三相电压源型逆变器

一个新的全桥零电压开关移相DC-DC转换器的工作周期和ZVS范围扩大摘要：本文提出了完整的理论分析, 有LCC辅助电路的全桥零电压移相开关（fb-zvs-ps）DC-DC转换器的模拟和的优化设计,在250kHz的频率下工作，输出功率1kW。

该变换器采用电容分压器在辅助电感一端创建一半的输入电压。

因此在电感两端的电压会在–VI / 2 到+ VI / 2之间摆动，并在被动-主动转换的过程中产生一个额外的增强的初级电流，并增加适合产生ZVS的能量。

用这种方法是可能在不使用换向电感的条件下在一系列电力变压器中设计出fb-ps-zvs直流/直流变换器从而避免减少有效占空比的相关问题。

更进一步，通过适当的LCC的电路设计，我们发现在整体没有明显损害的前提下ZVS范围和有效工作周期可以优化。

1.介绍：由于其优越的特性，采用全桥零电压开关移相器已成为首选的拓扑结构的DC-DC转换，用于几百瓦的功率与高输入电压的应用。

fb-zvs-ps转换器的主要优点是由于零电压开关和恒定频率操作效率高，允许一个简单的控制，类似于硬开关PWM全桥变换器。

传统的fb-zvs-ps转换器的主要缺点是对负载的依赖，当负载过轻时ZVS 的条件便会不满足。

因此，在一系列的电力变压器中，几乎每一个应用程序为了使ZVS的负载范围加宽都需要一个大的换向电感。

这个大的电感，当负载很大时不仅会产生高的不可接受的导通损耗，并且会防止初级电流极慢的变化，这将会对有效占空比的降低负责。

所以，必须要有一个折衷的设计，考虑到输入电压规格、负载范围、工作周期和效率。

为了解决这个问题，一些新的技术已经开始被提出和开发。

引用[5]定义的fb-zvs-ps转换器和采用饱和电抗器与初级绕组和次级整流二极管系列具有局限性。

这个过程可以使运行下的零电压开关范围更大，没有显著的导通损耗增加，但始终存在消除多余能量时发生饱和的问题。

参考[ 6 ]描述了一种方法，用一个主换向电感器与终端连接在一个转换被动与主动的腿的中点，其他通过两个钳位二极管连接到输入电压源。

三相电压源型逆变电路原理
三相电压源型逆变电路是一种基于三相交流电源的逆变电路，通过将三相交流电源转换为直流电源，并利用逆变电路将直流电源转换为交流电源，从而实现对交流负载的供电。

该电路的原理是基于三相桥式整流电路和三相逆变器电路的结合，通过三相桥式整流电路将三相电源转换为直流电源，并通过三相逆变器电路将直流电源转换为交流电源，实现对交流负载的供电。

在三相桥式整流电路中，三相电源通过三相桥式整流电路中的六个二极管进行整流，将交流电源转换为直流电源。

在三相逆变器电路中，直流电源通过三相逆变器电路中的六个开关管进行逆变，将直流电源转换为交流电源，并将其输出到负载上。

三相电压源型逆变电路具有输出电压幅值高、输出电压纹波小、输出功率大等优点，广泛应用于工业自动化控制、电力电子、交通运输等领域。

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三相逆变器电路原理和工作过程图文说明单相逆变器电路由于受到功率开关器件的容量、零线（中性线）电流、电网负载平衡要求和用电负载性质等的限制，容量一般都在100kV A以下，大容量的逆变电路大多采用三相形式。

三相逆变器按照直流电源的性质不同分为三相电压型逆变器和三相电流型逆变器。

1.三相电压型逆变器。

电压型逆变器就是逆变电路中的输入直流能量由一个稳定的电压源提供，其特点是逆变器在脉宽调制时的输出电压的幅值等于电压源的幅值，而电流波形取决于实际的负载阻抗。

三相电压型逆变器的基本电路如图6-15所示。

该电路主要由6只功率开关器件和6只续流二板管以及带中性点的直流电源构成。

图中负载L和R表示三相负载的各路相电感和相电阻。

图6-15 三相电压型逆变器电路原理图图6-15三相电压型逆变器电路原理图功率开关器件VT1～VT6在控制电路的作用下，控制信号为三相互差1200的脉冲信号时，可以控制每个功率开关器件导通180度或120度，相邻两个开关器件的导通时间互差60度逆变器三个桥臂中上部和下部开关元件以180度间隔交替开通和关断，VT1～VT6以60度的电位差依次开通和关断，在逆变器输出端形成a、b、c三相电压。

控制电路输出的开关控制信号可以是方波、阶梯波、脉宽调制方波、脉宽调制三角波和锯齿波等，其中后三种脉宽调制的波形都是以基础波作为载波，正弦波作为调制波，最后输出正弦波波形。

普通方波和被正弦波调制的方波的区别如图6-16所示，与普通方波信号相比，被调制的方波信号是按照正弦波规律变化的系列方波信号，即普通方波信号是连续导通的，而被调制的方波信号要在正弦波调制的周期内导通和关断N次。

方波调制波形图6-16 方波与被调制方波波形示意图2.三相电流型逆变器。

电流型逆变器的直流输入电源是一个恒定的直流电流源，需要调制的是电流，若一个矩形电流注入负载，电压波形则是在负载阻抗的作用下生成的。

在电流型逆变器中，有两种不同的方法控制基波电流的幅值，一种方法是直流电流源的幅值变化法，这种万法使得交流电输出侧的电流控制比较简单；另一种方法是用脉宽调制来控制基波电流。

三相SPWM逆变器仿真一、原理分析1、基本原理按照输出交流电压半周期内的脉冲数，脉宽调制（PWM）可分为单脉冲调制和多脉冲调制；按照输出电压脉冲宽度变化规律，PWM可分为等脉宽调制和正弦脉宽调制（SPWM）。

等脉宽调制产生的电压波形中谐波含量仍然很高，为了使输出电压波形中基波含量增大，应选用正弦波作为调制信号u R。

这是因为等腰三角形的载波u T上、下宽度线性变化，任何一条光滑曲线与三角波相交时，都会得到一组脉冲宽度正比于该函数值的矩形脉冲。

而且在三角载波u T不变条件下，改变正弦调制波u R的周期就可以改变输出脉冲宽度变化的周期；改变正弦调制波u R的幅值，就可改变输出脉冲的宽度，进而改变u D中基波u D1的大小。

这就是正弦脉宽调制（sine pulse width modulated,SPWM）。

2、正弦脉宽调制方法（此处仅介绍了采样法）SPWM是以获得正弦电压输出为目标的一种脉宽调制方式。

这里就以应用最普遍的三相电压源型逆变电路来讨论SPWM具体实现方法。

下图就是三相电压源型PWM逆变器主电路结构图：图—1上图为一三相电压源型PWM逆变器，VT1~VT6为高频自关断器件，VD1~VD6为与之反并联的快速恢复二极管，为负载感性无功电流提供通路。

两个直流滤波电容C串联接地，中点O’可以认为与三相Y接负载中点O等电位。

逆变器输出A、B、C三相PWM电压波形取决于开关器件VT1~VT6上的驱动信号波行，即PWM的调制方式。

假设逆变电路采用双极性SPWM控制，三相公用一个三角形载波u T,三相正弦调制信号u RA、u RB、u RC互差120o,可用A相来说明功率开关器件的控制规律，正如下图中所示。

当u RA>u T时，在两电压的交点处，给A相上桥臂元件VT1导通信号、下桥臂元件VT4关断信号，则A相与电源中点O’间的电压u AO’=E/2。

当u RA<u T时，在两电压的交点处给VT4导通信号、VT1关断信号，则u AO’=-E/2。

电气传动2020年第50卷第11期摘要：为了同时实现三相电压源型逆变器的控制性能优化和抑制输出共模电压，设计了一种可降低三相逆变器输出共模电压的模型预测控制（MPC ）策略。

在新型MPC 方案中，仅使用非零电压矢量来控制负载电流以降低共模电压。

同时，不同于传统方案中1个采样周期内仅使用1个最优矢量，新型MPC 方案中在每个采样周期基于成本函数选择2个非零电压矢量进行输出以获取快速的瞬态响应和较好的负载电流纹波特性。

使用三相逆变器实验平台开展了相关实验，实验结果表明，新型MPC 控制器在不使用零电压矢量的情况下，可将共模电压限制在设定幅值内，同时具有优良的动静态控制性能。

关键词：三相逆变器；模型预测控制；共模电压；电流控制中图分类号：TM464文献标识码：ADOI ：10.19457/j.1001-2095.dqcd21004Model Predictive Control Strategy to Reduce Common -mode Voltage for Three -phase InverterREN Wanying 1，XU Hexiu 2（1.Department of Electric Power Engineering ，Zhengzhou Electric Power Technology College ，Zhengzhou 451450，Henan ，China ；2.School of Emergency Management ，Henan Polytechnic University ，Jiaozuo 450000，Henan ，China ）Abstract:In order to simultaneously optimize the control performance of the three-phase voltage source inverter and suppress the output common-mode voltage ，a model predictive control （MPC ）strategy to reduce common-mode voltage for three-phase inverter was proposed.In the new MPC scheme ，only nonzero voltage vectors were utilized to control the load current as well as to reduce the common-mode voltage.At the same time ，unlike the traditional scheme ，which only used one optimal vector in one sampling period ，the new MPC scheme chose two nonzero voltage vectors based on cost function for output in each sampling period to obtain fast transient response and better load current ripple characteristics.Experiments were carried out using a three-phase inverter experimental platform.The experimental results show that the new MPC controller can limit the common-mode voltage to a set amplitude without using zero voltage vector ，and has excellent dynamic and static control performances.Key words:three-phase inverter ；model predictive control ；common-mode voltage ；current control基金项目：2021年度河南省高等学校重点科研项目课题（21B470012）作者简介：任万英（1982—），女，硕士，讲师，Email ：*****************降低共模电压的三相逆变器模型预测控制策略任万英1，许荷袖2（1.郑州电力职业技术学院电力工程系，河南郑州451450；2.河南理工大学应急管理学院，河南焦作450000）传统三相电压源型逆变器的经典控制方案是结合比例积分调节器和各种脉宽调制（pulse width modulation ，PWM ）的控制器[1-3]。

目录1概述 (1)1.1 逆变电路简介 (1)1.2 PWM简介 (1)2 三相电压源逆变器工作原理 (3)3 Matlab仿真建模与分析 (5)3.1三相SPWM波的产生 (5)3.2 SPWM逆变器仿真 (6)3.3 滤波器粗略分析 (10)三相电压源型SPWM逆变器的设计1概述1.1 逆变电路简介与整流相对应，把直流电变成交流电称为逆变。

当交流侧接在电网上，即交流侧接有电源时，称为有源逆变；当交流侧直接和负载连接时，称为无源逆变。

又逆变电路根据直流侧电源性质不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路；直流侧是电流源的称为电流型逆变电路；它们也分别被称为电压源型逆变电路和电流源型逆变电路。

其中，电压源型逆变电路有以下主要特点：直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗；由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。

而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同；当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联了反馈二极管。

1.2 PWM简介PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。

PWM控制技术的重要理论基础是面积等效原理，即：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

下面分析如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。

把正弦半波分成N等分，就可以把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。

如果把这些脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就可得到图1-1所示的脉冲序列，这就是PWM波形。

三相桥式电压源型逆变器
三相桥式电压源型逆变器是一种常见的电力电子设备，它可以将直流电源转换为交流电源，其结构和工作原理如下：
1.结构：
三相桥式电压源型逆变器主要由六个功率开关管（通常为晶体管或场效应管）和相关电路组成。

这六个开关管按照特定的序列开关，以产生三相交流电源。

2.工作原理：
三相桥式电压源型逆变器的工作原理可以概括为“交流-直流-交流”的过程。

其第一步是通过三相全桥整流电路将交流电源转换为直流电源，再经过一个大电容平滑滤波，得到一个纹波较小的直流电源。

接下来，这个直流电源作为逆变电路的电源，通过三个标准正弦波和三角波的比较生成脉冲控制IGBT三相桥。

最终，通过这个三相桥的开关状态控制，得到PWM（脉冲宽度调制）调制的波形。

3.控制策略：
通过适当的控制策略，逆变器的开关可以控制电源的频率、幅度和相位，以满足不同的负载需求，例如电动机驱动、光伏发电系统等。

4.应用：
三相桥式电压源型逆变器被广泛应用于各种需要将直流电源转换为交流电源的场合，如电力系统的直流输电、工业用电、电动汽车的电力驱动等。

总的来说，三相桥式电压源型逆变器是一种重要的电力电子设备，在能源转换和电力系统中有着广泛的应用。