多电平逆变器

POWER CELL B3 POWER CELL C3
集成一体式 变压器
FIBER OPTICS
三相变压变频 高压输出
高压电机
CENTRAL CONTROL SYSTEM
18
三个单元输出的电压叠加得到一相的电压波形 (3300V 输出)
CELL 1 单元 1 CELL 2 单元2 CELL 3 单元3
第4部分： 多电平逆变器
1
4.1 简
介
4.2 H 桥逆变器 4.3 多电平逆变器拓扑结构 4.4 基于载波的PWM调制法 4.5 阶梯波调制法 4.6 应用实例
2
4.1 简 介
串联H桥逆变器: 英文Cascaded H-Bridge, CHB
S1
D1
S3
D3
Vd
ห้องสมุดไป่ตู้
Cd
S2
D2
v AB
S4
D4
3
4.2 H 桥逆变器
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2. 移幅载波调制法
M个电平的逆变器调制：
调制正弦波：调制信号通常为幅值和频率都可调节的一相正弦波（三相三个）。 通过调制波和载波比较，可以产生所需要的门(栅)极驱动信号。
三角波载波：需要(m-1)个三角载波。所有三角载波均具有相同的频率和幅值， 所有载波垂直排列。
频率调制系数： 幅值调制系数：
率传动系统中应用最为广泛的逆变器拓扑结构之一。
主要有两种方法：基于载波的PWM方法，即移相调制法和移幅调制法。
5
1. 双极性调制法
Vm：正弦调制波 Vcr：三角载波 Vg1、Vg3：上部器件S1和S3的门 极驱动信号 Vg2、Vg4：下部器件S2和S4的门 极驱动信号 同一桥臂中，上部器件和下部器件为 互补运行方式：一个导通时，另一个 必须关断。 Vab=Van-Vbn 双极性调制法：Vab的波形在 正负直流电压之间切换。 Vabn：第n次谐波电压的有效值。 mf：载波比。 谐波：以边带频谱形式出现在第mf 及其整数倍谐波处。例如2mf， 3mf等的两边。阶次高于/低于 （mf+/-2）的电压谐波成分幅值很 小,可忽略。 6
2. 单极性调制法
两个极性相反的正弦调制波：Vm和Vm-，它们的幅值和频率相同，相位互差180° 两个调制波都与同一个三角 波Vcr进行比较，产生两个 门信号Vg1和Vg3，分别驱 动H桥逆变器上部的两个器 件S1和S3。 单极性调制法： Vab逆变 器输出电压在正半周期中只 在0和+Vd之间切换，S3和 S2互补。在负半周期，则 只在0和-Vd之间切换，S1 和S4互补。 谐波：以边带频谱形式出现 在第2mf及其整数倍谐波处。 例如2mf，4mf等的两边。 阶次高于/低于（2mf+/-2） 的电压谐波成分幅值很小,可 7 忽略。
逆变器输出电压的 THD
36
4.5 阶梯波调制方法
7电平逆变器三个H桥 单元的输出电压
f sw,dev 600Hz
结果：
•移相调制法：各H桥单元的输出波形几乎相同，只是有一个比较小的相移而已 ，所以功率器件具有几乎完全相同的开关频率和导通时间。 相电压与移幅法相同，线电压VAB的THD为96.7％ •移幅调制法：单元H1和H2的输出电压和一直为零，功率器件不动作；H3的开 关频率等于载波频率，即3600Hz。 相电压与移幅法相同，线电压VAB的THD为48.8％ NOTE：为了使所有单元中的功率器件开关频率和导通时间平均分配，各单元 的开关方式应该采用一定的循环方法。
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1. 移相载波调制法
M个电平的逆变器调制：
调制正弦波：调制信号通常为幅值和频率都可调节的一相正弦波（三相三个）。 通过调制波和载波比较，可以产生所需要的门(栅)极驱动信号。
三角波载波：需要(m-1)个三角载波。所有三角载波均具有相同的频率和幅值， 但是任意两个相邻载波的相位要有相移，其值为：
cr 3600 /(m 1)
30
不同调制系数时的谐波情况
线电压的THD： 当ma=0.2时，THD=48.8％ 当ma=0.4时，THD=25.2％ 当ma=0.6时，THD=17.2％ 当ma=0.8时，THD=13.1％
31
实际运行波形
32
3.移相和移幅载波PWM方法的比较
比较条件： •两种方法中的器件开关频率相同 •ma=0.2时
11
S 31
S 21
H1
E
S 41
vH 1
S12
S 32
E
S 42
S 22
vH2
H2
N
12
结论：某些电压电平可由超过一种的开关状态实现。
例如：对于电压E，它可以由四种不同的开关状态实现。 这种冗余性的开关状态在多电平逆变器中非常普遍，使开 关状态的设计变得很灵活。 串联H桥逆变器输出电压的电平数为m，器件数为nSM：
8
4.3 多电平逆变器拓扑结构
1. 直流侧电压相同的串联H桥逆变器
串联H桥逆变器采用由多个直流电源分别供电的H桥单元 ，各单元的输出串联连接输出高交流电压。
5电平串联H桥逆变器:结构如下图所示，其中每相有两 个H桥单元，分别由电压为E的两个独立直流电源供电。
此直流电源可以采用多脉波二极管整流器实现。
用来产生单元H1中功率器件Sll和 S3l的门极信号
vcr 2、vcr 2
用来产生单元H2中功率器件S12和 S32的门极信号
vcr3、vcr3
用来产生单元H3中功率器件S13和 S33的门极信号 功率器件的平均开关频率为 :
f sw,dev f cr /(m 1)
29
7电平逆变器采用移幅载波调制方法时的仿真波形
21
22
4.4 基于载波的PWM调制法
多电平逆变器中，基于载波的调制方法可分为两类：
移相载波调制: 应用多个幅值和频率相同的三角载波与一相正弦
波比较，任意两个相邻的三角载波要有相移。
移幅载波调制: 应用多个幅值和频率相同的三角载波与一相正弦
波比较，所有载波垂直排列。三角载波幅值为移 相法中1/(m-1）。
H桥逆变器包括两个桥臂，每个桥壁有两个IGBT串联组成。 逆变器直流母线电压固定不变，输出的交流电压可通过PWM 方法进行调节，即双极性调制法和单极性调制法。
g1
Vd
S1
D1
g3
S3
D3
Cd
v AB
S2
D2
g2
g4
S4
D4
4
串联H桥多电平逆变器：
由多个单相H桥逆变器(也称为功率单元)组成的，把每个功率单元的交 流输出串联连接，来实现中压输出，并减小输出电压的谐波。是中压大功
15
A
A6
13电平串联H桥逆变器结构
每相6个功率单元 每个功率单元电压为630V 输出相电压为630V 线电压达6600V
VAC
A5
A4
A3
A2
VBA 120 o TYP. N B1 B2
A1 C1 C2 C3 C4 C5 C6
100% 电压输出
B3 B4
C
B5
VCB B6
B
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6KV系列高压变频器结构 (36脉冲整流)
m 2H 1 nSM 6(m 1)
m：逆变器输出电平数
nSM: 器件数
H: H桥逆变器单元数 NOTE: 串联H桥逆变器的电平数目总是奇数
13
串联H桥逆变器可完全扩展到任意电平数。下图给出 了7电平和9电平逆变器一相的结构。 在7电平逆串联H桥逆变器中，每相有3个H桥单元，9 电平逆变器中每相有4个H桥单元。
9
O
5电平串联H桥逆变器结构
A
S11
B
E
E
C
S 31
S 21
H1
E
S 41
vH 1
S12
S 32
E
S 42
S 22
vH2
H2
E
E
N
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工作过程
A
S11
1.逆变器每相可输出含有5个不同电平 的相电压。 2.当S11 、 S21、S12和S22导通时， H桥单元H1和H2的输出都为E，即： VH1=VH2=E。则逆变器输出的相电压 Van ，例如端点A相对于逆变器中性点 N的电压为2E。 3.当S31、S41、S32和S42导通时，为 -2E。 4.其他三个可以输出的电压电平分别为 E，0和-E，它们分别对应不同的开关 状态组合。 NOTE：逆变器输出的相电压Van并不 一定和负载相电压Vao相等，其中Vao 为负载侧端点A相对于负载的中性点O 的电压。
逆变器的输出相电压Van由7个 电压电平组成，线电压则有13 个电平。 相电压和线电压中的谐波主要 都为以mf为中心的边带谐波。 相电压包含有三的整数倍次谐 波，如：mf和mf±6。其中mf 为主要低次谐波，而这些谐波 不会出现在线电压中。 线电压的THD仅约为10.8％， 低于相电压的THD18.6％。
COMPOSITE 合成
dv/dt
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2. 直流侧电压不相同的串联H桥逆变器
•串联H桥逆变器中，不同的功率单元也可由不同电压的 直流电源供电。 •当采用不同电压的直流电源供电时，在每相H桥单元数 不变的情况下，逆变器输出的电压电平数目可以增加。 结论：当功率单元数目一定时，H桥逆变器通过采用不 同的直流侧电压输出电压的电平数目进一步提高 成为可能。
结论：
7电平逆变器： 每相3个功率单元、6个三角载波、相邻三角载波间相差60˚ 9电平逆变器： 每相4个功率单元、8个三角载波、相邻三角载波间相差45˚ 13电平逆变器：每相6个功率单元、12个三角载波、相邻三角载波间相差30˚ 19电平逆变器：每相9个功率单元、18个三角载波、相邻三角载波间相差20˚
m f f cr / f m
ˆ V m ma ˆ (m 1) V cr
ˆ 为调制波 v 的峰值， ˆ 为各三角载波电压的峰值。 式中： V V m m cr
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典型的移幅载波调制法：
IPD :In—PhaseDisposition （同相层叠法） 所有载波的相位完全相同。
APOD :Alternative Phase Opposite Disposition （相邻反相层叠） 任意相邻的两个载波相位相反。
单极性调制法
两个极性相反三角波：Vcr和Vcr-，它们的幅值和频率相同，相位互差180° 两个三角波都与同一个正弦 波Va进行比较，产生两个门 信号Vg1和Vg3，分别驱动 H桥逆变器上部的两个器件 S1和S3。 单极性调制法： Vab逆变 器输出电压在正半周期中只 在0和+Vd之间切换，在负 半周期，则只在0和-Vd之 间切换。
33
移相调制法： Vab在0-2E(-2E～0)之间切换
移幅调制法： Vab在E～2E(-2E～-E)之间切换
34
35
移相和移幅载波调制法的比较表
移幅载波调制法 （采用IPD） 不同器件不相同 不同器件不相同 需要 更好
比较 功率器件开关频率 功率器件导通时间 开关方式循环
移相载波调制法 所有器件相同 所有器件相同 不需要 好
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A
A
E
S11
S 31
E
S11
S 31
S 21
S 41
S 21
vH1
S 41
vH1
E
S12
S 32
S 22
E
S12
S 42
S 32
S 42
vH 2
S 22
vH 2
E
S13
S33
S 23
S 43
vH 3
E
S13
S 43
S33
S23
vH 3
E
S14
S 34
S44
S 24
vH 4
7电平和9电平串联H桥逆变器一相的结构
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A
A
S11
E
S 31
S11
S 31
S 21
H1
S 41
S 21
H1
vH 1
E
S 41
vH1
2E
S12
S 42
S 32
S 22
H2
vH 2
3E
S12
S 42
S 32
S 22
H2
vH 2
H桥单元H1和H2的直流电压：E、2E 7电平： 3E、2E、E、0、-E、-2E、-3E
H桥单元H1和H2的直流电压：E、3E 9电平： 4E、3E、2E、E、0、-E、 -2E、-3E、4E
一体式整流干式隔离变压器
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3KV高压变频器结构 单元串联多电平移相式电压源型逆变器
POWER CELL A1 POWER CELL B1
三相高压输入
POWER CELL C1 POWER CELL A2 POWER CELL B2 POWER CELL C2 POWER CELL A3
功率单元
LOCAL CONTROLS
POD :Phase Opposite Disposition（正负反相层叠） 在零参考线以上的所有载波同相位，零参考线以下的所有载波相位也相同， 但与零参考线以上的载波反相。 三种调制法中，IPD方法效果最好。因为电压谐波小。
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IPD法
APOD法
POD法
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IPD法工作过程
vcr1、vcr1
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Vcr1、Vcr2、Vcr3：产生桥 上部三个开关器件S11，S12 和S13的门极信号 Vcr1-、Vcr2-、Vcr3-：与载 波Vcr1、Vcr2、Vcr3分别有 180°的相移，分别用来产生H 桥单元上部三个开关器件S31、 S32和S33的门极信号。 所有H桥单元下部开关器件的 门极信号，与对应上部器件的 门极信号互补。 该控制法本质上为单极性调 制法。