电力电子三相四开关技术

2011年7月6日I摘要电力电子技术出现于20世纪50年代，1957年美国通用电气公司在晶体管的基础上研制出了第一个晶闸管，当时被称作可控硅（siliconcontrolledrectifier,SCR）.晶闸管是一种利用半导体PN结原理开发出的固体可控开关，他可以用小电流控制开关导通，从而控制高电压大电流的电路。随着电力电子技术的飞速发展，各种大功率开关器件得到了广泛应用。它们一方面给电能的变换应用带来了方便，另一方面又给电力系统带来了繁重的无功控制和谐波治理问题。电力电子四开关技术应用尤为广泛。电力电子技术是研究电能形式变换的技术，这些变换的基本类型有：交流－直流、直流－直流、直流－交流和交流－交流的变换。电力电子电路是一种开关电路，具有非线性的特点，研究电力电子电路主要采用波形分析和分段线性化处理的方法。现代仿真技术为电力电子电路的研究和分析提供了极其方便的工具。四开关组成的电路既可以用于整流也可以用于逆变，本文主要介绍三相四开关逆变器，滤波器。关键词三相四开关；SPWM变换器；整流器；逆变器；滤波器IIAbstractPowerelectronictechnologyappearedinthe1950sandin1957thegeneralelectriccompanyonthebasisofthetransistordevelopedthefirstthyristorandthenwascalledSCRsiliconcontrolledrectifier,(SCR).ThethyristorisauseofsemiconductorPNjunctionprincipledevelopmentofasolidcontrollableswitch,hecanusesmallcurrentcontrolswitchconduction,soastocontrolhighvoltagelargecurrentcircuit.Withtherapiddevelopmentofthepowerelectronictechnology,allkindsofhighpowerswitchdevicetoawiderangeofapplications.Theyhandtopowertransformationapplicationconvenience,ontheotherhand,tothepowersystembroughtheavyreactivecontrolandharmonicmanagementproblem.Powerelectronictechnologyiswidelyusedfourswitch.Powerelectronictechnologyisthestudyoftheformofelectricalenergytransformationtechnology,theytransformthebasictypesofexchange-a:dc,dc-dc,dc-communicationandexchange-communicationtransform.Powerelectroniccircuitisakindofswitchcircuitwithnonlinearcharacteristics,studythemainpowerelectroniccircuitsofthewaveformanalysisandsubsectionlinearizationmethod.Modernsimulationtechnologyforelectricpowerelectroniccircuitsofresearchandanalysisprovidesextremelyconvenienttool.Composedoffourswitchcircuitcanbeusedeitherforrectificationcanalsobeusedforinverter,thethesismainlyintroducesthreephasefourswitchinverter,filter.KeywordsFour-switchthree-phase;rectifier；SPWMconverter；inverter；filter.电力电子技术四开关技术与方法1目录摘要............................................................................................................................................IAbstract...................................................................................................................................II前言...........................................................................................................................................2第一章三相四开关逆变器.....................................................................................................31.1三相四开关逆变器工作原理.....................................................................................31.2四开关三相逆变器与六开关三相逆变器的比较..................................................4第二章三相四开关滤波器...................................................................................................62.1三相四开关滤波器工作原理......................................................................................62.2三相四开关滤波器的基本原理.................................................................................7结论.........................................................................................................................................10参考文献.................................................................................................................................11致谢............................................................................................................错误!未定义书签。电力电子技术四开关技术与方法2前言随着社会的发展和科技的进步，人们对电能的容量与质量的要求越来越高。作为世界上应用最为广泛的能源，电能的应用程度是一个国家发展水平和综合国力的重要标志之一。提高对电能质量的要求是一个国家工业生产发达、科技水平提高、社会文明程度进步的表现，是增强用电效率、节能降损、改善环境、提高国民经济的总体效益以及工业生产可持续发展的技术保证。电力电子技术是研究电能形式变换的技术，这些变换的基本类型有：交流－直流、直流－直流、直流－交流和交流－交流的变换。电力电子电路是一种开关电路，具有非线性的特点，研究电力电子电路主要采用波形分析和分段线性化处理的方法。现代仿真技术为电力电子电路的研究和分析提供了极其方便的工具。四开关组成的电路既可以用于整流也可以用于逆变，论文主要介绍三相四开关逆变器，滤波器。电力电子技术四开关技术与方法3第一章三相四开关逆变器1.1三相四开关逆变器工作原理四开关三相逆变器（Four-SwitchThree-PhaseInverter，简写为FSTP[4]）的电路拓扑结构如图1所示，Ud为直流母线电压，M1、M2、M3、M4为四个功率开关器件，两个容量相等的电容串于直流母线电压之间，从O、A、B点分别引出三根线，接到三相负载。以O点为参考点，当M1导通、M2关断时，A点电位为+Ud/2；当M1关断、M2导通时，A点电位为-Ud/2。同理可分析B点电位。当给开关管M1和M2、M3和M4施予SPWM控制信号时，A、B两点的电压基波必为正弦波。若使A、B两点电压相位相差60度，则可，则可得到三相电压。图1.1三相四开关逆变器拓扑结构图1.2三相四开关逆变器的输出电压参见图1.2，使UAO和UBO相位相差60度，根据向量加减法则，则UAB、UBO，UOA的相位必定依次相差120度；变为相电压，则UAN、UBN、UON的相位依次相差120度。图3为A、B两相（O为参考点）SPWM控制信号产生图，两相调制信urA和urB相位相差60度，经三角载波调制产生SPWM控制信号，该信号用来控制四个开关管的通断。A、B两相功率开关器件的控制规律相同，现以A相为例来说明。当urA大于载波时，给上桥臂M1以导通信号，给下桥臂M2以关断信号；当urA小于载波时，电力电子技术四开关技术与方法4给上桥臂M1以关断信号，给下桥臂M2以导通信号。M1和M2信号始终是互补的。图1.3SPWM信号产生图1.2四开关三相逆变器与六开关三相逆变器的比较六开关三相逆变器（Six-SwitchThree-PhaseInverter，简写为SSTP）的拓扑结构如图4所示，Ud为直流母线电压，M1、M2、M3、M4、M5、M6为六个功率开关器件，从A’、B’、C’点分别引出三根线，接到三相负载。若驱动开关器件的SPWM信号相位依次相差120度，则A’、B’、C’三点可输出标准的三相电压。图1.4三相六开关逆变器拓扑结构图1.5输出电压比较由图1.1、图1.4、图1.5，我们可以得到四开关三相逆变器与六开关三相逆变器存在以下几点区别：电力电子技术四开关技术与方法5（1）拓扑结构：四开关三相逆变器比六开关三相逆变器少了两个开关器件，主电路简单了。不过，六开关三相逆变器的两个电容可以用一个电容来代替，而四开关三相逆变器则不可以。（2）控制方案：六开关三相逆变器的控制信号需要三相相位互差120度的正弦波来作为调制信号；而四开关三相逆变器的控制信号只需要两相相位相差60度的正弦波作为调制信号。控制电路相对也简单了。（3）输出线电压谐波：输出波形中所含谐波的多少是衡量PWM控制方法优劣的基本标志。一般来说，输出线电压电平数越多，谐波越少[5]。六开关三相逆变器控制的是相电压，相电压为两电平，两个相电压向量相减得线电压，所以线电压为三电平（+Ud，０，-Ud）；而四开关三相逆变器直接控制线电压，所以线电压为两电平（+Ud/2，-Ud/2）。所以，可以初步断定，四开关三相逆变器输出线电压的谐波要相对多一些。（4）直流电压利用率：直流电压利用率[6]是指逆变电路所能输出的交流电压基波最大幅值U1m和直流电压Ud之比，提高直流电压利用率可以提高逆变器的输出能力。四开关三相逆变器的直流电压利用