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采用SPWM单相全桥逆变器串并联的多电平逆变器.doc

采用SPWM单相全桥逆变器串并联的多电平逆变器

Yvonne丽丽
2017-10-22 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《采用SPWM单相全桥逆变器串并联的多电平逆变器doc》,可适用于综合领域

采用SPWM单相全桥逆变器串并联的多电平逆变器采用SPWM单相全桥逆变器串并联的多电平逆变器第卷第期年月奄涤挂应圊PWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONSVoINoOetober采用SPWM单相全桥逆变器串并联的多电平逆变器刘凤君(航天工业总公司二院所,北京,)摘要:介绍了采用正弦脉宽调制(SPWM)单相全桥式逆变器(FBI)的串并联式多电平逆变器的基本工作原理与控制方法关键词:SPWM单相全桥逆变器串并联多电平逆变器IGBTCascadeparallelMultilevelFullBridgeInverterswithSPWMLIUFengjHrl(thInstituteofCASIC,Beijing,China)Abstract:ThebasicoperationprincipleandcontrolmethodofcoscadeparallelmultilevelfullbridgeinverterswithSPWMaredesfibed,Keywords:SPWMFBIcascadeparNlelmultilevelinvertersIGBT中图分类号:TM文献标识码:A文章编号:()引言具有独立直流电源的SPWM单相逆变桥(SPWMFBI)直接串联叠加的多电平逆变器,是继二极管箝位和飞跨电容箝位多电平逆变器之后开发出来的又一种多电平逆变器它与前两种多电平逆变器相比,具有以下优点()当输出电压电平数相同时,所使用的元件最少,且不存在均压问题,可以用IGBT作开关()各个FBI的输出功率相同,容易实现模块化,也容易实现软开关()控制电路简单()对输出电压波形的改善效果好美国的罗宾康(ROBICON),日本的东芝公司和三菱公司生产的中压大功率IGBT变频器,达到了完美无谐波的程度,他们采用的是SPWMFBI串联叠加的方式实际上,除了串联叠加的方式之收稿日期:外,并联叠加或串一并联叠加方式,也是可以采用的,也同样可以叠加出完美无谐波的多电平逆变电压输出采用SPWMFBI串联,并联或串一并联叠加的目的有两个:一是扩容,二是消除一些谐波,使输出电压正弦化串联叠加可以提高输出电压,通过提高电压来扩容和改善波形并联叠加可以增大输出电流,通过增大电流来扩容和改善波形串一并联叠加是通过提高电压和增大电流来扩容与改善波形串联,并联或串一并联的SPWMFBI越多,扩容越大对波形的改善效果越好假定有个载波比为F的SPWMFBI进行串联,并联或串一并联叠加fVTIT‘rck(rI‖n,,,,,,,,,,号l,,鬟,,,,l,图SPWMFBI的输出电压波形角波,可以采用同步调制(F恒定)和非同步调制(F可变)在用于非同步调制时,SPWM调制波各周期中所包含的脉冲数及模式没有重复性因而不能以调制波角频率为基准进行分析,而只能以载波三角波角频率为基准来分析它的边频带分布情况比较合适,也就是采用双重傅里叶级数分析法图l中,用正弦调制波与载波三角波进行比较对于正弦调制波的正半周,在正弦波大于三角波的部分,开关S和S开通,得到正半周SPWM波形的正脉冲,在正弦波小于三角波的部分开关S和S关断,得到正半周SPWM波形的零电平:对于正弦波的负半周,在正弦波小于三角波的部分,开关S:和S开通,得到负半周SPWM波形的负脉冲,在正弦波大于三角波的部分,开关S和S关断,得到负半周SPWM波形的零电平完整的SPWM波形就是SPWMFBI输出电压M的三电平SPWM波形如图l下部分所示为了分析方便,把图l中的载波三角波用分段线性函数表示,它的两个线性函数的斜率分别rr为和一,初始值分别为零和,为载波耵耵三角波的幅值假定三角波的角频率为,初相位角为OL,则载波三角波的数学表示式为一【一耵),耵z耵耵耵r(tct一‖rrk一耵)L,‖rrk‘rrwkw耵()其中k=l,,,……图l中正弦调制波的初相位角为零,则Z的表达式为M=sin()载波比l,调制度=l,SPWMU波的采样点在u与u的交点处,即在u=u处在采样点a:sintost:一z一耵)令t=Yz=,则得=耵耵一OL一耵~sinY在采样点b,同上可以求得:X=wkwT~sinY从图l中的M波形可知:X=toz在wka到‖rr(k)a区间,在a,b点之间得到M的正脉冲,故可以得到u的SPWM波形的时间函数为第卷第l期年l月奄涤艘阙POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONSVoNoOctober(,y)=o当f去E当f()时间函数式~p(,y)可以用双重傅里叶级数表示:M(,y)=A(A~cosmXB~sinmy)m=Bsin(mXnY)}ncosnXBnnsinnY)cos(y)式中Aj寺』‖删将式()代入上式得Aj』』dXdY=Eej删},ffejmM‘trsinyeJnVdy~』,ffirlZe一TTTJ由贝塞尔函数得…()TJ,,VdY:)TJ所以Aj=ej(T)一(m)竿mTZZjJ(mM‘rr)ej(ej()当为零或偶数时,ej=O,Aj=O,当为奇数时,一ej所以AjmETJ(mM‘rrM的SPWM波形的双重傅里叶级数表示式,亦即SPWMFBI的输出电压表示式为MEinoJ~t主m(Tra)J~‘(mMTr)×Tm=l,,…,l=l,,r,in(mn,一主im互!×T,,l,,m,ncos(mFn)~()由式()算出SPWMFBI输出电压M的频谱,M幅值与调制度=Us的关系曲线如图所示U可知:在‖中将会消除儿次以下的谐波,‖的幅值随着的增加呈线性增大‖为三电平电压波形OO一釜lONmO–…一M=ii阜t卒甲牟tIIIIIIIllIllIllOOO(a)M的频谱fml,s),OOOM(b)M幅值与M的关系曲线图SPWMFBI输出电压M的频谱及M幅值与M的关系曲线SPWMFBI的应用联接方式SPWMFBI的应用联接方式有种:即单独应用,串联应用,并联应用和串一并联应用SPWMFBI的单独应用SPWMFBI的单独应用在三相逆变器电研究与设计……一采用SPWM单相全桥逆变器串并联的多电平逆变器路中相当于一个三相全桥式逆变器,如图所示它的输出电压‖即为三相逆变器的相电压,即―A:‖n图三个SPWMFBI单独应用组成的三相全桥式逆变器电路SPWMFBI的串联应用个SPWMFBI的串联应用,在三相电路中组成的A相逆变器如图所示采用直接串联叠加的方式获得SPWM多电平输出以消除相电压中次以下的谐波假定各个SPWMFBI所采用的直流电源电压相同且都等于E,它们的载波三角波幅值为,初相位角依次滞后‖trN如果第一个三角波的初相位角为O:,则第二,第三…第N个三角波的初相位角依次为=(一),』V==(),…:(一)用同一个A相的正图个SPWMFBI的直接串联叠加电路弦波电压作为调制波进行控制,即可得到输出电压‖,‖pN,而且‖,‖应具有相同的基波电压根据式()及载波三角波的初相位角可得到―l,‖pN的傅里叶级数由于‖,‖pN具有相同的基波电压,则sinm(rrO)siflm~‘IT一(一)sinmrr一(一):,cosm(T一)COSmT一(一)…cosm一(一):(当m等于奇数时N取负号,当m等于偶数时取正号)所以,A相输出电压t为tAtplUp…~pN:NMEin主Jn(mM‘tr)×sin(mFn)wd()从式()可知,个SPWMFBI的串联叠加,可以消除次以下的谐波,并使输出电压的幅值增大了倍当N=,开关频率,=:Hz,::I~g,在A相输出电压的双重傅里叶级数方程式中,将可以消除×ll:l以下的谐波,并且‖的幅值也增大到原有值的倍SPWMFBI的并联应用个SPWMFBI的并联应用,在三相电路中组成的A相逆变器如图(a)所示采用并联叠加的方式获得SPWM多电平电压输出,以消除相电压中次以下的谐波各个SWPMFBI采用相同的直流电源电压E,它们的载波三角波初相位角依次滞后‖trN如果第一个三角波的初相位角为O:,则第二,第三…第个三角波的初相位角依次为z=(),()T,…ON(一)用同一个A相的正弦波电压作为调制波进行控制,即可得到输出电压‖,‖而且‖,―pN应具有相同的基波电压j于‖,‖pN的瞬时值是不相同的,故必须采用平衡电抗器并联由图(a),根据电工学中的节点电压法可得(‘簧‘―:(詈‘),(‘)第卷第l期年l月奄涤艇石阙POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPUCATIONSVoNoOctober(a)并联叠加电路JJSs一IlsII(h)FBI电路图N个SPWMFBI的并联叠加电路当X=…=N时X~i(UplqUpq~,,{UpN)()=一UpIUp~,,{UpNN由式()可得UpIMI…MpN=(a)串一并联叠加电路IISs一lslI(b)FBI电路图Nk个串联及k个并联的叠加电路FBI采用相同的直流电源电压,它们的载波三角波初相位角依次滞后wN如果第一个三角波的初相位角为Ol=,则第二,第三…第个三角波()的初相位角依次为z=()~,=()v,‘tr一,…NMEi主J(mM‘rr)×不m=N,Nn=Imsin(mFn)to~将此结果代入式()可得=MEsi肚主J(mM‘rr)×盯m=N,N,n=I,,nsin(mFn)to~()由式()可知,个SPWMFBI的并联叠加,可以消除次以下的谐波,但不能增大输出电压的幅值由于UpI~U的瞬时值不同,因此并联叠加时必须采用平衡电抗器这是与串联叠加的不同之处SPWMFBI的串一并联应用个SPWMFBI的串一并联应用,在三相电路中组成的A相逆变器如图(a)所示采用串一并联叠加的方式获得SPWM多电平电压输出,以消除相电压中次以下的谐波各个SWPM一=()并用同一个A相的正弦波电压作为调制波,得到输出电压Upi~U将具有相同的基波当A相逆变器由个串联支路并联组成,每一个串联支路由Nk个SPWMFBI串联时则每一个SPWMFBI在A相电路中的排列位置如图(a)所示:第一个串联支路中SPWMFBI的排列顺序为,IK,…,一)=‘第二个串联支路中SPWMFBI的排列顺序为,K,…,N一(一)=,…,第个串联支路中SPWMFBI的排列顺序为,kk,…,一‖=假设各个串联支路的输出电压依次为‖,具有相同的基波电压,但它们的瞬时值并不相同,因此必须采用平衡电抗器进行并联叠加由图(a),根据电工学中的节点电压法可得(昔嚣(等一‘),(之)当l==…=k时研究与设计……一采用SPWM单相全桥逆变器串并联的多电平逆变器,…(UplUp,Upk)小业根据式(),则A=inw~t主J(mMw)×sin(mFn)w~t()由式()可知:个SPWMFBI的串一并联叠加,可以消除肚次以下的谐波,U基波电压的幅值为单个SPWMFBI输出电压幅值的当=时式()与串联应用时的式()相同当k=N时式()与并联应用时的式()相同在采用串一并联叠加应用时,,,,应取的整倍数SPWMFBI各种叠加应用时的控制方式个SPWM,FBI串联,并联和串一并联叠加的原理控制电路如图所示它由三部分组成:一部分是产生N个依次滞后相位角的三角波载波V发生器另一部分是产生可以调幅调频的三相正弦波发生器第三部分是用正弦波信号与载波三角波进行比较,产生出SPWM驱动信号的比较器这种控制方式可以使逆变器应用于变频器或逆变电源当用于变频器时可以实现vf协调控制,相量控制,直接转矩控制或无速度传感器相量控制等一图个SPWMFBI串联,并联与串一并联叠加的原理控制电路应用实例采用个SPWMFBI串联叠加及相量演算vf控制方式的变频器电路如图所示利用电动机的基本数学方程式(稳态或动态)导出速度的方程式进行演算,给出反应电机转矩的电流给定值分量和励磁电流给定值分量将逆变器输入到电机定子绕组的,包含励磁电流分量和转子电流分量的三相电流,,,通过电流互感器的检测并利用式()将其进行三相到二相的坐标变换:【Jcos…s孚)cos)sin…in)sin孕)()将定子电流分解成实际的转矩分量,和励磁分量厶,用,厶与给定值,厶进行比较,得到转矩与励磁电流的偏差值,此偏差值经过PI调节器变换成与其成比例的电压给定值,,将,,通过下面的变换式进行二相到三相的坐标变换,得到定子电压的设定值U,U,U然后用,,作为正弦调制波信号,通过对载波三角波的比较就可以生成多电平逆变器的SPWM驱动信号去驱动控制逆变器,实现对电动机的vf协调控制coswt一jcos孕)sinwtin孚)i)当逆变器采用并联或串一并联叠加时,用同样的电路也可以实现电动机的vf协调控制结语具有独立直流电源的SPWM单相逆变桥(SPWMFBI)直接串联叠加的多电平逆变器控制简单,输出波形好,由于各个FBI的输出功率相同,因而易于模块化,可用IGBT作开关器件这些优点,将使这种拓扑获得广泛应用一=十,,NN阽阽阽阽第卷第期年月奄潦柱石圊PWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONSVoNoOctober图SPWMFBI串联,并联或串一并联逆变器的简化Vf~*‘l电路参考文献作者简介】刘风君串联多电平逆变器【JJ电源世界,()】美国罗宾康(ROBICON)公司完美无谐波高压变频器产品说明书z】刘风君,男,研究员,着书本,发表论文余篇,主要研究方向为电力电子技术(上接P)边电流的波形上可明显看出原边环流衰减十分迅速,保证在较宽的负载范围内实现高效率,实验证明整机效率可达结语()采用有限双极性控制的方法克服了移相控制死区调整困难的问题使得超前臂可以在很宽的负载范围内实现ZVS而且C,C可选取的范围较大,大大改善了超前臂零电压关断的效果()由于饱和电感的存在,可以在全范围内实现滞后臂的ZCS隔直电容用来减小环流()软开关的实现,消除了开关管电压尖峰,:降低了开关损耗,可以在较宽的负载范围内实现高效率参考文献】YJl,~软开关功率变换器及其应用M】北京:科学出版社】阮新波,严仰光脉宽调制DCDC全桥变换器的软开关技术M】北京:科学出版社,】盛专成一种新颖的PSZVZCSPWM全桥变换器【J】电力电子技术()作者简介勒成梁,男,浙江大学在读研究生,研究方向为电力电子技术

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