现代电力电子技术7

第7章PWM多电平电路7.1概述7.2多重化方波电路7.3多重化PWM直流变换电路7.4多重化PWM逆变电路7.5中点钳位式逆变电路7.6中点钳位式直流变换电路(NPC-DC/DC)7.7中点钳位式PWM整流电路(NPC-PWM-REC)7.1概述7.1.1PWM多电平电路的工作背景7.1.2PWM多电平电路的分类7.1.1PWM多电平电路的工作背景1)由于器件和单机容量的限制，大功率电路需要由多个器件或多个单元电路通过串/并联连接实现。2)由于高压大电流操作，电路对电网和环境的污染严重，EMI强度高。3)高可靠性：对于电力系统和大型生产设备的电力传动系统等应用场合，故障将产生严重后果，故要求有高可靠性运行。7.1.2PWM多电平电路的分类按照输出叠加方式，所有多重化电路可分为串联和并联两类，串联时电压相加，所有串联单元电路流过相同电流；并联时电流相加，所有并联单元电路具有相同电压。按照出端耦合方式，多重化电路可分为直耦式和磁耦式两类，前者和负载直接连接，无电气隔离。7.2多重化方波电路7.2.1多重化方波整流电路7.2.2多重化电压源方波逆变电路7.2.3多重化电流源方波逆变电路7.2.1多重化方波整流电路图7-1两重方波整流电路a)并联电路结构b)串联电路结构c)网侧电流波形7.2.1多重化方波整流电路表7-1移相式串联多重化方波整流电路的特性7.2.2多重化电压源方波逆变电路图7-2单相串联多重电压源方波电压逆变电路a)主电路b)单元电路的出端电压波形7.2.2多重化电压源方波逆变电路表7-2多重化方波逆变电路的频谱分组特性7.2.2多重化电压源方波逆变电路图7-3N=6多重化三相电压源方波逆变电路a)电路结构b)电压矢量关系c)A相电压波形7.2.2多重化电压源方波逆变电路图7-4N=6多重化三相电压源方波逆变电源结构图0—交流电源1—输入变压器2—不控整流及滤波3—单相逆变桥4—波形叠加输出变压器(三相)5—输出滤波器6—负载7—输出电压检测电路8—电压给定9—电压调节器10—振荡器11—N级环形计数器12—移相器13—驱动器7.2.2多重化电压源方波逆变电路图7-5N′=2P=3的多重化三相方波电压逆变电路a)主电路结构b)A相电压矢量图c)电量波形7.2.3多重化电流源方波逆变电路图7-6N′=2多重化方波电流逆变电路a)主电路b)电流波形,r=π/6rad7.2.3多重化电流源方波逆变电路表7-3多重化电流源方波逆变电路的谐波含量第7章PWM多电平电路7.1概述7.2多重化方波电路7.3多重化PWM直流变换电路7.4多重化PWM逆变电路7.5中点钳位式逆变电路7.6中点钳位式直流变换电路(NPC-DC/DC)7.7中点钳位式PWM整流电路(NPC-PWM-REC)7.3多重化PWM直流变换电路7.3.1多重化PWM单象限降压型电路*7.3.2多重化PWM双管正激式直流变换电路7.3.1多重化PWM单象限降压型电路图7-7N=3多重化PWM单象限降压型电路a)主电路结构b)电量波形*7.3.2多重化PWM双管正激式直流变换电路图7-8N=2并-并/串结构的多重化双管正激式电路a)主电路结构b)等效电路*7.3.2多重化PWM双管正激式直流变换电路图7-9N=2串-串结构的多重化双管正激式电路7.4多重化PWM逆变电路7.4.1多重化PWM电压源逆变电路7.4.2多重化PWM电流源逆变电路7.4.1多重化PWM电压源逆变电路1.变压器串联输出方式图7-10多重化PWM电压源逆变电路a)变压器输出方式b)直接输出方式1—输入整流变压器2—三相不控整流电路3—驱动电路4—单相逆变电路5—输出变压器6—N相三角形载波发生器7—单相正弦波发生器7.4.1多重化PWM电压源逆变电路图7-11N=5多重化SPWM电压源逆变电路电量波形a)载波b)单元输出电压c)合成电压m=0.8K=3N=5δ=24°7.4.1多重化PWM电压源逆变电路图7-12SPWM逆变电路输出电压的THD-m曲线a—单重电路(N=1,K=15)b—多重电路(N=5,K=3)7.4.1多重化PWM电压源逆变电路2.直接输出方式表7-4不同电压比电路的比较7.4.1多重化PWM电压源逆变电路图7-13直接输出式三相电压源多重PWM逆变主电路结构3.基于CPLD的控制电路结构7.4.1多重化PWM电压源逆变电路7.4.1多重化PWM电压源逆变电路图7-14基于DSP和CPLD的三相多重PWM逆变电源7.4.1多重化PWM电压源逆变电路图7-15采用变压器耦合输出的多重化PWM电压源逆变电路a)主电路结构b)输出电压波形c)线电压矢量关系4.变压器耦合输出第7章PWM多电平电路7.1概述7.2多重化方波电路7.3多重化PWM直流变换电路7.4多重化PWM逆变电路7.5中点钳位式逆变电路7.6中点钳位式直流变换电路(NPC-DC/DC)7.7中点钳位式PWM整流电路(NPC-PWM-REC)7.4.2多重化PWM电流源逆变电路7.4.2多重化PWM电流源逆变电路(1)逆变入端均采用并联供电方式由于两种电路均采用独立电源故入端都是并联供电，但图7-10b为电压源，而图7-16则为电流源，当电源为非电流源时，则每一功率单元入端必须串联电感，其数值应足以维持入端电流近于恒定，由于电源性质不同，影响电路出端滤波器的构成，设每相均为纯阻负载，图7-10b应带电感输入型滤波器，使负载电流近似于基波；图7-16则带电容输入型滤波器、使负载电压近似于基波电压。(2)逆变出端连接方式不同(3)控制策略相同两种逆变电路都采用载波移相SPWM控制方式(CarriesPhaseShiftedSPWM,缩称CPS-SPWM)，上图点划线框Ⓐ是各逆变单元的控制电路结构。7.5中点钳位式逆变电路7.5.1中点钳位式方波逆变电路7.5.2中点钳位式PWM逆变电路(NPC-PWM-INV)*7.5.3直接转矩控制在NPC-PWM-INV中的应用7.5.1中点钳位式方波逆变电路图7-17三相中点钳位式方波逆变电路a)主电路b)～e)电量波形f)开关时序1.三电平方波逆变电路7.5.1中点钳位式方波逆变电路图7-18图7-17中各时区的等效电路7.5.1中点钳位式方波逆变电路图7-19中点钳位式五电平方波逆变电路a)A相主电路b)～l)等效电路2.五电平方波逆变电路7.5.1中点钳位式方波逆变电路表7-5五电平方波逆变电路开关状态7.5.2中点钳位式PWM逆变电路(NPC-PWM-INV)图7-20NPC-PWM-INV的电量波形7.5.2中点钳位式PWM逆变电路(NPC-PWM-INV)表7-6A相正半周期PWM开关函数表表7-6A相正半周期PWM开关函数表表7-6A相正半周期PWM开关函数表表7-6A相正半周期PWM开关函数表7.5.2中点钳位式PWM逆变电路(NPC-PWM-INV)图7-21NPC-PWM-INV的空间矢量图a)电压空间矢量的分布b)磁链增量轨迹c)7.5.2中点钳位式PWM逆变电路(NPC-PWM-INV)表7-7NPCSVPWMINV电路开关状态与电压空间矢量的对照表*7.5.3直接转矩控制在NPC-PWM-INV中的应用图7-22采用直接转矩控制的异步机调速系统a)框图b)主电路1—交流电源及电源变压器2—不控整流电路3—NPC-SVPWM-INV4—异步电动机5—驱动电路6—开关状态选择电路7—参量计算电路8—转矩调节器9—磁链调节器10—速度调节器1.采用直接转矩控制的异步机调速系统框图*7.5.3直接转矩控制在NPC-PWM-INV中的应用图7-23磁链调节器a)控制特性b)调节过程*7.5.3直接转矩控制在NPC-PWM-INV中的应用图7-24转矩调节器a)控制特性b)调节过程*7.5.3直接转矩控制在NPC-PWM-INV中的应用图7-25第7章PWM多电平电路7.1概述7.2多重化方波电路7.3多重化PWM直流变换电路7.4多重化PWM逆变电路7.5中点钳位式逆变电路7.6中点钳位式直流变换电路(NPC-DC/DC)7.7中点钳位式PWM整流电路(NPC-PWM-REC)*7.5.3直接转矩控制在NPC-PWM-INV中的应用表7-8*7.5.3直接转矩控制在NPC-PWM-INV中的应用图7-26定子磁链的计算*7.5.3直接转矩控制在NPC-PWM-INV中的应用图7-27基于DSP的全数字化DTC异步机调速系统1—电网及输入变压器2—不控整流电路3—NPCINV4—异步电动机5—驱动电路6—控制电源模块7—电压检测8—电流检测9—EEPROM10—DSP11—硬件过电流保护模块12—外部RAM扩展13—串行通信接口7.6中点钳位式直流变换电路(NPC-DC/DC)7.6.1间接式NPC-DC/DC电路7.6.2直接式NPC-DC/DC电路7.6.1间接式NPC-DC/DC电路图7-28间接式NPC-DC/DC电路7.6.1间接式NPC-DC/DC电路图7-29NPC-INV不同相移角α下的电量波形a)α=π/8b)α=π/4，c)α=3π/4(rad)7.6.2直接式NPC-DC/DC电路图7-30NPC-BUCK电路a)主电路b)D=0.25的电量波形c)D=0.75的电量波形—时区M—工作模式7.6.2直接式NPC-DC/DC电路图7-31NPC-BUCK电路的等效电路7.7中点钳位式PWM整流电路(NPC-PWM-REC)7.7.1SVPWM的控制算法7.7.2NPC-PWM-REC的控制*7.7.3直流电源中点电位的控制7.7.4间接式IGCT-NPC双向变频调速系统7.7中点钳位式PWM整流电路(NPC-PWM-REC)图7-32中点钳位式三相PWM整流电路7.7.1SVPWM的控制算法1.NPCREC中电压空间矢量的分布图7-33NPCREC中电压空间矢量的分布a)在α-β坐标轴上的分布b)子区分布7.7.2NPC-PWM-REC的控制1)两个控制电路均采用间接式电流控制策略。2)两种控制电路都拥有一个电压外环，而且都采用模拟电路构成，都使用PI调节器实现输出电压的调节。3)两种电路均假定网侧基波相移角ϕ=0，也即交流侧的矢量关系将如图5-13所示。7.7.2NPC-PWM-REC的控制图7-34采用SVPWM控制的NPC-REC系统结构图1—电压给定2—电压调节器3—输出电压检测4—网压检测及坐标变换5—作用时间计算电路6—桥侧电压计算电路7—中点电位控制电路8—驱动电路9—负载10—NPC-REC7.7.2NPC-PWM-REC的控制图7-35坐标系间的关系*7.7.3直流电源中点电位的控制1.直流中点电位浮动的原因分析*7.7.3直流电源中点电位的控制图7-36正负短矢量对直流中点电位的影响(等效电路)a)ϕ=0b)ϕ=07.7.4间接式IGCT-NPC双向变频调速系统表7-9各种高压大功率器件的成本比较7.7.4间接式IGCT-NPC双向变频调速系统表7-10各种高压大功率器件的损耗比较