SPWM控制的三电平逆变电源设计【毕业论文】.doc

1、毕业论文 - 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： SPWM 控制的三电平逆变电源设计 学 院： 学生姓名： 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 - SPWM 控制的三电平逆变电源设计 摘要 SPWM 控制技术指的是根据面积等效原理，以正弦波为调制波，以 N 倍的三角波为载波。通过调制波载波的波形比较，决定开关器件的通断，进而对逆变开关器件进行控制。其主要功能是对逆变器输出电压的幅值，波形做相应的调节改善。而三电平逆变器由于其具有输出电压高 ，容量大，电流谐波含量较小等优点，在实际的生产生活中得到了广泛的应用。 为进一步的了解熟悉 SPWM 控制技术，

2、同时也为更好的掌握多电平尤其是三电平逆变电路的原理及性能。本文将对基于 SPWM 控制的三电平逆变电源做较为详实的描述和设计，并对设计的电路进行仿真。得出相应的结论和总结。 在电路规格方面，本文将采用电压型二极管箝位式三电平逆变电路，为了消除三次谐波，载波频率一般取正弦波频率的 3 整数倍。通过采用数字式的 SPWM 发生电路，对多调制波单载波和多载波单调制波两种 SPWM 控制方式的逆变器进行仿真。 本文也会对 PWM 控制的一些理论性质进行叙述。 对于 SPWM 控制的三电平逆变器存在的一些问题，如控制方式的改进等，本文也将进行相应的探讨。并且，对箝位式逆变器存在的中点电位平衡问题，本文也

3、会在接下去的章节里研究。 在设计的过程中，本次毕业设计也会对多电平逆变器常用的一些技术手段进行描述，比如在拓扑结构方面，本文也会涉及飞跨电容式及级联式 H 桥电路。并分析各自结构的优缺点。而在控制方式上对消除谐波 SHPWM 控制及 SVPWM 控制也进行分析。 关键词： SPWM；二极管箝位式；中点电位平衡 毕业论文 - Abstract SPWM control technology refers to the equivalence principle of area, we take the sine wave for the fundamental and the N-time tr

4、iangular wave as carrier. We use the wave form of Base wave carrier to control the Inverter switch device. The ma in function is that it can adjust the amplitude given by inverter and wave form relatively. However, three-level Inverter has the advantages of owning higher output voltage, larger capac

5、ity and less current harmonics , so it is widely applied in practical life. In order to get familiar with the SPWM control technique and better master the principles and properties of multi-level (three-level) inverter circuit , the paper will give specific descriptions and designs towards the three

6、-level inverter power supply controlled by SPWM and simulate the designed circuit. In the electric circuit specification aspect, this article will use the voltage diode clamping type three level inversion electric circuit, through will use digital SPWM to have the electric circuit, will carry on the

7、 simulation to the modulating wave single carrier and the multi-carrier single modulating wave two kind of SPWM control mode inverter. SPWM control for three-level inverter there are some problems, such as harmonic elimination, this will also be the corresponding argument. And clamped type inverter

8、with neutral-point potential balancing problem, this article will study in the next chapter. In the design process, this graduation project also can carry on the description to the multi-level inverter. Commonly used some technology method, for instance in the topology aspect, this article also can

9、involve flies the cross electric capacity type, the mixed style, and cascade type H bridge electric circuit. This article also can analyze respective structure the good and bad points. Keywords: SPWM; NPC; Neutral point voltage balance 毕业论文 - 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 多电平逆变器产生的意义及背景 . 1 1.2 多电平逆变器的发展过程及研究

10、现状 . 1 1.2.1 多电平逆变器的发展过程 . 1 1.2.2 多电平逆变器研究现状 . 2 1.3 本论文的任务及设计方案 . 2 第 2 章 三电平逆变器拓扑结构 . 4 2.1 逆变电路的拓扑结构的分析 . 4 2.1.1 二极管箝位式多电平逆变器 . 4 2.1.2 飞跨电容式多电平逆变器 . 6 2.1.3 级联式多电平逆变器 . 7 2.2 拓扑结构的选择 . 9 第 3 章 SPWM 控制技术 . 10 3.1 PWM 控制技术基本概述 . 10 3.2 多电平逆变器控制技术 . 12 3.3 三电平二极管箝位式逆变器的 SPWM. 13 3.3.1 多调制波单载波 SPW

11、M 控制方式 . 13 3.3.2 多载波单调制波 SPWM 控制方式 . 14 第 4 章 逆变器的硬件电路设计 . 15 4.1 主电路参数计算以及器件选型设计。 . 16 4.2 控制电路设计 . 18 4.2.1 SPWM 产生及控制电路设计 . 18 4.2.2 输出电压控制电路设计 . 18 4.3 驱动电路设计 . 19 4.4 保护电路设计 . 20 4.4.1 过压保护 . 20 4.4.2 过流保护 . 21 4.5 滤波电路设计 . 22 毕业论文 - 第 5 章 中点电位平衡问题的研究 . 23 5.1 中点电位平衡问题产生的原因及危害 . . 24 5.2 中点电压与

12、中线电流关系的分析 . 24 5.3 中点电位平衡控制策略 . 25 第 6 章 仿真 . 25 6.1 多调制波单载波调制方式的仿真 . 26 6.2 多载波单调制波调制方式的仿真 . 27 结论 . 29 致谢 . 30 参考文献 . 31 附录 1 多载波单调制波的仿真原理图 . 32 附图 2 多调制波单载波的仿真原理图 . 33 毕业论文 - 第 1 章 绪论 1.1 多电平逆变器产生的意义及背景 逆变技术，指的是将直流电变换为交流电的一种电力电子技术。在电力电子技术六十余年的发展历程中，逆变技术是其中不可或缺的重要一环。正因为逆变技术的发展，电能才能在社会生产生活占到绝对的主导地位

13、。也真因为电能的广泛应用。社会生产力才得最大限度的解放，日常生活娱乐也因此得到极大的丰富和补充。 两电平逆变指的是电路的输出相电压有两种电平。这类逆变器的有较大的不足。在高压条件下，为解决 IGBT 耐压问题，常采用串联的方式。而高速器件 IGBT 的串联难度较大。而且两电平电路的 di/dt 较高，波形失真并存在较多 谐波。在不改变电路结构的前提下，只能一味的提高 IGBT 的开关频率，用高频化来减少谐波。但同时又会使得 du/dt 上升 ,EMI 大增，开关损耗也激增。并且这一方法只能提高谐波频率，并不能消除谐波。 多电平变换器作为一种新型的高压大容量功率变换器，从电路拓扑结构入手，在得到

14、高质量的输出波形的同时，克服了两电平变换器的诸多缺点。主要优点是：电平数越高，输出的电压谐波含量越低，器件开关频率低，开关损耗小；器件应力小，无须动态均压。多电平逆变技术的出现的研制背景与意义在于： 首先，多电平逆变技术的出现是电 力电网发展的自然演进的结果。在两电平结构限制里，以很难通过开关器件的换代升级这类的手段来解决谐波失真无功功率损耗等难题。上世纪 80年代美国电力研究院就已经提出了柔性交流输电系统（ Flexible AC Transmission System，FACTS）的理念。其核心思想就是以高压大容量电力电子技术及现代控制理论为基础，将高压高功率的 SPWM 多电平逆变技术运

15、用到电力系统中的静止无功补偿器（ SVG），电力有源滤波器（ APF),综合潮流控制器（ UPFC）中。来增强对电网的控制，提高电网的运输能力继而有效的治理无 功功率和谐波污染的问题。如今而言，这一理念已是深入人心，得到广泛采纳。其次，高压大功率交流电机变频调速技术等新技术的的应用，也使得两电平逆变器无法避免的低效率，高损耗， EMI 和 du/dt 都较大的缺点都凸显出来。而如前文所述，多电平逆变器可以很好的解决和这些问题。而随着石油、煤和天然气等主要能源的日益紧张，新能源的开发和利用越来越得到人们的重视。利用蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其他新能源转化的电能变换成交流电能与电网并网发电，都

16、必须借助于电力电子技术，多电平 SPWM 控制的逆变器也因此新能源的开发和利用领域有 着至关重要的地位。对我国的工业降低单位能耗，节能减排都具有重大意义。 1.2 多电平逆变器的发展过程及研究现状 1.2.1 多电平逆变器的发展过程 多电平逆变器的理念是由德国研究者 Holtz 于上世纪 70 年代提出的，最初的构想是在传统的二电平半桥式逆变器的基础上加入开关管来辅助电路箝位。而真正的进入研发阶段是在80 年日本学者南波江章等人在电气工程师学会（ IEEE）工业应用年会（ IAS）提出二极管箝位式三电平逆变器之后，随后的几年中，三电平逐渐的被扩展到五电平，七电平和多电平二极管箝位式逆变器。 1

17、993 年，法国学 者提出了电容箝位式多电平逆变器。而在结合了前人经毕业论文 - 验后， Fang Z. Peng 提出了通用式多电平逆变器。它是以电容箝位的半桥式电路为基本单元构成的电容电压自平衡的多电平逆变器。这种电路的因其可以不借助附加电路来抑制直流侧分压电容的电压偏移。在箝位式多电平逆变器快速发展的同时，级联式逆变器也有了长足的发展。 1988 年， M.Marchesoni 提出了单相全桥逆变器，即 H 桥逆变器。 2007 年，国内学者提出 SPWM 直流电源级联多电平逆变器，其特点是将 SPWM 控制移植到直流源上，并使 SPWM直流源级联叠加。减少开关管 数量的同时，也使开关器

18、件工作在 ZVS 状态。成本和开关损耗都可以得到有效的控制。 1.2.2 多电平逆变器研究现状 现如今，多电平逆变器的研究热点主要集中在： 1.进一步的改进主电路的拓扑结构 在三电平普遍采用的二极管箝位式电路中，开关器件大量的被使用，使得电路结构复杂化。而飞跨电容式逆变器因电容的可靠性和稳定性而在实际运用中很少使用。并且这两种结构都存在电位均衡的问题。虽然级联式逆变器的优点众多，但一样存在应用范围的限制。未来可以改进或者构建出新型的拓扑结构，来改善这一状况。如混合式逆变器和通用逆变技 术。 2.开关器件技术高频高效化 提高 IGBT 的耐压值，使得在高压大功率领域也可全面采用这一低功率高频高灵

19、敏度的开关器件。并且引入软开关技术 在器件换流时，应用谐振原理 ,实现零电压或零电流自然导通自然关断，而其他时间则采用恒频脉宽调制方式。其本质是将换流过程和能量转化，控制过程分时分别处理。可显著的降低开关损耗并且提高了工作效率。 3.控制策略和控制方式的发展。 开关器件的发展，导致了多电平逆变器的控制策略的多样化，找到简单、可靠、适用的控制策略是依旧未来研究额重点；另一方面，研究控制方法 ，找到和每一种主电器拓扑结构，控制策略相对应的负载特性的性能优良、可靠性高的先进控制方法。使得谐波污染得到有效的控制。 具体到本问所采用的二极管箝位式三电平逆变器时，目前的关注点在于： 1.优化开关矢量，限制

20、最大开关频率，减少输出量的谐波数，考虑最小导通脉冲宽限制，减少它对系统的影响。 2.实现四象限运行，尤其是在高压高功率的应用场合，通过提高功率因数，来降低谐波对电网的污染。 3.控制中点电位，限制中点电位浮动的范围，避免系统工作异常及发生电位漂移过多而击穿开关器件。目前，中点电位的控制，主要采用的方法 有电流迟滞比较法，建立反馈环节来及时调整开关脉宽。 1.3 本论文的任务及设计方案 本课题设计一个容量大小为 80KVA 的逆变电源，要求采用电压型的二极管箝位式三电平逆变电路，采用多调制波单载波和多载波单调制波两种 SPWM 控制方式。此逆变电源采用三相市电经变压器变压供电，逆变电源的频率为

21、50Hz，主电路结构形式如下图所示，要求设计主电路具体结构，控制电路以及相应的保护电路。 多电平逆变器因具有较小的 THD 输出值、较低的器件电压应力、和较低的 EMI 等优点，而备受研究者的青睐，成为近年来高压大功率场合的研究 热点。本文主要对二极管箝位型三毕业论文 - 电平逆变器的载波 PWM 方法进行了详细的研究，主要工作总结如下 : 分析了多电平逆变器三种基本的拓扑结构、工作原理及各自的优缺点。二极管箝位型结构与其他两种结构相比有着明显的优势，既不需要可靠性差的电容，也不需要多个独立直流电源等，因此选择此种电路作为本文研究的三电平逆变器的主电路结构。 图 1.1 主电路框图 本文研究了

22、多电平逆变器的各种 PWM 控制方法，并对三电平逆变器的载波 PWM 方法进行了详细介绍。 中点电位不平衡是二极管箝位型三电平逆变器的固有问题，中点电 位的波动会大大降低逆变器的工作性能。本文分析了二极管箝位型三电平逆变器产生中点电位不平衡的原因，并对两种 SPWM 控制多载波和多调制波进行仿真分析。设计过压和过流保护电路，并解决中点电压平衡问题。设计指标：输出额定电压为 800V，输出额定电流可达 100A，滤波总含量在 4%以内，当输出从空载到额定负载时，电压下降率要小于 3%。设计出的电路利用 ORCAD 软件进行仿真，得出仿真结果。 研究步骤、方法及措施： 采用多调制波单载波和多载波单

23、调制波两种 SPWM 控制方式。用三相市电经变压器变压供电，经变压器变压后由 三相全控桥式整流器真为直流电。再将直流电经所设计的 SPWM 三电平逆变器逆变，将输出逆变电源额谐波用滤波器滤除。最后接入负载中。通过查阅相关的开关电源设计资料，设计元器件参数，选择合适的器件，设计出完整的电气原理总图 。 三相市电 变压器 整流电路 三电平逆 变电路 滤波电路 负载三相市电 变压器 整流电路 三电平逆 变电路 滤波电路 负载毕业论文 - 第 2 章 三电平逆变器拓扑结构 2.1 逆变电路的拓扑结构的分析 逆变器根据直流侧电源种类可分为电压型逆变器和电流型逆变器。其中电压型逆变器的应用较为广泛。多电平

24、逆变器事实上就是将开关器件和多个直流源按照一定的电路连接方式相连，而后按照一定的方式和顺序控制开关器件。就可以获得相应的控制电 压输出。一定的连接方式既是逆变器的拓扑结构。进过多年的发展。逆变器的拓扑结构大致可分为三类：二级管箝位式，飞跨电容式，级联式。 在此基础上，又派生出多种演进结构。其中关注度较高的主要有二级管电容混合箝位式；通用箝位式 .但这两种电路都局限在箝位式电路，而不能推导至级联电路 。 2.1.1 二极管箝位式多电平逆变器 二极管箝位型逆变器是多电平逆变电路拓扑中发展最早的一种结构。 1980 年的 IAS 年会上 A.Nabae 等人提出了这一构想，最大的突出点是在两对电力电

25、子开关器的中性点上加一对箝位的二极管。 因此这种结构也称为 中点箝位式逆变电路。 对于二极管箝位式多电平逆变器，有 N 个电平，就需要串联 N-1 个分压电容，而每个桥臂 就需要 2（ N-1）个的开关器件 其正向耐压值为 Vdc/（ N-1） .同时也将需要 2（ N-2）个箝位二极管 ,两个串联后箝位在正负半桥臂对应开关器件之间。二极管箝位式三电平逆变器的原理图如下图 2.1 所示： 图 2.1 二极管箝位式三电平逆变 每个桥臂由两个 GTR 构成并反并联二极管。两个 IGBT 的中点经箝位二极管与直流侧电容的中点相连。如 A 相中上下桥臂分别通过二极管 D1&D2， D3&D6 与电容

26、C1 和 C2 中点相连 。 A相工作状态如下图所示： 毕业论文 - A1 A2 A3 图 2.2 工作状态图 图 2.2.A1 所示的是 D1,D2 或者 Q1， Q2 导通时的工作状态， D4， D6 还有 Q3， Q4 均处于关断状态。输出电压与直流侧 Ud 正极相连。当电流为正时，电流通过开关器件导通，而电流为负则是通过续流二极管续流。输出电压 U 与电容中心点 O 的电位差为 Ud/2。接着 A 相电路进入图 2.2.A2 所示的工作状态。此时 Q2， Q3 管导通， Q1， Q4 关断。 U， O 的电压差为零，相当于输出电压直接与中心点相连。此时的两个 IGBT 事实上不可能同时

27、导通，负载电流 iU的方向决定了哪个开关器件的导通。当 iU为正时， Q2 与对应的箝位管导通；否则则是 Q3 导通。图 2.2.A3 所示的是 Q3， Q4 或者 D4， D6 导通时的工作状态，输出电压与中心点电位差为 -Ud/2。若电流为正，电流是经续流二极管续流流出，若为负，则是经开关器件流进。 表 2.1 三电平二极管箝位式的开关状态表 输出电压 开关状态 Q1 Q2 Q3 Q4 Ud 1 0 0 1 0 0 1 0 1 -Ud 0 1 1 0 三电平逆变器通过相电压之间的相加减可得到 Ud、 Ud/2、和 0 五种电平。使得输出电压波形跟接近正弦波。因此在适当的控制之后，输出电压谐波可得大大的减少 .这种架构使得开关器件所承受的电压为直流侧电压的一半，所以三电平二极管箝位式逆变器又具有耐高压的特点。并且输出电压的 du/dt 也显著地减小，使得对外围电路的 EMI 减小，对负载的冲击也有效的控制。不需要太多复杂的变压器件你可以获得高压高功率的输出。 当然，三电平二极管箝位式逆变器也有些许不足。比如开关器件的大量使 用使得控制电