SVPWM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： SVPWM 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 - SVPWM 控制的三电平逆变电源设计 摘要 从 20 世纪五十年代到现在电力电子技术得到了飞速的发展，应用于各个行业中，在低压小功率的用电领域，电力电子技术已经有了成熟的技术，所以电力电子的研究重点将放在高压大功率的工业和输配电领域。在这些方面二电平逆变器已越来越无法满足人们的需求，再加上近几年 因为功率器件水平没有本质突破，所以研究的重点放在了改善电路拓扑和控制方法上。期间提出了很多解决的办法，其中包

2、括多电平逆变技术，其主要优点为：电平数目越高 ，输出的电压谐波含量越低，开关频率低，开关损耗小，器件应力小，无需动态均压。三电平逆变器就是多电平逆变中应用广泛的一种，三电平逆变器相对于两电平逆变器的主要优点 :串联连接使得在没有增加开关器件负荷电压的基础上增加了电压电平；三电平逆变器多阶输出波形更接近正弦波，逆变器输出的 dv/dt 也会减少；在同样的开关频率下 , 多电平逆变器的输出波形相对二电平逆变器来说 ，由于有更多的电平数 , 能达到更低的谐波畸变。所以三电平逆变器自开发之后得到了广泛的应用，尤其在大容量和高压的场合，而在三电平逆变器的多种控制策略中， SVPWM 又以调制比大、能够优

3、化输出电压波形、易于数字实现、母线电压利用率高等优点，成为人们关注的热点。本文重点讲述了 SVPWM 控制的三电平逆变器。 关键词 ：三电平逆变器； SVPWM；二极管箝位式 毕业论文 - Abstract Power electronics technology has been rapid development from the 1950s to the present, Applied to various industries, In the low-voltage low-power electric field, Power electronics technology has

4、been a mature technology, Power electronics research will focus on the industrial and power transmission and distribution of high-voltage high-power field. Two - level inverter in these areas has become increasingly unable to meet the needs of people, In recent years, coupled with the level of power

5、 devices is no essential breakthrough. Research focus on to improve the circuit topology and control method.Were made during the many solution, Including multi- level inverter technology, its main advantages are:Level, the higher the number, the lower the output voltage harmonic content, low switchi

6、ng frequency, switching loss is small, the device stress, without the dynamic pressure.Three-level inverter is the multi-level inverter application of a wide range of a three - level inverter relative to the main advantages of the two - level inverter:Connected in series make to increase the voltage

7、 level on the basis of no increase in the load voltage of the switching device, Multi-stage, three-level inverter output waveform is closer to a sine wave inverter output dv / dt will be reduced;in the same switching frequency, the relative units of multi- level inverter output waveform inverter due

8、 to more power level number, can achieve lower harmonic distortion. Three - level inverter self- development after a wide range of applications, in particular, the large capacity and high-pressure situations, And a variety of control strategies in the three - level inverter, SVPWM again the modulati

9、on ratio, to optimize the output voltage waveform, easy digital implementation, the bus voltage utilization advantages, become the focus of attention. This article focuses on the three-level inverter SVPWM control. Keywords: three-level inverter; SVPWM;NPC 毕业论文 - 目录 前言 . 1 第 1 章 绪 论 . 2 1.1 本文的设计任务

10、. 2 1.2 本文的设计方案 . 2 第 2 章 三电平逆变器 . 3 2.1 三电平逆变器的定义 . 3 2.2 三电平逆变器的分类 . 4 2.3 三电平逆变器的工作原理 . 7 第 3 章 三电平 SVPWM 控制原理 . 8 3.1SVPWM 的基本原理 . 8 3.2SVPWM 扇区的判断 . 9 3.3SVPWM 在六边形基础上的改进 . 14 第 4 章 主电路的选型与设计 . 20 4.1 整流变压器 容量计算及选型 . 20 4.2 整流电路的计算与器件选型 . 20 4.3 三电平逆变电路参数计算与器件选型 . 21 4.4 滤波电路的计算与设计 . 21 4.5 主电路

11、保护电路的设计 . 22 第 5 章 控制电路的设计与计算 . 26 第 6 章 基于 ORCAD 的三电平逆变电源仿真 . 27 第 7 章中点电压平衡策略 . 29 结论 . 35 致谢 . 36 参考文献 . 37 毕业论文 - 前 言 电力电子技术是一门利用电力电子器件对电能进行控制和转换的技术。它通过使用电力半导体器件，应用电路和设计理论及分析开发工具来实现对电能的高效变换和控制。它介于电力、电子和控制之间，是一门渗透了多种学科理论的综合性交叉学科。电力电子技术主要包括三个方面的内容：电力电子器件，变流电路和控制电路。并且，随着科学技术的进一步发展，它将与现代控制理论、材料科学、微电

12、子技术，计算机技术及电机工程等学科产生更加密切的联系 。 随着近几年电力电子科学技术的发展和应用，社会上电子设备的种类也变得越来越多，同时对这些电子设备的 要求也越来越高。 逆变器是整流器的逆向变换装置，它的作用是通过半导体功率开关器件的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能。因此，这是一种电能变换装置。由于它是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，虽然它的转换效率比较高，但转换输出的波形却是一个含有相当多谐波分量的方波。但对多数负载而言，它们所需要的是正弦波输入。所以，如何通过控制半导体开关器件的开通和关断来使得逆变器的输出为正弦波或是尽可能性地接近正弦波，就成了一项极为重要

13、的研究课题。 传统的逆变器可以输出两个电平状态，故称为两电平 逆变器。它的实现和控制相对简单，但若把它应用于高压大容量的场合，当逆变器的开关频率较高时就会产生一系列问题，如：开关损耗增加，电磁干扰加大，谐波分量增多，输出波形变差，电压变化率和电流变化率过大引起开关应力较大等等。在这种背景下，人们提出了多电平逆变器。 多电平逆变器是在 1981 年由 Nabae 等人提出的“中点箝位 PWM 逆变器”的基础上发展起来的，其后在高压大功率调速器方面得到了广泛的应用。多电平逆变器能够提供电压较高、容量较大的逆变电源 , 在很多场合已经得到了广泛应用。在实现了高电压、大容量的同时 , 其性能 也比普通

14、两电平逆变器有了很大的提高，其优点是输出波形好、器件承受的电压应力小、 开关损耗低等 ,成为人们研究的热点课题。 三电平逆变器是多电平逆变器中最简单、最实用的一种。与两电平逆变器相比 , 三电平拓扑结构的主要优点是 :器件具有两倍的正向阻断电压能力 , 能够减少谐波和系统损耗 ;从输出性能指标来看 , 三电平的开关频率是两电平的 1/ 5, 电压变化率比两电平降低一半 ;主电路电流中含有的脉动成分少 , 转矩脉动和电磁噪声低。鉴于上述优点 , 三电平逆变器作为逆变电源已被广泛应用 , 与传统的逆变器相比，目前以二极管中点 箝位型结构为代表的三电平逆变器更适合用于控制高电压、大功率电机，且具备输

15、出电压波形谐波含量低，跳变引起的电磁干扰小等优点。 毕业论文 - 第 1 章 绪 论 1.1 本文的设计任务 本课题设计一个容量大小为 60KVA 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 SVPWM 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 50Hz，要求设计主电路具体结构，控制电路以及相应的过压和过流保护电路，并解决中点电压平衡问题。设计指标：输出额定线电压为 600V，输出额定电流可达 60A，滤波 总含量在 3%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。 1.2 本文的设

16、计方案 本次设计的三电平逆变电源的电路由变压器、整流滤波电路、控制电路等构成，如图 1.1所示。 图 1.1 设计方案图 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 2.1 三电平逆变器的定义 近年来随着多电平逆变器在中高压大容量变换中的广泛应用，人 们开始着力研究新型的电路拓扑和控制策略。其中多电平逆变器是指输出电压的波形大于或者等于三的逆变器， 多电平逆变器在大容量、高压的场合得到了越来越多的应用。在多平逆变器的多种控制策略中，空间矢量调制 (SVPWM)算法具有调制比大、能

17、够优化输出电压波形、易于数字实现、母线电压利用率高等优点，成为人们关注的热点。 多电平逆变器的一般结构是有几个电平台阶成阶梯波以逼近正弦输出电压。在过去两电平逆变器的高压大容量应用中，往往采用功率开关器件的串并联方式，这就要求所有串并联的开关器件必须同时开通和关断，所有开关器件的开关 特性要完全一致。而由于器件匹配的困难使开关器件的利用因数降低，使这种方案非常麻烦甚至很难实现。许多情况下也采用交一直一交变频方式，在这种方式中，或是将多个低压小容量变换器采用多重化获得高压大功率，或是在交流输久侧和交流输出侧分别采用低压变换器。很明显，以上两种方法均采用了笨重、昂贵、耗能的变压器，且对于第二种方法

18、还会出现中间环节电流过大，系统效率下降，可靠性降低，低频时能量传输困难等诸多缺点，人们希望采用直接的高压变换器方式，这就对变换器所用器件提出了更高的要求，特别是需要承受很高的电压应力，因此，人们提出 了一种通过变换器自身拓扑结构的改进，达到既无需升降压变压器，又无须均压电路的多电平变换器。 多电平逆变器作为一种新型的逆变器类型，其产生的背景是为了克服传统逆变器较高的dv dt， di dt 所引起的开关应力等缺点，出发点是通过对主电路拓扑结构的改进，使所有功率器件工作在基频以下，达到减小开关应力，改善输出波形的目的，但因多电平电路所需的功率器件较多，所以从提高性能比角度，它更适合于大功率场合。

19、其中三电平逆变器是多电平逆变器中最简单、最实用的一种。与两电平逆变器相比 , 三电平拓扑结构的主要优点是 : 器件具有两倍的正向阻断电压能力 , 能够减少谐波和系统损耗 ; 从输出性能指标来看 , 三电平的开关频率是两电平的 1/ 5 , 电压变化率比两电平降低一半 ; 主电路电流中含有的脉动成分少 , 转矩脉动和电磁噪声低。 目前为止，三电平逆变电路已进入实用化阶段，对其进行研究和分析很有实际意义。三电平逆变技术在国外已逐步进入实用阶段，但国内还处于萌芽状态，有大量的工作需国内研究者去做，且市场需求旺盛。随着新型电力电子器件及 DSP 智能控制芯片的迅速普及，这一技术必将在大功率应用场合大显

20、身手。 IGCT 和高压 IGBT 等新型器件近来的发展使 PWM 逆变器在工业及牵引应用中成本降低的同时性能也得到改善。传统直流电流源供电及直流电压源供电 GTO 逆变器正逐渐被使用 IGCT 及 IGBT 的两电平或三电平 PWM 逆变器所取代，随着减少电磁和噪声等环境标准的提高，三电平逆变器方案必将得到广泛的应用。 多电平逆变器相比原来的二电平逆变器具有很多的优点，其中包括：在相同的开关频率之下，多电平逆变器可以增加逆变器的容量，降低高次谐波，消除通向谐波；多电平逆变器相比二电平逆变器开关频率小损耗低，从而提高效率。三电平逆变器则是现阶段被运用的最广 泛的一种多电平逆变器。 毕业论文 -

21、 2.2 三电平逆变器的分类 三电平逆变器的分类主要是通过对主电路拓扑结构的区分，三电平逆变器的拓扑结构在二电平逆变器的基础上进行了改良，从而降低了开关器件的工作频率减小了开关器件应力、降低输出电压谐波含量等。按拓扑结构三电平逆变器可分为二极管箝位型三电平逆变器、级联型三电平逆变器和飞跨电容箝位型三电平逆变器。 一：二极管箝位型三电平逆变器 二极管箝位型逆变器又可以称为中性点箝位型逆变器。最早由日本的 Akria Nabae 等在 1980 的 IEEE 工业应用年会上提出。其电路结构和 传统两电平的电路结构的区别是在每相桥臂的上增加了两只功率管和二极管，其电路结构以两电平逆变器为基础，把直流

22、侧电容数量增加到两个，每相桥臂开关管数量四个变成了两个，并在每相桥臂上增加箝位二极管。从而在正、负两种电平的基础上，加入了一个 0 电平，变成三电平，使得输出电压波形的正弦度提高，波形质量有一定改善。具体拓扑结构图如图 2.1 所示 , 图 2.1 二极管箝位型三电平逆变器 从图 2.1 可 看出：直流输入电压源为 UD，分压电容 C1 和 C2 大小相同，所以每个电容上的压降为 UD/2，对 A 相桥臂进行分析， 当功率管 VT1 和 VT2 导通，功率管 VT3 和 VT4截止时，直流电压 UD经过功率管 VT1 和 VT2 向负载供电， A 点的电压值为 UD，当负载向直流电源充电，二极

23、管 D1 和 D2 导通时， A 点的电压值也为 UD；当功率管 VT2 和 VT3 导通，功率管 VT1 和 VT4 截止时，分压电容 C2 进过二极管 VD1 和功率管 VT2 向负载供电， A 点的电压值为 1/2 UD，当负载向电源侧充电，经过功率管 VT3 和二极管 VD2 向电容 C2 充电，A 点电位也为 1/2 UD；当功 率管 VT1 和 VT2 截止，功率管 VT3 和 VT4 导通时， A 点电位和直流电压的零点电位相同为 0。 二极管箝位式逆变器特点有： (1)每个开关器件承受的直流侧电压值降低为直流侧电压值的一半；波形质量得到改善的同时降低了开关频率； (2)电压上升

24、率 dv dt降低为两电平变流器的一半； (3)输出电压电平数的增多，每个电平相对幅值降低，电压变化减小，电流脉动降低，降低了电磁干扰； (4)三相中某项输出电压为零时有电流流入或流出直流侧电容中点，当流入与流出电流不毕业论文 - 相等时造成上下电容电压不等，中点电位漂移 ，影响输出电压波形质量； (5)同一桥臂上的功率器件的开关频率不同，桥臂中部的功率开关和靠近直流母线侧的功率开关相比，前者的导通时间远大于后者，所承担的负荷也较重。造成开关器件的利用率不同。 二极管箝位式逆变器也有它自己的缺点： （ 1）箝位二极管要求耐压等级高，数量多，增加了系统的硬件成本。 （ 2）同一桥臂上开关器件在每

25、个电压周期内开通次数不同，中间两个开关管开通时间要比上下开关管开通时间长，负荷分配不同，造成开关器件的利用率不同。（ 3）当两电容之间的中点 O 和三相负载的某一项相连时，流入或流出电容的电流 不同会造成上下电容上的分压偏离 UD/2，引起中点电位的波动，影响输出电压质量。 二：飞跨电容型三电平逆变器 为了解决二极管箝位型三电平逆变器只保证桥臂上下两只开关器件电压箝位在 UD/2，而无法保证中间两只开关器件的电压箝位在 UD/2 的问题，法国的 Meynard T A 和 FochH 在 1992 年的电力电子专家会议上提出了飞跨电容箝位型三电平逆变器，飞跨电容式逆变器其拓扑如图 2.2 所示

26、，与二极管箝位式相比，飞跨电容式逆变器用电容取代了箝位二极管，即通过电容来进行箝位。 图 2.2 飞跨 电容型三电平逆变器 单相拓扑结构图 由图 2.2 可知， C1、 C2 和 C3 为飞跨电容，在电路稳定工作时，飞跨电容上的压降为 1/2 UD，飞跨电容箝位型三电平逆变器输出电平状态 UD、 1/2 UD和 0 的过程和二极管箝位型逆变器分析过程相同，优点是保证了输出电压三电平波形质量，没有使用分压电容和箝位二极管，与二极管箝位式逆变器相比，它的开关选择更为灵活。在合成同一空间电压矢量时有较多的选择，以使直流侧电容电压保持均衡，从而对该种拓扑的逆变器控制策略进行优化。但同时在省去大量二极管

27、的同时又引入了大量电 容，使得系统的体积和成本增加，增加了机械结构设计的难度，控制方法也较复杂，其次因为在输出同一电平时有不同的开关组合，使得系统的控制变得复杂，因此在异步电机的变频调速中很少使用。 三 :级联型三电平逆变器 级联型多电平变换器是 M.Marchesoni 等人在 1988 年会议上提出的，直到 1997 年，两项关于级联拓扑在电机传动和电网中的应用的专利申请后，级联型多电平变换器才得到广泛应用。级联式逆变器又称为隔离直流电源式逆变器 ,它采用隔离的直流电源作输入，多个 H 逆毕业论文 - 变桥输出端相串联的结构。通过几个独立直流电源合 成一个期望的电压，拓扑结构如图 2.3所

28、示。级联型三电平逆变器不需要额外的箝位二极管或者电容，通过每级四个开关器件的任意组合输出三种不同的电压值，这种拓扑结构的优点是器件在基频下开通和关断，损耗小，效率高；不需要额外的箝位二极管或者；不存在无直流侧电压不均衡的问题；电平数越多，输出电压谐波含量越小。但是它也存在着需要多个独立直流电源和不易四象限运行的缺点 ,其拓扑结构图如图 2.3所示， 图 2.3 级联型三电平逆变器 拓扑结构图 级联型三电平从电路结构上克服了二极管箝位型逆变器和飞跨电容型逆变器电容分压不均的问 题。级联型三电平逆变器每个单元需要一个直流电源，每个桥臂采用 H 桥型，对图 2.3的单相桥臂的开关状态和对应的输出关系

29、如表 2.1。其中 1 代表功率开关管导通状态， 0 代表功率开关管关断状态。 表 2.1 输出电压与开关状态的关系 输出电压 VT1 VT2 VT3 VT4 UD 1 0 0 1 0 0 1 0 1 -UD 0 1 1 0 其中具有独立直流电源的级联式多电平逆变器，与箝位式多电平逆变器相比较，有着以下的优点： （ 1）电平数越多，输出电压波形的谐波含量越少； （ 2）在阶梯波调制时，开关管工作在基频 状态，损耗小，效率高； （ 3）与箝位式多电平逆变器相比，当输出电平数相同时，所需的元器件数目最少； （ 4）容易实现模块化，易于扩展； （ 5）直流电源电压的利用率比嵌位半桥式结构的多电平逆变器高； （ 6）基于低压小容量逆变器的级联组成方式，技术成熟、容易实现，比较适合于七电平以上的多电平逆变器场合应用； （ 7）容易使用现有的软开关技术，不用阻容吸收电路； （ 8）不存在直流分压电容的电压平衡问题； （ 9）各个开关管的导通时间相同； （ 10）控制方法简单，每个基本功率单元可以独立进行控制； （ 11）不用箝位二极管 和箝位电容，也不用阻容吸收电路。