电力电子技术多电平技术新全面.ppt
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
多电平逆变变换器 Multilevel Converter
最新.课件
1
多重逆变电路和多电平逆变电路
■电压型逆变电路的输出电压是矩形波，电流型 逆变电路的输出电流是矩形波，矩形波中含有 较多的谐波，对负载会产生不利影响。
■常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来， 使之成为接近正弦波的波形。
■也可以改变电路结构，构成多电平逆变电路，
电平逆变器所固有的优点，如电压畸变小，
du/dt小，对电机负载的冲击小等。
最新.课件
21
二极管箝位型逆变器的缺点
但是二极管箝位型多电平逆变器拓扑结构 仍然有其固有不足：虽然开关器件被箝位在 E/(N-1)电压上，但是二极管却要承受不同倍数 的反向耐压；如果使二极管的反向耐压与开关 器件相同，则需要多管串联，当串联数目很大 时，增加了实际系统实现的难度。当逆变器传 输有功功率时，由于各个电容的充电时间不同， 将形成不平衡的电容电压。
最新.课件
19
最新.课件
20
二极管箝位型逆变器的优点
二极管箝位结构的显著优点：就是利用二
极管箝位解决了功率器件串联的均压问题，适 于高电压场合。
由于没有两电平逆变器中两个串联器件同
时导通和同时关断的问题，所以该拓扑对器件
的动态性能要求低，器件受到的电压应力小，
系统可靠性有所提高。在输出性能上也拥有多
最新.课件
4
u1
三次谐波
O
t
180°
u
2
60°
三次谐波
O
t
u
o
120°
O
t
最新.课件
5
目录
1 多电平变换器研究的背景及意义 2 多电平逆变器研究现状
2.1 二极管箝位型多电平逆变器 2.2 飞跨电容型多电平逆变器 2.3 级联型多电平逆变器
3 多电平调制策略 4 H桥级联型逆变器仿真
最新.课件
8
多电平变换器研究的背景及意义
变调速领域，即使是采用功率器件直接串联 的两电平逆变器，也存在动、静均压问题， 并且dv/dt较大，会产生难以处理的电磁干扰 问题。
为此，有学者提出一种多电平功率变换
技术，旨在解决功率开关耐压不足与高压大 功率驱动之间的矛盾，并且可以有效减小 dv/dt，降低输出电压的谐波含量，已成为 高压大功率驱动场合的发展趋势。
最新.课件
16
最新.课件
17
最新.课件
18
若要得到更多电平数，如N电平，只需将 直流分压电容改为(N-1)个串联，每桥臂主开关 器件改为2(N-1)个串联，每桥臂的箝位二极管 数量改为(N-1)(N-2)个，每(N-1)个串联后分别 跨接在正负半桥臂对应开关器件之间进行箝位， 再根据与三电平类似的控制方法进行控制即可。
最新.课件
9
2 多电平逆变器研究现状
多电平逆变器作为一种新型的高压大功率 逆变器从电路拓扑结构入手，在得到高质量的 输出波形的同时，克服两电平电路的诸多缺点： 无需输出变压器和动态均压电路，开关频率低, 因而开关器件应力小，系统效率高,对电网污染 少等。
最新.课件
10
多电平逆变器研究现状
多电平逆变器的思想从提出至今，出 现了很多拓扑，但归纳起来主要有三种：
(1) 二极管箝位型逆变器
(2) 飞跨电容型逆变器
(3) 具有独立电源的级联型逆变器
最新.课件
11
多电平逆变器研究现状
这三种结构具有共同的优点： (1) 电平数越高，输出电压谐波含量越低；
(2) 器件开关频率低，开关损耗小；
(3) 器件应力小，无需动态均压。
最新.课件
12
二极管箝位型多电平逆变器
☞ uo波形是1百度文库0°矩形波，含6k±1次谐波，
3k次谐波都被抵消。
最新.课件
3 3/47
■由此得出的一些结论
◆把若干个逆变电路的输出按一定的相位差 组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相 互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。
◆多重逆变电路有串联多重和并联多重两种 方式，电压型逆变电路多用串联多重方式，电 流型逆变电路多用并联多重方式。
最新.课件
7
1多电平变换器研究的背景及意义
因此，对于交流电动机的变频调速研究， 存在着巨大的节能空间。广泛应用的高压大功 率风机、泵类的高压电机，由于传统的工作方 式为电网电压直接驱动，存在电机转速不能根 据实际工况进行有效地调节，造成了很大的电 能损失。
而高压变频技术正是能够解决这个问题的 关键技术，但现有功率开关受耐压等级的制约， 传统的两电平逆变器无法有效应用于高压
它能够输出较多的电平，从而使输出电压向正
弦波靠近。
最新.课件
2
2/47
多重逆变电路
■二重单相电压型逆变电路 ◆两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变
压器T1和T2串联起来。 ◆输出波形
☞两个单相的输出u1和u2是180°矩形波。
☞u1和u2相位错开=60°,其中的3次谐波就
错开了3×60°=180，变压器串联合成后，3次 谐波互相抵消，总输出电压中不含3次谐波。
对于N电平三相二极管箝位型电路，直流侧 需N-1个电容，能输出N电平的相电压，线电压 为(2N-1)电平。显然输出电平越多、其输出电 压和输出电流的总谐波畸变率越小。
最新.课件
15
在图1中，通过两个串联的大电容C1和C2将直 流母线电压分成三个电平，即，E/2，0和E/2(以两个电容的中点定义为中性点)。稍加分 析就可以发现，不论在表1的哪一种工况，二极 管D1，D2都将每个开关器件的电压箝位到直流母 线电压的一半。例如，当S1，S2同为导通时，二 极管D2平衡了开关器件S1，S2上的电压分配。
最新.课件
6
1多电平变换器研究的背景及意义
随着社会工农业生产规模的不断扩大，对
能源的需求量也越来越大，对于现有的有限能 源，如何合理利用，是各国政府关心的问题。 我国政府制定的“十二五”规划，把节能减排 定为规划纲要，以保证我国经济和社会的可持 续发展。
电动机作为工业、农业、市政等领域的主
动力源，是能源消耗的大户，根据国家权威部 门统计，我国的发电量有60%左右被电动机消 耗，而其中的90%被交流电动机消耗。
1977年德国学者Holtz首次提出了利用 开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器 主电路。
1980年日本的A Nabae等人对其进行了 发展，提出了二极管箝位式逆变电路。
最新.课件
13
图1为单相二极管箱位逆变电路，它 具有2个电容，能输出3电平的电压。
最新.课件
14
Bhagwat和Stefanovic在1983年进一步将三电 平推广到多电平的结构。二极管箝位式多电平 变换电路的特点是采用多个二极管对相应的开 关器件进行箝位，同时利用不同的开关组合输 出所需的不同电平。
最新.课件
1
多重逆变电路和多电平逆变电路
■电压型逆变电路的输出电压是矩形波，电流型 逆变电路的输出电流是矩形波，矩形波中含有 较多的谐波，对负载会产生不利影响。
■常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来， 使之成为接近正弦波的波形。
■也可以改变电路结构，构成多电平逆变电路，
电平逆变器所固有的优点，如电压畸变小，
du/dt小，对电机负载的冲击小等。
最新.课件
21
二极管箝位型逆变器的缺点
但是二极管箝位型多电平逆变器拓扑结构 仍然有其固有不足：虽然开关器件被箝位在 E/(N-1)电压上，但是二极管却要承受不同倍数 的反向耐压；如果使二极管的反向耐压与开关 器件相同，则需要多管串联，当串联数目很大 时，增加了实际系统实现的难度。当逆变器传 输有功功率时，由于各个电容的充电时间不同， 将形成不平衡的电容电压。
最新.课件
19
最新.课件
20
二极管箝位型逆变器的优点
二极管箝位结构的显著优点：就是利用二
极管箝位解决了功率器件串联的均压问题，适 于高电压场合。
由于没有两电平逆变器中两个串联器件同
时导通和同时关断的问题，所以该拓扑对器件
的动态性能要求低，器件受到的电压应力小，
系统可靠性有所提高。在输出性能上也拥有多
最新.课件
4
u1
三次谐波
O
t
180°
u
2
60°
三次谐波
O
t
u
o
120°
O
t
最新.课件
5
目录
1 多电平变换器研究的背景及意义 2 多电平逆变器研究现状
2.1 二极管箝位型多电平逆变器 2.2 飞跨电容型多电平逆变器 2.3 级联型多电平逆变器
3 多电平调制策略 4 H桥级联型逆变器仿真
最新.课件
8
多电平变换器研究的背景及意义
变调速领域，即使是采用功率器件直接串联 的两电平逆变器，也存在动、静均压问题， 并且dv/dt较大，会产生难以处理的电磁干扰 问题。
为此，有学者提出一种多电平功率变换
技术，旨在解决功率开关耐压不足与高压大 功率驱动之间的矛盾，并且可以有效减小 dv/dt，降低输出电压的谐波含量，已成为 高压大功率驱动场合的发展趋势。
最新.课件
16
最新.课件
17
最新.课件
18
若要得到更多电平数，如N电平，只需将 直流分压电容改为(N-1)个串联，每桥臂主开关 器件改为2(N-1)个串联，每桥臂的箝位二极管 数量改为(N-1)(N-2)个，每(N-1)个串联后分别 跨接在正负半桥臂对应开关器件之间进行箝位， 再根据与三电平类似的控制方法进行控制即可。
最新.课件
9
2 多电平逆变器研究现状
多电平逆变器作为一种新型的高压大功率 逆变器从电路拓扑结构入手，在得到高质量的 输出波形的同时，克服两电平电路的诸多缺点： 无需输出变压器和动态均压电路，开关频率低, 因而开关器件应力小，系统效率高,对电网污染 少等。
最新.课件
10
多电平逆变器研究现状
多电平逆变器的思想从提出至今，出 现了很多拓扑，但归纳起来主要有三种：
(1) 二极管箝位型逆变器
(2) 飞跨电容型逆变器
(3) 具有独立电源的级联型逆变器
最新.课件
11
多电平逆变器研究现状
这三种结构具有共同的优点： (1) 电平数越高，输出电压谐波含量越低；
(2) 器件开关频率低，开关损耗小；
(3) 器件应力小，无需动态均压。
最新.课件
12
二极管箝位型多电平逆变器
☞ uo波形是1百度文库0°矩形波，含6k±1次谐波，
3k次谐波都被抵消。
最新.课件
3 3/47
■由此得出的一些结论
◆把若干个逆变电路的输出按一定的相位差 组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相 互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。
◆多重逆变电路有串联多重和并联多重两种 方式，电压型逆变电路多用串联多重方式，电 流型逆变电路多用并联多重方式。
最新.课件
7
1多电平变换器研究的背景及意义
因此，对于交流电动机的变频调速研究， 存在着巨大的节能空间。广泛应用的高压大功 率风机、泵类的高压电机，由于传统的工作方 式为电网电压直接驱动，存在电机转速不能根 据实际工况进行有效地调节，造成了很大的电 能损失。
而高压变频技术正是能够解决这个问题的 关键技术，但现有功率开关受耐压等级的制约， 传统的两电平逆变器无法有效应用于高压
它能够输出较多的电平，从而使输出电压向正
弦波靠近。
最新.课件
2
2/47
多重逆变电路
■二重单相电压型逆变电路 ◆两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变
压器T1和T2串联起来。 ◆输出波形
☞两个单相的输出u1和u2是180°矩形波。
☞u1和u2相位错开=60°,其中的3次谐波就
错开了3×60°=180，变压器串联合成后，3次 谐波互相抵消，总输出电压中不含3次谐波。
对于N电平三相二极管箝位型电路，直流侧 需N-1个电容，能输出N电平的相电压，线电压 为(2N-1)电平。显然输出电平越多、其输出电 压和输出电流的总谐波畸变率越小。
最新.课件
15
在图1中，通过两个串联的大电容C1和C2将直 流母线电压分成三个电平，即，E/2，0和E/2(以两个电容的中点定义为中性点)。稍加分 析就可以发现，不论在表1的哪一种工况，二极 管D1，D2都将每个开关器件的电压箝位到直流母 线电压的一半。例如，当S1，S2同为导通时，二 极管D2平衡了开关器件S1，S2上的电压分配。
最新.课件
6
1多电平变换器研究的背景及意义
随着社会工农业生产规模的不断扩大，对
能源的需求量也越来越大，对于现有的有限能 源，如何合理利用，是各国政府关心的问题。 我国政府制定的“十二五”规划，把节能减排 定为规划纲要，以保证我国经济和社会的可持 续发展。
电动机作为工业、农业、市政等领域的主
动力源，是能源消耗的大户，根据国家权威部 门统计，我国的发电量有60%左右被电动机消 耗，而其中的90%被交流电动机消耗。
1977年德国学者Holtz首次提出了利用 开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器 主电路。
1980年日本的A Nabae等人对其进行了 发展，提出了二极管箝位式逆变电路。
最新.课件
13
图1为单相二极管箱位逆变电路，它 具有2个电容，能输出3电平的电压。
最新.课件
14
Bhagwat和Stefanovic在1983年进一步将三电 平推广到多电平的结构。二极管箝位式多电平 变换电路的特点是采用多个二极管对相应的开 关器件进行箝位，同时利用不同的开关组合输 出所需的不同电平。