（农业电气化与自动化专业论文）新型逆变器及其数据采集系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着电力电子器件的发展。p w m 电压型逆变器在交流变频调速、u p s 、电能质量控制器、 轻型直流输电换流器等电力电子装置中得到了越来越广泛的应用。p w m 电压型逆变器直流 侧所需的理想无脉动直流电压源通常通过整流加上大直流电容滤波获得。大直流滤波电容的 使用，给装置带来占用空间大、成本高及严重影响电能质量方面的问题。因此，研究如何减 小甚至去除逆变器直流侧电容。以及解决因其产生的低次谐波等相关问题，具有十分重要的 理论意义和实用价值。 本文在分析了三相逆变器国内外研究进展的基础上，研究一种去除或仅保留很小直流 电容的三相不可控整流逆变器新型逆变器。详细分析了新型逆变器的工作原理，对新型 逆变器在纯阻性负载及感性负载下的工作情况进行理论分析，并且在三相平衡输入系统及三 相不平衡输入系统情况下，对新型逆变器输出电压的谐波进行详尽的分析，确定新型逆变器 的谐波抑制方式调制波重构s p w m 技术。此技术可消除不可控整流桥输出直流电压波动 对逆变器输出电压产生谐波的影响，打破了传统逆变器直流侧为无脉动电压的局限，从而极 大地减小甚至去掉逆变器直流侧电容，简化了逆变器主电路和控制系统。 本系统以d s p 一1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为中心，新型逆变器主电路由三相不可控整流桥和三相 逆变桥组成。数据采集部分设计了采用基于霍尔效应原理的磁平衡式电压霍尔传感器模块 ( c h v - - 2 5 p ) 的直流侧脉动电压采集电路：采用模拟滤波芯片m a x 2 9 1 实现对直流侧脉动 电压采集电路输出信号的低通滤波，以获取直流脉动电压中的直流分量，用于调制波重构部 分计算；系统通过精密电流互感器( c t ) t a l 4 z - - 3 0 0 采集三相负载电流，并通过均方根值 算法计算负载电流的有效值。实现对系统的过流保护。 在数据采集系统硬件设计的基础上完成了对系统数据采集部分的软件设计。软件设计采 用模块化结构，由各功能应用子程序组成，相对独立的功能程序段均作为子程序来调用。 通过仿真试验，证明了新型逆变器及其调制波重构技术能够有效抑制直流侧脉动电压在 新型逆变器输出电压中所产生的低次谐波，验证了新型逆变器及其调制波重构技术的可行性 关键词：p w m 逆变器；调制波重构s p w m ：1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ；数据采集；直流电容 r e s e a r c ho f n e w - s t y l ei n v e r t e ra n di t sd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i cd e v i c e s ，p w mv o l t a g ei n v e r t e ri sw i d e l yu s e d ，s u c h 罄a c 嘲u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t ym o d u l a t i o nc o n t r o l l i n g , u p s p o w e rq u a l i t yc o n t r o l l e r , l i g h t - d u t yt r a n s m i te l e c t r i c i t yd cc o n v e r t e r t h ei d e a ln o n - f l u c t u a t i n gd cv o l t a g e s o u r c er e q u i r e d b yd cs i d eo fp w mv o l t a g ei n v e r t e ri su s u a l l ya c q u i r e dt h r o u g hc o m m u t a t i n ga n dt h eh e a v yd e c a p a c i t a n c ef i l t e r t h eh e a v yd ef i l t e r i n gc a p a c i t a n c ec a l lt a k em u c hs p a c e 、h i g hc o s ta n ds e v e r e l y i n f l u e n c ep o w e rq u a l i t y t h e r e f o r e i t sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yh o wt or e d u c eo re v e nb a n i s ht h e d es i d ec a p a c i t a n c eo f t h ei n v e r t e ra n ds o l v el o ws u bh a r m o n i ca n dr e l e v a n tp r o b l e m s t h i ss t u d y h a ss i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e s t h i sp a p e rl a b o r e do p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h et h r e e - p h a s ei n v e r t e ra n da n a l y z e dt h ew o r k i n g s i t u a t i o n so f t h et h r e e - p h a s ei n v e r t e ru n d e rp o r er e s i s t a n c el o a da n di n d u c t i v el o a do nt h eb a s i so f d e v e l o p m e n tb o t hh e r ea n d a b r o a do ft h et h r e e p h a s ei n v e r t e r , a n db yt h a te x c o g i t a t e da n o n - c o n t r o l l a b l ei n v e r t e r - - t h en e w - s t y l ei n v e r t e r w h i c hc a nb a n i s ho rr e t a i no n l yas m a l ld e c a p a c i t a n c e u n d e rt h et h r e e - p h a s eb a l a n c e di n p u ts y s t e ma n dt h r e e - p h a s eu n b a l a n c e ds y s t e m ，i t a n a l y z e dt h eo u t p u tv o l t a g e h a r m o n i c st h o r o u g h l y , a n dc o n f i r m e dw a yo ft h eh a r m o n i c s r e s t r a i n e d - - m o d u l a t i n gw a v er e c o n s t r u c t e ds p w mt e c h n i q u e t h et e c h n i q u e 啪b a n i s ht h e i n f l u e n c eo fh a r m o n i c sb yi n v e r t e ro u t p u tv o l t a g e , a n db r o k el i m i to fd es i d ew i t h o u tp u l s a t i n g v o l t a g eo ft h et r a d i t i o n a li n v e r t e r , t h e r e f o r es w i n g i n g l yr e d u c e do re v e nw i p e do f fd cs i d e c a p a c i t a n c eo f t h ei n v e r t e r , s ot h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o l l i n gs y s t e mw e r es i m p l i f i e d t h i ss y s t e mc e n t e r e do nd s p - t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h en e w - s t y l ei n v e r t e r sm a i nc i r c u i t c o n s i s t e do f t h et h r e e - p h a s en o n - c o n t r o l l a b l ec o m m u t a t i n gb d d g ea n dt h r e e p h a s ei n v e r t i n gb d d g e t h ed a ma c q u i s i t i o np a r td e s i g n e dt h ep u l s a t i n gv o l t a g ea c q u i s i t i o nc i r c u i to nd es i d e u s i n g m a g n e t i cb a l a n c et y p ev o l t a g eh a l ls e n s o rm o d u l e ( c h v - - 2 5 p ) b a s e do nh a l le f f e c tp r i n c i p l e ；a n d t h i sd e s i g nc a nu s es i m u l a t i n gf i l t e rc h i pm a x 2 9 1t or e a l i z el o wp a s sf i l t e rf o rt h eo u t p u ts i g r l a lo f c i r c u i to nd cs i d ep u l s a t i n gv o l t a g ea n da c q u i r ed ec o m p o n e n to fd ep u l s a t i n gv o l t a g et o c a l c u l a t em o d u l a t i o nw a v er e c o n s t r u c t i o np a r t ；a n da l s ot h es y s t e mw i l lc o l l e c tt h r e ep h a s el o a d c u l t e n tt h r o u g hp r e c i s i o nc u r r e n tt r a n s f o r m e r( c t ) t a1 4 2 r 广- 3 0 0 a n dc o u n tv i r t u a lv a l u ef o ri o e d c b r r e n ta c c o r d i n gt or o o t - m e a n - s q u a r ev a l u ea l g o r i t h m st oa c h i e v eo v e r f l o wp r o t e c t i o nf o rt h e s y s t e me t c b a s e do nh a r d w a r ed e s i g no f d a t aa c q u i s i t i o np a r tw ef i n i s h e dd e s i g n i n gt h es o f t w a r ef o rd a t a 东北农业人学t 学坝 学位论义 a c q u i s i t i o np a r t s o f t w a r ed e s i g ni su s e dm o d u l a rs 6 r u c c 【l f e a n di t i s c o m p o s e do fs e v e r a l a p p l i c a t i o ns u b p r o g r a m sw i t hd i f f e r e n tf u n c t i o n s ，r e l a t i v e l yi n d e p e n d e n tf u n c t i o n a lp r o g r a mi s c a l l e da ss u b p r o g r a m t h r o u l g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，i tp r o v e dt h a tt h en e w - s t y l ei n v e r t e ra n di t sm o d u l a t i n gw a v e r e c o n s t r u c t e dt e c h n i q u ec a ne f f e c t i v e l yr e s t r a i nt h el o ws u bh a r m o n i cp r o d u c e db yd cs i d e p u l s a t i n gv o l t a g ei nt h en e w s t y l ei n v e r t e ro u t p u tv o l t a g e ，a n dt e s t e da n dv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo f t h en e w - s t y l ei n v e r t e ra n di t sm o d u l a t i n gw a v er e c o n s t r u c t e dt e c h n i q u e k e y w o r d s ：p w mi n v e r t e r ；m o d u l a t i o nw a v er e c o n s t r u c t i o ns p w m ：t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ；d a t a a c q u i s i t i o n ；d cc a p a c i t a n c e c a n d i d a t e ：w e iy u n f e n g m a j o r ：a g r i c u l t u r a le l e c t r i z a t i o na n da u t o m a t i z a t i o n s u p e r v i s o r ：v i c e 。p r o f f a n gj u n l o n g 研究生学位论文独创声明和使用授权书 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 f 洼；翅塑直墓丝益噩挂型直盟的! 奎拦互窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我- - n - r 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位敝储虢魂高峰魄节多胄夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后适用本授权书) 学位论文作者签名：翅露高睁日期：冲月 e t 导师签名：反彳姒眺砷年月| 7 日 c 、 。一一 引言 1 引言 1 1 研究的目的与意义 电力电子装置是公用电网中主要的谐波源，随着电力电子装置在电力系统、工业、交通、 医疗、军事、国防及家庭中的应用日益广泛，电网中的谐波污染也日趋加剧，逆变器的谐波 问题引起了人们越来越广泛的重视( 季幼章，1 9 9 8 ) 。 由于p w m 逆变器的广泛应用及谐波会产生诸多危害，因此必须对p w m 逆变器的主电 路及其谐波抑制技术进行研究。研究p w m 逆变器主电路拓扑结构时，有以下几个方面应考 虑：应尽量少选用开关器件，以提高系统的可靠性，并降低成本：尽量减少逆变器中的电容 值、电感值和减少电容、电感元件在逆变器中的数量，以减小整个逆变器设备的体积，提高 可靠性，同时也降低设备的成本：电路拓扑结构应有利于逆变器向负载提供高质量的电能。 减小交流侧电流畸变率及输出电压频率及幅值的调节，而对p 删逆变器谐波的抑制则一方面 要尽量减小其自身所产生的谐波以达到网侧不用或少用滤波器的目的；另一方面p w m 逆 变器作为电压源对其负载而言则要提供理想的电压，所以必须对其所输出电压的谐波进行抑 制。为此必须对逆变器的主电路及其p w m 技术的谐波抑制效果进行分析对比，在此基础上， 本课题将对目前各种电力电子装置中应用最为广泛的s p w m 电压型逆变器进行深入研究以 使其性能得到进一步提高。实际应用中传统的s p w m 电压型逆变器直流侧所需的近乎理想无 脉动直流电压源都是直接从公共交流电网所提供的交流电进行变换获取，也即通过整流和大 直流电容滤波。大直流滤波电容的使用一方面使装置不但占用空间大、成本高及响应速度幔 等，同时它的使用也降低了系统功率因数，且增大了电网侧系统电流畸变率( 刘进军等，1 9 9 5 ) ， 更增加了逆变器系统侧滤波器的容量等；另一方面在能源短缺，特别是金属类不可再生资源 严重短缺的今天，不符合发展的方向，同时对外界的谐波污染程度也已成为衡量电力电子装 置好坏的重要品质指标，“绿色化”追求已成为热点( 周谦之，1 9 9 7 ) 。因此如何尽可能地减 小甚至去除逆变器直流侧电容，以减小装置网侧电流谐波和提高功率因数，使其符合对外无 谐波、低谐波污染的绿色电力电子传动系统、“绿色电器”( 钱照明等，1 9 9 8 ) 、“绿色电源” ( 朱建设等。1 9 9 8 ) 、“绿色变换”( 周谦之，1 9 9 7 ) 等已经成为电力电子装置的重要发展趋势。 综上所述，研究高性能、高可靠性、高集成度、低谐波、小体积、低成本及动态响应速 度快的s p w m 电压型逆变器主电路及其谐波消除调制、控制技术，以消除其因谐波、成本、 可靠性等而造成的一切不良后果并推动我国节能供电、高质量供电、高性能供电技术、新 能源的利用以及改善配电网电能质量等方面的发展，具有十分重要的理论意义和实用价值。 1 2 国内外研究概况 逆变器是指整流( 又称顺变) 器的逆向变换装置，即把直流电变成交流电的装置。作为现 代电力电子技术中最基本装置之一的p w m 电压型逆变器是随着器q t 碍fu 控制技术的发展而不 断发展起来的，采h jp w m 逆变技术的目的是为了获得不同变化形式的电能( 李永东等， 2 0 0 0 ) 。早期的半导体器件是普通的晶闸管# 控型器件，其开关频率很低，逆变输出的交流电 压的波形基本上是方波型，其电路原理图如图l - l 所示。要想改变输出电压的有效值，只有 改变方波的幅值，即靠前面环节改变直流电压的人小。在图卜l 中，前面的环i ，用来改变直 流电压的幅值，后面环节硝来改变频率。这种逆变器称为p 枷逆变器。这种前后分开控制的 变压变频控制技术称为脉冲幅值调制( p u l s e a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 方式，简称为p a m 方式。 可控整流器逆变器 a ) 可控整流一逆变方式 a ) c o n t r 0 1 r e c t i f i e r - i n v e n e rm o d e b ) 不可控整流一斩波一逆变方式 ”u n c o n t r o l l a b l e - r e c t 讯e r c h o p p e r - i n v e r c e rm o d e 图l lp a m 逆变器原理图 f i g 1 lt h ep r i n c i p l ec i r c u i to f p a mi n v e r t e r 随着全控型快速半导体器件如b j t 、i g b t 、g t o 、i o c t 等的出现和发展，逆变器才发 展为p w m 方式。即将变压和变频集中于逆变器一起来完j 贽一前面为不可控整流，中间直 流电压恒定，而后由逆变器既完成变频义完成变压，如图l - 2 所示。这种控制技术称为脉宽 调制技术，简称为p w m 方式。采用此调制技术的逆变器称为p w m 逆变器。整流器无需控 制，采用全波整流，而取消了以前的相控整流，这样既简化了电路，义提高了网侧的功率因 数，减小了高次谐波对电网的干扰；另外以p w m 方式代替p a m 方式减少了输出电压的低次 谐波( k h e u m a n ，1 9 9 1 ) 。 2 引言 不可控整流器直流电容逆变器 图1 - 2p 删逆变器原理图 f i g 1 - 2t h e 州n c i p l ec i r c u i to f p w mi n v e r t e r 在p w m 逆变器中s p w m 逆交器因其具有原理简单，通用性强，控制和调节性能好，具 有消除谐波、调节和稳定输出电压的多种作用等特点而得到了广泛的应用承1 研究。名为 s p 姗v i 逆变器就是期望其输出电压是纯粹的正弦波。为此，可以把每一个正弦波分为n 等份， 如图1 3 ( a ) 所示，图中n = 1 2 ，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与 此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点正好与正弦波每一等份的中点重合，如 图1 - 3 ( b ) 所示。这样，由n 个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。 同样，正弦波的负半周也可用同样的方法来等效。由图卜3 ( b ) 可以看到，等效的s p w m 各 脉冲的幅值相等，所以逆变器可由一恒定的直流电源供电。采用不可控整流的二极管整流与 大电容滤波就可达到目的。 ” 彻锄一 l iiii 髂魈抽 ( a t h d m t r a d a ) 正弦波；b ) 等效的s p w m 波形 a ) t h es i n ew a v e ：b ) t h ee q u i v a l e n tw a v e so f s p w m 图1 3 等效于正弦波的等幅矩形脉冲序列波 f i g 1 - 3e q u i a m p l i t u d ep u l s es e q u e n c ew a v ee q u i v a l e n tt os i n ew a v e 利用脉宽调制的概念，选用三角波作为载波，正弦波作调制波。因为等腰三角波是上下宽 度线性对称变化的波形，当它与正弦曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可 获得一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数数值的矩形脉冲，这正是s p w m 所需求的结果。 图l - 4 ( a ) 是s p w m 逆变器的主电路，图1 4 ( a ) 中正瓦是逆变器的六个功率开关器件，各 由一个续流二极管反并联接，整个逆变器由三相整流滤波提供的恒定直流电压玑供电。图 ! - 4 ( b ) 是s p w m 逆变器的控制电路，一组三相对称的正弦参考电压信号由参考信号发生器提 供，其频率决定逆变器输出的基波频率，应在所要求的输出频率范围内可调。参考信号的幅 值也可以在一定的范围内变化，以决定输出电压的大小。三角载波信号是共用的，分别与每 相参考电压比较后，给出“正”或“零”的饱和输出，产生s p w m 脉冲序列波，作为逆变器 3 功率开关器件的驱动控制信号。控制方式可以是单极式，也可以是双极式。采用单极式控制 时，在正弦波的半个周期内，每相只有一个开关器件开通或关断。采川舣极式控制时，在同 一桥臂上下两个开关器件交替通断，处于互补的工作方式。其输出波形如图1 5 所示。由图 1 - 5 可见，输出相电压波形是等幅不等宽、两侧窄中间宽的脉冲，输出基波电压的大小和频 率，是通过改变正弦参考信号的幅值和频率而改变的。 kjlj l 一留1 留一留 i 卜一 jlj【jl 一留1 留1 晤 a ) 主电路 a ) t h em a i nc i r c u i t u 9 2 0 - u 9 2 驱动t i t 6 j b ) 控制电路 b ) t h ec o n t r o lc i r c u i t 图i - 4s p w m 逆变器电路原理图 f i g 1 - 4t h ec i r c u i tp r i n c i p l eo f s p w mi n v e r t e r a ) t h eo u t p u tp h a s ev o l t a g eo f s i n g l e p o l es p w m b ) 般极式s p w i 输出相电压 b ) t h e o u t p u tp h a s ev o l t a g eo f d o u n e p o l es p w m 图1 - 5s p w m 的脉冲序列 f i g 1 - 5t h ep u l s es e r i a l so f s p w m s p w m 逆变器可分为电压源型和电流源型两种。它们的意义是，对逆变电路的输入直流 4 引占 电源来说是电压源还是电流源。表现在电路形式上，各个部分都不相同。电压源型也分为两 种结构。第一种结构输入整流为不可控整流，平滑滤波为电容滤波，逆变电路中开关管带反 并联二极管。这种电路结构简单容易实现变压变频调速。目前这种形式应用已经很普遍。 第二种结构输入整流为可控整流，平滑滤波为l c 滤波。逆变电路中开关管带反并联二极管。 这种形式是过去所用的所谓六拍阶梯波逆变器。电路复杂，控制也比较困难。输出谐波也比 较严重，现在已经并不常用。电压源型和电流源型逆变器各有自己的优点，也都有自己的不 足之处，它们的性能对比如表l l 所示( 李爱文等，2 0 0 2 ) 。 表1 - 1 电压源型逆变器与电流源型逆变器性能对比 t a b 1 - 1t h ec o m p a r i s o no f c u r r e n ti n v e r t e ra n dv o l t a g ei n v e r t e r 随后也出现了诸如特定消谐p w m 逆变器，随机p w m 逆变器等，其结构都基本类似， 只是调制控制技术不同而已。 目前在工程应用中，应用最广泛的是s p w m 电压型逆变器。但是由于其结构及其谐波消 除调制方式主要都是基于逆变电路直流侧电压波形为近乎理想的无脉动直流，因此在实际中 通常需要依靠整流加很大的直流滤波电容实现。 为了减小直流侧滤波电容的大小也有几人进行了探讨。例如，j i n h w a nj u n g ，s u n k y o u a g l i m 和k w a n g h e en a m ( 1 9 9 9 ) 提出了一种可控整流加小直流连接电容的p w m 电压型逆变 器，它采用了全控整流和线性化反馈控制策略，将逆变电路的工作状态等信息应用到整流电 路的电流控制中而使直流侧电压绞渡减小，以达到躐小直流侧滤波电容的且的。但是其主电 路采用全控整流，而使系统具有开关器件应用较多、控制系统很复杂及可靠性差等一些缺点。 王建元( 2 0 0 3 ) 提出一种基于d s p 新型p w m 三相逆变器，提出了减小直流侧滤波电容并减 小逆变器输出电压谐波的新方向。 1 3 本文研究的主要内容 为了迸一步提高应用最为广泛的s p w m 电压型逆变器的性能，获得良好的经济和社会效 益。必须对其主电路及谐波消除调制技术进行研究，解决s p w i v l 逆变器主电路及谐波等问题。 5 东北农业人学t 学形! 卜学位论文 本课题的研究旨在设计种新型的s p w m 电压刑逆变器，并致力于新璎s p w m 电压型逆变 器的基础研究。本课题的研究将对我国节能供电高质鼙供电高性能供电技术新能源的利用以 及改善配电网电能质量等方面发挥不可估颦的作用。 主要： 作包括： ( 1 ) 分析新型逆变器的工作原理： ( 2 ) 确定新型逆变器的谐波抑制方式； ( 3 ) 设计新型逆变器数据采集系统软、硬件： ( 4 ) 通过仿真试验验证系统设计的可行性。 6 新型逆变器的工作原理分析 2 新型逆变器的工作原理分析 如图2 - 1 所示，新提出的三相单相逆变器主要包括一个三相整流桥和一个逆变桥。通过 三相整流桥得到一个存在频率为6 ，唬( 其中厶为系统频率) 谐波的六脉动电压通过求出六 脉动电压的脉动成份变化率并叠加到调制波中得到可调的调制波，然后用三角波与可调的调 制波比较之后得到触发脉冲，通过控制调制波来消除不需要的6 倍频谐波分量在逆变器输出 电压中所产生的低次谐波。 图2 1 新型逆变器工作原理图 f i g 2 - it h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h en e w - s t y l ei n v e r t e r 2 1 新型逆变器主电路拓扑结构 本论文研究的新型逆变器主电路拓扑结构如图2 - 2 所示。新型三相逆变器以三相交流电 作为其输入，整流部分采用三相全挢不可控整流，三相逆变嚣采用标准的桥式逆变电路。 图2 - 2 中其中1 - d c 是三相不可控整流桥输出的直流电压，选择直流电压的中点作为零极性 参考点。p 互p 瓦是开关元件。l o a da , l o a d _ b ，1 , o a d _ e 分别表示为三相负载，z 恤为直 流侧电感，c 二为直流侧电容。根据负载的不同，可去除直流侧电容或极大地减小其直流侧 电容 7 玉 t， q 挥刍诛刍蕊瓜翮 e ：弋，、 jl dji d 3 id 6 vvv _ l 兰! 坚广一 弋y 一一 扭洳 v 二c 2l 研 屿兮一 hj z h 罴一 jl 皿j【皿j l 马 勾甲q 铲马铲 _ 工 图2 - 2 新型逆变器主电路拓扑结构图 f i g 2 - 2m a i nc i r c u i to f t h en e w s t y l ei n v e r t e r 2 2 新型逆变器的工作情况分析 三相p w m 逆变器的三相输出桥臂开关管的控制信号由三角载波和调制波相比较给出。 每个桥臂上下两个开关管触发脉冲时间互补，且对于三个逆变桥臂采瞒相同的三角载波与三 个相位互差1 2 0 。的重构止弦调制波进行比较与标准的止弦波调制相类似。为了使分析更加 清楚明了，将圈2 2 所示的主电路形式简化为如图2 3 所示的电路结构。图2 3 中直流电源u d 相当于整流桥输出的脉动直流电压，选取其电压中点为零电位参考点，其余器件与| 璺i2 一l 所 示元件相同。当五的触发脉冲为高电平时，a 点的电压总为u ，2 。反之，当乃的触发脉冲 为高电平时a 点的电压为一u , t 2 。由于正和互补，不同时触发导通，所以a 点电压只 有u 。2 两种数值。同理，b 点c 点电压也只有u ，2 两种数值，而与负载无关。 为进一步说明逆变器主电路选择的合理性，以下分别分析三相逆变器的主电路在纯阻性 负载和感性负载情况。f 的- i = 作情况。 图2 - 3 新型逆变器的简化主电路结构 f i g 2 3t h es i m p l i f yt o p o l o g yo f t h en e w - s t y l ei n v e r t e r 8 新型逆变器的工作原理分析 2 2 1 纯阻型负载情况 在纯阻性负载的情况下，逆变器三相输出的电流与电压相位相同，在任何时刻桥中各臂 只有可控元件导通，反并联二极管中没有电流流过，负载通过逆变桥从直流电源吸取能量( 王 兆安等，1 9 9 7 ) 。因此，如果通过新型的调制技术来抑制直流侧电压谐波对逆变器输出电压 的影响，完全可去掉逆变器直流侧的滤波电容。因此，主电路在负载为纯阻性时是合理可行 的。 2 2 2 感性负载情况 在感性负载的情况下，由于负载电感的续流作用，使得电路的工作状态与负载为纯阻性 的时候有很大的不同。存在感性负载有可能向等效直流电源侧倒灌电流的情况，所以必须给 此电流提供通路，以避免高电压的产生。以分析a 相桥臂为例，其它两相桥臂与a 相类似。 对于a 相桥臂存在7 种开关与电流流向的组合产生流向直流侧的倒灌电流，见图2 4 所示， 为清晰考虑，图中只画出了导通开关、电流方向及负载。倒灌电流的产生不仅与开关的状态 有关还与各相负载电流的方向有关。即必须同时符合图中所示的开关状态和各相负载电流的 流向才可能产生倒灌电流。设定电流流出桥臂为正，反之为负。f 。，f ，t 为负载电流。 下面在一个完整的调制正弦波周期内不同区间上的开关状态进行分析。设感性负载的功 率因数角为口，通过分析比较，可将功率因数角分为三个区间内进行讨论。 ( 1 ) 当o 口s , d 6 ，也即功率因数大于0 8 6 6 时。三相调制波及负载电流波形示意图 如图2 - 5 所示。 在j 区问圪 形，用载波进行调制时，正导通时疋一定导通，存在瓦不导通情况， 开关状态符合图2 _ 4 模式( c ) 、( f ) 。但务相电流方向为i o 0 ，i b 0 ，不符合倒灌 电流的流向条件，因此无倒灌电流：在x ，区间，屹 圪，用载波进行调制时，t l 导通时 一定导通，存在兀不导通情况，开关状态符合图2 - 4 模式( c ) 、( f ) 。当2 1 r 3 o c 口，+ 2 刃3 时，各相电流方向为f 。 0 ，无倒灌电流；x ；区 间k v o 用载波进行调制时，五导通时，瓦一定导通，存在疋不导通情况。开关状态符 合图2 4 模式( b ) 、( d ) 。当5 z r 3 0 。5 , r 3 + 口， 圪，正开时，正与正也一定开，此时三相负载形成环流，无倒灌电流：在五区间。 i o 0 ，无倒灌电流因此当负载功率因数角0 口s 州6 时，无倒灌电流，也即不需要直 流侧电容。 9 。-闽 i 。惑：每摧_ 留d _ 晤d 咂 a ) 模式l a 1 m o d e l 一留!一留巩陋 一：畸差 1 留d 恒 c ) 模式3 c ) m o d e3 j t i 强正司 ；1 岳：每瑙_ 留d 1 晤d 啊 e ) 模式5 e 、m o d e5 j 留! 。一留风网 ；一譬 b ) 模式2 b 1 m o d e 2 一蛀一留岛阐 ；一。每摧 d ) 模式4 由m o d e 4 j 留2一留。，母 ；一。息：气摧 1 留d 咂 f ) 模式6 0 m o d e6 g ) 模式7 g ) m o d e7 图2 - 4 感性负载下三相逆变器a 相桥臂产生倒灌电流的7 种模式 f i g 2 - 4s e v e n m o d e so f “r e f l u e n t c u r r e n t p r o d u c e db y a - p h a s e b r i d g e o f t h r e e - p h a s e i n v e r t e r w i t h r e a c t i v ei o a d 1 0 新型逆变器的工作原理分析 y v n i l a 财潍涮一 引一7 口r a d 图2 - 50 口： 州6 时三相调制波及负载电流示意图 f i g 2 5t h ef i g u r eo f t h r p h a s em o d u l a t i o nw a v a n dc u r r e n t s 勰0 口： 衫6 ( 2 ) 当6 口：s 衫3 ，也即功率因数大于0 5 而小于0 8 6 6 时，三相调制波及负载电 流波形示意图如图2 - 6 所示。 y v n i a iti d r a d 图2 - 6 州6 口： 万3 时三相调制波及负载电流示意图 f i g 2 - 6t h ef i g u r eo f t h r e e p h a s em o d u l a t i o nw a v e sa n dc u r r e n t sa s 霄 6 碰i 嚣f 3 疋区间，圪 圪，用载波进行调制时，7 = 导通时，正一定导通，存在l 不导通情况， 开关状态符合图2 4 模式( c ) 、。当州2 0 ，符合图2 4 模式( c ) 的开关方式及电流方向，有倒灌电流。当 口，+ 州3 睇s 2 ，r 3 时，i b 0 ，不符合倒灌电流流向条件，无倒灌电流；j 乙区间，i a 0 ， f 0 ，不符合倒灌电流流向条件，无倒灌电流：x ，区间，用载波进行调制时，互 导通，正不导通时，存在瓦的两种情况，开关状态符合图2 - 4 模式( a ) 、( c ) 、( e ) 、( f ) 、( 砂。 当5 州6 a 2 月r 3 + 盯，时，t 0 ， 不符合倒灌电流流向条件，无倒灌电流：同样，x 。和x ，区间，f 。 0 ，不符合倒灌电流流 向条件，无倒灌电流。在与x 。区间， 圪，屹 圪，五开时，正与正也一定开 。 。，。耋耋尘些耋耋丝耋尘塞耋二。，罡。，。一 此时三相负载形成环流无例灌电流a ( 3 ) 当州3 o l 州2 ，即功率因数小t - o 5 而大于。时，三相调制波及负载电流波形 示意图如图2 - 7 所示。 y v v 甜氏 v ci v av 。i 勰繇 j 丁 不i 添卜 口r a d 图2 7 ，r 3 口， , r 2 时三相调制波及负载电流示意图 f i g 2 - 7t h ef i g u r eo f t h r e e p h a s e r o o d u l a t i o nw a v e sa n dc u r r e n l $ a s 衫3 口： 0 ，存在图2 - 4 模式( c ) 的倒濯电流：x 2 区阆，当 2 ，r 3 0 ，存在图2 - 4 模式( c ) 的倒灌电流当 石3 + 口， d 5 n 6 时 0 ，不满足倒灌电流流向条件，无倒灌电流。工3 区间，用 载波进行调制时，正导通，五不导通时，存在瓦的两种情况，开关状态翻2 - 4 模式( a ) 、( c ) 、 ( e ) 、( t 9 、( 亩。在聿；! 个区间上t 0 ，i 6 0 ，所以在此区间只有图2 - 4 模式( e ) 同时符合此时的开关状态及电流方向，也即存在倒灌电流；z 。区间，开关状态同x 3 区间。 当厅 口s 2 万3 + 口，时，艺 0 ，不满足倒灌电流流向条件，无倒灌电 流。在x 。与x 6 区间， 圪，匕 屹，正开时，五与正g - - g 开，此时三相负载形成 环流，无倒灌电流。 综上所述，当功率因数角口：在【万f 6 ，, r 2 1范丽内，x ，、x 2 区间上只有图2 - 4 稹式( c ) 所示有倒灌电流，x ，、x 。区间上只有图2 - 4 模式( e ) 所示有倒灌电流。由式( 3 - 2 4 ) 和式( 3 _ 2 9 ) 可知，新型逆变器的新型调制波在以上划分的区间的过零边界点的位置不变三相调制波和 同一载波的交点位置不变，大小关系也不变。以上划分的区间边界点位置及各区间幅值大小 关系与标准正弦波一致，所以以上的结论同样适用丁新型逆变器。 由此可以看出，当三相逆变电路带感性负载时其输出电压不受负载的影响。因此，同样 可以通过新型的调制技术来抑制其直流侧脉动电压对逆变器输出电压的影响，直流侧电容主 要用来吸收感性负载倒灌的部分无功，所以可极人地减小逆变器直流侧电容。因此，主电路 在负载为感性时也是台理可行的。 下面给出新型逆变器直流侧电容容量的选取方法。 为分析方便，设调制波为标准正弦： 1 2 新型逆变器的1 二作原理分析 频率调制比 调制深度 三角载波 u ( t ) = 丘s i n ( 2 矾f ) 所，= 鲁c m ，为整数， d ：旦 疋 ，o ) = ( - 1 ) ”4 m ，t + ( - d ”1 ( 2 m - 1 ) 式中：z l 正弦调制波幅值( v )