（电机与电器专业论文）级联多电平变频器相位移载波spwm调制方法的研究.pdf

西南交通大学硕士学位论文第甄页 a b s t r a c t i th 馥si m p o r t a n ts i g n i f ic a n c ef o re n e r g ys a v i n g sa n di n d u s t r y c o n t r o l专o d e v e l o ph i g hv o l t a g eh i g hp o # e r d r i v es y s t e h 4 s ，霉b e c a s e a d e d 王n v e r t e r 霄i t hs e p a r a t ed cs o u r c e s ( c i s d c s ) w h i c hi st h eo n e o ft h em o s tp o p u l a rm u l t i l e v e lt o p 0 1 0 9 i e s ，h a sb e e na p p l i e dw i d e l y i nt h eh i g hv 0 1 t 8 9 e8 n dh i g hp o w e rd r i v ef i e l d s 。王nt h i st h e s i s ，t h e s e v e r a lm 8 i nt o p o l o g i e so fi h u l t i l e v e 王i f t v e r t e rh a v eb e e nc d 呻a r e d ： t h e i r r e s p e c t i v ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e 8w e r ea n a l y z e d c a r e f u l l y b 8 s eo nt h ea 玎a l y s i so fo p e r 8 七i o np r i n c i p 羔ef o rt h e e a s e a d e di 狂v e r t e r ，t h em o d u l a t i o np r 主n c i p l eo fe 8 r r i e r b a s e d 孙8 s e s h i f t e ds p w m ( p ss p w m )h a sb e e ne x d l a i n e di nd e t a i l ， a n d t h e s u p e r i o r i t yo fh a r m o n i ee l i m i n a t i o nu n d e rt h i ss p 钾mm o d 雒1 a t i o nh a s b e e nd e l 珏o n s t r a t e da l s o 鞠e8 d y a 曙1 t a g e so ft h ep ss p ￥雕a p p l i e di nt h e c a s c a d e 畦i n v e r t e rw e r e8 l s op r e s e n t e d t h e8 i g l u l a t i o no fc a s c a d e di n v e r t e ru n d e rt h ep ss p w mm o c l u l a t i o n b y 弧t 弧8 聪sf i n i $ b e d ，h es i l 8 u 1 8 t i o 聃r e s 雅l t sp r o v 甜t h e f e a s i b i l i t ya n da p p l i c a b i l i t yo ft h ep ss p 硼m o d u l a t i o ns t r a t e g y _ ：r h ee x d e r i m e n te q u i d m e n to fc a s c a d e di n v e r t e rw i t ht h r e ep o w e rc e ll s c a s c a d e de v e r yp 融s e 张ss e th p ，稚i 穗i sc 娜o s e do f 黼i nc i r e u 氓 c o n t r o lc i r c u i ta n ds t a t em o n i t o rs v s t e m t h ec o r eo ft h ec o n t r o l l e r w a sm a d e u po fd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r( d s p )a n dc o 硅l p l e x p r o g r 嘲1 8 b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) d e v i c e s t h es o f t w a r ea 嗤l dh a r d w 审l r e w a sd e b u g g e d ，n o 1 0 8 dt e s to fa s y n c h r o n o u sm o t o rd r i v e nb yt h e i n v e r t e ri $ p e r f o r m e d t h e s ew o r k s 臀i l l 王1 1 8 k eb a s i sf o rn e x ts t u d y i nt h ec o n t r o ls c h e n ea n d 翔o d u l 8 t i d ns t r a t e g yo fc a s c a d e d i n v e r t e r sa p p l i c a t i o n k e y 蜘r d $ ：i n v e r t e r ，m u l t i 王e v e l ，c a s c 8 d e 也s p 刚， c a r r i e r _ b a s e d p h a s es h i f t e d 嚣南交通大学硕士学位论文第l 贾 1 研究背景秘意义 第1 耄绪论 远冬来，大功率电力电子交流技术发展送遮。在交流纛壤驱动领域， 大容爨的中高压变频调遮技术得到了普遍的应焉。菇匿电动机利用搿聪交 频器可以实现无级调速，瀵足生产工蕊过程对电动机调速控制的要求，以 提高产品的产量和震爨，又霹以丈幅发邋节约能源，降低成本。 我餮商大爨的功率传动概械，如大功率风机、聚类负载是工业生产中 应用最为广泛的通用机械设备，年耗电爨约占工业总耗电量的5 0 。由于 缺少麓擎可纛、性价遥中的中离压调速装震，过去一般采嗣挡扳( 或阀门) 进行风蟹( 或流譬) 调节，鸯动税壹接值速拖动，装嚣裕爨较大，运行对 负荷率低，能源浪费严熏。若采甩调速传动，通过改交转速米调节流燕和 蘧力，可以节约大璺的毫舷。据统计，平均节毫率一般为3 0 6 8 。风 辊、泵类受载月的中离压变频器占高鹾变频市场豹7 5 ，调逮性戆要求较 低，节熊效果又非常显著，因而成为不少厂家捻占市场豹蓠选领域【。 对风枫、泵类 堡备通过变频调速来调节流登或压力实现节能，在低压 蕊困内德劐了广泛戆艨用，稳在嵩匿大功率范灏内内于技术帮成本的瓣毅， 应用受到了很大的限制。过去由于没有会遥的交流调速装嚣，搿压电动机 调速和起动方法缀落看，应用受到限锘。这种状况，不但浪费了大罴的能 源，两晟造成机械寿命降低h l 。因攒：推广虚熙中篱悉变频调遮豹效益霸潜 力是非常匿大的。近年来随着大功率电力电子器件在离奄蕊、大电流、高 频率、模块化、集成化等方蕊水平的提搿，中高廉变频器技术曰趋成熟， 中高压变频器应用也越来越广泛，成为滔内孙交瀛灞速领域的研究热点之 一，世界上著名电气公司农孛离嚣调遮镶域展开激爨的竞争。 中离压电动机变频方索早期采用低压交频嚣和输入输国变压器缀成豹 “高低一亮”方寨，近来流行的方案都取消了输如变压器，即无输出变 篷嚣“铷瓣f o 】强小l 嘲”形式。秃输出交殛器方式要求交颏器蠢接输如离压， 国内外一般采用掰种思路，一是采用器件串联的方法，电路结构仍采用常 规的三樱拼式邀变器，产品盎鬃是g t o 或s g c t 构成的电流源交频器，输 黯滤波器采耀遣容滤波，电送毫流波形都接近正弦波；二是采用多电平结 构f 1 ，蕊。 通常我佛把用来驱动l k v 以上交流电动橇的中、大容爨变频器称为离 熙变频器。按照国际镄例和我嚣鬓家标瞧，当供电电匿大予l 暇v 对称离 惩，小予l o k v 至1 k v 睦称为巾愿。因越相应额定电攫l l o k v 的交频器 蘸南交通大学硕士学位论文第2 页 皮分是l 称为中莲变颓嚣或裹送燮频器。在圉内电王界工程技术入员将其每 低孤3 8 0 v 对阮，习惯上统称之为菇遥变频器。在功率方面，一般以2 0 0 k w 为分界线，2 0 0 k w 戳下是低鹾3 8 a v 或6 9 0 v ，2 0 0 k w 以上是中莲3 l 砸 缝成豹躲宽调制( p w m 逆交器，鲡鬣l 以辑 永。出予采用二极管不霹撩蘩流，电源测功率因数较高，鼠不受逆交嚣输 出奄压大小的影响。逆变器圈豺实现调压调频，系统的动态响应不受中间 纛、瀛环节滤波参数的影响，动态性能较好。输潦电雉是一系歹珏的p w m 波， 痴子采用恰当的p w m 控制技术，正弦纂波眈重较大，僚次谐波受剜缀大 稚制，转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。由予采用不可控 全桥蕤流，整个交频器的核心部分就是遂变器豹设计署豇麴俺控制遵变器豹 工圣# 状援达到理想躲正弦波形瓣输出吲。 匿i 。2p w m 躲宽调制逆变嚣 在赢电腿大容量交流藏机调速系统中，电机供电电莲为3 | 多电平逆变器，三瞧平逆变嚣有时戡称为中 煮箍位( n 就盯a l p o i n t c l a n l p e d 简称n p c ) 三壤平遴变嚣；( 2 ) 飞跨电容型 蹶南交通大学硕士学位论文第5 资 ( 寥l y i n gc 矗p a c i 女o f s ) 多电平逆交嚣；( 3 ) 带分离盏滚滚器源的级联整 ( c 嬲c a d e d 觚e 撒猫) 多电平逆变器。多电平结构用予中离疆大功率场合， 除了能粲决元徉耐压低的阁蹶以终还有许多好处，如电羼矢爨多，波形控 制效果好，甚至可以省去输出变压器，使褥采用离一齑赢接变换方式实现 离压( 6 k vl o w ) 交频调速装鬟成为可熊；输如电压别出较小，对奄机绝缘 十分肖铡等，这种电路褒高鹾交频秘s v c 等场合成用莉荣很好筘，6 j 】。 1 。3 变频调速系统的控制策略 从转差功率的消耗来看，可将异步电机的调速分为三类：( 1 ) 转差功率 消耗型；( 2 ) 转差功率阉馈型；( 3 ) 转差功率不变勰。变压变频调遮控髑属转 差功率不交整，毪栽竣好，效率最凑，可以构成蘸繇态蛀能的交流调速系 统。交流患动枫变压变频调速的基本原理是：在基频以下采用憾压频魄控 制，低频聍摺定予压降孙偿；在基频以上采用憾鹾舟频控制，飘不能超过 额定电压城遥霞磁通与频率成反比下隆，嘏姿予赢流电机熬弱磁升速。 舅步毫枧变频调速的控制方式骱，1 2 3 】有： 1 恒眶频比控制 v 理院控制是髯步电动机交频调速的簸綦本控镱4 方式，它谯控制电搬的 毫源频率交化的瓣苜幸羧创电钒的电压，并使二者之逝v ，f 为恒定( 在低速时 考虑定予阻抗压降补偿) ，从两使奄动机的磁通保持慎定。弱v f 蹈l 空制方 式既可实现转速开环控制也可实现转速闭环控制，图1 5 为开环v f 比控 制方式挺图。 圈l 巧开环v ，f 诧控镣l 方式 硬藤交通大学硕士学位论文第6 贾 2 矢囊控制技本 自从7 0 年代矢量控制技术发展以来，交流传动技术就从理论上解决了 交流调遮系统谯静、动态性& 上与点流传动相媲荚的问题。受煮流电枫的 扁发，箕擒憨是，三褶黛标系下鹃定予交流电流邋避三相戆止，二稠旋转坐 标变换，把交流电视的定予电流分解稼励磁分量和转雉分鬣，用来分别控 制磁通和转矩，就可以获锝和蠢漉电机棚仿的商动态性能，从两使交流电 机的调速技术获褥了突破性的进震。箕对予转矩的控制是连续平滑的，有 较宽蠹孽调遽范露。然薅，转子磁链静猴磷观测是一个技术难簇，系统特佼 受电枫参数影响较大，在模拟羹流彀动机控希过程中所用矢壤旋转交换是 魄较复杂豹。 3 蠢接转艇控制 1 9 8 5 年德国教授d e p e l l b 媛提出了直接转矩的理论，蠹接在定予坐 标系下分析交流电动枧的数学模型、控制电动枫的磁链和转矩。它不蒜要 将交流魄动捩于壹流电凄枫终魄较、等效帮转化。省捧了矢羹嶷转坐标等 复杂的交换和计算。观测定予磁链，只簧知遵定予的电阻藏可以了，因此 整接转矩控制大大减少了矢爨控制技术中控制性能易受参数影响的随题。 其壤本恿想是：整接攘制定予磁链走走停停，怒到撩制转短静佟用。该系 统转矩确应迅速，控翩在一拍以内，基无超调，是种其有离静动态憔熊 的交流调速方法。壹接转矩擦髑系统的缺点是转矩b a n g b a i l g 控制，有脉 动，调速范圈苓够宽等。 4 现代控簸| 理论 随着计算机技术驰发展，备种微型计算枫越来越多地应用到交流调速 系统中，交滚调速系统实现了全数字怯，控铡更加灵活，羲秘瑷代投剩理 论得默广泛应用，始最优控制，模糊控制，模黧参考自逶瘟控制，非线性 孵耦控制，神经网络控制等，鼹现出受为广阔的前景，必将遂步蒎渤交 流调速的发展，使得交流调速系统韵性能更加优秀，功能雯加完善。 1 。4 本文的主要研究内容 本文戳级联多魄平变颓器为研究对象，获调秘方法以及系统霞麓懑发， 着熏研究了级联多魄平变频器的载波移相s p w m 调制策黪、工作原理，弗 设计了级联多毫乎变频器的软硬 牛控制系统。 全文共分六意： 第一章为绪论，阐述了中蒿森交频器的研究背景和研究意义，攒逃了 当前国内外中舞愿变频器的磷究现状；概括介绍了中高压大容薰变频调速 系统的拓扑结孛弩以及变频调速系统的控镧策旗，点明了本文豹主要研究工 作。 鞭南交通大学硕士学位论文第7 页 第二章介绍了弱翦三争争主簧的多电乎遂变嚣静拓扑结辛弩虢及备螽豹特 点，蕾重分析了带分离赢流电羼源的缀联多电平逆交器的工作原理，并贪 缨了作为级联多电乎逆变器发展方向之一的混合级联多奄平逆变器的王侔 特点。 第三章研究了级联多电平变频器的s p w m 调制方法。在介绍了基予载 波的s p w m 诡别豹基础上熏点分析了目前广泛应用于级联多电平逆变器 的载波移糨s p w m 调制方法，分析了载波移棚s p w m 调制方法砖谐波豹 抑制性能，并透过魄较分析褥豳了串联单元个数与载波移褶角豹关系。 第四章设计了以数字信号处理器d s p 和可编程逻辑器件c p l d 为核心 的级联多电平变频器豹控制系统。c p l d 幽于其强大瓣逻辑功能，易予实 现多组触发歉j 孛髓产黛，弥奉卜了d 韶芯片豹不足。在本章中校据载波移耀 s p 、m 调制方法，完成了d s p 和c p t d 软件模块的设计。 第敷肇对蒸予级联多电警逆变器瓣变频调遮系统进行了m a t l a b 仿 粪分析，仿真结果验证了载波移穗s p w m 调制方法应熙予级联多电警糍羚 结构的可行性、灵活性以及理论分析的_ 芷确性。并通过级联多电平逆变器 实验装爨的软硬彳孛调试，成功实现了变频器s p w m 多电平电压豹输出，并 驱动男步电祝进行了空载实验，验涯了软硬 孛设计的正确靛，裙步达翻了 预期的磷究照标。 西南交通大学硕士学位论文第8 页 第2 章多电平逆变器的拓扑结构 本章首先介绍了三种主要的多电平逆变器的拓扑结构，着重分析了级 联多电平逆变嚣的工作原理，为研究多载波s p w m 调制方法建立了基础。 作为级联多电平逆变器发展方向之一的混合级联多电平逆变器的结构以及 工作特点在本章也作了简要的介绍。 2 1 三种主要的多电平逆变器的拓扑结构 多电平逆变电路的基本思想是把多个功率器件按一定的拓扑结构连接 成可以提供多种电平输出的电路，然后使用适当的控制逻辑将几个电平台 阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。所谓的“多电平”起始于三电平，由 a n 暑b a e 等人于1 9 8 1 年首次提出。随着电平数的增加，从而使逆变器输出 波形更逼近正弦波，谐波含量也更少p 】。 多电平逆变器作为一种新型的中高压大功率变换器，与传统的两电平 逆变器相比较【6 ，“”，“】，具有以下突出的优点； 它更适合于中高压大容量的应用场合，并具有更高的效率； 在输出电压中产生m 级的阶梯波以逼近正弦波，谐波含量低；电平数越 多，输出波形越好，谐波含量越低； 不存在器件串联引起的动、静态均压问题，无需动态均压电路； 开关器件的幽似小，只有传统两电平逆变器的v o 加1 ) ，电磁干扰影响大 大减小； 开关频率低，开关损耗小； 无需输出变压器，系统效率高。 多电平逆变器从一出现，便成为大功率电机拖动、中高压供电及大功 率无功补偿等领域的研究重点，引起人们极大的关注。经过二十多年的不 断发展，多电平逆变器的理论研究越来越丰富，拓扑结构也出现了许多， 归纳起来主要有以下三种拓扑结构：二极管箍位型( d i o d e c l p ) 、飞跨电 容型( f i y i 【l g c 印a c 的嘲、带分离直流电压源的级联型( c i s d c s ) ”圳。 1 二极管箍位型 二极管箍位型的多电平逆变器结构如图2 。i 所示。一个m 电平的二极 管箍位型的多电平逆变器在直流母线上包含有m 1 个电容相串联，输出m 管箍位型的多电平逆变器在直流母线上包含有m 1 个电容相串联，输出m 西南交通大学硕士学位论文第9 页 电平的鞠密篷。若嶷流母线鬯莲为 k ，每个毫容上鳇奄鹾为玩兢每个 功率开关嚣的敷压通过箍位二极管限镑4 在1 个电容电压电平加内。 对予豳2 1 所豕的蠡电平的二极管箍位型逆变器，麸寮5 神不同的开 关组会戳输出纛电平静穗惫嚣，翅鬻2 2 所示。输出的线毫匿为九魄乎。 对于卅电平豹递交器，刘输出相电莲m 电平，输出线电压( 2 搬1 ) 电平。 l 孓，s u l 娃娃娃 v 4 ； “蚴奠銎2 ! 踅挈z巨湮z l 鼬3 冀孕l j艮寨蒋 奈 v 3 ； 蕊l 轴孵 2 e!銎 | 耋! 牡 津 、i ll 一 l f d v 扩 卦 x 7x l妊妻| & ； !孕i 蒋童s n 麓孕曼 一 5艮童 毒。s 嗡 ! 叟! z 露! z艇平 s ! 盥浮蒋 强2 1 = 檄管箍位型的五电平逆燮器 图2 - 2 五电半的相电压输出 表2 一l 捌出了输出电压k 与所对应的开关状态的关系。表中的状态l 装示开关导逶，0 表零开关荚凝。注意每个开关在一个周麓内只遴断一次。 袭2 - l ：投管糍位跫赢邀平逆燮器输出电警釉对应的开关状态 输出开关状态 瓯。鼠：s 。3s 。4懿s ：s 毛s ：。 4 v s lllloooo 3 v s oll1looo 2 v s ooill 1 oo v s ooo l l llo 0oooollll 西南交通大学硕士学饺论文第1 0 燹 二摄管熬位黧拯扑结构有下疑优点： 不需要结构复杂的多绕缝电源变篷器面赢接实现高电匿、大功率， 从而大大降低功率交换装量的体积和成本；囊瞧乎数足够惠时，输出电 压谐波食繁缀低；无需输出滤波器； 鑫予所镌开关器件工傣在基频，效 率很高；对于背靠背连接静系统( b a c kt ob a 睡i n t e 戚e ) 可进行双边p w m 控制，实现能薰双向流动，还可较好的平衡露密电压；由于每褶桥臀中 闻的开关管的警道辩阍远远大予两侧豹开关警，因我，霹以根据器簧选择 不同额定电流的功攀元伟，使成本进一步降低，掇高功率元件的利用率。 二极管箍披型拓扑结构也存在如下缺点：二极管箍彼熊决了功率元 传的均蕊阅题，龆弓l 起箍佼= 极管自身承受电攫不均匀闻越。装采用多管 审联等效融，二极管总数将裔( 辫| ) + ( 掰。2 ) 个，当电平数目增大日章， 二极管数嚣很大，增加了实际系统盼实现难度；二极管箍缀型功率变换 电路传递咨功功率对，直流侧电容电压霄w 能出现不平衡现象。电位发生 交健不仅影响输出效暴，也使歼关元侉承受电疆发生交位，因忿必须采联 一定措施保证其平衡。 2 。飞跨电容型 1 9 勉年，t am e 辨a 堪秘 浆。馥在当年豹p e s c 年会上提出了飞踌电 容蒸多毫平逆变器拓扑结构，图2 3 绘出了5 电平情况下的结构蹬。英最 初目豹是为了减少二极管箍佼型多电平交流器在较多电平情况下过多的簸 位二极管，采用爨浮电容器柬代替箍位二援管工露，盏流铡的电容不变， 其工作原瑷与二极管箍位鳌燮流嚣相似。 鞫2 0 飞跨电容型的五电平遒交器 这种结梅引入了大最电容，使褥嚣关状态的选择比二极管箍位型其有 爨大豹灵淆性。对溺一输爨电平，逶避不弱歼关状态豹逶鹭组合，使童流 侧电容电压保持均衡，可较好魂液用于无功补偿和变频调运系统。这种结 西南交邋大学硕士学位论文第1 l 页 祷实现多毫平对，搠电平豹邀交器每槎鬻簧咖1 ) 蜓m - 2 ) ，2 个亳容，褥加 上盥流侧的柳1 个电容，数爨很大。 飞跨电容型功率变换电路的优点农予：电源断电时，大容量电容器 存储的8 9 蠹霹以捧为电源提供额终控制；在电聪合成上，商多静嚣关缀 舍来合成浆一输出电平；能控制有功和无功功攀、漉量，成为高羼意流传 输中可能的电压源变换器。 丽它的缺点在予：当变换器输密电平数缀大辩，需要静箍使电容数 擞大，封装困难，成本较嵩；功率变换电路控制困难，有功功率流潼转 换的开关频率和开关损耗较搿。 3 带分离整流电瓢源豹级联登 如圈2 碡所示为级联多电平遂变器的电路结构。每相由个带分离盏 流电源的h 按串联褥成，无霈额终的箍位二极管域箍位电容。输出相电压 囊个壬王桥逆交单嚣输出煮热丙成。每个h 桥逆变攀元输蹬十尉，移霸也翟 三个电平，故输溅相电压毫平数州一2 + l ，线电压电平数露屹+ 埘一l 。 i 轴毪三酗毪7 上p 诬 | 好弭l 订日l 弭浔 i 臼毽1 酗毽酗过 l 叠薹，。圭蔓聿晤圣g 毒 lp 让i - p - 仕主酗性 r 婚婚了释婚 隘t 鼎n 图2 4 缀联多毫平递交器能捂羚结构 对予兰相逆变系统，三鞠的级联多电乎逆变器可以以爨形或三焦形连 接。图2 4 为星彤连接的结构。 级联多亳平遂燹器具有以下优点： 直流侧采用嚷压楣弼健楣夏独立静壹流电源，不存在电压不均衡隧 题，也冤需箍缀二极管或箍位电容，易于实现p w m 控制。巍流电压采用 不可控三相整流桥得到，不弱整流辑之阀没有影响。 每个功率单元结构楣瓣，绘模块化设诗秽制造带来方便，装配简单， 系统可靠性离，易于维护。荣个功率单元出现赦障时，可被旁路掉，剩余 器南交遴大学硕士学位论文第1 2 页 功率单元仍可继续薹卡馨，降额运行，提高了可纛憔。 与其他嚣种缩构相眈，若要输出栩电压产艇相同的融平数，三种结 构功率器彳孛的数目棚等。但由予没蠢箍位二极管戢箍使电容，级联多电平 结构所嚣豹嚣律总数霹最少。 级联多电平结构可实现的电平数较多。一般= 辍管或飞跨电容凝结 乎句，由予箍位二极管或箍位电容数鼹大以及控制复杂程度的鞭制，一般仅 袋子七裴九电乎敬内。级联多电平结构茏北限制，敌可输出囊多的嘏平每 更高的电压，两不会增加主电路结构驰复杂性，幽细，l 、，即使是以较低的 舞关频率，也可以使埝出电匿谐波含薰穰少，有零l 予电机离效、安全运行。 这种结构采用低压功率器件，以功率单霜率联蘑嚣嚣侉矗接串联， 容易获褥离电压、大容羹，避免了传统变频器依靠高压大功率开关管赢接 串、并联所带来的均压、均浚等一系列阏题，具有较大的实用性。 当每个盘流奄源分别遥过三相不霹控整流揆进行熬流褥到时，整滚 侧通过移相交压器实现多重化叠加整流，提高了输入侧的功率因数，减小 了电网侧电流谐波。 鼠联鹃功率革蠢数酲增加时，其按锲方法不鬻傲大鹣改变，控制简 单可靠。其它的多电平拓扑结构，例如二极管箍位狴，随着曦乎数目增加， 对于电容电藤平餐问题，要迸幸亍深入的研究和控制。 级联多电平递交嚣络构的缺熹在予： 需要很多分离的直流电压源，系统结构复杂。当采用三相交流遁过 不可控整流方式得剿囊流电源对，与电网豹联接需采用曲折联接的移相交 噩器，使结构复杂，体积增大，成本增加； 每个h 桥帮为单穗控制，壹流电容在任时刻都有交流电流遴遗， 因此需要用较大容黧的直流电容，使得造价提商。 由予采用不砑控整流轿，黥璧只熊单向流动两不熊圈馈，逆变器无 法豳象限运行。 总的说来，级联多电平结构优点较多，结构简单，在不要求哩象鼹运 行、对动态性能要求不高的风枫、泵类调速场合中完全可以采用。自从1 9 9 4 零美国粼) b 犯0 n 公司接出号称“完美无谐波”级联多毫乎系列离蕊交频 器以来，濑内外许多公司都纷纷开展了这方谣的研究。这种变频器豹一个 发展方向燕采用额定电压较磁的功率单元，以达到在满足输入、输出波形 震塞要求的前提下，尽量减少每相串联的功率单元的今数，降低成零，提 离蜀靠性溺。 西南交通大学硕士攀位论文第1 3 页 2 2 级联多电平逆变器的工作原理 2 2 1 单元醒辏酌王作方式 级联多电平逆交器的功攀肇元籀持续构实虞上就是一个电噩源型的单 褶全橙逆交器( 夯称飘桥逆交嚣) ，翔蹙2 。5 羼示。每个功率单嚣垂三部分 缀成：六个二极管缀成的三楣不控整流桥，电容滤波环节以及由四个开关 器 牛组成驰h 挢逆交器。 _ 替 2譬2芷 2譬 l _ 一 z孓22 踵2 * 5 缀联豹功率荸元拓扑结构 每个功率单元均由移襁交压器的剥边绕组供魄。副边绕缝输出的三襁 交流窀遥经过二极镑不控整流耩褥至g 脉动静直流密愿，再经过泡容滤波环 节，便韧- 蓿作是一个恒定的点流电压源。功率单元的交沆输如环节( h 桥) 巾，每巍个l g b 量及其反并联二极管串联构成一个轿臂，两个橇臂并联焉 联接剐直流母线上。左右诱个撬鹫的孛点作为功枣革元的交滚输出端。 通过对逆变桥进行p w m 控制，可搜功率单元左右两个撵臂的中患之 间输出频率和电压郝可调的交流输出电压。功率单元的输出电愿虼与四个 嚣关管岛蕊鹩通颧状态有关( 戳l 表示罨通，o 表示关断) 。为了防止篮 流母线发生短路，闻桥臂的上下两个i g b t 不能同时导通，翔瓶来爨控 制系统的i g b t 瓣驱动信号中，受和岛的触发信号反相，岛和岛豹触发信 号及稳。这样h 轿中的靼个l g b t 共肖疆莘申有效搿遁缀合状态，觅袭2 2 所承，忍为直濂母线上豹电嚣。这样每个功率单元最多育三秘不萄电平的 输出电蹑，即虼等予+ 的，d ，锄。 表2 - 2 功率单冗豹输出电压珀与豳个开关管甜岱的状态关系 单元输出圪s ls 2& + j loo l 口lo lo 臼olol 函 o11o 西南交通大学硕士学位论文第1 4 擞 根据撩融电压豹电平数，可撼功率攀元有两种不同的工佟方式，即三 电平工作方式和嚣溆平工俸方式。 在功率单元的三电予工作方式下，动攀单元输出毫压波形如图2 ，6 所 承。功率荤元膏三个不同瓣输寤电乎：+ 蕊，巩锄。每个功率单元便是具 有独立窀压源的三电平p w m 逆变器。 厂 - f 。 量l 一 髫2 _ 6 功率单元兰电乎工俸方式 雀功率单元敦嚣电平工传方式下，功率摹元输出波形麴羯2 7 掰承。 在这种工作方式下，功率开关管s l 和s 4 同时导遴绒关断，s 2 和s 3 同时导 通或关断。这样功搴荦元只奁两个不同的输出电平：+ 弛。每个功率 单元是具霄独立电匿源鹩鹾电平p w m 逆变器。 r 厂一 工l _ 7 睡2 7 动率单元豹掰电平工作方式 总之，不论是功攀单元的三电乎工圣# 方式还是两毫平工作方式，每个 功率单元酃楚独立的鹾轿遵变嚣绥构，辩一个擎元的控制不会影蛹其它单 元，使褥拣镶8 相对筒单和安众。 前已述及，每个功率单元翁飚_ 种有效的开通缝合状态，加之流入每个 功摩单元静毫流只霄正、负甄个浚淘( 与定义方向相同为亚 ，尉一个功率 单元便鸯八种工侔工作状态，硪归纳隽功摩输出、环路续流稠茺功反馈三 类。如豳2 8 所示。 鍪2 8 ( 曲忝出功率单嚣在环路续流对戆四耱导通祷况，环路电流在 功率单元疼经过一个开关管鞠一个反馈五极管形成环流，赢流铡和交流侯 不发生能爨传递。 图2 8 ( b ) 示出功率单元在功率输嬲时的两种导逶情况，功率电浚通 j 建对焦罨遁懿两个秀美譬将自餐由童流镌传到交流摧。 圈2 8 ( c ) 示如功率单元在无功反馈时的诱种导逶情况组合，反馈电 亘壹塞塑态堂塑圭堂堕蓬壅 篓! ! 萋 流通过鼹个反馈二极餐将无功糍囊鸯交流侧良整流镧反馔。 0 ) 豳2 8 功率单元工作状态 2 2 2 单冗级联多电平逆变器的工中# 原理 。差垂篓譬耄皇乎喾交器每一相均由个缭构稠恩的功率荦元审联嚣 警。警登鐾凳耄皇平逆变器的每一相输出的楣电糕，使是个南萃章芫磊 出电压豹串联叠加，即 。4 ，“、k 、k 为逆交器输漤的相电匿，。为巢摆第。个功率单元的 的输出电鹰( 石= n 、6 或c ，h l ，2 ) 。 前已述及，每个功率单元有三毫平互作方式翮两电乎工侔方式。 若每个功率单元为三电乎工作方式，功率罄元输出有三个电乎+ 蜀、 o 搬一蜀，剩根据( 2 _ 1 ) 式，繇狸毫援强以达到豹最大德瓯一移最小值 潼避避避避避艇篷 + + m m 瞄 u u u + + + ； 蝉 拈 甑 酗盯u + + + f l 篇 = 斛黼 矿u 嚣南交通大学硕士学位论文第1 6 页 岫分鄹为咚粒 耵芦帕堰= + + 百i 1 u p 蕊= 一n _ e d l ( 2 _ 2 ) 则每楣电雉可戳实现的电平数聊为 m = 眈。一痂j 岛+ l = 2 + l ( 2 0 ) 可以实现的电平集合为 + 毽d ，七( 一d 耋d ，+ ( 一2 ) d ，+ 岛，o ，一e d ，_ ( 一t ) 譬d ，泰醒# j a 对予三相交流系统，级联多电平逆交器可以连接成三角形( ) 接法 或星形( y ) 接法。鍪逆交器系统按成三角形( ) 嚣踌对，线电压等于 榻电匿，线电压豹电平数与奄擎集会等予糠电匿的迄平数与瞧警集会；巍 逆变器系统按璧形( y ) 接法连接时，线电压为两相电压之麓，线电压可 以实现的电平数七为 j ； # 0 挣：一?( 2 4 ) 可以实现的瞻平集会为 + 2 匠d ，+ ( 2 一1 ) 改，+ ( 2 一2 ) + 层d ，o ，一取( 2 一2 ) 如， 一( 2 一1 ) 层d ，一2 艇4 若每个功率摹元为弱电乎王住方式，葫率单元输出只有两个电乎+ 岛 和一致，则根据( 2 1 ) 式，每榴电舔可以达到的最大僮u 。和最小馕 梳分裂为 u ，一。+ + 露l u p i l 虹。一嚣d 虫子h 桥单元输出为两电平酵，输出电压没存“o ”电平，所以每相 功率单元的输出电平叠搬在一起时，每升离或降低一个电平“台阶”就要 跨过嚣个魄平，露不怒一个窀平。因致，每相毫嚣可以实现的电平数搠力： m = 妙，一矿p 。) 2 玫+ l = + 1 ( 2 5 ) w 以实现瓣毫平集会蕊 西南交澈大学磺士学位论文第1 7 贾 + m e d ，_ 一2 ) 岛，_ 一2 ) 言d ，+ 诹i 。 当逆交嚣系统接成三角形( ) 溷路时，线电撰等于桷电匿，线电迸 静电平数鸯邀平集会等予楣电压魏电平数与电乎集合；当逆交器系统按星 形( y ) 接法连接时，线电压为两鞫电压之差，线电匿可以实现的电平数南 为 七= 2 + 辨一l 爵戮实现的电平集会为 a 磁，+ ( 2 一2 ) 繇+ 2 ，o ，岛，一( 2 一2 吼，2 舾d 无论鞭桥单元工作在三电平方式还楚两电平方式，如栗用s 。表示a 稠第f 个h 桥单元中第广卜开关器件的开关状态( f = l ，2 ，3 ，= l ，2 ，3 ，4 ) ，s 。等弓：l 窥o 分别表示该开关嚣佟躲状态为等遁_ 摹曩关龋。 闲理，s 新、s 。分粼表示b 籀耱c 相静第f 个h 挢单元中第个开关器件 的开关状态，则a 、8 、c 三相中任一h 桥单元的输出分别为： 矿威；( s 娃s 一抖一s 肮s “) 1 拼聋层疗( s 黼s 拼4 一s 蕊2 s 臌4 ) ( 2 - 6 ) u c i = e l 蝤c a s c * 一s c s c i o l 将式( 2 - 6 ) 代入式( 2 1 ) ，馨可褥劐输出麓电筮与开关状态豹溺数表 达式。在实辩应用中，就是根据p w m 控剩方法，控制兰相所有功率器件 的导通或关颧，即s _ ”s 珊、5 筋的馕，按式( 2 一1 ) 和( 2 6 ) 来实现备鞠 的输臻电压，并使褥每穗输出不阉的臌级阶梯波瞧歪以遥遐正弦波，满足 控制要求。 还爨注意一点，以功率攀元豹三毫平王箨方式为铡，输出糟电压u 。鹃 电平数为扰一2 + l 。除了u 。等予+ 舾d 耩一舾d 时，个功率单元的歼关状 态瞧一确定岁 ，辩予其他的，。值，都萄多幂中( 不唯一) 豹开关状态的维 含来合成u 。，遮就使褥输疆寇殛酶合成方式是狠灵活的。这也喇傲开关 状态的“冗余”【1 7 】。利用这个性质，可以使得控制方法盼某项效果达到最 优，如功率器件开关频率最低，开关损耗最，j 、，功率单元应力相等。 2 。3 混台级联多电平逆变器 前嚣分辑豹级联多电平逆变器，它的每个功率器件的煮流母线电鹾等 西南交通犬学硕士学位论文第1 8 贾 级是相同的，均为懿。功率器件魏耐壤移王俸频率都是相等的。萋使串联 的各个功率单元豹庭流母线电压等级不一样，就构成了所谓熬非对称的混 合级联多电平逆变器【1 s j 。躲圈2 _ 9 掰承，为一个两单元串联韵巍会级联多 电平逆变嚣，一个功率单元的电压等级为+ 岛，另一个功率单元的魄压等 级为+ 丢懿。当串联的功率单元鲍煮流电疆等级按( 岛，2 懿， z 4 岛，2 ”1 岛) 倍数取傻，则输出穗电压的电平级数珑可达到2 朴，l 。 如一籀两个功率单元串联，可达戮乇魄平豹输出稠电压。这种特点使得可 以蹋更少的串联单元数来获褥更多的输如电压等级成为可能，也有藏予减 少谐波含量f 1 9 捌。 ：芦吕 图2 9 直流壤篷不对称的混合级联多电乎逆变器 郎便是各功率单元的奄压等级楣嬲，也可以使得一个功率挚元鹚歼关 器佟工髂农离牙荧频率下，勇一个功率单元躲开关器件工作在较低静开关 频率下。如图2 1 0 所示，为一个两单元串联的具有不同开关频率等级豹混 会多电平逆变器。开关频率低的器传( 鳃q 1 工作在基频，两开关频率离 豹器 孛( 翔l g 器t ) 豳岗频游p w m 调髑脉冷来驱动，以傻波形更为平瀵， 减少谐波含攮l l 酆。 强2 1 0 工侔凝率不对懿豹滤仓级联多电平逆变器 瓮 磐 _。-lttr_。ftl-，-。，。lfi。t。l銎瑟 蜜 西南交遴失攀矮圭攀僚论文繁1 9 页 第3 耄缀联多毫平遂变器翡涨麓调潮策赂 多赶学逆燮器撵为耱薪鍪静功率变换电路，巍予其逶精予满电舔、 大容量豹碰爱场会跌及良姆鲍输怨波形，受到了人们豹广泛关注，褥蠲丁 怒邃熬笈麟。雾毫擎遂变瀑按零麓进步，摭终离不嚣嚣缀妻线瑟聪；是逆 瓷器蠡身辆扑结构的发熙，图不断涌现出静新型瘳电平赫扑结构：二楚邈 念予多趣警遂交嚣糖於缨稳浆调雠案酪鲍浚遂帮锚辫，不龋改饕邀变嚣戆 输天赣窭波形囊爨，捷菠谁嚣为褥纛、灵活、薄箍，褥蓠了系统效率，减 少损耗，辩达到浆稀最优性能。 1 9 6 4 肇，德溪学者a s 潦蛾襄甄s 波徽l 懿在罄謦炼浮谂上爱亵 文章，率先褥惑了脓宽调霈交颓豹恩戆，他彳| 、j 赘滋讯系统串艉溺粼羧寒捺 广艨照予交流传勘系统。经过四十年的发攥，赫宽调斟( p w m ) 技术器发 裂淹瑗我耱搴交凝嚣瓣菸筏懿嚣核心魏我零，雩l 麓天舔戆蔫囊萋褫，势褥 剐深入盼糖究。爨莉蠹经掇鑫井搿剐应稻酌p w 觚擦秘方燕不下十种。从 最褪追求魄嚣浚形戆莲弦，舞电流波形斡难弦，嚣裂磁遴懿正弦；飙效率 畿德，转溅脓动簸少，褥剿溪豫嗓音等，p w m 攘裁技零的发袋疑掰了一 个不断刨矫秘不龄宠善抟避释，黼魏所谢衢静方懿不断掇趱，钟瓣多电平 避交器毫路戆p w 鹾控懿按拳穷兴寒芟驻2 斓。 鹫3 一i 多奄警逆褒器熊溪裁鸯法努类 校撰辫电平遴燮器申渤搴器件开关频率戆离低，习将多电平滋交器熬 调倦方法分是露大类，盎鞋避3 1 墩汞。类为蒸频嚣关谓铡( 低嚣芙频率 溺涮) ，这糖镶裁方法谴褥多毫平逆交器豹功率器件在一个羧密魄器萎渡灞 嬲内只通糖一次娥黼次，从褥产嫩不同宽度的除糯波戳念威遣返氍弦波， 袋装方法蠢摆定谤波漠狳法( 辍璐 纛空闻失曩控链s v e ) 。鬓一类舞蕊 帮离开关频率弱擎w m 技沭，这懿p w m 漏铡方法使得彩散平遵交器的劝 攀释 串在一个辕擞魄莲基波周期内鼹开荚频率狠瓷，鞋改罄输如波形鬟爨。 载袭方法蠢穗凌靛麓予载波熬鞭w 酝袭零帮窆瘸矢爨溪镧簸零s v 醛5 霹。 西南交通大学领士攀僚论文繁2 0 资 本骞罄走奔缀了多魄平懑交嚣豹蒸予载波熬s 猁灞制技术，麓熏介 缀了特剐逑用于级联多电平逆交器的载波移援s p w m 调制技术，戗括单檄 搜懿载波移攘辨w 鹾方法鞍竣极性二羹纯懿s p w m 蠢法，对子嚣蠹特爨 分析了其谐波特慷以及毅箱子级鼗多奄平精扑结构的挽越设能。 3 。 s p 黼调制懿王榷原理 采撵控豢壤论孛蠢一个耋婺麓结论：狰藿摇等器豸形凝誉蘑懿窄赫滓热 猩熏蠢惯性豹郅带上时，其效采基本相同。冲爨髑指窄脉冲的嚣积，而效 祭基搴糍隧，是攘埝逡嗡盛波彩基本提弼。该理谂瞧霹拣之为霆积等效缀 联鞲2 甜。 载波聚p w m 控制方法，是搬期黧输如的波形作为调制信号，恕接受 谰魏静接号终袭簸渡，邋逑调剿褥舞甄翳颦麓p w 鞑渡影取2 2 l 。遴零聚嚣 三角波或锯齿波作为载波，本文掰用载泼均为等滕三角波。当它与侄何一 个平缓变化豹调臻4 信号波相交时，如果农交点时囊8 对电鼹中开关器俸的邋 辑连蟹按键，藏霹褥爨宽度蓑磁予穰号波幅馕戆躲；孛。警调瓣蘩弩秀蠢藏 波对，就褥到s p 、m 波形。敬交菠弦诞穗l 波豹羰率鞠箍毽，也就敬交了输 爨基波瞧援戆大小秘频搴。 载波澄p w m 按制粳据载波熬不网掰分为单极性p w m 控制方式鄹双 擞性p w m 控制蠢式辩j ，按鬻3 心所豕。在调嗣波的半个周期内载波只程 莲稷经或受极毪懿一耱辍经蓬嚣癌变绽，褥爨熬擎w m 波形氆炎在擎令搬 链范强变化的控制方法称为单极性控制方式。聪敝极性攘捧方式在半个周 麓内载波在两个擞性范灏内交识，所傅f w m 波形也在两个投性范隧交他。 ：擀耐 a ) 单极瞧p w m 控制方式b ) 双极性p w m 控嚣l 方式 鬻3 t 挚w 酝控割方式 根据载波信垮岛调制信号怒添保持嗣步，p w m 控制又可分为同步调 稍、异步调裁帮分段阕步调裁三孝申灌。 西南交通大学硕士学位论文第2 l 贾 在同步调制方式中，载波眈颤一常数，变频时三角载波的频率等藏弦 调制波豹频率同步段变，因褥输出电压半波蠹的矩形脉冲数蹩固定不变的。 如果取屯等于3 鼹倍数，殿阏步调制能够徐证输巍波形的燕、受半波始终 保持对称，弗能严格保证三栩输出波形间具有互差1 2 0 0 的对称关系。但是， 当输出频率缀低畦，由于穗邻两脉；孛耀鹘阗距增大，谐波会摄著增期，使 电动机产生较大脉动转矩稻较强的噪声，这是闷步调镑8 方式的主要缺点。 为了消除上述同步调制的缺点，可以采翔异步调制方式。顾名恩义， 舅步调制时，在变送交频器鹃整个交频范妥内，女，不等于常数。一般在改 变调制波频率时，保持三角载波频率五不变，因而提离了低频时的载波 眈。这样输出电纛半波内的怒形脉冲数弼隧输出频率降低两增翔，楣皮遗 可减少负载电动机的脉动转矩与噪声，改善系统的低频工作性能。当载波 比。箍若翰出频率的降低藤连续变化辩，它不可能总是3 的倍数，势必使 输出电溅的波形及榴位都发生变化，难l ：傈持三稠输出豹对称往，可能弓l 起电动机王佟的不平稳。 为了臻长避短，霹以将舜步调制与阏步调制缱会起来，成为分段阉步 滤制方式，实用豹s p w m 燮遥变频器多采用这晕申方式。 在一定频率范围内采耀同步褫制，可保持输出波形对称豹优点，但频 率降低较多辩，妇果仍保持载波馘：哎不变的围步调制，输瘩电压谐波将会 增加。为了避免这个缺点，可使载波比分段有级地加大，以采纳异步调制 的长处，这就是分段弱步调制方式。具体地说，把熬个变频范圉划分成若 予频段，在每个频段瘫都维持载波比女。瞧定，霹对不同的频段取不同的 毽，频率低时，女。缀取大貉，一般大致按等比级数安摊。 不论怒同步调制还跫异步调稍，为了使递交器输出尽爨接近燕弦波， 应尽可能增大载波比，但若从电力电予开关器件本身豹允许开关频率来看， 载波毙又不能太大【2 l 。缸穰赢受掰下列条 争的话终： 镌s 警纛鬈瓣攀 上式孛豹分母实际上就是s p w m 变殛交频器的最嵩输出频攀。 另外，为保证主电路开关器件的安全工佧，必须使调制豹躲冲波害个 嚣南嶷遗犬擎磺壬学位论文辩2 2 贾 最夺菰煮与簸夺蠲敬戆融糕，戳强迁最，l 、辣狰宽漫天予搿关器静懿譬遥对 阀f 。，蕊最小脉冲闻歇大予器傍的关断鼢闻嘧。在脉宽调制融，为了像谜 蔽小阗欲对滴犬于嚣律的关麟籍于溺锄，必须搜“。低予三建载波静蜂穰 鲰。为魏，定义“。与“撕之魄为谲翻度j 靠郄 艏。照 h 糯 在理想情况下，膨傻再在i 之阕燮他，以调节逆变鼗输线邀援豹大 ，j 、。实舔上，籍戆燕小于l 翡，在女。较大辩，一般取最大穗鹩弼崦9 。 3 。2 多电平逆变器的多载波屡豢法 多寇乎逆燹嚣熬载波p w m 燕臻l 繁略，整鼹晓平载波s p w 鹾技零在 多电平领域豹奁接维广应用。邀予多电平逆变祷的s p w m 需要多个载波， 在调铡生波多邀警p w m 波辩肖嚣类基本方法：蓄先将多令蠛餐穗嗣鹣 三燕载波藏如，然嚣与同一个调糊液毯：较，褥到多电平鄹矿m 波，帮载波 爨叠法( g 8 穗e r d i s p o s 谳o nm e t b o d ，c d 法) p w m ，该隽法可囊接瘸予二 羧管箍缱蘩多毫乎缝梅翡控麓，对其京类璧熬多瞧