（电力电子与电力传动专业论文）30kva中频电源的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 一目= # = = = = = = = = = = = = = = i = = = = = 一 a b s tr a c t t h em e d i u mf r e q u e n c yi n v e r t e r sa r eo f t e nu s e df u rt h ed a i l yh e l i c o p t e rm a i n t e n a n c e a n d r e p a i r s t h i st h e s i sp r o p o s e sam u l t i p l el e v e lt e c h n o l o g yt o p o l o g ys t r u c t u r et o a c h i e v es u c h k i n do fp o w e r s u p p l ys y s t e m t h es y s t e mi sm a d eu po f t w op a r t s ：at h r e ep h r a s e c o n t r o l l e d r e c t i f i e ra n dad c - a c i n v e r t e r c h a p t e r2a n a l y z e st h ep r i n c i p l e s o ft h em u l t i p l el e v e lt e c h n o l o g ya n dr e a c h e ss o m e u s e f u lf u n c t i o n sw h i c ha r et h ep r i n c i p l e sa n dt h eb a s e so ft h ed e s i g na n dc a nb eu s e dt o p r e d i c t t h er e s u l to f t h ed e s i g n c h a p t e r3m a k e s ad e t a i l e dd i s c u s s i o no nt h eu n d e l a n ds n u b b e ru s e di 1 3 t h em a i nc i r c u i t t h ew o r k i n g p r o c e s s o f t h ec i r c u i ti sd e s c r i b e da n da p r a c t i c a ld e s i g nt h e o r y i sg a i n e d b a s e do nt h ed i s c u s s i o no ft h ef o r e g o i n gt w oc h a p t e r s ，t h ed e s i g nw o r ki s d o n ei n c h a p t e r 4a n dt h ef i n a lp a r a m e t e r s ，w h i c hc a nb eu s e da st h er e f e r e n c eo f t h em a i nc i r c u i t ，a r e a l s oa c h i e v e d c h a p t e r5i sm a i n l yc o n c e m e d w i t ht h ec o n t r o ls y s t e m i tm a k e sad e t a i l e dd i s c u s s i o no n t h ec o n d i t i o no fu n b a l a n c el o a da n dt h er e s u l ti ss a t i s f y i n gw h i c hm e e t st h er e q u e s to ft h e i n v e r t e rs t a n d a r d ，i tt h e np r o c e e d st op r e s e n ts o m eo ft h ec o n t r o lc i r c u i t s ad y n a m i cm o d e li s a l s op r o p o s e di nt h i sc h a p t e r , w i t hw h i c ht h es t a b i l i t yo ft h es y s t e mi sd i s c u s s e da n dt h ep i c h a r a c t e r sa r eg a i n e d i nt h el a s tc h a p t e r , t h ef i n a lt e s ti sc a r r i e do u to nt h er e a ls y s t e ma n dt h ee x p e r i m e n t r e s u l t ，w h i c hf i t st h et a r g e to f t h ei n v e r t e rd e m a n d ，i sp r e s e n t e d b e c a u s em u l t i p l el e v e lt e c h n o l o g yi su s e d ，t h es w i t c hf r e q u e n c yi sj u s t4 0 0 h za n dt h e l o s so ft h es w i t c h e si sv e r yl o wc o m p a r e dw i t ht h eh i g hf r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e m ss u c ha s s p w m s y s t e m t h ee f f i c i e n c yo f t h es y s t e mc a ng e tt o9 0 a c c o r d i n gt ot h el o w f r e q u e n c y o f t h es w i t c h e s ，t h ec o m p a t i b l e m a g n e t i cc a p a c i t y i sv e r ye a s yt om e e tt h er e q u e s t a f t e rt h em u l t i p l el e v e lt e c h n o l o g yt o p o l o g ys t r u c t u r ei sd e t e r m i n e d ，t h eo u t p u tv o l t a g e c a no n l yb er e g u l a t e dt h r o u g ht h et h y r i s t o rp a r t ，s ot h er e s p o n s et i m ei ss o m e w h a ts l o w , b u t t h en o r m a ll o a do ft h es y s t e mi sa s y n c h r o n o u sm o t o ra n dt h er e s p o n s et i m ei se n o u g ht ot h e d e m a n d k e yw o r d s ：m e d i u mf r e q u e n c yp o w e rs u p p l y , m u l t i p l e l e v e l t e c h n o l o g y , t h r e ep h r a s e s i n v e r t e r , s n u b b e rc i r c u i t ，f i l t e r l l 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = # 第一章绪论 本章主要介绍了电力电子发展的主要概况、三相逆变器的形成原理以及本文所要研 究的主要内容。 1 1 电力电子技术的发展概况1 2 】【3 】【4 1 1 5 j 【6 1 1 1 1 电力电子技术的任务和内容 近3 0 年来，电子技术的发展突飞猛进，在工农业生产、国防、科学技术乃至人们 的日常生活中的影响都是十分巨大的。在这种发展过程中，十分引入注目的发展是；微 电子技术和大规模集成电路的发展，以及电力电子技术的发展。前者的飞跃发展是人所 共知的，而后者的迅猛发展对许多人来说还是陌生的，但其发展势头和影响决不亚于前 者。 首先我们对电力电子技术作一慨述性的介绍，所谓的电力电子技术，是指使用现代 可控的大功率半导体开关器件( 例如s c r 、g t r 、m o s f e t 、i g b t 等) 在负载和电源之 间实现可以控制的电能变换。这种电能变换通常可分为四大类，如表l l 所示即为电 能变换的种类： 表i 一1 电能变换的种类 交流直流 输山 直流整流直流斩波 交流电力控制 交流逆变 变频、变相 ( 1 ) 交流电一直流电( a c - - d c )这种电能变换称之为整流。 ( 2 ) 直流电一交流电( d c - - a c )人们称这种变换为逆变。 ( 3 ) 恒压直流电，大小可调的直流电此种变换称为直流变换。 ( 4 ) 恒额、恒压的交流电频率、大小可调的交流电可称为交流电力控制。 图1 2 是电力电子技术作用示意图。从图可知，电力电子技术应包含下述诸方面 的内容： 1 电力电子器件主要研究在电能变换中所应用的各利，大功率半导体开关器件的工作 原理、特性以及设计、制造的技术。 2 电力电子电路部分用各类大功率半导体丌关器僻二构成不同的电能变换主回路。这 些基本主回路的构成、工作原理和设计计算等乃是电力电子技术的基础理论。 3 控制和驱动部分包括驱动主回路工作的触发电路和满足各种要求的控制电路。这 部分内容涉及微电子技术、数字控制、检测反馈等信息处理与信号控制。同样的电力电 华中科技大学硕士学位论文 图1 2 电力电予技术作j h 框图 子电路，由于控制技术的改进，可使主电路性能大大提高。所以新控制方式的研究和新 控制工具的应用亦是电力电子技术的主要内容。 4 各种特殊应用由能实现各类基本功能的电力电子电路组合起来，加上一定的微电 子控制手段，籍以实现某种需要的电能变换或组成以控制为目的的工业应用装置，这是 电力电子技术的应用领域。 由上述可知，电力电子技术是介于电气工程三大主要领域“电力”、“电子”和控 制”之间的交叉学科。 1 1 2 电力电子技术的发展和意义 现代电力电子技术是从“变流技术”发展而来的，而这种变流技术的发展至今已有 近百年的历史了。自电能开发后，人们就一直在寻求变换和控制电能的方法。早在本世 纪初为了使交流电源能给蓄电池充电，人们开始研究最简单的变流器，即不可控整流 器。最初人们用周期性动作的机械j r 关来达到整流作川，其刁i 足之处是不苦l 叮l 愉的。1 9 0 2 年，世界上第一只汞弧整流器制造成功，使交流技术出现了第一次飞跃。经过不断的改 进提高，到3 0 年代，用汞弧整流器件做成的各种可控和不可控整流器已在兆瓦级的功 率范围内得到了广泛应用( 例如充电设备、直流机车驱动、电解工业等) 。此时的汞弧整 流器件，工作电流最大达几千安，电压可达几千伏。 除上述汞弧整流器件外，人们还发展热阴极整流器件。这种器件充有惰性气体( 主 要是氩气) ，称之为闸流管( t h y r a t r o n ) 。这种闸流管在整流电流为2 0 a 时，工作电压可达 1 5 k v 。 一直到5 0 年代韧，这种技术已趋于成熟，以汞弧整流器、闸流管等电真空器件为 代表的器件一直是交流技术中的主要基本器件。变流技术的最大成就则在于整流技术。 人们曾尝试研究从三相：5 0 h z 交流电网来产生5 0 3 h z 单相交流电，以供电力机车牵 引之用t 但终因当时的技术限制而无法达到实用阶段。当时，交流技术的最大困难在于 2 华中科技大学硕士学位论文 用当时可提供的元件来产生所需要的触发脉冲并非易事。 1 9 5 7 年，世界上第一只晶闸管( t h y r i s t o r ) 诞生，当时称之为“可控的硅整流器 ( s i l i c o n c o n t r o l i e dr e c l i f i e r s c r ) 。这种新型的可控功率半导体的出现，使变流技术得到了第 二次的飞跃发展，其重要性可以同晶体管的发明对通信技术发展的重要意义相提并论。 在6 0 年代，人们对它投入了很大力量进行开发研究，功率半导体元件和有关线路不断 改进，新的应用不断出现。例如，晶闸管可控整流电路在大型直流拖动中的应用：静止 变频器在交流拖动中的应用；新型无换向器电动机的研制成功等等。这里有两点决定性 的因素；其一是半导体晶闸管比以往的汞孤整流器等器件在电性能上有了极大的提高， 例如，它有较低的导通压降、良好的动态开关性能等，其体积、成本也更非汞弧整流器 件等所能相比；其二是这期阃在控制和调节部分所应用的半导体元器件性能有了飞快的 进步使得有可能容易实现广泛的控制和调节任务。 晶闸管作为第代大功率半导体丌关器件，给变流技术带来了革命性的转变，但它 的最大不足之处是没有自关断能力。在许多应用场合，如静止变频器、直流斩波器等， 必须采用强迫关断措施。从而大大增加了变流装置的成本和体积，也限制了它在不少场 合的推广应用。另一方面，晶闸管的开关频率还是较低的，普通晶闸管仅适合在工频情 况下应用，即便是所谓的快速晶闸管，一般也只能工作在l k h z 以下在一些性能要求 较高的场合，它无法满足要求。 7 0 年代，新一代的有自关断能力的大功率半导体丌关器件问世，它们是可关断晶闸 管( g t o ) 、双极型大功率晶体管( g t r ) 、大功率场效应管( p o w e r - - - m o s f e t ) 等。它们的 自关断能力、高的开关频率( 可达几一几十k h z ) 和简单的控制方法大大地扩大了电力电 子技术的应用范围，尤其是在各种大功率的自动控制装置中得到了广泛的应用。这期间 各种交流调速装置得到了很好的开发应用，各种系列的变频装置产品相继问世。 第二代功率半导体器件在应用中还有不足之处，例如g t o 、g t r 的开关频率较低( 一 般为几k h z ) ，g t r 的电压等级较低( 般在1 2 k v 以下) 且容易发生二次击穿，m o s f e t 的开关频率虽然高，但容量、耐压等级更低等等。这些不足限制了它们应用的迸一步扩 大。 8 0 年代，世界上出现了第三代大功率半导体丌关器件，这是各种复合型的场控功率 半手体器件，典型的有： s i 卜高频大功率静电感应式晶体管： s i t h 一静电感应式晶闸管； i g b t - 一绝缘门极双极型晶体管； m c t - 一m o s 控制的晶体管等。 它们具有更高的开关频率( 可达几十k h z j l 百k h z ) 、更高的耐压等级，除了能更 出色地完成g t o 、g t r 等元器件的功能外，还将应用领域扩大到了诸如高频感应加热( 取 代迄今为止所使用的庞大的电真空器件) 、高质量的节能照明灯等场合。 3 华中科技大学硕士学位论文 当前，世界上的一些先进国家已在丌发第四代功率半导体器件，即所谓集成功率半 导体器件( p i d ) 。当然，新一代电力电子器件的出现并不意味着老一代产品的淘汰。确切 地说s c r 、g t o 和g t r 这些产品更成熟了。目前，世界上s c r 产量仍占电力电子器 件的一半以亡，日本东芝、富士、山特等公司的g t r 变频调速装置年产量都在数万台 以上；g t o 的应用技术亡也已成熟，已有6 0 0 0 v 、3 0 0 0 a 的g t o 供应市场。这些老一 代的电力电子器件，仍在不同容量等级、不同场合下发挥着重要作用。 电力电子技术的应用己在工农业生产、交通运输、科技领域以及人们的日常生活之 个普及，而且正在发挥出越来越巨大的技术和经济效益。这里特别要指出是电力电子技 术在节能方面的巨大意义。电能紧张是阻碍我国工农业生产发展的极大障碍，解决这一 矛盾的方法有两个；一是建新电厂，二是节能。掘统计资料每建lk w 的发电能力，平 均投资如下： 火电2 7 0 0 元： 水电4 0 0 0 元 核电3 0 0 - - - 8 5 0 0 元； 太阳能发电2 3 0 0 0 - - 4 5 0 0 0 元。 如果在各种节能场合广泛地采用电力电子技术，则每节约l k w 的电力平均可节约投 资约6 0 0 1 2 0 0 元。再如日本，目前国民生产总值中的单产能耗是世界最低的，但日 本科学技术厅的一份报告说：靠电力电子技术的广泛应用，可以把全日本总发电量的1 0 再节约下来。这是极其可观的数字。目前，发达国家发出的电能已有7 5 要经过各类 电力电子技术变换后供用户使用，预计到下世纪初这个百分比将达9 5 。而能源极其紧 张的我国，目前却只有3 0 左右，所以，可以肯定地说，电力电子技术对我国国民经济 的发展有着极其重要的意义。 1 1 3 现代电力电子技术特点 1 集成化。几乎所有全控型器件都由许多单元胞管子并联而成，也即一个器件是由许 多于器件所集成。例如一个1 0 0 0 a 的g t o 含有近千个单元g t o ，个4 0 a 的功率 m o s f e t 由上万个单元并联而成，一个3 0 a 的s i t h 含有5 万个子器件 2 高频化。从高电压大电流的g t o 到高频率多功能的s i t 其工作频率已从数千赫到 兆赫，这标志着电力电子技术己进入高频化时代目前g t o 的工作频率可达1 2 k h z ， 电力晶体管可达2 5 k h z ，功率m o s f e t 可达数百千赫，s i t 则可达1 0 m h z 以上 3 全控化。电力电子器件实现全控化，也即自关断化是现代电力电子器件在功能上的 重大突破无论是双极型器件的g t o ，g t r ，s i t h 成单极型器件的功率m o s f e t ，s i t 以及混合型器件i g t 。m g t ，m c t 等都实现了全控化。从而避免了传统电力电子器件 关断时所需要的强迫换流电路。 4 电路弱电化、控制技术数字化。全控型器件的高频化促进了电力电子电路的弱电化。 4 华中科技大学硕士学位论文 p w m 电路、谐振变换电路以及高频斩波电路这些本来用于弱电领域的电路而今又成为 电力电子电路的主要形式。控制这些电路的技术也逐步数字化。 5 多功能化。传统电力电子器件只有开关功能，多数用于整流运行。而现代电力电子 器件的品种增多、功能扩大、使用范围拓宽，不但具有开关功能，有的器件还具有放大、 调制振荡及逻辑运算的功能，因而使电力电子器件多功能化。 6 与现代控制理论的结合。如观测器、解耦控制、最优控制、自适应控制、滑模控制、 模糊控制、神经网络等现代控制理论的应用，必然得到高精密、快速响应的高可靠性优 化控制系统。 1 2 三相逆变电路的形成原理f 7 j f 3 】f 9 j 三相逆变电路是电力电子变流器的一种形式，它的的作用是将直流d c 电压变换为 交流三相电压，目前三相逆变的主电路电路拓扑主要有三相桥式逆变器，三相半桥逆变 器、三相四桥臂逆变器、组合式三相逆变器和多重叠加式的逆变器等，其中多重叠加式 的逆变器是本文的研究重点。 1 三相桥式逆变器 如图1 1 所示，三相桥式 逆变器的电路结构简单，采用 的器件少，开关管承受母线电e 压。但是为了得到三相四线制 的输出电压，提高逆变器带不 平衡负载的能力，必须在输出 端增加中点形成变压器。 2 三相半桥逆变器 图1 1 三相桥式逆变器 如图1 2 所示，三相半桥逆变器也有结构简 单，开关器件较少等特点。利用电源输入端的两 个串联电容的中点，作为输出的中点，可构成三 相四线制的输出，为了防止中点电位的偏移，串 联电容的容值必须很大，使逆变器的体积和重量 增加，而且半桥电路只是利用直流母线电压的一 半，因此，三相半桥逆变仅适合于低压小功率的 场合。 3 三相四桥臂逆变器 图1 2 三相半桥逆变器 如图1 3 所示，三相四桥臀逆变器是在三相桥式逆变器的基础上增加一个桥臂，该 桥臂的作用是形成输出中点，减小不平衡负载时三相输出的不对称度，逆变器的输入端 采用谐振直流环节时，四个桥臂的开关管均可实现零点压开关，但该逆变器的控制较为 复杂。 华中科技大学硕士学位论文 图i 3 三相四桥臂逆变器 4 组合式三相逆变器 如图1 4 所示，组合式三相逆变器由 三个单相逆变器组合而成，每相逆变器相 互独立，只要控制三相基准正弦波互差 1 2 0 ，将三台输出的地连在一起作为中 线，就可以实现三相四线制的输出。 5 多重叠加式三相逆变器 多重叠加式三相逆变器的原理是对 图i 4 组合式三相逆变器 几个输出电压相同的逆变器，使它们依次错丌相同的相位角，然后把它们叠加起来消除 某些谐波，形成三相正弦的输出。它的优点是开关管的工作频率就是所需电源的频率， 因此，开关损耗少，电源的效率高，这也是本课题采用该方案的原因之一。 1 3 本文研究的主要内容 本文课题主要是研制直升机维护、检修时的中频电源，选题为“3 0 k v a 中频电源的 研究”。该电源的输入电压是3 8 0 v 5 0 h z 的三相交流电，因此，本电源包含三相全控整 流和逆变器二重化电路两部分。本文主要对整个电源系统的构成原理，控制方案、参数 设计等进行了研究，主要内容分为以下五章： 第一章绪论主要对本课题研究的背景，研究的主要内容等作了介绍。 第二章着重介绍了本中频电源d c a c 部分的逆变电路多重化的理论来源和规律， 并给出了电路结构和工作原理。 第三章详细分析了逆变部分的缓冲电路的工作过程，并对该缓冲电路的效果进行 仿真。 第四章描述了该电源设计的过程，详细介绍了逆变和整流部分的主电路的设计原 则和设计方法。 第五章对整个系统的控制电路进行了详细的介绍和说明，并对该系统的控制规律 作了一定的探讨。 第六章给出了实际电路的实验结果，并对全文做出总结。 6 华中科技大学硕士学位论文 第二章逆变电路的多重化原理 2 1 本章主要研究内容 针对我们实际设计中频电源所采取的方案，本章着重介绍了多重叠加法，其基本原 理是，把两个以上完全相同的方波，按一定的相位差叠加起来，使它们的低次谐波相差 1 8 0 。而相互抵消，以得到谐波含量较少的准正弦阶梯波。此法最早是由a k e r n i c k 等 于1 9 6 2 年提出的。 多重叠加法又分为等幅叠加和变幅叠加，从改善输出量波形的角度来看，变幅叠加 效果较好。 逆变器按输入方式分可以分为电压型逆变器和电流型逆变器两类，本章主要主要讨 论电压型逆变器的多重叠加。 2 2 电压型逆变器的多重叠加6 1 i 1 0 1 1 1 1 i l l 2 】 2 2 1 多重叠加的原理 初期传统的逆变器的输出是宽度为1 8 0 的方波，如图2 1 ( a ) 所示。如果假定方波 的幅值为e ，谐波次数为n ，则初期传统逆变器输出电压方波的傅立叶级数表达式为： “曲= 丝f s i n a t + 一1s i n 3 耐+ 一1s i n 5 吐+ ) 石35 = u 嘶) s i n n 纠 4 f 式中。( 。) ；二= 为奇波和各次谐波的幅值。 万 从上面的方程式可知，初期传统逆变器的输出电压方波含有所有的奇次谐波，谐波 含量很大，为了消除低次谐波，改善输出电压的波形，以使其正弦化，1 9 6 2 年a k e m i c k 等就提出了多重叠加法。 所谓多重叠加法，就是对几个输出电压为方波的相同逆变器，使它们依次错开相同 的相位角，然后把它们叠加起来形成接近于正弦波的阶梯波输出，从而消除某些低次谐 波的一种幅值调制波形改善法。多重叠加是手段，消除某些低次谐波是目的。 图2 1 ( b ) ( c ) 所示即为多重叠加法消除某些低次谐波的原理图。假定把两个相同 的、输出电压脉宽为】8 0 方波的逆变器的输出电压u i 和u 2 ( 假定u i 和1 1 2 相同是指频率 一样，幅值相等，但初相位角是不等的) 错丌定的相位角妒：塑，”为谐波次数， 厅 然后通过输出逆变器次级绕组进行串连叠加，就能合成出消除某种 次谐波的一阶阶梯 7 华中科技大学硕士学位论文 波。通常要消除的是最低磁谐波，即h = 3 , 5 ，7 ，。因为低次谐波的含量最多，危害也最 大。如果要消除3 次谐波，则 e 尊 l 斗 贰2 3 拨谐睦 n 厂、 厂、uj l 、 8 0 7 60 的 3 扶叶挂 l n 厂、b u 叫 1 2 0 “ ( a ) 石2 7 r 、 f 5 墩* 硅 一、，、，- 一v 、一 1 1 8 0 。7 。虬 kn 挑* 谴 r uv t 坶 “ ( b ) ( c ) 图2 1 多重叠加原理示意图 ( a ) 单相无脉宽调制的传统方波逆变器 ( b ) 消除3 次谐波的叠加法( c ) 消除5 次谐波的叠加法 u l 和u 2 应错开盟：6 0 ，使u i 和u 2 中的3 次谐波相互错开1 8 0 相位角而抵消，合成出 3 宽度为1 2 0 的一阶阶梯波输出电压，如图2 1 ( b ) 所示。如果要消除5 次谐波，则h i 和u 2 应错开中的坚笠：3 6 ，使u l 和“2 中的5 次谐波相互错开1 8 0 。相位角而抵消，合 5 成出脉宽为1 4 4 的一阶阶梯波输出电压，如图2 1 ( c ) 所示。 这样，多重叠加法把n 个输出电压为方波的逆变器，按照一定的相位差叠加起来， 使他们所含的某些低次谐波相互抵消，就可以得到更接近于砸弦波的合成多阶阶梯波。 这里要指出的是，多重叠加法所用的方波，必须是频率相同，波形也相同的方波。 也就是说，只有频率和波形都相同( 幅值可以不同) 的叠加才能叫“多重叠加”，否则 就不能称为“多重叠加”。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 单相串联多重叠加式逆变器 将n 个单相方波逆变器( 如果需要调压时则用桥式逆变电路) 输出电压的次级，按 照图2 2 所示的方式串连起来，就组成了单相串连多重叠加式逆变器。如果n 个单相方 波逆变器都是桥式逆变器，则此单相串连多重叠加式逆变器既能改善电压的波形，也能 调节输出电压。 图2 3 给出了进行脉宽调制时的单台 桥式逆变器的电路及其输出电压波形。桥 左侧的t l 、t 2 是一个简单的方波逆变器； 桥右侧的t 3 、t 4 是另一个简单的逆变器。 这两个简单的方波逆变器的输出电压“。 和“6 0 是脉宽不可调的方波，而两桥臂中 点a 和b 之间的电压u a b ，则是。和“幻 方波电压的叠加，即“曲= 一“跏它们 之间的波形关系如图2 3 ( b ) 所示。假 定u a o 和“6 。之间的相位角之差为1 8 0 。+ ， 则调节d 角即可调节输出电压的脉宽o ，因 图2 2 单相串联多重叠加式逆变器 而使输出电压的奇波分量和谐波分量的幅值也发生变化。这样，即改善了输出电压的波 形，也达到了调节输出电压的目的。 b 峰 垡 已z6 l f 2 她n 杉： 兰也 t 以 西 _ 一 图2 3 单台桥式逆变器及其波形 ( a ) 电路图( b ) 输出波形 。和“幻用傅里叶级数表示为： “。伽) s i n n c o t 9 华中科技大学硕士学位论文 跏= 枷) s i n ( n c o t + 1 8 0 + ) n = 1 3 5 “曲= “。一“6 。的傅里叶表示式为 l l a b 。u a o u b d = 叽( 一) s i n n m t - ( 一s i n n ( 耐+ 1 8 0 。+ ) = 。3 萎z c o s 譬s m c 纠+ 争i , 5 二 式中，= 昙r ，2 知栅埘) = 等 将此结果代入上式，得 t , l a b = 妻丝c o s 型s i n 似+ 鱼) ( 2 一i ) i 怠n 石 2 、 2 7 。 n 次谐波的幅值可以表示为 ，4 e月西 u a h m ( n ) = c o s ：一 要使忡，= o ，就要使c 。s 譬= 。，也就是使譬= 9o 或= 半，n 为谐波次数， 因此： 要消除3 次谐波，即n = 3 ，则必须使：坚篓：6 0 。； 要消除5 次谐波，即n = 5 ，则必须使：坚譬：3 6 。； 要消除7 次谐波，即n = 7 ，则必须使= 坚里= 2 5 7 。 此外，由于c 。s 型2 = 。，所以型2 = 2 女丌士9 。，t = o ，l ，2 ，故得 。：! 堑主! 婴 口 当要消除3 次谐波，= 6 0 时 1 0 华中科技大学硕士学位论文 ：4 k n + 1 8 0 。1 2 k 3 6 0 k = o 时，n = 3 ： k = l 时，n = 9 ，1 5 ： 当要消除5 次谐波，西= 3 6 。时 ”4 k n + 1 8 0 1 2 t 5 6 0 k = o 时，n = 5 ： k = 1 时，n = 9 ，1 5 可以看出，当消除3 次谐波时，也就消掉了3 的奇次倍谐波；当消除5 次谐波时， 也就消掉了5 的奇次倍谐波。 当西在o 1 8 0 之间变化时，基波电压的幅值从兰兰按余弦规律减小到0 。图2 , 4 表 丌 示的是当在0 一1 8 0 ，奇波以及3 ，s ，7 次谐波的幅值与= 0 。时的基波幅值百分比 的变化曲线。由此曲线可知，单脉冲脉宽调制不仅可以消除某些低次谐波，同时还可以 实现输出电压的调节：当痧= 0 4 时，基波幅值u 。的值最大。 如果脉宽用0 表示时，则方程( 2 一1 ) 表示为 鼬：争丝s i n 丝s i 。+ 至) 1 ；：i ：! n 万 22 n 次谐波的幅值u a b m 为 u b m u b m ( n ) ：丝s j n 丝( 2 2 一) = 一s 】n l 2 一j r 1 次谐波与基波幅值之比为 r ， s r i u 芦o b m ( n ) ： ( 2 3 ) u m m ”s i n 旦 。 方程( 2 一1 ) ，( 2 2 ) 及( 2 3 ) 的结果如图2 4 和2 5 所示。 n 次谐波的有效值砺晰) 为 华中科技大学硕士学位论文 鼍1 辱 一i 一弗一船 + 孝 z i ； 、n ：3 n = 5 ? n = 7 ， ， 、l i ： ， 气， f ，q y 7 - ，- j 一。v、1 1 8 01 6 01 2 08 04 0 0 图2 4 逆变器输出电压的谐波特性 图2 5 逆变器输出电压的谐波特性 ， 14 e n o 2 4 2 e n o u曲(n)=r-s m= 8 1 1 1 4 2 珂万 2t y l 2 式中n 为奇数。 1 两个单相桥式逆变器的串连叠加 把有脉宽调制的两个单相桥式逆变器的相位角错丌角后的两重叠加，其电路和波 形如图2 6 所示，两个逆变桥输出变压器的变比为l ：1 。它们之恻的关系如下： “，2 i 4 e 。嘉，丢s ；n 警s m + 争“，= 了4 e 。喜。s i n 警s m ( c a 一多 “= 弘= u i + u 2 ：萼妻当s i n 丝2 c 。s 型s i n n ( 鲥) 其中基波与各次谐波幅值的方程式为22 石 怠珂 7 “ ：墨曼s i n 翌c o s 型 ”z22 如果想要消除n 次谐波，只要使上式中s 譬= 。就可以了，此时，譬= 三， 西= 至。 华中科技大学硕士学位论文 要消除3 次谐波是，则= ；： 要消除5 次谐波时，则= i 7 r 。 此外，由于使c 。s 孚= d ，即得 型：2 k 丌土三，t = 0 。i ，2 ，3 ， 22 所以得n 。4 k x + x 。 口 在消除3 次谐波时，矿= 詈， n ：辈；1 2 k 3 。 肛万。土。 k = o 时，n = 3 ： k = 1 时，n = 9 ，1 5 ； k = 3 时，n = 2 1 ，2 7 在消除5 次谐波时，则矿2 考 ，f ：辈：2 0 k 士5 。 n ， k = o 时，n = 5 ： k = l 时，n = 1 5 ，2 5 k = 3 时，n = 3 5 ，4 5 i eil 皿 | 丹fi l j 们 j2 e ( c ) 图2 6 两个单相桥式逆变器的串联叠加 ( a ) l b 路幽( b ) 向量图( c ) 叠加波形图 这说明：当消除掉3 次谐波时，也就消除掉了3 的奇次倍谐波；当消除掉5 次谐波 时，也就消除掉了5 的奇次倍谐波。 2 三个单相桥式逆变器的串连叠加 图2 7 所示采用三个有脉宽调制的单相桥式逆变器叠加合成的单相多重叠加逆变器 电路及波形图。 图中三个单相桥式逆变器的初相位角依次移开1 8 0 。4 = 4 5 。，逆变桥1 和3 的输出 电压幅值相等( 或者说逆变桥1 和3 的输出变压器变比都等于1 ：1 ) ，而逆变桥2 的输 出电压幅值是逆变桥i 和3 的压倍( 或者说逆变桥2 的输出变压器变比等于l ：压) ， 1 3 华中科技大学硕士学位论文 即 ；，：罂 2 在输出变压器的次级进行串联叠加，合成电压“。图中各变压器的脉冲宽度曰= 1 2 0 。 脉冲截止角为6 0 o 各逆燹桥的输出电雎“，u 2 ，u 3 及合成电j | 主“的坡形如图2 7 ( c ) 所示。在波形中 2 和“的波形同相位，以“的向量为基准，则 铲等毒i 1 s i n 孚s i i l 蛔+ 争 u 2 ：! 丝争! s i n 盟。i 。耐 _ ，r 。；怠h 2 驴i 4 e 毒1 3 5 扣警s i n 蛔一= 擎3 锄m 柏 ：4 4 2 e 萝s i n 丝( 1 + 压c o s 竺协 删 丌。怠月 2 、 。 4 其中基波与各次谐波的幅值方程式为 矿半吉s i n 警( - + 压c 。s 等) ( z 一4 ) 下面计算所要消除的谐波： 令= o ，月j j ( 1 + 压c 。s 等) = o ，即c 。8 了? 7 = 一竺2 ，解得 旦互：2 ，r + 石至，女= 0 ，1 ，2 ，3 ， 44 疗= 8 k + 4 l k = o 时，n = 3 ，5 ； k = 1 时，n = l l ，1 3 ； k = 3 时，n = 1 9 ，2 1 ： 可见，在输出电压u 中消除掉3 ，5 ，1 1 ，1 3 ，1 9 ，2 1 ，次谐波，即在“中不包含 ”= 8 k + 4 土1 次谐波。 由各次谐波的幅值方程( 2 4 ) 可知，输出电压”中的谐波含量是与脉宽口有关的： 当口= 1 5 0 时，输出电压u 中谐波含量最少。同时，还可看出，调节口即可调节输出电 华中科技大学硕士学位论文 压基波的幅值，从而达到调节输出电压的目的，但随着口的变化谐波含量也要变化。 这里要指出的是，对于单相串联多重叠加式逆变器，当2 2 或3 时，( 2 2 或3 ) 个单相逆变桥( 器) 依次错开的相位角是由被消除的谐波次数决定的，不是预先给定的 。因此，这种多重叠加法具有特殊性，它只适合于= 2 或3 的单相串联多重叠加， 没有普遍意义，也不能在三相逆变器中应用。但它却说明了改善波形的作用，而且，对 于n - - - 2 或3 个单相逆变桥，实现单相串联多重叠加时，还是比较优越的方案。 图2 7 三个单相桥式逆变器的串联叠加 ( a ) 电路图( b ) 向量图( c ) 叠加波形图 ( b ) 华中科技大学硕士学位论文 2 2 3 三相串联不等幅多重叠加的的分组特性 n 个单相桥式逆变桥依次错开州相位角，通过输出变压器次级绕组既可以串联叠 加出三相对称电压，又可以消除某些谐波，其原理就是按下面将介绍的多重叠加的谐波 分组特性进行的。 叠加的原理电路如图2 8 所示，其中每个单相逆变桥的电路与图2 3 ( a ) 相同，是 脉宽调制电路。其输出电压波形如图2 8 ( b ) 所示。此波形的傅里叶级数表示式为 埘：等量s i n 华a i c o s n ( 纠蚓 ( 2 吲 -_1 、 77一 相 4 订r 、 。仍一神一l _ j 7 ( a )( b ) 图2 8 多重叠加图 ( a ) 电路图( b ) 单相逆变桥波形 式中，一i 为第i 个输出变压器的变比；伫为第i 个单相逆变桥的相移角，超前取 “+ ”号，滞后取“一”号：秒为单相逆变桥输出电压的脉冲宽度：h = 1 ，3 ，5 ，为 谐波次数。 像图2 8 ( a ) 那样，将n 个依次滞后州相位角的单相逆变桥的输出电压次级绕 组串联起来进行叠加，则合成的a 相输出电压蝴为 蚴= 撕 ( 2 6 ) 将( 2 - - 5 ) 式代入上式后得 驴善毒挈4 e n - a , c o s n c 删圳 n” = 爿f c o s n ( c o t 土p ) t = l 胂j j ? 一 6 华中科技大学硕士学位论文 一：= # = = = 口= = ；# # 式中，砺：丝s i n 辈是单相逆变桥输出电压中的第”次谐波幅值。 ，丌 取上式中第n 次谐波来研究，其n 次谐波电压“肿) 用如下方程式表示： 因为 u a ( n ) = 碥a ，c o s 毋) f - l ( 2 7 ) 所以要消除第 次谐波，必须在满足下列条件下来选择a ，, f , u e ，( 这是一种不等幅 叠加) ： a l c o s n ，= o a ，s i n n a , = 0 ( 2 8 ) 为简化控制电路，便于使用，我们给出以下两个叠加法则： ( 1 ) n 个单相逆变桥之间依次滞后( 或超前) i n 相位角，即 仍= 仍( 卜1 ) 州 ( 超前取“+ ”，滞后取“一”) ( 2 ) 合成的相电压“。的向量为准，对称地配置n 个单相逆变桥使式( 2 8 ) 中的第 二式总为零，即 伊；= 0 ( 叠加方波电压个数为奇数时) 仍2 条 叠加方波电压个数为偶数时 根据这个法则，各单项逆变桥的容量可以取得相等，而且它们各自的大小为叠加合 成后总容量的专。 将仍= 仍( i 一1 ) 州n 代入方程( 2 7 ) 可得 胁叫= ( 州【善a c o 鲫协( 卜1 ) 号】2 “善a 蓟m ( 0 1 5 ：( 卜1 ) 号】2 ) ( 2 - - 9 ) n u 2 开 一 )够 l ls、 ， ( )伫 c4 k 月 i i 叫 m 、l，j 华中科技大学硕士学位论文 = = ： = = = = # = = = j = = = = = = = = 目= = = = = = = # 如果用2 k n 以代替上式中的n ，可得 ia(2kn+n)m)【善atcosn3a( 阱( f _ 1 睁】2 啦 i = 川 【 【仍( f 一1 ) 寺r “善a , s i n n 毗( 卜1 ) 伊) 比较式( 2 - 1 4 ) 和( 2 - - 1 5 ) ，可得 f 。，l u ，。，= l “。：上如，i u 。：州+ 。， 当n = 1 时，有 l u a ( t ) i 乩- - l u 胛删) | 巩。：删， 当k = 1 时，有 l u a ( dl 玑= l u 砌删，i 砜。撕。， 由上两式可得 i u a o ) i u m - - l u 邮删，i - 。：。， i , i a ( 2 k n + t ) i 户岬删， 同样可得 i u a ( 3 ) i = l u 们心，i u 。：心，= i u a ( 2 m + 3 ) i 乩。：圳 k ，f = l u 仰心，i 啦。，= l u 帕) | 虬。：， i u a ( n ) i 玑= i u m 。，i u 。，= k ：。圳f 。：删圳 方程式( 2 1 2 ) 表明在由n 个单相逆变桥组成的三相多重叠加式逆变器的相电压 ( 例如a 相) 中，至少存在2 k n + 1 次谐波( 因为它包含着基波) ，并且谐波与基波幅值 之比是常数。 方程式( 2 - - 1 3 ) 一( 2 一1 5 ) 说明，在叠加合成的相电压阶梯波中，存在有依赖于| v 的若干个谐波组，如n = 3 时存在有2 k n l 和2 k n 3 两个谐波组；n = 6 时存在有2 k n j 2 七3 和2 k n 士5 三个谐波组参见表2 一l 一2 2 。同一组谐波存在“一存具存”， “一消具消”的情况。如n = 6 时，要消除2 k n 士5 次谐波，只要用方程式( 2 8 ) 的上式 消除5 次谐波即可。这样，当确定后谐波的组别也就确定了；要消除哪些组谐波，只 要消除那些组中的一组谐波就行了。 o 1 l 0 ) l l ， ： 5 州 训 一 刊 圳 卜 卜 卜 卜 卜 一 a 心 协 华中科技大学硕士学位论文 n = 3 ko 12 34 5 2 k n 士ll 5 、71 1 、1 31 7 、1 9 2 3 、2 52 9 、3 1 2 k n 333 、9 9 、1 51 5 、2 12 l 、2 7 2 7 、3 3 备注( 1 ) 2 k n _ + l 与2 k n 3