第6章 逆变器及调制技术

(2) 通用型五电平电路结构 这种通用型多电平拓扑的特点如下：
1) 这种系统的电能损耗反比于电容量和开关频率。
2) 相比起一般的二极管箝位和电容箝位式拓扑，这种系统各级 的中点电压都能得到很好的控制。 3) 对一个M级电平的通用型多电平逆变系统，所需的开关器件/ 二极管数目为M(M-1)；需要的电容器数量为M(M-1)/2。 4) 计算简单，器件应力可达到最小化。
2.磁通轨迹控制
图6-11
七段式SVPWM波形
6.3 多电平变换器的拓扑结构 6.3.1 多电平变换器的特点
6.3.2 箝位型多电平变换器
6.3.3 级联型多电平变换器 6.3.4 其他多电平结构
6.3.1 多电平变换器的特点 1.概述
2.多电平变换器的特点
3.多电平变换器结构综合
1.概述 在传统的电路中，其输入为单一的直流源，也即两条电源母线。
3.预测控制法 4.无差拍控制法
1. PI型方法 (1)静止坐标系中三相PI调节器
(2)d-q同步坐标系下PI调节器
(1)静止坐标系中三相PI调节器
图6-2 静止坐标系中的PI电流调节器
(2)d-q同步坐标系下PI调节器
图6-3
同步旋转坐标下定子电流PI控制器
2.滞环定子电流控制法
图6-4
滞环电流控制器原理示意图
可靠性高。
2) 这种H桥串联型拓扑输出的电压波形随着级数的增加更加接 近于正弦波，du/dt小，可减少对电缆和电机的绝缘损坏，无需 输出滤波器就可以使输出电缆长度很长，电机不需要降额使用； 同时，电机的谐波损耗大大减小，消除了由此引起的机械振动， 减小了轴承和叶片的机械应力。
1.级联型多电平变换器的典型结构 3) 当某个功率模块损坏时，变频调速系统的主控系统通过检测
1.二极管箝位型三电平变换器
图6-16 三电平拓扑输出的A相和B相电压波形
1.二极管箝位型三电平变换器
图6-17
三电平拓扑输出的线电压波形
1.二极管箝位型三电平变换器
图6-18 三电平拓扑输出到电机的相电压波形
2.二极管箝位型多电平拓扑 1) 开通所有上半桥开关Sa1、Sa2、Sa3、Sa4，输出电压为Ua0=Udc。
dc/4)。
④ ⑤
开通Sa1、S、S、Sa4，其余关断(Ua0＝Udc－3Udc/4＋Udc/4)。 开通S、Sa2、S、Sa4，其余关断(Ua0＝3Udc/4－Udc/2+Udc/4)。
⑥ 开通S、Sa2、Sa3、S，其余关断(Ua0＝3Udc/4－Udc/4)。 4)当输出Ua0＝Udc/4时，对应开关状态有三种可能组合： ① 开通Sa1、S、S、S，其余关断(Ua0＝Udc－3Udc/4)。 ② 开通S、S、S、Sa4，其余关断(Ua0＝Udc/4)。
6.2.1 电压型PWM逆变器的主回路
图6-1 电压型PWM变频器的结构形式 a)可控整流器调压、六拍逆变器调频 b)不控整流、斩波器调压、 六拍逆变器调频 c)不控整流、PWM逆变器调压调频 d)PWM可控整流、PWM逆变器调压调频
6.2.2 电流正弦PWM技术 1. PI型方法
2.滞环定子电流控制法
双电平逆变器开关耐压为Ed，其每个开关管必须由两个开关元
件串联来充当(假设器件的额定值与三电平相同)，这样它的开 关器件数目将与三电平逆变器相同。
1.二极管箝位型三电平变换器
图6-15 NPC三电平逆变器电路结构图
1.二极管箝位型三电平变换器
但是这种三电平变换器结构也有它固有的不足：
1) 器件所需额定电流不同。 2) 电容均压问题。 3) 二极管可能需要承受不同反压。
(3) 通用型多电平电路的派生结构 这种通用的多电平拓扑的应用还包括开关电容DC/DC变换器和
倍压电路；此外，结合其他电路的使用还可实现双向的DC/DC
变换。也可以用三电平单元代替两电平单元来实现多电平变频 器。
(3) 通用型多电平电路的派生结构
图6-25 去除箝位开关后得到 的二极管-电容箝位式系统
(3) 通用型多电平电路的派生结构
图6-26
改进的背对背的二极管 箝位式系统
6.3.3 级联型多电平变换器 1.级联型多电平变换器的典型结构
2.级联型多电平变换器结构扩展
6.3.3 级联型多电平变换器
图6-27
H桥串联五电平变换器两相拓扑结构
1.级联型多电平变换器的典型结构 1) 采用常规低压IGBT器件，类似常规低压变频器，技术成熟，
图6-9 三相逆变桥 S(a,b,c)=1,上管导通； S(a,b,c)=0,下管导通。
1.磁通正弦PWM控制原理
图6-10
电压矢量图
2.磁通轨迹控制 由上述原理得到，要有效地控制磁通轨迹，必须解决以下三个
问题：
1) 如何选择电压矢量； 2) 如何确定每个电压矢量的作用时间； 3) 如何确定每个电压矢量的作用次序。
图6-21 三相电容箝位型五电平变换器主电路
3.电容箝位型多电平变换器 以下为图6-21电路中a相输出电压Ua0与桥臂开关管导通状态关
系：
1)当输出Ua0＝Udc时，对应开关状态为Sa1、Sa2、Sa3、Sa4导通， 其余关断。 2)当输出Ua0＝3Udc/4时，对应开关状态有三种可能组合： ① 开通Sa1、Sa2、Sa3、S，其余关断(Ua0＝Udc－Udc/4)。 ② 开通S、Sa2、Sa3、Sa4，其余关断(Ua0＝3Udc/4)。 ③ 开通Sa1、S、Sa3、Sa4，其余关断(Ua0＝Udc－3Udc/4＋Udc/2)。
确认哪一级模块损坏，可以整级将有故障的三相模块全部旁路
掉，相应的系统减小输出功率，降额使用(这个旁路过程本身可 以持续下去，直到足以支撑电机运行的最小输出功率为止，不 必更改主控系统的运行程序)；也可以采用特殊的控制手段，仅 仅将故障模块旁路掉，仍然使输出电压对电机出线端三相对称。 4) 输入功率因数高(0.95以上)，谐波小，整机效率高(96%以上)， 对电网的污染小。
6.3.2 箝位型多电平变换器 1.二极管箝位型三电平变换器
2.二极管箝位型多电平拓扑
3.电容箝位型多电平变换器 4.通用箝位型多电平变换器
1.二极管箝位型三电平变换器 1) 三电平逆变器在解决了上高压的同时，没有双电平逆变器中
两个串联器件的瞬时同时导通和关断问题，对器件的一致性要
求低，器件受到的电压应力小，系统可靠性高。 2) 开关产生的du/dt比传统两电平逆变器小，对外围电路的干扰 小；开关引起的电动机损耗小，对电动机的冲击小，在开关频 率附近的谐波幅值也小得多。 3) 由于三电平逆变器输出为三电平阶梯波，形状更接近正弦。 4)在同样的直流电压Ed下，比较双电平和三电平逆变器，由于
2) 开通开关Sa2、Sa3、Sa4、S，输出电压为Ua0=3Udc/4。
3) 开通开关Sa3、Sa4、S、S，输出电压为Ua0=2Udc/4。 4) 开通开关Sa4、S、S、S′a3，输出电压为Ua0=Udc/4。 5) 开通开关S、S、S、S，输出电压为Ua0=0。
2.二极管箝位型多电平拓扑
图6-19 三相二极管箝位型五电平变换器主电路
换电路称为多电平电路，用这种方法实现的变换器就是多电平
变换器。
2.多电平变换器的特点 多电平变换器与两电平变换器相比具有明显的特点：由于电平
数增加，输出波形阶梯增多，就可更加接近目标调制波(一般为
正弦波)；输出电平数的增多降低了输出电压的跳变；同时输出 电压谐波含量减少；阶梯波调制时，器件在基频下开通关断， 损耗小，效率高。在同样的开关频率下，多电平电路输出的谐 波分量低于两电平电路的输出，反过来，达到类似的输出波形 质量，多电平电路的开关频率可以降得较低，这在大功率应用 当中尤为重要。
VVF控制，先将电源提供的交流电通过整流器变成直流，再经
过逆变器将直流逆变成频率可控的交流电。对异步电动机调速 系统的主电路部分进行PWM控制，是进行能量控制并实现VV VF控制思想的重要手段，与数字控制技术结合还是交流电动机 其他高性能调速控制方法的基础。
6.2 电压型逆变器及其PWM技术 6.2.1 电压型PWM逆变器的主回路
多电平电路的另一个优点在于输出电压的跳变，也就是du/dt较
小。
3.多电平变换器结构综合
图6-12
电力电子电路基本拓扑
3.多电平变换器结构综合
图6-13
基本开关单元
3.多电平变换器结构综合
图6-14 多电平变换器拓扑 a)基于两电平桥臂和基本单元串-并思想的多电平变换器拓扑 b)基于两电平桥臂和基本单元并-串思想的多电平变换器拓扑
Байду номын сангаас
4.通用箝位型多电平变换器 (1) 通用型多电平电路结构 (2) 通用型五电平电路结构 (3) 通用型多电平电路的派生结构
(1) 通用型多电平电路结构 1)每一级都是独立工作的。
2)每一级中相邻的开关器件是互锁的。
3)该结构可以实现电容电压的自平衡。 4)该拓扑具有高度的概括性。 5)需要很多的可控开关管、功率二极管和电容。
2.二极管箝位型多电平拓扑
表6-1 二极管箝位型五电平电路a相开关状态与输出电压的关系
2.二极管箝位型多电平拓扑
图6-20 二极管箝位五电平拓扑的电压波形 a) 输出相电压波形 b) 输出线电压波形 c) 两电平拓扑的电机端相电压波形 d)五电平拓扑的电机端相电压波形
2.二极管箝位型多电平拓扑
通过对一个恒定幅值的直流电压进行脉宽调制的方式可以改变
输出电压的大小和频率，但其输出为幅值相等的PWM波，该P WM波只有两种电平，通常称为两电平电路。与此相对应的， 如果多个直流源和电力电子器件经过特定的拓扑变换，并且控 制不同的直流源串联输出，则在变换电路的不同开关状态下， 就可以在输出端得到不同幅值的多种电平的输出。事实上这是 通过多个直流电源之间的不同组合得到的，采用这种原理的变
(1) 通用型多电平电路结构
图6-22
通用箝位型多电平拓扑结构
(2) 通用型五电平电路结构
图6-23
通用型五电平变换器拓扑结构
(2) 通用型五电平电路结构
图6-24 通过开关的通断来实现电压自平衡的工作原理 a)=0时开关工作状态 b)=1时的开关工作状态
(2) 通用型五电平电路结构
表6-2 输出电压分别为0，1、2、3 和 4时的开关工作状态
2.滞环定子电流控制法
图6-5
带delta调制器的一相滞环定子电流控制器
3.预测控制法
图6-6
预测算法中的电流误差区域
3.预测控制法
图6-7 电流预测PWM控制
4.无差拍控制法
图6-8 电流无差拍控制PWM
6.2.3 空间矢量PWM技术 1.磁通正弦PWM控制原理
2.磁通轨迹控制
1.磁通正弦PWM控制原理
③ 开通S、S、Sa3、S，其余关断(Ua0＝Udc/2－Udc/4)。
5)当输出Ua0＝0时，对应开关状态为S、S、S、S导通，其余关 断。
3.电容箝位型多电平变换器 由上述分析可以看出，电容箝位型多电平电路具有以下特点：
1)需要对电容电压进行控制。
2)需要较多箝位电容。 3)同一桥臂内特定开关对的状态互补。
3)当输出Ua0＝Udc/2时，对应开关状态有六种可能组合：
① 开通Sa1、Sa2、S、S，其余关断(Ua0＝Udc－Udc/2)。 ② 开通S、S、Sa3、Sa4，其余关断(Ua0＝Udc/2)。
3.电容箝位型多电平变换器 ③ 开通Sa1、S、Sa3、S，其余关断(Ua0＝Udc－3Udc/4＋Udc/2-U
现代电力电子学
第6章 逆变器及调制技术
第6章 逆变器及调制技术 6.1 概述
6.2 电压型逆变器及其PWM技术
6.3 多电平变换器的拓扑结构 6.4 多电平变换器的PWM控制 6.5 本章小结
6.1 概述
逆变器把直流电变换成频率和电压可控的单相或三相交流电，
在交流电动机调速、不间断电源等系统中得到广泛应用。在交 流电动机调速系统中，一般通过改变电动机的供电频率来实现 控制电机转速的目的，但变频的同时也必须协调地改变电动机 的供电电压，即同时实现变压变频(Variable Voltage-Variable Fre quency，VVVF)控制。否则，电动机将出现饱和或欠励磁，一 般这对电动机都是不利的。通常采用电压型PWM变频器实现V
6.2.2 电流正弦PWM技术
6.2.3 空间矢量PWM技术
6.2.1 电压型PWM逆变器的主回路 1) 晶闸管整流器调压、逆变器调频的交-直-交变压变频装置(见
图6-1a)。
2) 不控整流、斩波器调压、六拍逆变器调频的交-直-交变压变 频装置(见图6-1b)。 3)不控整流、PWM逆变器调压调频的交-直-交变压变频装置(见 图6-1c)。 4) PWM可控整流、PWM逆变器调压调频的交-直-交变压变频 装置(见图6-1d)。