T型三電平逆變器課程設(shè)計(jì)

1、摘要三相三電平逆變器具有輸出電壓諧波小，小，EMI小等優(yōu)點(diǎn)，是高壓大功率逆變器應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，三相二極管中點(diǎn)箝位型三電平逆變器是三相三電平逆變器的一種主要拓?fù)?，已?jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。三相T型三電平逆變器，是基于三相二極管中點(diǎn)箝位型三電平逆變器的一種改進(jìn)拓?fù)?。這種逆變器中，每個(gè)橋臂通過(guò)反向串聯(lián)的開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)箝位功能，是逆變器輸出電壓有三種電平。該拓?fù)浔热喽O管中點(diǎn)箝位型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)每相減少了兩個(gè)箝位二極管，可以降低損耗并且減少逆變器體積，是一種很有發(fā)展前景的拓?fù)?。本設(shè)計(jì)采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM），本文介紹了三相T型三電平逆變器的設(shè)計(jì)，介紹其結(jié)構(gòu)和基本工作原理，及SPWM控制法的原理，

2、并利用SPWM控制的方法對(duì)三電平逆變器進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真。本設(shè)計(jì)采用SIMULINK對(duì)T型三電平逆變電路建立模型，并進(jìn)行仿真。關(guān)鍵詞： T型三電平逆變器、正弦脈寬調(diào)制、SIMULINK仿真目錄第一章 緒論61.1 研究背景及意義 .1.2 三電平逆變器拓?fù)浞诸惖谝徽?T型三電平逆變器工作原理分析61.1 逆變器的結(jié)構(gòu)1.2 本章小結(jié)第二章 正弦脈波調(diào)制（SPWM）7 3.1 PWM與SPWM的工作原理 3.2三電平逆變電路SPWM的實(shí)現(xiàn)3.3本章小結(jié)第三章 電路仿真與參數(shù)計(jì)算10 4.1逆變器的基本要求 4.2電路圖 4.3調(diào)制電路 4.4L-C濾波電路 4.5結(jié)果分析第四章 課程設(shè)計(jì)小結(jié)14參考

3、文獻(xiàn)15第一章 緒論1.1 研究背景及意義近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求也大幅度增加，而傳統(tǒng)能源面臨著枯竭的危機(jī)。在這種情況下，我們不得不加速開(kāi)發(fā)新型能源。各國(guó)的專家致力于新能源的開(kāi)發(fā)與利用，光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物發(fā)電等各種新型發(fā)電技術(shù)已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用，并且正在蓬勃的發(fā)展，尤其是光伏發(fā)電，因其成本低、穩(wěn)定性較好，控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在各國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。受地區(qū)氣象條件的影響，太陽(yáng)能光伏電池板輸出的直流電壓極不穩(wěn)定，而且電壓幅值低，容量小。為了高效利用太陽(yáng)能，需要將不穩(wěn)定的光伏電池串、并聯(lián)組合，并且經(jīng)過(guò)多級(jí)電力電子變換器組合輸出恒頻交流電壓并網(wǎng)運(yùn)行。而把這些初始能源轉(zhuǎn)化為可用電

4、能的橋梁就是逆變器。隨著開(kāi)關(guān)器件的不斷發(fā)展，逆變器的拓?fù)?、調(diào)制方式和控制策略也在不斷發(fā)展，控制理論在逆變器的控制上得到了很好的應(yīng)用，這一切都保證了優(yōu)良的供電質(zhì)量。在一些高電壓、大功率的應(yīng)用場(chǎng)合，傳統(tǒng)的兩電平逆變器由于開(kāi)關(guān)器件耐壓限制，無(wú)法滿足需求。在這種情況下，如何將低耐壓開(kāi)關(guān)器件應(yīng)用于高電壓大功率場(chǎng)合成為各國(guó)專家研究的熱點(diǎn)，由此，多電平逆變器技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。多電平的概念最早是由日本專家南波江章(A.Nabae)等人在 1980 年提出的1，通過(guò)改變主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、增加開(kāi)關(guān)器件的方式，在開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷的時(shí)候?qū)⒅绷麟妷悍稚⒌礁鱾€(gè)器件兩端，實(shí)現(xiàn)了低耐壓開(kāi)關(guān)器件在大功率場(chǎng)合應(yīng)用。1.2三電平逆變器拓?fù)?/p>

5、分類常見(jiàn)的多電平的電路拓?fù)渲饕腥N：二極管箝位型逆變器、飛跨電容箝位型逆變器和具有獨(dú)立直流電源的級(jí)聯(lián)型逆變器。本文研究的 T 型三電平逆變器可以說(shuō)是中點(diǎn)箝位型逆變器的改進(jìn)拓?fù)?，其?yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在減少了電流通路中的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量，減少了傳導(dǎo)損耗。而且與二極管箝位型三電平逆變器相比，T 型三電平逆變器的每個(gè)橋臂少用了兩個(gè)箝位二極管，其控制方法和二極管箝位型三電平逆變器類似2。T 型三電平逆變器融合了兩電平和三電平逆變器的優(yōu)勢(shì)，既有兩電平逆變器傳導(dǎo)損耗低，器件數(shù)目少的優(yōu)點(diǎn)，又有三電平逆變器輸出波形好，效率高的優(yōu)點(diǎn)，是很有發(fā)展前景的一種三電平逆變器拓?fù)?。第二?T型三電平逆變器的工作原理2.1 逆變器的

6、結(jié)構(gòu)圖1 T型三電平逆變器結(jié)構(gòu)以 A 相為例，當(dāng)開(kāi)關(guān)管，同時(shí)導(dǎo)通， 同時(shí)關(guān)斷時(shí)，輸出端 A 相對(duì)于直流側(cè)零電位參考點(diǎn) O 點(diǎn)的電平為/2；當(dāng)開(kāi)關(guān)管、，同時(shí)導(dǎo)通，,同時(shí)關(guān)斷時(shí)，輸出端 A 相對(duì)于 O 點(diǎn)的電平為 0；當(dāng)開(kāi)關(guān)管， 同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷時(shí)，輸出端 A 相對(duì)于 O點(diǎn)的電平為-/2。如表 2-3 所示。并且開(kāi)關(guān)管與不能同時(shí)導(dǎo)通，不考慮死區(qū)時(shí)間時(shí)，開(kāi)關(guān)管和，和的驅(qū)動(dòng)脈沖是互補(bǔ)的。開(kāi)關(guān)狀態(tài)不能在 P 和 N 之間直接轉(zhuǎn)換，必須通過(guò) 0 狀態(tài)來(lái)過(guò)渡。A點(diǎn)的相電壓幅值為 /2, 0 , -/2 三種電平狀態(tài)，故稱為三電平逆變器。1：、導(dǎo)通，、 關(guān)斷 =/22：、導(dǎo)通，、關(guān)斷 =03：、導(dǎo)通，、關(guān)斷

7、 =-/22.2三電平測(cè)量圖如下：圖2 測(cè)量三電平2.3本章小結(jié)本章對(duì) T 型三電平逆變電路的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，并對(duì)逆變器的控制提出要求，在下一章中將會(huì)重點(diǎn)對(duì)如何進(jìn)行調(diào)制進(jìn)行詳細(xì)的討論。第三章 正弦脈波調(diào)制（SPWM）3.1 PWM與 SPWM的工作原理多電平逆變器的PWM控制技術(shù)是多電平逆變器研究中一個(gè)相當(dāng)關(guān)鍵的技術(shù)，它與多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出是共生的，因?yàn)樗粌H決定多電平逆變的實(shí)現(xiàn)與否，而且，對(duì)多電平逆變器的輸出波形質(zhì)量、電路中的器件應(yīng)力、系統(tǒng)損耗的減少和效率的提高都有直接的影響。多電平逆變器的調(diào)制在傳統(tǒng)兩電平的基礎(chǔ)上增加了零電平，從而使輸出電壓的諧波含量更進(jìn)一步減少。

8、PWM控制技術(shù)的基本原理是根據(jù)采樣控制理論中的一個(gè)重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說(shuō)的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。 上述原理可以稱之為面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦波。圖3 將PWM波代替正弦波如圖3所示的正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N個(gè)彼此相連的脈沖序列組成的波形。這些脈沖寬度相等，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形

9、脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積相等，就可以得到圖3-1b所示的脈沖序列。這就是PWM波形?？梢钥闯?，各脈沖的幅值相等，而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于負(fù)半周期也可以按同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，稱為SPWM波形（Sinusoidal PWM波形）。3.2正弦脈波調(diào)制（SPWM）的實(shí)現(xiàn)每相采用兩個(gè)幅值相等,頻率相同,相位亦相同的三角波作為波載波層疊,PWM方法是兩電平正弦波調(diào)制在多電平領(lǐng)域的一個(gè)擴(kuò)展。一三電平逆變器,應(yīng)該與同一正弦調(diào)制波進(jìn)行對(duì)比,兩個(gè)三角載

10、波在空間上是持續(xù)的且對(duì)稱形成于零參考的正負(fù)兩側(cè),原理圖如圖3.1所示。根據(jù)調(diào)制波與各個(gè)三角載波的比較得出輸出不同的電平級(jí)別,從而決定對(duì)應(yīng) 關(guān)管的開(kāi)關(guān)情況。當(dāng)調(diào)制波Up的值遠(yuǎn)高于上面載波Ucl的值,貝II為“1”的狀態(tài),輸出電Ud/2;當(dāng)調(diào)制波Ur的值遠(yuǎn)低于下面載波Uc2的值,則為“-1”狀態(tài),輸出電壓為-Ud/2;其余則為“0”狀態(tài),輸出數(shù)為0。載波比較法生成PWM脈沖諧波后,能夠控制功率 關(guān)操作,繼續(xù)輸出三相PWM電壓。載波層疊PWM法的特點(diǎn)是輸出波形好,諧波含量相對(duì)較低,控制相對(duì)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn),可用于任何電平數(shù)的多U平逆變器,可以在整個(gè)調(diào)制過(guò)程比變化范_內(nèi)進(jìn)行圖4 載波交疊式PWM調(diào)制法如

11、圖4為正弦波與三角波的比較產(chǎn)生PWM脈沖，P1信號(hào)接往S1和反相后接S3，P2信號(hào)接往S2和反相后接S4。由圖可看出正弦波的幅值略小于三角波的峰峰值，使調(diào)制工作與高調(diào)制度的情況下。正半周波時(shí)，正弦波始終高于下面三角波，則產(chǎn)生的PWM波使S4始終關(guān)斷，同理負(fù)半周波，S1始終關(guān)斷。3.3本章小結(jié) 本章主要討論了多電平逆器的PWM調(diào)制方法。首先介紹了多電平逆變器的控制目標(biāo)及PWM技術(shù)的基本原理。再詳細(xì)介紹了多載波調(diào)制PWM，闡述了各個(gè)開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)。通過(guò)本章的介紹，對(duì)多電平逆變器的調(diào)制方法進(jìn)行詳細(xì)了解。第四章 電路仿真及參數(shù)計(jì)算4.1逆變器的基本要求已知參數(shù)和設(shè)計(jì)要求：輸入電壓600V，輸出功率5

12、0kW，輸出三相相電壓220V，50Hz，帶50kW阻性負(fù)載，要求輸出電壓THD小于<2%。4.2電路圖圖56SIMULINK仿真-主電路圖與原理圖基本一致。參數(shù)：電壓源：600V DC C1=C2=1500F，R1=R2=0.0000014.3調(diào)制電路圖7 單相SPWM調(diào)制電路取其中一個(gè)信號(hào)來(lái)觀測(cè)，連線如圖6，波形如圖7（為以便觀察 三角波的頻率設(shè)為200hz）圖8 （信號(hào)波，載波，Q1控制波 在一個(gè)周期內(nèi)的波形） 可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)調(diào)制出來(lái)的波形基本滿足SPWM調(diào)制后的結(jié)果。在最后的仿真過(guò)程中，鋸齒波的周期為0.00005s，即頻率為20kHz.4.4 L-C 濾波電路在SPWM逆變器中

13、，逆變器的輸出LC濾波器主要用來(lái)濾除開(kāi)關(guān)頻率及其鄰近頻帶的諧波?？疾煲粋€(gè)濾波器性能的優(yōu)劣首先是看它對(duì)諧波的抑制能力，具體可以從THD值來(lái)體現(xiàn)。另外需要盡量減小濾波器對(duì)逆變器附加的電流應(yīng)力。電流應(yīng)力增大，除使器件損耗及線路損耗加大外，另一方面也使功率元件的容量增大。THD值小的要求與濾波器引起的附加電流應(yīng)力小的要求往往是矛盾的。LC濾波器的示意圖如下圖8所示。圖9 L-C濾波器在濾波電路中，忽略逆變電路等效電阻時(shí)濾波器的傳遞函數(shù)為：上式也可寫(xiě)為： 式中： 為自然振蕩角頻率。這是一個(gè)典型的二階振蕩系統(tǒng)，從頻域上分析，考慮幅頻特性和相頻特性，知道影響濾波效果的參數(shù)主要是轉(zhuǎn)折角頻率和阻尼比。選擇SPW

14、M逆變器的輸出LC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于開(kāi)關(guān)頻率，這樣對(duì)開(kāi)關(guān)頻率及其附近頻帶的諧波具有明顯的抑制作用。一般要求 < <1/10其中，為基波頻率，此處為50Hz, 開(kāi)關(guān)頻率，此處為20kHz,取轉(zhuǎn)折頻率=1/10則有令L=5mH, 可求得 C=1.27uF ，最后調(diào)制取L=5mh，C=5 uF。4.5 結(jié)果分析A)波形分析取三相電壓波形，如下：圖10 三相波形B)輸出電壓分析:圖11 輸出電壓有效值C)輸出電壓畸變率分析：分析：從結(jié)果來(lái)看，能夠獲得一個(gè)非常近似正弦波的波形，其有效值為220V，頻率為50Hz，THD為：0.16%。圖12 FFT Analysis第五章 課程設(shè)計(jì)小節(jié)

15、本文對(duì)三相T型三電平逆變器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究仿真，本文主要完成了如下工作：（1） 介紹了三電平逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了T型三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，介紹了其輸出電壓和開(kāi)關(guān)狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。（2） 對(duì)PWM于SPWM做了介紹，對(duì)三電平SPWM實(shí)現(xiàn)的介紹。（3） 進(jìn)行了電路仿真，介紹了電路圖與調(diào)制電路，計(jì)算出L-C濾波器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了仿真出非常接近正弦波的波形，有效值為220V，50Hz,THD為0.16%。文獻(xiàn)綜述 1 陳堅(jiān)電力電子學(xué)：電力電子變換和控制技術(shù)M北京：高等教育出版社；20041-202 Park Y，Sul S-K，Lim C-H，Kim W-C，Lee S-HAsymmetric Control of DC-Link Voltages for Separate MPPTs in Three-Level InvertersJ20113 王兆安.電力電子技術(shù)第五版