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可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器及控制方法

文檔序號(hào):7458227閱讀:533來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器及控制方法,屬于大功率逆變技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)
早期逆變器的輸出波形為方波或準(zhǔn)方波,控制策略和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但是輸出波形諧波含量過(guò)高。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,高開關(guān)頻率的SPWM控制技術(shù)廣泛地應(yīng)用于逆變器,輸出波形質(zhì)量明顯得到提高,并且輸出電壓的幅值可調(diào)。但是在大功率應(yīng)用場(chǎng)合,較高的開關(guān)頻率使得逆變器中功率器件的開關(guān)損耗較大。為了降低逆變器的開關(guān)頻率,提高輸出波形質(zhì)量,階梯波逆變器將多個(gè)方波或準(zhǔn)方波逆變器的輸出端經(jīng)過(guò)一定移相后串聯(lián),得到對(duì)稱的多脈沖階梯波。一旦逆變器的個(gè)數(shù)確定后,為了消除相應(yīng)頻率的脈沖倍數(shù)次諧波,逆變器之間的移相角也確定。在移相角確定后,通過(guò)改變每個(gè)逆變器輸出端變壓器的變比后得到幅值匹配的方波或準(zhǔn)方波,可以消除固定頻率的低頻諧波。在傳統(tǒng)的階梯波控制方案中,為了消除輸出階梯波中的低頻諧波,每個(gè)逆變器輸出電壓的幅值和移相角都依賴輸出端的變壓器合成。所用磁性元件的設(shè)計(jì)復(fù)雜,且需要在低頻工作條件下轉(zhuǎn)換全部逆變器功率,體積龐大。另外,逆變器輸出電壓基波的幅值也不可調(diào)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在結(jié)合階梯波控制方案和SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation,中文是正弦脈沖寬度調(diào)制)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出一種可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器及控制方法,該三相逆變器適用于大功率場(chǎng)合。本發(fā)明為解決其技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案
一種可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器,其特征在于主電路中包含一個(gè)三相三電平半橋逆變器和六個(gè)H橋逆變器,其中三相三電平半橋逆變器的a相輸出與第一 H橋逆變器、第二 H橋逆變器的輸出端串聯(lián)構(gòu)成階梯波合成式三相逆變器的A相輸出,三相三電平半橋型逆變器的b相輸出與第三H橋逆變器、第四H橋逆變器的輸出端串聯(lián)構(gòu)成階梯波合成式三相逆變器的B相輸出,三相三電平半橋型逆變器的c相輸出與第五H橋逆變器、第六H橋逆變器的輸出端串聯(lián)構(gòu)成階梯波合成式三相逆變器的C相輸出,接地線由三相三電平半橋型逆變器Sl引出。所述的三相三電平半橋逆變器和六個(gè)H橋逆變器的輸入端分別由七個(gè)相互隔離
的直流電壓源供電,電壓比值為2^:1:1:1:1:1:1,三相三電平半橋逆變器的abc三相輸出
電壓和六個(gè)H橋逆變器的輸出電壓為基波頻率的準(zhǔn)方波,三相三電平半橋逆變器的abc三相輸出電壓互差120度,第一 H橋逆變器的輸出電壓滯后三相三電平半橋逆變器的a相輸出電壓30度,第二 H橋逆變器的輸出電壓超前三相三電平半橋逆變器的a相輸出電壓30 度,第三H橋逆變器的輸出電壓滯后三相三電平半橋逆變器的b相輸出電壓30度,第四H 橋逆變器的輸出電壓超前三相三電平半橋逆變器的b相輸出電壓30度,第五H橋逆變器的輸出電壓滯后三相三電平半橋逆變器的c相輸出電壓30度,第六H橋逆變器的輸出電壓超前三相三電平半橋逆變器的c相輸出電壓30度。所述的三相三電平半橋逆變器和六個(gè)H橋逆變器中功率器件的基礎(chǔ)工作頻率等于輸出電壓基波頻率,階梯波合成式三相逆變器的輸出相電壓均為7電平階梯波。一種可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器的控制方法,采用單脈沖寬度調(diào)制時(shí),在一個(gè)三相三電平半橋逆變器和六個(gè)H橋逆變器輸出的準(zhǔn)方波電壓正半周期和負(fù)半周期分別插入一個(gè)以各自半周期中點(diǎn)為對(duì)稱軸的零電平;采用最優(yōu)正弦脈沖寬度調(diào)制 SPWM調(diào)制時(shí),在一個(gè)三相三電平半橋逆變器和六個(gè)H橋逆變器輸出的準(zhǔn)方波電壓正半周期和負(fù)半周期分別插入一個(gè)或一個(gè)以上以各自半周期中點(diǎn)為對(duì)稱軸的零電平,零電平的個(gè)數(shù)與所要清除的低頻諧波個(gè)數(shù)相同,通過(guò)改變零電平的寬度和位置調(diào)節(jié)階梯波合成式三相逆變器輸出相電壓的基波幅值,消去與插入零電平個(gè)數(shù)相同的低頻諧波和降低總諧波含量。本發(fā)明的有益效果如下
1、直接采用比值為2月1 1 1 1 1 1的七個(gè)相互隔離電壓源分別為逆變器模塊S1^S7
供電,直接調(diào)節(jié)七個(gè)逆變器模塊Sl…S7輸出電壓的超前和滯后角度,省去了傳統(tǒng)階梯波逆變器輸出端的低頻變壓器,同樣達(dá)到了消除固定頻率諧波的目的。2、逆變器的開關(guān)頻率低,效率得到提高。3、用作交流輸入變頻電源或變頻器時(shí),三相三電平半橋逆變器Sl的輸入電壓可直接整流得到,磁性元件的設(shè)計(jì)僅需考慮得到H橋逆變器S2…S7輸入電源的隔離變壓器, 變壓器轉(zhuǎn)換的有功功率僅為總有功功率的1/2 ,逆變器體積重量明顯減小。4、在任意基波幅值下,階梯波合成式三相逆變器輸出相電壓的諧波次數(shù)僅包含3 次、1 士 1和1 士3次諧波,其輸出線電壓中僅包含1 士 1次諧波(其中k為正整數(shù)), 其中的低次諧波還可通過(guò)最優(yōu)SPWM調(diào)制策略進(jìn)一步消除,諧波含量小,輸出電壓波形質(zhì)量好。5、在逆變器模塊S1^S7輸出的準(zhǔn)方波電壓正半周期和負(fù)半周期分別插入一個(gè)或一個(gè)以上以各自半周期中點(diǎn)為對(duì)稱軸的零電平,通過(guò)改變零電平的寬度和位置不但可以調(diào)節(jié)階梯波合成式三相逆變器輸出相電壓的基波幅值,而且可以進(jìn)一步消去與插入零電平個(gè)數(shù)相同的低次諧波和降低總諧波含量。


圖1階梯波合成式三相逆變器的連接框圖。圖2階梯波合成式三相逆變器中A相的連接示意圖。圖3階梯波合成式三相逆變器中A相的控制電路框圖。圖4階梯波合成式三相逆變器用作變頻器的系統(tǒng)框圖。圖5階梯波合成仿真圖。圖6單脈寬調(diào)制原理圖。圖7單脈寬調(diào)制輸出特性曲線。圖8單脈寬調(diào)制仿真圖。圖9多脈寬調(diào)制原理圖。圖10多脈寬調(diào)制輸出特性曲線。圖11多脈寬調(diào)制仿真圖。
上述圖中主要符號(hào)名稱S1——三相三電平半橋逆變器,S2^S7——H橋逆變器, Udcl^Udc7—逆變器模塊的輸入電壓,a、b、c—三相三電平半橋逆變器Sl的a相、b相、 C相輸出端,Ua, ub, Uc—階梯波合成式三相逆變器的A相、B相、C相輸出電壓,S、Sn S14、 S21 S24、S3廣S34—開關(guān)管,M—一MOSFET及其反并聯(lián)二極管,I——IGBT及其反并聯(lián)二極管, D11I12——二極管,C11X2——電容,u*a——階梯波合成式三相逆變器的A相采樣,Ifa—— 階梯波合成式三相逆變器的A相輸出電壓有效值,U*aref——階梯波合成式三相逆變器的A 相輸出電壓基準(zhǔn),Uffl——相電壓的基波調(diào)制電壓,V(cot)——階梯波逆變器的輸出相電壓, "t——相位角,Vd——逆變器模塊的輸入電壓幅值,θ廣θ Ν—調(diào)制脈沖寬度,νΓν4—— 電壓仿真波形,MagrMag2——電壓仿真頻譜。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。主電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所式,圖中包含一個(gè)三相三電平半橋逆變器Sl和六個(gè)H橋逆變器(S2、S3、S4、S5、S6、S7),其中三相三電平半橋逆變器Sl的a相輸出與第一 H橋逆變器S2、第二 H橋逆變器S3的輸出端串聯(lián)構(gòu)成階梯波合成式三相逆變器的A相輸出,三相三電平半橋型逆變器Sl的b相輸出與第三H橋逆變器S4、第四H橋逆變器S5的輸出端串聯(lián)構(gòu)成階梯波合成式三相逆變器的B相輸出,三相三電平半橋型逆變器Sl的c相輸出與第五H橋逆變器S6、第六H橋逆變器S7的輸出端串聯(lián)構(gòu)成階梯波合成式三相逆變器的C相輸出,接地線由三相三電平半橋型逆變器Sl引出。階梯波合成式三相逆變器中每相逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法均相同。以下以階梯波合成式三相逆變器中的A相為例介紹具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法。主電路結(jié)構(gòu)的具體連接方式如圖2所式。在具體實(shí)施時(shí),圖中所有的開關(guān)管S可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合采用MOSFET 及其反并聯(lián)二極管M或者IGBT及其反并聯(lián)二極管I替換。三相三電平半橋逆變器Sl采用了二極管嵌位型三相三電平半橋結(jié)構(gòu)的拓?fù)?,此處取?duì)應(yīng)的a相介紹,具體連接方式為開關(guān)管Sn S14順向串聯(lián)后連接在輸入直流電壓Udcl的正負(fù)兩端,電容C11和C12順向串聯(lián)后同樣連接在輸入直流電壓Udca的正負(fù)兩端,電容C11和C12之間的連接線引出逆變器的接地線。 二極管D11的陽(yáng)極與地線連接,其陰極連接于開關(guān)管S11與S12之間的連接線。二極管D12的陽(yáng)極連接于開關(guān)管S13與S14之間的連接線,其陰極與地線連接。第一 H橋逆變器&采用了全橋結(jié)構(gòu)的拓?fù)?,具體連接方式為開關(guān)管S21和S22順向串聯(lián)后連接在輸入直流電壓Udc2的正負(fù)兩端,開關(guān)管S23和S24順向串聯(lián)后同樣連接在輸入直流電壓Udc2的正負(fù)兩端。第二 H 橋逆變器S3同樣采用了全橋結(jié)構(gòu)的拓?fù)?,具體連接方式為開關(guān)管S31和順向串聯(lián)后連接在輸入直流電壓Udc3的正負(fù)兩端,開關(guān)管S33和、順向串聯(lián)后同樣連接在輸入直流電壓Udc3 的正負(fù)兩端。三相三電平半橋逆變器Sl中開關(guān)管S12和S13的連線與第一 H橋逆變器S2中開關(guān)管S23和、的連線相連接,第一 H橋逆變器S2中開關(guān)管S21和S22的連線與第二 H橋逆變器S3中開關(guān)管S33和、的連線相連接,由第二 H橋逆變器S3中開關(guān)管S31和、的連線處引出輸出相電壓ua。階梯波合成式三相逆變器的控制電路包含低頻諧波消除的移相階梯波控制和輸出電壓調(diào)制方法。三相逆變器中每相的控制方法相同,以下以階梯波合成式三相逆變器中A 相為例介紹其具體的控制策略,控制框圖如圖3所示。首先保證三相三電平半橋逆變器Sl
和第一 H橋逆變器S2、第二 H橋逆變器S3的輸入側(cè)直流電壓的比值Udcl Udc2 Udc3= 2^3:1:1。輸出端相電壓Ua經(jīng)過(guò)采樣和濾波之后得到輸出端相電壓采樣u\,再通過(guò)有效值運(yùn)算后得到直流量K。該直流量與輸出電壓有效值給定u*aref經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)后得到基波調(diào)制電壓um?;ㄕ{(diào)制電壓Um與所要消除的低頻諧波頻率確定后可以得到所需的三相三電平半橋逆變器Si輸出電壓波形,該輸出電壓波形在準(zhǔn)方波的基礎(chǔ)上包含了一個(gè)或一個(gè)以上以各自半周期中點(diǎn)為對(duì)稱軸的零電平,零電平的個(gè)數(shù)與所要消除的低頻諧波個(gè)數(shù)相同。通過(guò)改變零電平的寬度和位置調(diào)節(jié)階梯波合成式三相逆變器輸出相電壓的基波幅值,消去與插入零電平個(gè)數(shù)相同的低頻諧波和降低總諧波含量。根據(jù)三相三電平半橋逆變器Sl所需輸出的電壓波形,三相三電平半橋逆變器Sl 中開關(guān)管Sn si4的驅(qū)動(dòng)邏輯可以得到,于是第一 H橋逆變器S2中開關(guān)管S2^Sm的驅(qū)動(dòng)邏輯和第二 H橋逆變器S3中開關(guān)管S31 S34的驅(qū)動(dòng)邏輯均可以在此基礎(chǔ)上移相得到。通過(guò)移相使得第一 H橋逆變器S2的輸出電壓滯后三相三電平半橋逆變器Sl的輸出電壓30度,第二 H橋逆變器S3的輸出電壓超前三相三電平半橋逆變器Sl的輸出電壓30度。最后,三相三電平半橋逆變器Sl和第一 H橋逆變器S2、第二 H橋逆變器S3的輸出電壓串聯(lián)得到階梯波合成式三相逆變器的輸出端相電壓ua。階梯波合成式三相逆變器作為變頻器應(yīng)用的系統(tǒng)框圖如圖4所示。三相電源一方面直接通過(guò)整流濾波后可以得到三相三電平半橋逆變器Sl的輸入直流電源Udcl,另一方面通過(guò)六個(gè)隔離變壓器后再整流濾波得到六個(gè)H橋逆變器(S2、S3、S4、S5、S6、S7)的輸入直流電源Ud。fUd。7。調(diào)整隔離變壓器原副邊的匝比以保證輸入直流電源Ud。廣Ud。7的比值為
2^5:1:1:1:1:1:1。階梯波合成式三相逆變器的三相輸出相電壓輸入至電機(jī)的三相繞組,電
機(jī)的三相繞組為三角形連接方式。階梯波合成式三相逆變器的輸出電壓基波幅值和輸出頻率均可調(diào),可以為電機(jī)提供恒壓頻比的三相交流電源。圖5為階梯波合成式三相逆變器工作在以50Hz為周期,不調(diào)節(jié)輸出電壓時(shí)的仿真波形。開關(guān)管以電源的基波頻率開關(guān)動(dòng)作。V3為三相三電平半橋逆變器Sl中a相的輸出電壓仿真波形,為準(zhǔn)方波。Vl為第二 H橋逆變器S3的輸出電壓仿真波形,為超前V3 30度的準(zhǔn)方波。V2為第一 H橋逆變器S2的輸出電壓仿真波形,為滯后V3 30度的準(zhǔn)方波。三個(gè)
逆變器輸出電壓的幅值之比為^:1:1。V4為階梯波合成式三相逆變器中A相的輸出相電
壓仿真波形,為7電平、12脈沖階梯波。Magl為階梯波合成式三相逆變器中A相輸出相電壓仿真波形V4的頻譜,輸出相電壓的諧波次數(shù)中包含3次諧波、1 士 1和1 士3次諧波 (其中k為正整數(shù))。Mag2為階梯波合成式三相逆變器中A相輸出線電壓仿真波形的頻譜, 三相逆變器線電壓中僅包含1 士 1次諧波。圖6為階梯波合成式三相逆變器的單脈寬調(diào)制原理波形。圖中以單相相電壓為例,準(zhǔn)方波電壓的脈沖寬度保持為Q1不變,脈沖賦值為vD。在準(zhǔn)方波正半周期和負(fù)半周期分別插入一個(gè)以各自半周期中點(diǎn)為對(duì)稱軸的零電平,零電平的寬度為θ「Θ2,其中92為變量,調(diào)節(jié)02在0至Q1之間變化實(shí)現(xiàn)了輸出相電壓基波幅值的調(diào)節(jié)。輸出相電壓的表達(dá)式如下
權(quán)利要求
1.一種可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器,其特征在于主電路中包含一個(gè)三相三電平半橋逆變器(Si)和六個(gè)H橋逆變器(S2、S3、S4、S5、S6、S7),其中三相三電平半橋逆變器(Si)的a相輸出與第一 H橋逆變器(S2)、第二 H橋逆變器(S3)的輸出端串聯(lián)構(gòu)成階梯波合成式三相逆變器的A相輸出,三相三電平半橋型逆變器(Si)的b相輸出與第三 H橋逆變器(S4)、第四H橋逆變器(S5)的輸出端串聯(lián)構(gòu)成階梯波合成式三相逆變器的B相輸出,三相三電平半橋型逆變器(Si)的c相輸出與第五H橋逆變器(S6)、第六H橋逆變器 (S7)的輸出端串聯(lián)構(gòu)成階梯波合成式三相逆變器的C相輸出,接地線由三相三電平半橋型逆變器(Si)引出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器,其特征在于所述的三相三電平半橋逆變器(Si)和六個(gè)H橋逆變器(S2、S3、S4、S5、S6、S7)的輸入端分別由七個(gè)相互隔離的直流電壓源供電,電壓比值為1:1:1:1:1:1,三相三電平半橋逆變器(Si)的abc三相輸出電壓和六個(gè)H橋逆變器(S2、S3、S4、S5、S6、S7)的輸出電壓為基波頻率的準(zhǔn)方波,三相三電平半橋逆變器(Si)的abc三相輸出電壓互差120度,第一 H橋逆變器(S2)的輸出電壓滯后三相三電平半橋逆變器(Sl)的a相輸出電壓30度,第二 H橋逆變器(S3)的輸出電壓超前三相三電平半橋逆變器(Sl)的a相輸出電壓30度,第三H橋逆變器(S4)的輸出電壓滯后三相三電平半橋逆變器(Si)的b相輸出電壓30度,第四H橋逆變器(S5)的輸出電壓超前三相三電平半橋逆變器(Sl)的b相輸出電壓30度,第五H橋逆變器(S6)的輸出電壓滯后三相三電平半橋逆變器(Sl)的c相輸出電壓30度,第六H橋逆變器(S7)的輸出電壓超前三相三電平半橋逆變器(Si)的c相輸出電壓30度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器,其特征在于所述的三相三電平半橋逆變器(Si)和六個(gè)H橋逆變器(S2、S3、S4、S5、S6、S7)中功率器件的基礎(chǔ)工作頻率等于輸出電壓基波頻率,階梯波合成式三相逆變器的輸出相電壓均為7電平階梯波。
4.一種基于權(quán)利要求1所述的可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器的控制方法,其特征在于采用單脈沖寬度調(diào)制時(shí),在一個(gè)三相三電平半橋逆變器(Si)和六個(gè)H橋逆變器(S2、S3、S4、S5、S6、S7)輸出的準(zhǔn)方波電壓正半周期和負(fù)半周期分別插入一個(gè)以各自半周期中點(diǎn)為對(duì)稱軸的零電平;采用最優(yōu)正弦脈沖寬度調(diào)制調(diào)制時(shí),在一個(gè)三相三電平半橋逆變器(Si)和六個(gè)H橋逆變器(S2、S3、S4、S5、S6、S7)輸出的準(zhǔn)方波電壓正半周期和負(fù)半周期分別插入一個(gè)或一個(gè)以上以各自半周期中點(diǎn)為對(duì)稱軸的零電平,零電平的個(gè)數(shù)與所要清除的低頻諧波個(gè)數(shù)相同,通過(guò)改變零電平的寬度和位置調(diào)節(jié)階梯波合成式三相逆變器輸出相電壓的基波幅值,消去與插入零電平個(gè)數(shù)相同的低頻諧波和降低總諧波含量。
全文摘要
一種可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器及控制方法,屬于大功率逆變技術(shù)領(lǐng)域。該階梯波合成式三相逆變器的主電路中包含一個(gè)三相三電平半橋逆變器(S1)和六個(gè)H橋逆變器(S2、S3、S4、S5、S6、S7)。它們的輸入端為七個(gè)相互隔離比值為的直流電壓源。該階梯波合成式三相逆變器的控制策略包括消除低頻諧波的固定輸入電壓比移相控制和調(diào)節(jié)輸出電壓的單脈沖寬度調(diào)制或最優(yōu)SPWM調(diào)制策略。該三相逆變器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,開關(guān)頻率低,在大功率應(yīng)用場(chǎng)合具有體積小、效率高、輸出電壓波形質(zhì)量好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M7/49GK102545681SQ20121001448
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者曹劍坤, 謝少軍 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)
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