三电平逆变器课件

1第5部分：三电平逆变器1第5部分：三电平逆变器25.2三电平逆变器5.3空间矢量调制5.4中点电压控制5.5多电平二极管箝位式逆变器5.6应用实例5.1简介25.2三电平逆变器5.3空间矢量调制5.4中点电压控35.1简介中点箝位式（NPC）逆变器:通过箝位二极管和串联直流电容器产生多电平交流电压，这种逆变器就是二极管箝位式多电平逆变器。这种逆变器的拓扑结构通常有三、四、五三种电平。三电平逆变器特点:输出电压比两电平逆变器具有更小的du/dt和THD。无需采用器件串联，就可以应用于一定电压等级的中压传动系统。35.1简介中点箝位式（NPC）逆变器:三电平逆变器45.2三电平逆变器1.拓扑结构D1~D4:反并联二极管S1~S4:功率器件GCT/IGBTDZ1，DZ2:钳位二极管逆变器直流侧的两个电容给出了中点Z，S2和S3导通时。A点通过一个箝位二极管连接到中点,每个直流电容上的电压E，通常为总直流电压Vd的一半。45.2三电平逆变器1.拓扑结构D1~D4:反并联二极52.开关状态对A桥臂：开关状态[P]：桥臂上端的两个开关导通，逆变器A端相对于中点Z的端电压为：VAZ=+E。开关状态[N]：桥臂下端两个开关导通，逆变器A端相对于中点Z的端电压为：VAZ=-E。开关状态[O]：中间的两个开关导通，此时箝位二极管将VAZ箝位在零电压上。负载电流的方向将决定哪个二极管导通。例如，正向负载电流（IA>0）强迫DZ1导通，则A端通过导通的DZ1和S2连接到中点Z。52.开关状态对A桥臂：6开关状态的定义:开关状态器件开关状态（A相）逆变器端电压VAZS1S2S3S4[P]通通断断E[O]断通通断0[N]断断通通-E6开关状态的定义:开关状态器件开关状态（A相）逆变器端电压V7开关状态、门极驱动信号和逆变器端电压VAZVg1~Vg4:开关S1~S4的相应门极驱动信号。Vg1,Vg3:互补。Vg2,Vg4:互补。VAZ有三个电平：+E、0、-E三电平逆变器由此命名。7开关状态、门极驱动信号和逆变器端电压VAZVg1~Vg4:8三电平逆变器端电压和线电压波形线电压VAB=VAZ-VBZ包括五个电平:+2E、+E、0、-E、-2E8三电平逆变器端电压和线电压波形线电压VAB=VAZ-VBZ93.换相过程以开关状态从[O]变到[P](S3关断、S1开通）的情况为例：S1到S3的切换图。互补开关之间存在一段互锁时间。93.换相过程以开关状态从[O]变到[P](S3关断、S110换相过程假设：由于是感性负载，负载电流iA在换相期间固定不变；直流电容Cd1和Cd2的电容足够大，能够保持电容两端的电压为E；所有的有源开关都为理想开关。10换相过程假设：11工况1：iA>0时换相开关状态：由[O]到[P]变换开关状态为[O]时，S2、S3导通，S1、S4关断。此时，由iA>0，DZ1导通，S2、S3上电压VS2=VS3=0,S1、S4上的电压为E；在时间段内，S3开始关断，iA流过路径保持不变，S3完全关断后，由分压电阻R3、R4作用，S3、S4上的电压为VS3=VS4=E/2；开关状态为[P]，S1导通，DZ1承受反压关断，负载电流从DZ1换相到S1，VS3=VS4=E。11工况1：iA>0时换相开关状态为[O]时，S2、S3导12工况2：iA<0时换相开关状态：由[O]到[P]变换开关状态为[O]时，S2、S3导通，S1、S4关断。此时，由iA<0，DZ2导通，S1、S4上的电压为E；在时间段开始关断S3，由于感性负载电流iA不能立刻改变方向，iA从S3换相到二极管上，使D1、D2导通，VS1=VS2=0,S3关断期间，由于DZ2的存在，VS4不会低于E；由于S3关断时的等效电阻小于S4的断态电阻，VS4不会低于E。所以VS3从零上升到E，VS4保持为E开关状态为[P]，S1导通不会影响电路运行，因为D1、D2已经导通。所以负载电流不会流过S1、S2。12工况2：iA<0时换相开关状态为[O]时，S2、S3导13注意：禁止在开关状态[P]和[N]之间进行切换13注意：禁止在开关状态[P]和[N]之间145.3空间矢量调制三相桥臂，每相桥臂有三个开关状态，所以一共有27种可能的开关状态组合。1.静止空间矢量145.3空间矢量调制三相桥臂，每相桥臂有三个开关状态，15零矢量(V0)，幅值为零，表示[PPP]，[OOO]和[NNN]三种开关状态；小矢量(V1~V6)，幅值为每个小矢量包括两种开关状态，一种为开关状态[P]，另外一种为[N]，因此可以进一步分为P型和N型小矢量；中矢量（V7~V12）幅值为：大矢量（V13~V18）。幅值为：15零矢量(V0)，幅值为零，表示[PPP]，[OOO]和[162.作用时间计算将空间矢量图分为六个三角形扇区（Ⅰ~Ⅵ）每个扇区双分为四个三角形区域（1~4）162.作用时间计算将空间矢量图分为六个三角形扇区（Ⅰ~Ⅵ17三电平NPC逆变器的SVM算法基于伏秒平衡原理：当Vref落入扇区Ⅰ的2区时，最近的三个静态矢量为V1、V2和V7则有：式中，Ta、Tb、Tc分别为静态矢量V1、V7和V2的作用时间。17三电平NPC逆变器的SVM算法基于伏秒平衡原理：当Vre18作用时间推导：由得得18作用时间推导：由得得19作用时间推导：将式上式分为实部（Re）和虚部（Im），得到又因为：所以有：式中的取值范围为：为调制因数19作用时间推导：将式上式分为实部（Re）和虚部（Im），得2020213.Vref位置与保持时间之间的关系Vref指向区域4的中点Q。Q和最近三个矢量V2、V7和V14之间的距离一样，因此作用时间相同。当Vref沿着虚线从Q点向V2移动时，V2对Vref的影响增强，使得V2的保持时间变长。当Vref和V2完全重合时，V2的保持时间Tc达到最大值（Tc=Ts），V7和V14的保持时间减小到零。213.Vref位置与保持时间之间的关系Vref指向区域4224.开关顺序设计原则：从一种开关状态切换到另一种开关状态的过程中，仅影响同一桥臂上的两个开关器件：一个导通，另一个关断：Vref从一个扇区（或区域）转移到另一个扇区（或区域）时，无需开关器件动作或只需最少的开关动作；开关状态对中点电压偏移的影响最小。224.开关顺序设计原则：从一种开关状态切换到另一种开关状23（1）开关状态对中点电压偏移的影响a)所示为逆变器工作在零矢量V0状态,其开关状态为[PPP]。每个桥臂的上面两个开关导通，A、B、C三相输出端连接到直流母线上。由于中性点Z悬空，此开关状态不会影响VZ。类似，其他两个零矢量[OOO]、[NNN]，也不会造成VZ偏移。b)逆变器工作于P型小矢量开关状态[POO]时的拓扑结构。因为三相负载连接在正直流母线和中点Z之间，流入中点Z的中点电流iZ使得VZ上升。23（1）开关状态对中点电压偏移的影响a)所示为逆变器工作在24c)与b中正好相反，V1的N型开关状态[ONN]使VZ减小。d)工作于开关状态[PON]的中矢量V7，负载端子A、B和C分别连接到正母线、中点和负母线上。在逆变器不同运行条件下，中点电压VZ可能上升也可能下降。24c)与b中正好相反，V1的N型开关状态[ONN]d)工作25e)所示为工作于开关状态[PNN]的大矢量V13，负载端连接在正负直流母线之间，此时中点Z悬空，因此中点不受影响。25e)所示为工作于开关状态[PNN]的大矢量V13，负载端26结论：零矢量V0不会影响中点电压；小矢量V1~V6对有明显的影响。P型小矢量会使得升高，而N型小矢量会导致降低；中矢量V7~V12也会影响，但电压偏移的方向不定；大矢量V13~V18对中点电压偏移没有影响。26结论：零矢量V0不会影响中点电压；27（2）最小中点电压偏移的开关序列工况1：选定的三个矢量中有一个小矢量1)7段作用时间之和为采样周期2)满足最少开关动作要求例如从[OON]~[PON]，通过开通S1和关断S3就可实现3)V2的作用时间Tc在P型和N型开关状态之间平均分配。使得中点电压偏移最小。4)每个采样周期时，逆变器一个桥臂只有两个开关器件开通或关断。27（2）最小中点电压偏移的开关序列工况1：选定的三个矢量中28工况2：选定的三个矢量中有两个小矢量将区域1、2进一步分割。当Vref位于图中所示时，则Vref可以用V1，V2，V7近似合成，因为V1比V2更接近Vref，所以V1为主要小矢量它的作用时间平分为V1P和V1N。28工况2：选定的三个矢量中有两个小矢量将区域1、2进一步分29开关顺序安排29开关顺序安排30扇区1和扇区2的全部开关顺序30扇区1和扇区2的全部开关顺序31当Vref从区域a移动到区域b时，会产生额外的开关动作31当Vref从区域a移动到区域b时，会产生额外的开关动作325.逆变器输出波形和谐波含量三电平NPC逆变器运行在f1=60Hz,Ts=1/1080s,Fsw,dev=1080/2+60/2=570HzMa=0.8条件下的仿真波形。负载为PF=0.9的感性负载.vg1,vg4分别为S1和S4的驱动信号，S2，S3分别与S4和S1以互补方式运行。325.逆变器输出波形和谐波含量三电平NPC逆变器运33VAB的谐波分量和THD与ma的关系曲线33VAB的谐波分量和THD与ma的关系曲线34运行在:f1=60Hz,Ts=1/1080sFsw,dev=570Hz工况下，三电平NPC逆变器在调制因数分别为0.8,0.9时的实测波形。34运行在:35A型开关顺序:以N型小矢量开始6.消除偶次谐波B型开关顺序:以P型小矢量开始35A型开关顺序:以N型小矢量开始6.消除偶次谐波B型开关顺36交替使用A型和B型开关顺序以消除偶次谐波36交替使用A型和B型开关顺序以消除偶次谐波37消除偶次谐波的改进型SVM实测波型37消除偶次谐波的改385.4中点电压控制1.中点电压偏移的原因除了小电压矢量和中电压矢量的影响外,其它因素有:1）由于制造误差造成的电容不平衡；

2）开关器件的特性不一致；3）三相不对称运行。385.4中点电压控制1.中点电压偏移的原因除了小电压矢量392.电动和再生运行模式的影响a)为电动模式，直流电流id从直流电源流向逆变器。此时，小矢量V1的P型开关状态[POO]导致中点电压Vz上升，而N型开关状态[ONN]则使Vz减小。b)为再生运行模式，直流电流反向流动，结果与a)正好相反。392.电动和再生运行模式的影响a)为电动模式，直403.中点电压的反馈控制通过调整小电压矢量P型和N型开关状态的作用时间,可以控制中点电压VZ。将作用时间Ta重新分配为：式中：其中：403.中点电压的反馈控制通过调整小电压矢量P型和N型开关状41根据检测得到的直流电容电压Vd1和Vd2来调整式中的时间增量△t，可以使中点电压偏移最小。下表列出了电容电压和时间增量△t之间的关系中点电压偏移程度电动模式再生模式41根据检测得到的直流电容电压Vd1和Vd2来调整式中的时间42电容电压Vd1和Vd2的仿真波形仿真实验：设每个电容电压的初始值均为2800V。为使Vd1、Vd2不平衡，下端电容通过并联一电阻，使下边的电容放电，从而使Vd2降低，Vd1上升。42电容电压Vd1和Vd2的仿真波形仿真实验：设每个电容电压435.5多电平二极管箝位式逆变器1.四、五电平二极管箝位式逆变器a)为四电平逆变器主电路拓扑图b)为五电平逆变器主电路拓扑图435.5多电平二极管箝位式逆变器1.四、五电平二极管箝位44四电平开关状态和逆变器端电压VAN开关状态四电平逆变器1110003E0111002E001110E000111044四电平开关状态和逆变器端电压VAN开关状态四电平逆变器145五电平开关状态和逆变器端电压VAN五电平逆变器111100004E011110003E001111002E00011110E00001111045五电平开关状态和逆变器端电压VAN五电平逆变器1111046二极管箝位式多电平逆变器的器件数量电平数目有源开关箝位二极管直流电容3126241818352436463060546二极管箝位式多电平逆变器的器件数量电平数目有源开关箝位二47采用同相层叠（IPD）调制方式的四电平逆变器的仿真波形：2.基于载波的PWM47采用同相层叠（IPD）调制方式的四电平逆变器的仿真波形：48IPD法VAB的谐波成分48IPD法VAB的谐波成分49交替反相层叠(APOD)调制方式的四电平逆变器输出波形49交替反相层叠(APOD)调制方式的四电平逆变器输出波形50APOD法四电平逆变器输出电压VAB的谐波含量50APOD法四电平逆变器输出电压VAB的谐波含量GeschäftsgebietDrehzahlveränderbareAntriebeA&DDS51SIEMENS三电平四象限中压逆变器M3~+-直流环节网侧整流器03电平逆变器DC100Hz1Hz50/60Hz3-ph.2.3-36kVAC50/60HzGeschäftsgebietDrehzahlveränd52ABBACS1000中压变频器52ABBACS1000中压变频器53ABBACS1000中压变频器53ABBACS1000中压变频器54ABBACS1000中压变频器12Inv.IGCTs+2Pro.IGCTs标准的交流感应电动机DCLink3-电平电压源型逆变器(VSI)正弦波滤波器IGCT

集成门极驱动和续流二极管的IGCTNPCDiode中性点钳位二极管54ABBACS1000中压变频器12Inv.IG55ABBACS1000中压变频器速度控制

PIDREF转距给定转距给定调节器速度给定触发逻辑开关位置电压电流=电机模型转距和磁通比较器3~转距计算速度磁通直接转矩控制DTC具有25us的控制周期55ABBACS1000中压变频器速度控制REF转56ABBACS1000中压变频器MMCB

电压尖峰脉冲20kV/µs

共模电压2500V

电压尖峰脉冲

5V/µs

共模电压 0V56ABBACS1000中压变频器MMCB电压尖峰57ABBACS6000中压变频器共用直流母线电网供电1..2ARU或LSU电机驱动1motorCOULSU#1

CBU单传动拓扑5-27MWSMINU

#1WCUEXU单电机传动57ABBACS6000中压变频器共用电网供电电机驱动58ABBACS6000中压变频器电网供电1..2ARU或LSU电机驱动2…4(5)motors共用直流母线COU

ARU#1ARU#2CBUASMINU

#1ASMINU#2多传动拓扑5-27MWASMINU#3SMINU

#4WCUEXU多电机传动可驱动多台不同规格同步机或异步机!58ABBACS6000中压变频器电网供电电机驱动共用59ABBACS6000中压变频器逆变单元ARU

EXULSU

COUWCUCBUINUACS6000基本模块预定义接口—功率,冷却和控制连接控制和软件DTCIM>ACS6000ADSM>ACS6000SDPM>ACS6000PMIM>ACS6000ADTWIN-HISPIN59ABBACS6000中压变频器逆变单元ACS660ABBACS6000中压变频器双ARU(有源整流单元)公共CBU(电容组单元)INU(逆变