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多电平逆变器设计.rar

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    电平 逆变器 设计
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    闽南师范大学毕业论文(设计)多电平逆变器设计The Design of Multi-level Inverter姓 名: 涂雪聪 学 号: 1305990117 系 别: 物理与信息工程学院 专 业: 电气工程及其自动化 年 级: 2013 级 指导教师: 刘金海 2016 年 12 月 25 日闽 南 师 范 大 学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 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,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权闽南师范大学可以将本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和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□,在______年解密后适用本授权书。2、不保密□。(请在以上相应方框内打“√” )作者签名: 日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 √I摘 要最近一些年来,在运动控制方面,人们广泛关注多电平中压变频器并对其做了不断地开发和研究。多电平逆变器优点很多,一是可以降低开关管耐压值,减小开关管电压应力,二是改善输出波形质量,提高系统的电压和功率级别,因此多电平技术由于越来越广泛的应用于高压大功率领域[1]。现如今,在高压大功率领域中,二极管钳位型三电平变换器是多电平中点钳位型逆变器中研究最多,应用最普遍的一种多电平拓扑结构 [1,2],三电平中点钳位逆变器的概念是在 20 世纪 80 年代由日本学者南波江章(A.Naba)提出的 [3]。论文对三电平逆变器的工作原理进行介绍,并以此为基础详细分析了其特性,介绍了多电平逆变电路三种典型拓扑结构,并且对于三种典型拓扑结构的优劣之处进行了比较。本文的研究对象是二极管钳位型三电平逆变器,并把它作为今后进一步研究的基础。然后介绍了三电平逆变器脉冲宽度调制策略的基本原理,包括正弦 PWM 调制( SPWM) 、空间矢量PWM 调制(SVPWM ) 、谐波消除 PWM 调制(SHEPWM)关键词:多电平逆变器;脉冲宽度调制;拓扑;二极管钳位AbstractIn recent years, in the motion control, people pay much attention to the multi-level medium voltage inverter and do its continuous development and research. Multi-level inverter has many advantages,the one is reduce the switch tube voltage value, reduce the switch voltage stress, the second is to improve the quality of the output waveform and improve the system voltage and power level,so multi-level technology as more and more widely used in high-voltage high-power field. Now, in the field of high-voltage and high-power, the diode-clamped three-level converter is one of the most studied and applied multi-level IItopology in the multi-level midpoint clamped inverter. Three-level mid-point-clamped inverter is proposed by Japanese scholar Nanbo Jiang (A.Naba) in 1980In this paper, the principle of three-level inverter is introduced and its characteristics are analyzed in detail. Three typical topologies of multilevel inverters are introduced. The advantages and disadvantages of three typical topologies are analyzed. . The research object of this paper is diode-clamped three-level inverter, which is the base of future research. Then, the basic principles of three-level inverter pulse width modulation (SPWM), space vector PWM (SVPWM), harmonic elimination PWM (SHEPWM)Keywords:Multi-Level Inverter ,PWM,Topology,Diode-ClampIII目录摘 要 ..............................................................................................................................I1 绪论 .............................................................................................................................11.1 逆变器产生的背景及现状 ......................................................................................11.2 多电平逆变电路的拓扑结构分类及优缺点 .......................................................21.2.1 多电平拓扑结构分类 ..........................................................................................21.2.2 不同类型多电平逆变器的优缺点 [10,11,12]...........................................................22 三电平逆变器的基本工作原理 .................................................................................52.1 三电平逆变器的主电路 [13,14,15] ............................................................................52.2 三电平逆变器的基本工作原理 [16,17,18] ..................................................................53 三电平逆变器脉宽调制策略 [19~23] ............................................................................83.1 三电平逆变器脉宽调制策略简介 ..........................................................................83.2 三电平电压空间矢量脉宽调制策略(SVPWM) ....................................................83.3 参考矢量区域判断 ................................................................................................103.3.1 大扇区判断 .........................................................................................................103.3.2 小扇区判断 .........................................................................................................103.4 空间矢量作用时间 ................................................................................................113.5 空间矢量顺序确定方法 ........................................................................................134 硬件电路设计 ...........................................................................................................154.1 逆变器控制系统的硬件总体结构 ........................................................................154.2STC15F2K60S2 型号单片机简介 [24].....................................................................154.3TLP250 驱动电路 ...................................................................................................164.4PWM 输出电路 ......................................................................................................175 实验结果及其分析 ...................................................................................................186 总结 ...........................................................................................................................23参考文献 ......................................................................................................................24致谢 ..............................................................................................................................26附录 ..............................................................................................................................2711 绪论1.1 逆变器产生的背景及现状两电平逆变器具有主电路结构成熟,调制策略简单等优势。然而体型构架大、造价高的缺点等缺点,使其不适用于大功率、高电压的情况下。而多电平逆变器从提出至今已经有超过三十年的历史了。多电平逆变器以一种桥臂上有四个或四个以上电力半导体器件的构造形式,利用对直流侧的分压和开关次序的不同配合,达到多电平阶梯波输出电压的目的,可以让波形更加接近正弦波 [4]。其电路结构种类繁多,大体可以分为以下几种:二极管钳位型、H 桥级联型和飞跨电容钳位型。其中二极管钳位型多电平拓扑电路是人们普遍运用的一种。有效地提高逆变器的耐压、减少输出电压谐波和开关损耗是这种结构的长处,所以在电力系统的大功率应用中受到普遍的重视 [5]。多电平逆变器通常是利用几个电平合成阶梯波从而使得输出波形接近于于正弦波。在高压大容量运用场景中,传统两电平逆变器经常采用功率开关器件的串并联形式,并且要求所有开关器件的开关特性要完全一模一样。这种方案不仅麻烦而且难以实现。有时也采用另外的一种方式:交-直-交变频方式,这是通过多个低压小容量变压器采用多重化从而做到高压大功率,或是在交流输入输出两侧分别采用低压变压器。显而易见,以上两种方法均采用了变压器,既沉重昂贵又不节能,交-直-交变频方式还有诸多缺点:出现中间环节电流过大,系统效率降低,可靠性不足,低频时能量传递困难等。人们希望有直接的高压变换器方式来解决这些问题,因此,人们提出了一种变换器自身拓扑结构的改进 [6]。多电平逆变器是一种比较新颖的逆变器类型,他的出现就是为了抑制传统逆变器较高的电压变化率和电流变化率所带来的的开关应力等不足之处,为了实现这个目标,就要对主电路拓扑结构的进行改良,使所有功率器件在基频以下工作,进而改善输出波形。从 20 世纪 80 年代至今,第三代电力电子器件飞速发展和智能控制芯片迅速普及,以此可以看出,它们已经使这种新型多电平逆变器器的探究和实践运用的必要物质基础得到了保证 [7]。多电平逆变电路现在已经越来越实用了,对它进行探究和分析意义十分重大。通常情况下多电平逆变器是在三电平逆变器的基础上,依照近似的拓扑结构发展改进而来的。随着电平数越多,阶梯波电平台阶相应增多,输出波形越接近正弦波,谐波成分越少。由于受到种种限制,使得可做到任意 N 电平的多电平逆变器的理论在实际应用中无法实现,任意 N 电平逆变器还在理论阶段。2目前国内外运用最普遍的是三电平逆变器、五电平逆变器 [8]。正弦 PWM 调制(SPWM) 、谐波消除 PWM 调制( SHEPWM)和空间矢量PWM 调制(SVPWM)是多电平逆变器最常用的三种控制策略。其中,因为空间矢量 PWM 调制(SVPWM)较为优越,所以运用最广泛,该方法具有调制比范围广,性能高,不需要大量的正余弦和角度算法,母线电压利用率高等特点。多电平逆变器研究中一个炙手可热的话题就是调制方法。多电平逆变技术市场需求极大,国外已逐步进入实用阶段,但国内研究步伐是比较晚的,我们必须加快研究工作。这一技术在大功率应用场合因为有飞速发展电力电子器件及迅速普及智能控制芯片,必将大有作为。脉宽调制逆变器因为 IGCT 和高压 IGBT 等新型器件不断发展,在工业应用中不断降低成本,同时性能也大大提高。使用 IGCT 及 IGBT 的两电平或多电平脉宽调制逆变器将会逐步取代传统直流电流源供电及直流电压源供电 GTO 逆变器。多电平逆变器方案能够得到广泛的应用,这跟电磁和噪声等环境标准的提高密不可分 [9]。1.2 多电平逆变电路的拓扑结构分类及优缺点1.2.1 多电平拓扑结构分类多电平逆变器经过几十年的发展,已经衍生出很多种拓扑结构,目前多电平逆变器主要结构大致分为几种:H 桥级联式(CascadedH-bridge) 、二极管箝位式(Diode-Clamped) 、飞跨电容嵌位式(Flying-Capacitors)也叫做电容箝位式(Capacitor-Clamped) 。如图 1-1 所示:多 电 平 逆 变 器H桥 级 联 式( CascadedH-bridge)二 极 管 箝 位 式( Diode-Clamped)飞 跨 电 容 嵌 位 式( Flying-Capacitors)或 称电 容 箝 位 式 ( Capacitor-Clamped) 。图 1-1 多电平逆变器主要拓扑电路类型1.2.2 不同类型多电平逆变器的优缺点 [10,11,12]二极管箝位型逆变器的优点:(1)高压大容量装置由多个低压器件组成,不仅构造简单,而且控制起来十分灵活;(2)阶梯波电平台阶与电平数呈现正3相关性质,输出电压谐波少;(3)调制时,器件工作频率低于基频,开关消耗很小,效率高。中点箝位型逆变器的缺点:(1)电平数随着输出电压的增加也要相应增多,用到的钳位二极管数量增多,构造繁琐,难度增加;(2)每个桥臂开关元件开关损耗有所差别,需要的电流容量也不尽相同;(3)直流分压电容电压不均衡。如图 1-2 所示:Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q9Q10Q11Q12D1D2D3D4D5D6C1C2Udc图 1-2 二极管箝位型逆变器飞跨电容型逆变器的优点:(1)输出正弦波形的失真率与输出电平呈现负相关,输出电平数增多时失真率减小,电容钳位的均压效果十分好;(2)逆变器电平数便于扩充,可以十分灵活的选择开关状态;(3)直流侧电容电压由于电容的引进,在相同电平上不同开关组合的适当配合下,能够保证均衡。飞跨电容型逆变器的缺点:(1)钳位电容数目随着电平数的增大而相应增多,既提高价格,又不利于封装;(2)用于有功传输时控制难度大,开关频率高,有很大的开关消耗;(3)直流滤波电容体积较大、使用寿命不长价格又不低,对飞跨电容型逆变器的实际应用产生了限制。如图 1-3 所示:Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q9Q10Q11Q12C1C2Udc C5 C6 C74图 1-3 飞跨电容型逆变器H 桥级联型逆变器的优点:(1)在三种多电平逆变拓扑中,对于同样的电平数,用到的钳位二极管和钳位电容数量少,有利于封装;(2)由低压小容量逆变器级联构成,且各部分相对独立,易实现模块化;(3)因为电路基于单独的单元串联结构,不影响另外的级联单元工作,系统可靠性高;H 桥级联型逆变器的缺点:(1)单独的隔离直流电源在每个基本单元都有包含,结构复杂程度和成本随着电平数增多形成正比;(2)不易实现四象限运行。如图 1-4 所示:Q1 Q2Q3 Q4Q5 Q6Q7 Q8图 1-4 H 桥级联型逆变器52 三电平逆变器的基本工作原理2.1 三电平逆变器的主电路 [13,14,15]常用的三电平逆变器的拓扑电路如下图所示。目前三电平逆变器主电路通常运用的是实用性很高的二极管钳位型拓扑结构,其结构形式是将功率开关元件 Q1-Q4 分别串联,利用一对中点钳位二极管 D1-D2 分别与上下桥臂串联的二极管相联,用于钳位电平,并根据适当的逻辑控制开关的关断与开通,从而产生三种输出电平+U dc /2、0、-U dc/2 在输出端合成近似于正弦的阶梯波。相比传统两电平电路来说,每个开关元件承担的电压值减少一半,波形质量也大大提高。逆变器结构的输出为三个电平亦或是三种状态,即(+U dc/2、0、-U dc/2),这就是所谓三电平逆变器,用符号(P、0、N)对应地表示。因此,对于三相电压型逆变器一共就存在着 27 种输出状况。如图 2-1 所示:Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7Q8Q9Q10Q11Q12D1D2D3D4D5D6C1C2Udc图 2-1 三电平逆变电路结构图2.2 三电平逆变器的基本工作原理 [16,17,18]如图 2-1 所示,每一相桥臂拥有四个功率开关管,所以每一相桥臂最多可以得到 16 种开关状态,但是 Q1 和 Q3,以及 Q2 和 Q4 属于逻辑非的关系,其中一个开通时,另一个必定是关断的,所以每一相桥臂的开关状态就只剩下三种了。以下对三种开关状态进行详细说明。
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