通过箝位二极管和串联直流电容器产生多电平交流电压。
这种逆变器的拓扑结构通常有三、四和五三种电平。
目前,只有三电平二极管箝位式逆变器在中压大功率传动系统中得到了实际应用,通常称为重点箝位式(NPC)逆变器。
NPC逆变器的主要特征是,输出电压比两电平逆变器具有更小的电压变化率和THD。
更重要的是,这种逆变器无需采用器件串联,就可以应用于一定电压等级的中压传动系统。
本文将对三电平和四电平二极管箝位逆变器进行深入分析和研究,并分别通过同相层叠和相邻反向层叠的移幅调制法得到开关器件的控制信号。
最后得出仿真结果,并进行了相关的分析。
1. 三电平的二极管箝位式逆变器
1.1 拓扑结构
如图1所示为三电平二极管箝位式逆变器的简化结构。
逆变器的每相桥臂都由带有两个反并联的二极管的四个开关构成。
在实际的系统中,开关器件既可以采用IGBT,也可以采用GCT。
图1 三电平NPC逆变器
直流侧两个串联电容的衔接处为逆变器中点Z。
连接到中点的二极管Dz1和Dz2为箝位二极管。
当S2和S3导通时,逆变器输出端A通过其中一个箝位二极管连接到中点。
每个直流电容上的电压E通常为总直流电压Vd的一半。
1.2开关状态
对于三电平NPC逆变器,每相桥臂有三种导通情况:上桥臂导通,下桥臂关断,用P表示;下桥臂导通,上桥臂关断,用N表示;中间两个开关管导通,另外两个关断,用O表示。
开关状态为O时,箝位二极管使得A、B、C到Z电压为零。
负载电流的方向将决定哪个二极管导通。
必须注意的是,开关S1和S3运行在互补模式,即一个开关导通,另外一个必须关断。
同样,S2和S4也是互补的。
2.四电平的二极管箝位式逆变器
如图2所示为单相四电平二极管箝位逆变器的简图。
四电平二极管箝位逆变器每相有四种开关状态:S1、S2、S3导通,S4、S5、S6关断;S1、S2、S3关断,S4、S5、S6导通;S2、S3、S4导通,S1、S5、S6关断;S3、S4、S5导通,S1、S2、S6关断。
图2 四电平二极管箝位逆变器每相简图
3.仿真
已知变流器额定输出电压(基波线电压有效值SVM V )为6.6KV ,额定输出功率为5MVA ,额定频率为60Hz ,阻感负载功率因数为0.9,常量和纹波任意,直流输入待定。
(1)负载的计算
额定输出功率R S 与输出电流和负载之间有如下关系:
22)(3R L Z Z
R PF Z
U
I UI
S R +====ω
式中,PF 为负载功率因素,I 为相电流,U 为相电压,且3SVM
V U =。
因此代
入数据解得:
Ω=H
=84.7797.3R L ω
(2)直流输入电压的计算
当1=a m 时,基波电压电压幅值与输入电压的关系为:
E m V AB )1(612.0-=
式中,m 为电平数,SVM AB V V 2=。
因此,当m=3时,E=7635.3V ;当m=4时,E=5090.2V 。
3.1 三电平NPC 逆变器
三电平NPC 逆变器中所采用的调制方法是IPD 移幅调制法。
根据移幅调制法调制因数的定义有:
)1(-=
∧∧
m V V m cr m a 式中,AB m V V =∧为基波电压幅值,cr V ∧为载波幅值。
因此,当99.0=a m 时,解得V V cr 51.547=∧
;当33.0=a m 时,解得14129.7cr V V ∧=。
仿真结果如下图所示。
图3 Hz f Hz f cr m 900,60==和99.0=a m 时,A 相输出相电压、线电压和相电流
图4 Hz f Hz f cr m 900,60==和99.0=a m 时,S1、S2和S3的控制脉冲
图5 Hz f Hz f cr m 900,60==和99.0=a m 时,A 、B 之间线电压的谐波分析图
图6 Hz f Hz f cr m 900,20==和33.0=a m 时,A 相输出相电压、线电压和相电流
图7 Hz f Hz f cr m 900,20==和33.0=a m 时,S1、S2和S3的控制脉冲
图8 Hz f Hz f cr m 900,20==和33.0=a m 时,A 、B 之间线电压的谐波分析图
3.2 四电平NPC 逆变器
四电平NPC 逆变器中所采用的调制方法是APOD 移幅调制法。
根据移幅调制法调制因数的定义有:
)1(-=
∧∧m V V m cr m a 式中,AB m V V =∧为基波电压幅值,cr V ∧为载波幅值。
因此,当99.0=a m 时,解得3146.7cr V V ∧=;当33.0=a m 时,解得9440cr V V ∧
=。
仿真结果如下图所示。
图9 Hz f Hz f cr m 900,60==和99.0=a m 时,A 相输出相电压、线电压和相电流
图10 Hz f Hz f cr m 900,60==和99.0=a m 时,S1、S2和S3的控制脉冲
图11 Hz f Hz f cr m 900,60==和99.0=a m 时,A 、B 之间线电压的谐波分析图
图12 Hz f Hz f cr m 900,20==和33.0=a m 时,A 相输出相电压、线电压和相电流
图13 Hz f Hz f cr m 900,20==和33.0=a m 时,S1、S2和S3的控制脉冲
图14 Hz f Hz f cr m 900,20==和33.0=a m 时,A 、B 之间线电压的谐波分析图
4.结论
在三电平NPC 逆变器中,比较图5与图8可知,不同幅值调制因数下所得的频谱分析有很大差距。
虽然幅值调制因数为0.99时的THD 仍不满足要求,但明显优于幅值调制因数为0.33的情况。
这与基波频率的不同也有关,载波频率相同时,基波频率越高,频率调制因数越高,相对而言THD 值也更小。
在四电平NPC 逆变器中,当33.0=a m 时,输出相电压为两电平而非期望的四电平,这是由于幅值调制因素过低所致。
观察图13可知,有的开关管一直导通有的一直关断,因此有的电平不存在。
此时THD 值也非常大。
因此合理选择调制因数是很有必要的。
附图一:
附图二:。