三电平逆变器

工作原理分析
由
S A、S B、SC
组成的电路共有3×3×3=27种组合，
对应主电路有27种工作模式，开关状态及相应电
压值如表所示
三电平逆变器基本原理
三电平逆变器基本原理
三电平逆变器控制方法
单脉冲控制
输出交流量的每半个周期中只有一块宽度可随控制角α调节 的矩形电压或电流脉冲，称单脉冲工作方式，即方波调制； 其输出频率通过脉冲周期进行调节，而输出量的有效值由脉 冲持续时间决定
三电平逆变器基本原理
工作原理分析
1( p)
SC


0(o)
1(n)
Tc1和Tc2导通
Tc2和Tc3导通
Tc3和Tc
导通
4
利用上述理想开关函数，每相桥臂电路结构可以 简化为一个与直流侧相通的单刀三掷开关S
三电平逆变器基本原理
工作原理分析
三电平逆变器等效开关 图
三电平逆变器基本原理
三电平逆变器
三电平逆变器
二电平逆变器简介 三电平逆变器基本原理 三电平逆变器控制方法 二电平与三电平逆变器比较
二电平逆变器
三相电压型逆变器（六阶波形）
原理图
二电平逆变器
工作情况
当T1导通时，uAN Ud / 2 当T4导通时，uAN Ud / 2 Uan波形是幅值为Ud/2的方波，而B、C两相与A
与二电平相比，三电平逆变器中的开关器件所 承受的电压是二电平的一半，为0.5Ud,元件耐 压水平可降低一半；当采用相同耐压水平的功 率开关元件时，三电平可承受更高的直流中间 电压，从而提升电机功率
二电平与三电平逆变器比较
以a相为例，理想开关函数为
ua uz (正侧载波) uz (负侧载波)时 uz (正侧载波) ua uz (负侧载波)时 uz (正侧载波) uz (负侧载波) ua时
SA 1 SA 0 SA 1
三电平逆变器控制方法
SPWM控制
电力机车采用三电平逆变器时，在恒转矩区低 速段时采用SPWM异步调制方式，以减少负载电 机脉动转矩与噪声
相似
电压波形
二电平 逆变器
二电平逆变器
电压波形
三电平逆变器基本原理
三电平逆变器原理图
三电平逆变器基本原理

电路构成
电容C1、C2
主管T11~T34,一般为IGBT等全控型元件，每一相均有4个串联而成
钳位二极管D10~D30，每一相两个反并联于上下桥臂的中间
每相四个续流二极管D11~D34，分别与每一相的四个功率开关元件反并联， 当逆变开关由导通状态变为截止时，为感性负载提供无功通路，维持电
单 脉 当冲 控 制 度 时 ， 度
度 时
60 <ɑ<90
三电平逆变器控制方法
单脉冲控制
三电平逆变器控制方法
单脉冲控制
由以上波形可以看出，当控制角0<ɑ<30度时， 输出波形较接近正弦波，当ɑ=15度时，UAN的波 形最接近正弦波，由12个阶梯组成；
而当ɑ>60度时，波形变为不连续的脉冲波，谐 波很大
基本思想：通过三相开关状态的组合转换，不仅控制电压 空间矢量的幅值，而且控制磁链矢量在定子空间运动轨迹 近似于圆，则所对应的三相电压必为对称且近于正弦。
二电平与三电平逆变器比较
二电平输出端对电源中点电位仅2个值，而三 电平有三个值
三电平逆变器输出端电压波形比二电平包含较 小的谐波分量，脉动转矩降低
T13、T 14导通，T11、T12关断， 则不轮电机负载的电流方向，A点
的电位为 uao Ud / 2(n)
三电平逆变器基本原理
工作原理分析 说明： 功率开关只有以上三种组合，并且Ｔ11和T14不能够同时 开通
T11和T13、T12和T14控制脉冲是互反的
为了防止同一相上下两桥臂的开关元件同时导通而引起 直流侧电源短路，逆变器中上述功率开关通断转换必须 遵循先断后通的原则，即先给应关断的元件关断信号， 待其关断后留一定的时间裕量，然后再给应导通的元件 发出到通信号，在两者之间留出一个短暂的死区时间， 死区时间的长短根据开关元件的开关速度来决定
三电平逆变器控制方法
单脉冲控制
当ɑ=0时，逆变器各桥臂开关函数以及对应负载上a相输 出电压波形为
三电平逆变器控制方法
单脉冲控制
当0<ɑ<30度时
三电平逆变器控制方法
单脉冲控制
当ɑ=30度时
三电平逆变器控制方法
单脉冲控制
当30度<ɑ<60度时
ɑ=60
三电平逆变器控制方法
三电平逆变器基本原理
工作原理分析
为了便于分析，定义三个理想开关函数：
1( p)
SA


0(o)
1(n)
Ta1和Ta
导通
2
Ta
2和Ta
导通
3
Ta
3和Ta
导通
4
三电平逆变器基本原理
工作原理分析
1( p)
SB


0(o)
1(n)
Tb1和Tb2导通 Tb2和Tb3导通 Tb3和Tb4导通
因此，在电力牵引传动系统中，逆变器采用三 电平主电路且机车运行于高速区时，方波控制 角都会满足0~30度
三电平逆变器控制方法
SPWM控制，即采用多个不同宽度的脉冲波控制
三电平逆变器控制方法
SPWM控制
采样方法
自然采样
规则采样
三电平逆变器控制方法
SPWM控制
A、B、C三相调制波ua、ub、uc相位互差120度，uz为三角 载波
3
断
断
通
通 -Ud/2 N
工作原理分析
三电平逆变器每相4个功率开关元件， 分3种开关工作模式,以A相为例：
T11、T 12导通，T13、T14关断， 则不轮电机负载的电流方向，A点
的电位为 uao Ud / 2( p)
T112、T 13导通，T1１、T14关 断，当负载电流为正时，形成O— —D10——T12——A通路，A点的 电位为0(O)；当负载电流为负时， 形成O——D10——T13——A通路， A点电位为0(O)
流继续在线圈中流动；当牵引制动时，续流二极管为再生电流提供通道，
使其回流到直流电源
二极管中性 点钳位电路
三电平逆变器基本原理
工作原理分析
三电平逆变器每相4个功率开关元件，分3种开关工作模式,以 A相为例：
工作模 式
V11
V12
V13
V14
输出电 压
代号
1
通
通
断
断 Ud/2 P
2
断பைடு நூலகம்
通
通
断
0
O
随着频率进一步提高转入分段同步SPWM方式， 使得开关频率限制在一定的范围内，且载波频 率变低后，在载波比为各个确定的范围内可以 克服异步调制的缺点，保证输出波形堆成
而在恒功率区使用方波，以期获得较高输出电 压
三电平逆变器控制方法
SPWM控制
起动阶段SPWM异步调制波形
电压空间矢量控制（SVPWM）