三電平變頻器原理

1、.三電平變頻器原理作 者 ：中南大學(xué)      信息科學(xué)與工程學(xué)院      許文斌      桂武鳴摘 要 ：論述了空間電壓矢量調(diào)制（SVPWM）控制二極管鉗位式三電平逆變器的原理與實(shí)現(xiàn)方法。提出了確定參考矢量的三個(gè)規(guī)則，并推導(dǎo)出工作矢量作用時(shí)間、輸出順序及描述了中點(diǎn)電位的控制規(guī)則。通過采用Matlab仿真，結(jié)果證明SVPWM控制三電平逆變器的可行性。英文摘 要 ：In this paper,the principle and implemen

2、t method of space vector pulse width (SVPWM) controlling diode clamped three-level converter is discussed. Three judging rules of determining the location of the desired vector is proposed, and the duty time of active vectors, output sequence are deduced, and the neutral point potential rule is desc

3、ribed. The simulation results through Matlab verify the affectivity of SVPWM controlling three-level converter.關(guān)鍵詞： SVPWM     三電平逆變器         仿真        1      引言  

4、60;     工程實(shí)際中，待控制能量的規(guī)模越來越大，而在該過程中充當(dāng)主角的功率器件所能承受的關(guān)斷電壓和通態(tài)電流能力卻受到現(xiàn)有功率半導(dǎo)體器件制作水平的限制，促使人們從逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面展開研究以滿足實(shí)際需要。自1980年日本學(xué)者A.Nabae提出三電平中點(diǎn)鉗位式結(jié)構(gòu)以來，三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要發(fā)展有二極管鉗位式、電容鉗位式、單元電路級(jí)聯(lián)式。與二電平逆變器相比，三電平逆變器的主要優(yōu)點(diǎn)是：        （1）器件相對(duì)于中間回路直流電壓具有2倍的正向阻斷能力；  &#

5、160;     （2）同樣功率等級(jí)的半導(dǎo)體開關(guān)器件，輸出功率可以提高一倍，開關(guān)頻率降低50；        （3）三電平拓?fù)浒演敵龅谝唤M諧波移頻帶移至二倍開關(guān)頻率的頻帶區(qū)，提高了諧波頻率，減小了濾波器的體積，同樣控制方式下，三電平逆變器的輸出諧波小。因此，三電平逆變器在高壓、大功率領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。        空間電壓矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)方法輸出電流諧波成分少、低脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩、具有比SPWM高15的電源利

6、用率，物理概念清晰，算法簡單且適合數(shù)字化方案，適合于實(shí)時(shí)控制，是三電平逆變器首選的PWM控制方法。2  三電平逆變器主電路結(jié)構(gòu)        二極管鉗位式三電平電壓型逆變電路原理圖如圖1所示。圖1      二極管鉗位式三電平逆變器主電路結(jié)構(gòu)圖        每個(gè)橋臂由兩個(gè)開關(guān)管串組成，每個(gè)串由兩個(gè)相匹配的管串聯(lián)而成，降低管子的耐壓。    

7、60;   每個(gè)橋臂具有三種輸出狀態(tài)0，1和2，以A相電路為例，當(dāng)、導(dǎo)通時(shí)，A相為0態(tài)，輸出電壓為；當(dāng)、導(dǎo)通時(shí)，A相為1態(tài)，電壓為0；當(dāng)、導(dǎo)通時(shí)，A相為2態(tài)，輸出電壓為。于是A相輸出可以得到、0、個(gè)值，如表1所示。         表1 二極管鉗位式三電平逆變器開關(guān)狀態(tài)與輸出電壓的關(guān)系         對(duì)于三相三電平逆變器由于每相都有三種電平輸出，故三相輸出共有33=27個(gè)電平狀態(tài)，對(duì)應(yīng)著空間矢量控制的27個(gè)矢量狀態(tài)，如圖2所

8、示。圖2  三電平逆變器電壓空間矢量圖3  三電平電壓空間矢量調(diào)制(SVPWM)方法3.1 參考電壓矢量位置與輸出電壓矢量的確定        SVPWM的首要任務(wù)就是判斷參考電壓矢量位于哪個(gè)區(qū)域及該區(qū)域中的哪個(gè)小三角形，然后就可以依此確定出相應(yīng)的輸出電壓矢量。為了防止輸出電壓產(chǎn)生很高的dv/dt,每次輸出狀態(tài)切換時(shí),開關(guān)狀態(tài)應(yīng)該只切換一個(gè)電平，例如從111到011或從111到211。第一象限正三角形中的矢量分區(qū)如圖3所示，其他象限其他三角形中矢量的分析可參照第一象限。首先，根據(jù)參考矢

9、量的角度確定出該矢量位于如圖2所示的6個(gè)正三角形區(qū)域中的哪一個(gè)，然后可以依據(jù)如下三條規(guī)則進(jìn)一步地判斷出位于哪個(gè)小三角形。參考電壓矢量所在小三角形的3個(gè)頂點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓矢量就作為參考電壓矢量的輸出電壓矢量，即這些電壓矢量來合成參考電壓。圖3      第一象限扇區(qū)1中的參考矢量合成圖        參考電壓矢量為：             規(guī)則1：  

10、;      規(guī)則2：        規(guī)則3：Vref-V03.2 輸出電壓矢量的作用時(shí)間的計(jì)算        在采樣周期內(nèi)，對(duì)于一個(gè)給定的參考電壓矢量，可以利用三個(gè)基本電壓矢量來合成，根據(jù)伏秒平衡原理，滿足方程組：              其中分別為矢量對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間，為采樣周期。根據(jù)此方程組可

11、以得到各基本矢量的作用時(shí)間。然后根據(jù)基本矢量與開關(guān)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合其他要求確定所有的開關(guān)狀態(tài)及其輸出形式。        （1）圖3中當(dāng)參考矢量在1區(qū)時(shí)，由合成，作用時(shí)間分別為的計(jì)算公式如下：             （2）當(dāng)參考矢量在2區(qū)時(shí)，由合成，作用時(shí)間分別為的計(jì)算公式如下：            

12、 （3）當(dāng)參考矢量在3區(qū)時(shí)，由合成，作用時(shí)間分別為的計(jì)算公式如下：              （4）當(dāng)參考矢量在4區(qū)時(shí)，由合成，作用時(shí)間分別為的計(jì)算公式如下：              其中。3.3 輸出電壓矢量的作用順序        在每個(gè)SVPWM控制周期中，需要合理安排輸出電壓矢量的作用順序，輸出電壓

13、矢量的作用順序的確定應(yīng)遵循2個(gè)原則：        （1）每相只能在狀態(tài)2和1、1和0之間相互切換，不允許在2和0之間直接切換；        （2）每次只能有一相電平切換。由此原則可得到圖3中各區(qū)域輸出電壓矢量的作用順序如表2所示。 表2      各區(qū)域輸出電壓矢量的作用順序3.4 中點(diǎn)電位的控制    三電平逆變電路中，直流側(cè)電容電壓的不平衡是個(gè)較為嚴(yán)重的問題，

14、中點(diǎn)電流的存在會(huì)導(dǎo)致中點(diǎn)電位的振蕩，引起電容電壓的不平衡問題。可以根據(jù)中點(diǎn)電流的方向和電容的電壓大小來調(diào)整正負(fù)矢量的相對(duì)作用時(shí)間，從而控制中點(diǎn)電位。假定m為中點(diǎn)電壓調(diào)整系數(shù)，則矢量的作用時(shí)間為，的作用時(shí)間為，可得控制規(guī)則如下：        （1）當(dāng)時(shí)，m可取0.5；        （2）當(dāng)Uc1Uc2且首發(fā)矢量中點(diǎn)電流的方向?yàn)榱魅霑r(shí)，m0.5,否則，m0.5;        （3）當(dāng)Uc1Uc2且首發(fā)矢量中點(diǎn)電流的方向?yàn)榱魅霑r(shí)，m0.5,否則，m0.5。 4      仿真結(jié)果        設(shè)置系統(tǒng)仿真參數(shù)如下:負(fù)載電感為10、電感為20mH,直流電容C1、C2均為1000F,系統(tǒng)直流測(cè)電壓為