多重疊加式與階梯波逆變器課件

1、逆變電源技術(shù)第二章多重疊加式與階梯波逆變器多重疊加法的基本原理是，把兩個(gè)以上完全相同的方波，按一定的相位差疊加起來，使它們的低次諧波相位差180而相互抵消，以得到諧波含量較少的準(zhǔn)正弦階梯波。多重疊加法又分為等幅疊加和變幅疊加，從改善輸出量波形的角度看，后者比前者效果好。2.1 電壓型逆變器的多重疊加直流側(cè)連接有電容器輸出電壓總是由直流側(cè)電容鉗位成方波可以脈幅調(diào)制PAM法和脈寬調(diào)制PWM法控制輸出電壓直流側(cè)連接有電抗器輸出電流總是由直流側(cè)電抗器穩(wěn)流成方波可以脈幅調(diào)制PAM法和脈寬調(diào)制PWM法控制輸出電流電壓型逆變器與電流型逆變器電路的脈波數(shù)在交流電壓的一個(gè)周期內(nèi)直流側(cè)波動(dòng)的次數(shù)在電壓型逆變電路中

2、，它是直流側(cè)電流波形脈動(dòng)的次數(shù)在電流型逆變電路中，它是直流側(cè)電壓波形脈動(dòng)的次數(shù)電壓型逆變器的階梯數(shù)電壓型逆變電路的階梯數(shù)是指輸出電壓波形在一個(gè)周期內(nèi)所包含的階梯數(shù)2.1.1 電壓型與電流型逆變器的輸出量調(diào)制法和脈沖數(shù)2.1.2 多重疊加的原理 所謂多重疊加，就是對(duì)幾個(gè)輸出電壓為方波的相同逆變器，使它們依次錯(cuò)開相同的相位角，然后把它們疊加起來形成接近于正弦波的階梯波輸出，從而消除某些低次諧波的一種幅值調(diào)制波形改善法，多重疊加是手段，消除某些低次諧波是目的。假定把兩個(gè)相同的輸出電壓脈寬為180 方波的逆變器輸出電壓u1和u2錯(cuò)開一定的相位角，然后通過輸出變壓器次級(jí)繞組進(jìn)行串聯(lián)疊加，就能合成出消除某

3、種n次諧波的一階階梯波，通常要消除的是最低次諧波，即3，5，7次諧波。因?yàn)榈痛沃C波的含量最多，危害也最大。消除某種低次諧波的疊加法這樣，多重疊加法把N個(gè)輸出電壓為方波的逆變器，按照一定的相位差疊加起來，使它們所含的某些低次諧波互相抵消，就可以得到更接近于正弦波的合成多階階梯波。多重疊加法所用的方波必須是頻率相同，波形也相同的方波，也就是說，只有頻率和波形都相同（幅值可以不同）的疊加才能叫“多重疊加”，否則就不能稱為“多重疊加”。將N個(gè)單相方波逆變器的輸出變壓器的次級(jí)，按照右圖所示的方式串聯(lián)起來，就組成了單相串聯(lián)多重疊加式逆變器，如果N個(gè)單相方波逆變器用的都是橋式逆變電路，則此單相串聯(lián)多重疊加式

4、逆變器既能改善輸出電壓波形，也能調(diào)節(jié)輸出電壓。2.1.2 單相串聯(lián)多重疊加式逆變器左圖為單臺(tái)橋式逆變器，橋左側(cè)的T1，T2是一個(gè)簡單的方波逆變器；橋的右側(cè)的T3，T4是另一個(gè)簡單的方波逆變器，這兩個(gè)簡單的方波逆變器的輸出電壓為uao和ubo，是脈寬不可調(diào)的方波，而兩橋臂中點(diǎn)a和b之間的電壓uab，則是兩方波電壓的疊加兩個(gè)單相橋式逆變器的串聯(lián)疊加左圖是采用三個(gè)有脈寬調(diào)制的單相橋式逆變器疊加合成的單相多重疊加逆變器電路及波形圖三個(gè)單相橋式逆變器的初始相位角依次移開45度，逆變橋1和3的輸出電壓幅值相等，而逆變橋2的輸出電壓幅值是逆變橋1和3的sqr（2）。三個(gè)單相橋式逆變器的串聯(lián)疊加 N個(gè)單相逆變

5、橋依次移開/N相位角，通過輸出變壓器次級(jí)繞組既可以串聯(lián)疊加出三相對(duì)稱電壓，又可以消除某些諧波，其原理就是按下面將介紹的多重疊加的諧波分組特性和余弦規(guī)律進(jìn)行的.2.1.4 三相串聯(lián)不等幅多重疊加的分組特性和余弦規(guī)律1 多重疊加法的諧波分組特性(a)使N個(gè)單相逆變橋之間依次滯后（或超前）/N相位角，即(b)以合成的相電壓uA的向量為準(zhǔn)，對(duì)稱地配置N個(gè)單相逆變橋，即 由于多重疊加是通過變壓器進(jìn)行的，因此在想要消除2kN1，或2kN1及零序諧波以外的諧波求變壓器變比Ai時(shí)是比較省事的。如果當(dāng)N已知，按照諧波分組特性想要消除某組或某些組諧波時(shí)，只要按照法則上消除某組或某些組諧波中的任意一種諧波求變比Ai

6、就行了。為了便于記憶，我們把此法稱作“消除法”。 無論用消除法消去哪些組諧波，在不能消除的2kN1組諧波中總是存在正序與逆序諧波，而且是按順序相間出現(xiàn)的。（1）方波電壓個(gè)數(shù)為奇數(shù)的疊加（2）方波電壓個(gè)數(shù)為偶數(shù)的疊加用6個(gè)單相橋式逆變器實(shí)現(xiàn)5個(gè)方波電壓的疊加用6個(gè)單相橋式逆變器實(shí)現(xiàn)4個(gè)方波電壓的疊加用6個(gè)單相橋式逆變器實(shí)現(xiàn)3個(gè)方波電壓的疊加用9個(gè)單相橋式逆變器實(shí)現(xiàn)5個(gè)方波電壓的疊加2.1.5 利用分組特性計(jì)算的應(yīng)用實(shí)例多重疊加階梯波的n次諧波消除條件多重分組特性的疊加法則(a)使N個(gè)單相逆變橋之間依次滯后（或超前）/N相位角，即(b)以合成的相電壓uA的向量為準(zhǔn)，對(duì)稱地配置N個(gè)單相逆變橋，即N=

7、6k0123452kN1111 13 2535 3747 4959 612kN339 15 2733 3945 5157 632kN557 17 19 29 31 4143 5355 65備注2kN1,及2kN3與2kN5包括了整個(gè)奇數(shù)列；2kN3是零序諧波；消除5次諧波就消除了除2kN1及零序以外的諧波N=6時(shí)疊加合成相電壓的諧波組分布情況用6個(gè)單相橋式逆變器實(shí)現(xiàn)5個(gè)方波電壓的疊加6個(gè)單相橋式逆變器實(shí)現(xiàn)5個(gè)方波電壓的電壓計(jì)算用6個(gè)單相橋式逆變器實(shí)現(xiàn)4個(gè)方波電壓的疊加6個(gè)單相橋式逆變器實(shí)現(xiàn)4個(gè)方波電壓的電壓計(jì)算用6個(gè)單相橋式逆變器實(shí)現(xiàn)3個(gè)方波電壓的疊加6個(gè)單相橋式逆變器實(shí)現(xiàn)3個(gè)方波電壓的電壓計(jì)

8、算N=9k0123452kN1117 1935 3753 5571 7389 912kN3315 2133 3951 5769 7587 932kN5513 2331 4149 5967 7785 952kN7711 2529 4347 6165 7983 972kN99(9) 27(27) 45(45) 63(63) 81(81) 99備注2kN1,2kN3,2kN5,2kN7與2kN9包括了整個(gè)奇數(shù)列；2kN3, 2kN9是零序諧波；消除5,7次諧波就消除了除2kN1及零序以外的諧波N=9時(shí)疊加合成相電壓的諧波組分布情況用9個(gè)單相橋式逆變器實(shí)現(xiàn)5個(gè)方波電壓的疊加9個(gè)單相橋式逆變器實(shí)現(xiàn)5個(gè)方

9、波電壓的電壓計(jì)算N=6的6個(gè)方波電壓的疊加N=8的8個(gè)方波電壓的疊加2.1.6 利用余弦規(guī)律設(shè)計(jì)和計(jì)算的應(yīng)用實(shí)例方波電壓個(gè)數(shù)為奇數(shù)的疊加方波電壓個(gè)數(shù)為偶數(shù)的疊加多重疊加的余弦規(guī)律法N=6的6個(gè)方波電壓的疊加N=8的8個(gè)方波電壓的疊加利用多重疊加法的分組特性和余弦規(guī)律，對(duì)N等于任意數(shù)的多重疊加法都可以進(jìn)行計(jì)算。但是應(yīng)用的最多的是N=6和N=9的疊加。N=6與N=9的方案相比較，N=6比N=9的方案節(jié)省材料費(fèi)16%，增加可靠性24%，同時(shí)分配損耗率也低，因此應(yīng)用較多。2.1.7 N=6和N=9的各種疊加方式每相疊加繞組3*444*55*6單相橋式逆變器輸出變壓器的變比（A組）#1122#222#3

10、121#4-2#5-1-1-2#6-2-2最低相電壓中所包含的次諧波333331111線電壓中所包含的最低次諧波11111111111111注#1#6的單相橋式逆變器相互間錯(cuò)開的相位角為 ；標(biāo)記有*記號(hào)的是推薦使用的。N=6即6個(gè)單相橋式逆變器疊加方式每相疊加繞組數(shù)556666789單相橋式逆變器輸出變壓器的變比（A組）#1111111#20.7420.740.650.651.350.880.94#30.3951.140.391.141.230.230.720.650.77#41110.820.350.5#50.740.740.17#6-0.74-0.74-1-0.35-0.17#7-1-1-

11、1.23-0.23-0.82-0.65-0.5#8-0.395-1.14-0.39-1.14-0.65-0.65-0.72-0.88-0.77#9-0.742-0.74-1-1.35-1-0.94相電壓中所包含的最低次諧波3333339917線電壓中所包含的最低次諧波171717171717171717注#1#9的單相橋式逆變器相互間錯(cuò)開的相位角為 N=9即9個(gè)單相橋式逆變器疊加方式對(duì)稱三相電壓合成的條件利用N個(gè)單相橋式逆變器進(jìn)行多重疊加的目的有兩個(gè)：一是消除某些諧波使輸出電壓波形正弦化；二是要得到三相對(duì)稱電壓輸出。所謂三相對(duì)稱電壓指的是：三相電壓彼此之間的相位差在任何瞬間都等于120；三相電

12、壓的瞬時(shí)值（或向量）之和在任何瞬間都等于零。三相逆變器的多重疊加相當(dāng)于N等于3的整倍數(shù)的單相逆變器進(jìn)行多重疊加，可以疊加合成出絕對(duì)對(duì)稱的三相對(duì)稱電壓，能夠保證三相輸出電壓的瞬時(shí)值（或向量）之和在任何瞬時(shí)都等于零?？梢院芊奖愕夭捎脗鹘y(tǒng)的三相變壓器進(jìn)行多重疊加，使輸出變壓器的體積重量大大減小，成本也顯著降低?？梢岳萌嘧儔浩鞯?Y接線方式消除零序諧波。2.1.8 采用三相逆變器的多重疊加三相橋式N=112相多重疊加N=218相多重疊加N=324相多重疊加N=4諧波次數(shù)6k112k118k124k1線電壓有效值基波電壓有效值1.0461.01211（額定時(shí)）全電流有效值基波有效值1.0261.00

13、111浪涌電壓峰值額定電壓峰值1.451.131.041.02力矩脈動(dòng)頻率6f,12f,18f,24f12f,18f,24f18f,24f24f力矩脈動(dòng)率11%1.9%0.7%0.3%N取不同值時(shí)的諧波含量、全電流有效值、力矩脈動(dòng)和換向浪涌電壓的值1. N=2的普通三相方波逆變器的疊加應(yīng)用實(shí)例2. N=3的普通三相方波逆變器的疊加應(yīng)用實(shí)例3. 4個(gè)三相SCR逆變器用多重疊加法構(gòu)成的UPS電源單相逆變器無脈沖寬度調(diào)制有脈沖寬度調(diào)制串聯(lián)單相多重逆變器串聯(lián)單相兩重逆變器串聯(lián)單相三重逆變器串聯(lián)三相多重逆變器12脈逆變器18脈波逆變器4. 常用的多重疊加方式2.1.9 多重疊加法的控制電路2.1.10

14、并聯(lián)三相多重疊加式逆變器并聯(lián)三相多重疊加逆變器1. 中心抽頭電抗器式2. 并聯(lián)多重變壓器式單相多重疊加3. 并聯(lián)多重變壓器式三相多重疊加逆變器2.1.11 采用一個(gè)并聯(lián)多重變壓器的三相多重疊加式逆變器2.1.12 電壓型三相逆變器的串聯(lián)多重和并聯(lián)多重聯(lián)接方式1. 串聯(lián)多重聯(lián)接方式2. 并聯(lián)多重聯(lián)接方式優(yōu)點(diǎn)主電路簡單便于實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)和四象限運(yùn)行限流能力強(qiáng)，短路保護(hù)可靠性高適合于中、大容量的向量控制，能在寬范圍內(nèi)精確控制轉(zhuǎn)矩和速度等缺點(diǎn)電流波形為方波，波形差含有較多的奇次諧波2.2 電流型逆變器的多重疊加單相直接并聯(lián)多重疊加兩個(gè)三相電流型逆變器的多重疊加直接并聯(lián)輸出N多重疊加輸出電流通用基波與n次

15、諧波的幅值表達(dá)式三個(gè)電流型逆變器的直接并聯(lián)N=3的多重疊加四個(gè)電流型逆變器的直接并聯(lián)N=4的多重疊加2.2.1 直接并聯(lián)多重疊加1. 單相直接并聯(lián)多重疊加2. 兩個(gè)三相電流型逆變器的多重疊加3. 直接并聯(lián)輸出N多重疊加輸出電流通用基波與n次諧波的幅值表達(dá)式4. 三個(gè)電流型逆變器的直接并聯(lián)N=3的多重疊加5. 四個(gè)電流型逆變器的直接并聯(lián)N=4的多重疊加兩個(gè)三相電流型逆變器通過變壓器的多重疊加三個(gè)三相電流型逆變器通過變壓器N=3的多重疊加四個(gè)三相電流型逆變器通過變壓器N=4的多重疊加2.2.2 通過輸出變壓器的多重疊加1. 兩個(gè)三相電流型逆變器的多重疊加2. 三個(gè)三相電流型逆變器通過變壓器進(jìn)行N=3的多重疊加2.2.3 由電流型逆變器直接并聯(lián)疊加與通過變壓器疊加的比較及其特性直接并聯(lián)疊加的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，造價(jià)低，其缺點(diǎn)是：（1）各個(gè)逆變器的輸出功率因數(shù)