電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告---混合型多電平逆變器電路設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　一、引言3</b></p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)任務(wù)6</b></p><p><b>　　（一）設(shè)計(jì)任務(wù)6</b></p><p><b>　?。ǘ┰O(shè)計(jì)要

2、求6</b></p><p>　　三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法要點(diǎn)6</p><p>　　四、總體電路設(shè)計(jì)7</p><p>　?。ㄒ唬┠孀兤髟O(shè)計(jì)流程圖8</p><p>　　（二）混合電平式逆變器結(jié)構(gòu)9</p><p>　?。ㄈ┗旌蠁卧侥孀兤鹘Y(jié)構(gòu)11</p><p>　　五、各

3、功能模塊電路設(shè)計(jì)12</p><p>　?。ㄒ唬┠孀兤鞯闹饕夹g(shù)指標(biāo)12</p><p>　?。ǘ┯性茨孀兡K13</p><p>　?。ㄈ┠孀兡芰康淖儞Q關(guān)系模塊14</p><p><b>　　六、總體電路15</b></p><p>　?。ㄒ唬┲麟娐穲D15</p>

4、<p>　?。ǘ┛傮w電路原理圖說(shuō)明16</p><p><b>　　七、總結(jié)20</b></p><p><b>　　八、參考文獻(xiàn)22</b></p><p><b>　　一、引言</b></p><p>　　逆變器也稱(chēng)逆變電源，是將直流電能轉(zhuǎn)變成交流電能的

5、變流裝置，是太陽(yáng)能、風(fēng)力發(fā)電中一個(gè)重要部件。隨著微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，逆變技術(shù)也從通過(guò)直流電動(dòng)機(jī)——交流發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方式逆變技術(shù)，發(fā)展到二十世紀(jì)六、七十年代的晶閘管逆變技術(shù)，而二十一世紀(jì)的逆變技術(shù)多數(shù)采用了MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、MCT等多種先進(jìn)且易于控制的功率器件，控制電路也從模擬集成電路發(fā)展到單片機(jī)控制甚至采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）控制。各種現(xiàn)代控制理論如自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)

6、絡(luò)控制等先進(jìn)控制理論和算法也大量應(yīng)用于逆變領(lǐng)域。其應(yīng)用領(lǐng)域也達(dá)到了前所未有的廣闊，從毫瓦級(jí)的液晶背光板逆變電路到百兆瓦級(jí)的高壓直流輸電換流站；從日常生活的變頻空調(diào)、變頻冰箱到航空領(lǐng)域的機(jī)載設(shè)備；從使用常規(guī)化石能源的火力發(fā)電設(shè)備到使用可再生能源發(fā)電的太陽(yáng)能風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，都少不了逆變電源。毋須懷疑，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和各種新型功率器件的發(fā)展，逆變裝置也將向著體積更小、效率更高、性能指標(biāo)更優(yōu)越的方向發(fā)展。</p><p>

7、　　在傳統(tǒng)雙轉(zhuǎn)換逆變電路中，變壓器室電路不可或缺的重要組成部分，并在總多方面展現(xiàn)其不容小覷的優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　最初的UPS輸出逆變器都是帶有變壓器的。應(yīng)該說(shuō)，帶變壓器是UPS輸出逆變器電路形式所決定的，而變壓器的存在卻是弊大于利。逆變器電路技術(shù)演變過(guò)程的一個(gè)顯著的表現(xiàn)形式是:是否必須用變壓器以及如何配置變壓器。 </p><p>　　19世紀(jì)70年代生產(chǎn)的第一代三相UPS的典型電

8、路結(jié)構(gòu)形式(MGEUPSMG240系列)。這個(gè)系列的UPS包括一個(gè)由降壓式自藕變壓器繞組供電的二極管全波整流器和一個(gè)與整流器相并聯(lián)的、由自稍變壓器的輔助二次側(cè)繞組供電的電池充電器。當(dāng)電網(wǎng)停電時(shí)靜態(tài)開(kāi)關(guān)可將電池組連接到直流母線(xiàn)上供電。 </p><p>　　逆變器由4個(gè)三相變換器以全波方式運(yùn)行(按照基波頻率進(jìn)行換向)，每一個(gè)三相變換器都與變壓器的一次側(cè)繞組相連接(A連接)，把這些二次側(cè)繞組開(kāi)放式的變壓器(OpenP

9、haseTransformers)以一定方式進(jìn)行串聯(lián)，以獲得合成的輸出電壓。這4個(gè)變壓器被分為兩組，每一組都包含一個(gè)Y形和一個(gè)曲折Y型(Z形)的二次側(cè)繞組，這兩個(gè)二次側(cè)繞組之間具有30。相位差。這一特殊連接可消除序號(hào)為"n=6k±1次的電壓諧波，其中K為奇數(shù)，這等效于一個(gè)具有兩組移相式整流橋的變壓器一次側(cè)繞組所吸收的電流。對(duì)于在變壓器一次側(cè)繞組中每相可能出現(xiàn)的3次和3n次諧波，由一次側(cè)繞組的人接線(xiàn)方式來(lái)抵消。因此，首

10、先需要濾除的諧波為第11次諧波。輸出電壓的調(diào)整是通過(guò)移動(dòng)兩組變壓器之間的相位來(lái)完成的。由于首先進(jìn)行濾除的是第11次諧波，所以輸出濾波器的尺寸較小，這使得逆變器對(duì)負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性加快。 </p><p>　　超過(guò)90%的逆變器效率，這在當(dāng)時(shí)已經(jīng)足夠讓人滿(mǎn)意了，這樣的輸出效率得益于采用較低頻率的斬波以降低換向損耗。盡管當(dāng)時(shí)這種換向電路(如圖2-21所示)是先進(jìn)的，但仍然存在不容忽視的損耗。</p>

11、<p>　　這種類(lèi)型電路的主要缺點(diǎn)為:在某些情況下例如過(guò)載時(shí)，不可能便所有可控硅立即關(guān)斷，進(jìn)而使逆變器完全停止工作。這給設(shè)備的安全造成威脅。 </p><p>　　改進(jìn)的逆變器換向電路，可明顯降低此類(lèi)電路的換向能量損耗并實(shí)現(xiàn)所有可控硅的同時(shí)關(guān)斷。圖中的每只可控硅都有一個(gè)關(guān)斷電路。每個(gè)關(guān)斷電路包含一只可通過(guò)一個(gè)電阻做預(yù)充電的電容器、一個(gè)換向電感L1、一只輔助可控硅Ta和一只輔助二極管Da。Ta導(dǎo)通時(shí)關(guān)斷

12、電流在歷Ta、L1和C組成的電路中產(chǎn)生環(huán)流，這使得電容兩端的電壓在振蕩的第一個(gè)1/2周期末發(fā)生反向。對(duì)于緊接而來(lái)的第二個(gè)1/2周期，反相電流流過(guò)Da中的電流會(huì)使主可控硅Tp中的電流減小，直到完全消失。并通過(guò)連接于換向電路的Dp，便Tp上的電壓反向。輔助可控硅歷上的電壓在這個(gè)1/2周期中也被通導(dǎo)的Da和Tp反向關(guān)斷。在此周期的最后，電容器兩端的電壓被再次反向，且通過(guò)與其連接的電阻與直流電源的另一極形成回路，完成充電動(dòng)作，使電容電壓恢復(fù)到起

13、始值狀態(tài)。 </p><p>　　為減少電路的能量損失和改善控制功能，下一代系統(tǒng)開(kāi)始采用一種新的脈沖電路，每個(gè)晶閘管都變壓器的數(shù)量從4個(gè)減少到2個(gè)，但為了實(shí)現(xiàn)只采用一個(gè)變壓器的目標(biāo)，就不得不提高逆變器電路的性能以實(shí)現(xiàn)只需變化PWM就能達(dá)到目的，而無(wú)需再采用兩組變壓器的方式。 </p><p>　　以前用兩組移相30。的變壓器是為減小低頻諧波，因?yàn)橐獮V除他們比較困難。由此，MGE于1980年

14、推出了AIpase4000系列UPS。 </p><p>　　在該系列中，變壓器的一次側(cè)繞組之間不做連接，而其二次側(cè)繞組則為Z形連接。Z形連接的變壓器可消除諧波次數(shù)為3n次的諧波。每個(gè)逆變器以基波的7倍頻率來(lái)斬波直流電壓。這種斬波方式是固定頻率斬波，在設(shè)計(jì)時(shí)以盡可能減小輸出電壓的失真度以及減小濾波器的尺寸為目標(biāo)。輸出電壓的調(diào)整是通過(guò)移動(dòng)兩組逆變器之間的相位差進(jìn)行的。 </p><p>　　

15、自19世紀(jì)80年代起，UPS逆變器開(kāi)始只含有一臺(tái)變壓器。同時(shí)，隨著功率半導(dǎo)體的革新，雙極型晶體管以及電子控制級(jí)的IGBT等功率半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，逆變電路中的可控硅器件被取代(圖2-26和圖2-27)，但帶輸出變壓器這種情況仍在繼續(xù)且一直持續(xù)到21世紀(jì)伊始，其間，雖然在1995年出現(xiàn)了無(wú)變壓器的逆變器結(jié)構(gòu)，然而此類(lèi)產(chǎn)品僅適用于功率≤3OkVA的UPS。造成這一情形的主要原因是功率半導(dǎo)體器件換向時(shí)的損耗較大，而較高的耐壓要求又使得人們很難在

16、不用變壓器的條件下成功地制造出大容量的逆變器。</p><p>　　無(wú)論是否有變壓器，此種配置都可使從整流器到逆變器的整機(jī)效率提高到94%。 </p><p>　　不僅僅只是一個(gè)變換器的事情了，此變壓器的藕合方式采用一次側(cè)A/二次側(cè)Z形連接。Z形連接不能消除三次及3n次的電壓諧波，諧波抑制是通過(guò)一次側(cè)A連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　　這種連接方式可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)額外的

17、功能:首先，它可以實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)每相的輸出電壓，而各相電壓都與相應(yīng)的電壓變換器的輸出同相;此外，它可以吸收負(fù)載的3n次諧波電流，避免這些諧波傳輸?shù)揭淮蝹?cè)繞組，這樣，IGBT的換向電流得以減弱，從而減少了換向損耗。</p><p>　　逆變技術(shù)的原理早在1931年就有人研究過(guò)，從1948年美國(guó)西屋電氣公司研制出第一臺(tái)3KHZ感應(yīng)加熱逆變器至今已有近60年歷史了，而晶閘管SCR的誕生為正弦波逆變器的發(fā)展創(chuàng)造了條件，到了2

18、0世紀(jì)70年代，可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶體管（BJT）的問(wèn)世使得逆變技術(shù)得到發(fā)展應(yīng)用。到了20世紀(jì)80年代，功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）、絕緣柵極晶體管（IGBT）、MOS控制晶閘管（MCT）以及靜電感應(yīng)功率器件的誕生為逆變器向大容量方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，因此電力電子器件的發(fā)展為逆變技術(shù)高頻化，大容量化創(chuàng)造了條件。進(jìn)入80年代后，逆變技術(shù)從應(yīng)用低速器件、低開(kāi)關(guān)頻率逐漸向采用高速器件，提高開(kāi)關(guān)頻率方向發(fā)展。逆變器的體積進(jìn)一步減小，逆變

19、效率進(jìn)一步提高，正弦波逆變器的品質(zhì)指標(biāo)也得到很大提高。</p><p>　　另一方面，微電子技術(shù)的發(fā)展為逆變技術(shù)的實(shí)用化創(chuàng)造了平臺(tái)，傳統(tǒng)的逆變技術(shù)需要通過(guò)許多的分立元件或模擬集成電路加以完成，隨著逆變技術(shù)復(fù)雜程度的增加，所需處理的信息量越來(lái)越大，而微處理器的誕生正好滿(mǎn)足了逆變技術(shù)的發(fā)展要求，從8位的帶有PWM口的微處理器到16位單片機(jī)，發(fā)展到今天的32位DSP器件，使先進(jìn)的控制技術(shù)如矢量控制技術(shù)、多電平變換技術(shù)、

20、重復(fù)控制、模糊邏輯控制等在逆變領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用。</p><p>　　總之，逆變技術(shù)的發(fā)展是隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展而發(fā)展，進(jìn)入二十一世紀(jì)，逆變技術(shù)正向著頻率更高、功率更大、效率更高、體積更小的方向發(fā)展。</p><p>　　多電平逆變器由于輸出電壓du-dt小、諧波含量低等優(yōu)點(diǎn)，在高壓大功率變換領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。級(jí)聯(lián)型多電平逆變器是最早的多電平逆變結(jié)構(gòu)，198

21、0年出現(xiàn)了二極管箝位型多電平逆變器，1992年，T.A. Meynard提出了電容箝位型多電平逆變器。由于級(jí)聯(lián)型多電平逆變器不存在直流側(cè)電容電位不平衡問(wèn)題、控制簡(jiǎn)單，以及器件較少等優(yōu)點(diǎn)，近十幾年來(lái)得到廣泛的應(yīng)用?！　』旌闲投嚯娖侥孀兤魇亲罱l(fā)展起來(lái)的一種有效的多電平改進(jìn)模式，該電路由級(jí)聯(lián)型多電平逆變電路發(fā)展而來(lái)，且主電路是單元級(jí)聯(lián)式結(jié)構(gòu)，因此可用較少的元件數(shù)量實(shí)現(xiàn)盡可能多的電平數(shù)，從而降低了系統(tǒng)成本，減小了輸出電壓的諧波總含量(TH

22、D)。按實(shí)現(xiàn)電路方式的不同，本文將混合型多電平逆變器分為各級(jí)聯(lián)單元電壓等級(jí)不同的混合電平式逆變器和各級(jí)聯(lián)單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同的混合單元式逆變器，并分析了這兩類(lèi)逆變器電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。針對(duì)這兩類(lèi)混合型多電平逆變器存在高壓?jiǎn)卧β势骷妷簯?yīng)力過(guò)高、低壓?jiǎn)卧娏鞯构嗟膯?wèn)題，本文提出了一種有效的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p&g

23、t;<b>　　(一)設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　　培養(yǎng)以下幾個(gè)方面的能力：</p><p>　?。?）綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，進(jìn)行電力電子電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。</p><p>　?。?）了解與熟悉常用的電力電子電路的電路拓?fù)洹⒖刂品椒ā?lt;/p><p>　?。?）理解和掌握常用的電力電子電路及系統(tǒng)的主電路、控制電路

24、和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)方法，掌握元器件的選擇計(jì)算方法。</p><p>　?。?）具有一定的電力電子電路及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和調(diào)試的能力。</p><p>　?。?）培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問(wèn)題.發(fā)現(xiàn)問(wèn)題.解決問(wèn)題的能力.</p><p><b>　　（二）設(shè)計(jì)要求</b></p><p><b>　　(1)注明輸入電壓</b&

25、gt;</p><p><b>　　(2)注明輸出功率</b></p><p>　　(3)用集成電路組成觸發(fā)電路.</p><p>　　(4)負(fù)載性質(zhì):電阻.電阻電感.</p><p>　　(5)對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、計(jì)算與說(shuō)明.</p><p>　　(6)計(jì)算所有元器件型號(hào)參數(shù).</p>

26、<p>　　三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法要點(diǎn)</p><p>　　由前面分析可知，混合型逆變器存在高壓?jiǎn)卧妷簯?yīng)力過(guò)高、低壓?jiǎn)卧娏鞯构嗟膯?wèn)題。為了解決以上問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)可從以下兩方面進(jìn)行改進(jìn)：　?。?）克服高壓?jiǎn)卧β势骷妷簯?yīng)力過(guò)高問(wèn)題　　　　選擇高阻斷能力器件（如IGCT、GTO）或選擇二極管箝位型逆變單元作為高壓逆變單元（如二極管箝位型三電平或五電平結(jié)構(gòu)）。這兩種方法均可克服高壓?jiǎn)卧β势骷妷簯?yīng)

27、力過(guò)高的問(wèn)題，但由于高阻斷能力的功率器件成本高、開(kāi)關(guān)頻率低，從而影響了系統(tǒng)的成本及輸出波形的質(zhì)量，而在逆變單元電壓等級(jí)一定的情況下，NPC逆變臂功率器件的電壓應(yīng)力卻是H橋單元的一半，可以顯著降低功率器件的電壓應(yīng)力。因此，選擇二極管箝位型逆變單元作為高壓逆變單元是一種更加值得推薦的方法。　?。?）消除低壓?jiǎn)卧娏鞯构鄦?wèn)題</p><p>　　由于混合型逆變器在選取電壓比較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電流倒灌現(xiàn)象，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程

28、中，可選取適當(dāng)?shù)碾妷罕纫蕴峁┫娏鞯构喱F(xiàn)象所需的冗余狀態(tài)，并使得各電平臺(tái)階階躍也限定在1E之內(nèi)。以圖2(b)電路為例，采用Matlab對(duì)該電路進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如圖3，其中調(diào)制波頻率為50Hz。根據(jù)公式（1）可知，兩逆變單元電壓關(guān)系可為Uc1＝3Uc2 =3.3kV和Uc1＝2Uc2 =3.0kV兩種情況，相電壓Vao輸出分別為9電平和7電平（如圖3(a)），兩種情況單元1和單元2輸出電壓波形如圖3(b)和圖3(c)。從圖3(c)可

29、看出，當(dāng)Uc1＝3Uc2，單元1輸出電壓為正時(shí)，單元2輸出電壓為1.1kV、0kV、-1.1kV三種情況，在單元2輸出-1.1kV時(shí)，則會(huì)與單元1輸出3.3kV電壓形成環(huán)流，出現(xiàn)電流倒灌現(xiàn)象，降低了逆變器輸出功率，并導(dǎo)致單元2直流側(cè)電位平衡，增加了輸出相電壓Vao的諧波含量（如圖3(d)所示，THD為6.58%），降低了Vao的質(zhì)量；而Uc1＝2Uc2時(shí)，雖然Vao為7電平，但從圖3(b) 與圖3(c)看出，不會(huì)出現(xiàn)電流倒灌現(xiàn)象，Vao

30、的THD降至3.51%。　　以上分析及仿真結(jié)果</p><p><b>　　四、總體電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　?。ㄒ唬┠孀兤髟O(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　在實(shí)際設(shè)計(jì)逆變電源時(shí)，僅僅能夠產(chǎn)生脈沖寬度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，一個(gè)品種的逆變器設(shè)計(jì)、研發(fā)過(guò)程是非常復(fù)雜的，一般要經(jīng)過(guò)下面的程序</p><p>　?。ǘ┗旌?/p>

31、電平式逆變器結(jié)構(gòu) </p><p>　　圖1(a)給出了單相n階級(jí)聯(lián)型多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)直流側(cè)電壓Uci（i=1,2…n）不相等（一般是成倍關(guān)系）[5,6] ，則可稱(chēng)為H橋混合型多電平逆變器。將最低等級(jí)的電壓記為E，單元間電壓比取值不同，逆變器輸出相電壓Vao電平數(shù)不同，為了使一定數(shù)量的逆變單元輸出電平數(shù)最多，同時(shí)輸出電壓各電平臺(tái)階階躍限定為1E，文獻(xiàn)[7]給出最大延伸原理，相鄰逆變單元電壓最大比值可按下式

32、選?。?lt;/p><p>　　其中，ni指第i個(gè)H逆變單元輸出電平數(shù)量　　各逆變單元電壓滿(mǎn)足以下條件[8]：</p><p>　　此時(shí)，相電壓Vao可輸出的電平數(shù)為每個(gè)級(jí)聯(lián)單元的電平數(shù)的乘積，如下式：</p><p>　　H橋混合型逆變器由于每個(gè)H橋逆變單元可產(chǎn)生-VDC、0、VDC三個(gè)電平，由1式可知，電壓最大比值為1:3。逆變器輸出相電壓Vao可表示為SE，其中

33、S為逆變器輸出電平數(shù)，當(dāng)電壓等級(jí)之比為1:1，輸出電平數(shù)為2n+1；電壓等級(jí)之比為1:2，輸出電平數(shù)為2n+1-1；電壓等級(jí)之比為1:3，輸出電平數(shù)為3n。不同電壓比時(shí)，逆變器所用功率器件數(shù)均為4n。　　　　以?xún)赡孀儐卧?jí)聯(lián)為例，每個(gè)H橋逆變單元可以輸出3個(gè)電平，其數(shù)學(xué)描述為n1＝3，n2＝3，n＝2，根據(jù)公式1和3可得，當(dāng)Uc2＝3Uc1=3E 時(shí)，輸出可達(dá)最大電平數(shù)N＝3×3＝9。但每一個(gè)輸出合成電壓電平所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)單

34、元的輸出是唯一的，由表1(a)給出相電壓為正時(shí)的各單元電平輸出狀態(tài)可知，沒(méi)有冗余的狀態(tài)。如果 Uc2的直流母線(xiàn)端采用二極管不可控整流，在相電壓輸出為2E時(shí)，逆變單元2輸出為3E，而逆變單元1輸出為－1E，出現(xiàn)逆變單元2將其變換的電能一部分注入到了逆變單元1，另一部分能量輸送給負(fù)載，即產(chǎn)生電流倒灌問(wèn)題，從而導(dǎo)致電容電壓不平衡，這種情況是顯然不希望出現(xiàn)的。為了獲得更多的冗余狀態(tài)，則必須減少Uc2與Uc1的比值，可選用Uc2＝</p&g

35、t;<p>　　H橋混合型逆變器在給定逆變單元數(shù)量的基礎(chǔ)上，可大大提高輸出電壓電平數(shù)量。但由于電壓以2S、3S倍數(shù)增加，而功率器件的耐壓有限，所以H橋混合型逆變電路的串聯(lián)級(jí)數(shù)不能無(wú)限增加，實(shí)際系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)數(shù)目多不會(huì)超過(guò)3?！　≡诩?jí)聯(lián)型逆變器研究的基礎(chǔ)之上，文獻(xiàn)[9]提出一種采用NPC逆變H橋五電平單元作為逆變單元的多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，文獻(xiàn)[10]將此改進(jìn)成NPC混合型逆變器，如圖1(b)所示。由于NPC全橋逆變單元可產(chǎn)生五種

36、電平，由式1和式3可知，最大電壓等級(jí)比為1:5，Vao電平數(shù)可達(dá)25，大大提高了輸出電壓的電平數(shù)目。同樣方法分析可知，當(dāng)電壓比為1:4和1:5時(shí)，該逆變器也會(huì)產(chǎn)生電流倒灌現(xiàn)象。為了避免電流倒灌現(xiàn)象，該電路最大電壓比為1:3，單相輸出電平數(shù)為17。相對(duì)于H橋混合型逆變器，該電路減少了直流電源的數(shù)目，但增加了功率器件數(shù)量及控制復(fù)雜度。（三）混合單元式逆變器結(jié)構(gòu)</p><p>　　在混合電平式逆變器研究的基礎(chǔ)之上

37、，文獻(xiàn)[7]提出將NPC逆變H橋單元與傳統(tǒng)逆變H橋單元級(jí)聯(lián)的5/3型混合單元式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案，如圖2(a)所示，NPC全橋逆變單元可有效克服逆變器高壓?jiǎn)卧妷簯?yīng)力過(guò)高的缺點(diǎn)。NPC全橋逆變單元可輸出5種電平，傳統(tǒng)H橋單元可輸出3種電平，其數(shù)學(xué)描述為n1＝5，n2＝3，n＝2，根據(jù)公式1和3可得，當(dāng)Uc1＝3Uc2=3E時(shí)，輸出可達(dá)最大電平數(shù)N＝5×3＝15，表2(a)給出相電壓為正時(shí)的各單元電平輸出狀態(tài)。若Uc1的直流母線(xiàn)端采用

38、二極管不可控整流，在相電壓輸出為2E或4E時(shí)，會(huì)出現(xiàn)NPC全橋單元將其變換的電能一部分注入到了H橋單元，另一部分能量輸送給負(fù)載，即產(chǎn)生電流倒灌問(wèn)題。為了獲得更多的冗余狀態(tài)，則必須減少Uc1與Uc2的比值，文獻(xiàn)[7]選用Uc1＝2Uc2，表2(b)給出了Uc1＝2Uc2=2E時(shí)輸出電壓的合成情況，雖然輸出電壓從15電平降為11電平，但由于多出了一些狀態(tài)，從而可根據(jù)負(fù)載電流的方向來(lái)選擇不同的狀態(tài)組合，以避免出現(xiàn)電流倒灌現(xiàn)象。但該電路使用器件

39、較多。</p><p>　　文獻(xiàn)提出了基于NPC三電平變換單元與H橋變換單元級(jí)聯(lián)的不對(duì)稱(chēng)型逆變器（Asymmetric Inverter），單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。該電路高壓NPC逆變單元采用的是 IGCT 器件，低壓H橋單元器件采用的是IGBT 開(kāi)關(guān)器件。其中高壓3電平NPC逆變單元是主要逆變電路，Uc1為3E，這部分電路給輸出提供了主要的電平電壓和大部分輸出功率，因此將NPC逆變單元稱(chēng)為主逆變單元；低壓

40、的 H 橋逆變電路單元?jiǎng)t是輔助逆變電路，Uc2為E，這部分電路給輸出提供了輔助改善波形的電平電壓和小部分輸出功率，因此將這部分逆變電路稱(chēng)為輔助逆變單元。在功率器件選用上，該電路采用了一種組合的方法，同時(shí)利用了兩種不同開(kāi)關(guān)器件的優(yōu)點(diǎn)：IGCT的高阻斷能力和IGBT的快速開(kāi)關(guān)能力。但該電路在相電壓輸出為＋2E或者－2E時(shí)，輔助逆變單元將輸出對(duì)應(yīng)的反相電壓－1E或者＋1E，在有功應(yīng)用中，也會(huì)出現(xiàn)電流倒灌現(xiàn)象。如果Uc1為2E，Uc2為E，則可

41、避免電流倒灌現(xiàn)象。</p><p>　　五、各功能模塊電路設(shè)計(jì)</p><p>　?。ㄒ唬┠孀兤鞯闹饕夹g(shù)指標(biāo)</p><p>　　逆變器有許多重要指標(biāo)，介紹如下：</p><p><b>　?。?)額定容量</b></p><p><b>　?。?)額定功率</b><

42、/p><p><b>　?。?)輸出功率因數(shù)</b></p><p><b>　?。?)逆變效率</b></p><p>　?。?)額定輸入電壓、電流</p><p>　?。?)額定輸出電壓、電流</p><p><b>　　（7)電壓調(diào)整率</b><

43、/p><p><b>　?。?)負(fù)載調(diào)整率</b></p><p><b>　?。?)諧波因數(shù)</b></p><p>　?。?0）總諧波畸變率</p><p><b>　?。?1）畸變因數(shù)</b></p><p><b>　　（12）峰值子數(shù)&l

44、t;/b></p><p><b>　?。ǘ┯性茨孀兡K</b></p><p>　　變流器工作在逆變狀態(tài)時(shí),如果把變流器的交流側(cè)接到交流電源上,把直流電逆變?yōu)橥l率的交流電反送到電網(wǎng)去,叫有源逆變。如果變流器的交流側(cè)不與電網(wǎng)聯(lián)接,而直接接到負(fù)載,即把直流電逆變?yōu)槟骋活l率或可調(diào)頻率的交流電供給負(fù)載,則叫無(wú)源逆變。交流變頻調(diào)速就是利用這一原理工作的。有源逆變除用

45、于直流可逆調(diào)速系統(tǒng)外,還用于交流饒線(xiàn)轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速和高壓直流輸電等方面。</p><p>　　有源逆變電路的工作原理</p><p><b>　　1．整流工作狀態(tài)</b></p><p>　　對(duì)于單相全控整流橋，當(dāng)控制角α在0～π/2之間的某個(gè)對(duì)應(yīng)角度觸發(fā)晶閘管時(shí)，上述變流電路輸出的直流平均電壓為Ud=Udo cosα，因?yàn)榇藭r(shí)α均小

46、于π/2，故Ud為正值。在該電壓作用下，直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，卷?yè)P(yáng)機(jī)將重物提升起來(lái)，直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的反電勢(shì)為ED，且ED略小于輸出直流平均電壓Ud，此時(shí)電樞回路的電流為 </p><p>　　2． 中間狀態(tài)（α=π/2）</p><p>　　當(dāng)卷?yè)P(yáng)機(jī)將重物提升到要求高度時(shí)，自然就需在某個(gè)位置停住，這時(shí)只要將控制角α調(diào)到等于π/2的位置，變流器輸出電壓波形中，其正、負(fù)面積相等，電壓平均值Ud為零，

47、 電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)（實(shí)際上采用電磁抱閘斷電制動(dòng)），反電勢(shì)ED也同時(shí)為零。此時(shí)，雖然Ud為零，但仍有微小的直流電流存在。注意，此時(shí)電路處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，與電路切斷、電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)具有本質(zhì)的不同。 </p><p>　　3． 有源逆變工作狀態(tài)（π/2＜α＜π）</p><p>　　上述卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)中，當(dāng)重物放下時(shí)，由于重力對(duì)重物的作用， 必將牽動(dòng)電機(jī)使之向與重物上升相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)產(chǎn)生的反電勢(shì)ED的極性

48、也將隨之反相。如果變流器仍工作在α＜π/2 的整流狀態(tài)，從上面曾分析過(guò)的電源能量流轉(zhuǎn)關(guān)系不難看出，此時(shí)將發(fā)生電源間類(lèi)似短路的情況。為此，只能讓變流器工作在α＞π/2的狀態(tài)，因?yàn)楫?dāng)α＞π/2時(shí)，其輸出直流平均電壓Ud為負(fù)。</p><p>　　電流的方向是從電勢(shì)ED的正極流出，從電壓Ud的正極流入，電流方向未變。顯然，這時(shí)電動(dòng)機(jī)為發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，對(duì)外輸出電能，變流器則吸收上述能量并饋送回交流電網(wǎng)去，此時(shí)的電路進(jìn)入到

49、有源逆變工作狀態(tài)。 </p><p>　　上述晶閘管供電的卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)中，當(dāng)重物下降，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)并進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)電勢(shì)ED實(shí)際上成了使晶閘管正向?qū)ǖ碾娫?。?dāng)α＞π/2時(shí)，只要滿(mǎn)足Ed＞|u2|，晶閘管就可以導(dǎo)通工作，在此期間，電壓ud大部分時(shí)間均為負(fù)值， 其平均電壓Ud自然為負(fù)，電流則依靠電機(jī)電勢(shì)ED及電感Ld兩端感應(yīng)電勢(shì)的共同作用加以維持。正因?yàn)樯鲜龉ぷ魈攸c(diǎn)，才出現(xiàn)了電機(jī)輸出能量，變流器吸收并通過(guò)變壓器

50、向電網(wǎng)回饋能量的情況。 </p><p><b>　　1） 外部條件</b></p><p>　　務(wù)必要有一個(gè)極性與晶閘管導(dǎo)通方向一致的直流電勢(shì)源。這種直流電勢(shì)源可以是直流電機(jī)的電樞電勢(shì)，也可以是蓄電池電勢(shì)。它是使電能從變流器的直流側(cè)回饋交流電網(wǎng)的源泉，其數(shù)值應(yīng)稍大于變流器直流側(cè)輸出的直流平均電壓。 </p><p><b>　　2

51、） 內(nèi)部條件</b></p><p>　　要求變流器中晶閘管的控制角α＞π/2， 這樣才能使變流器直流側(cè)輸出一個(gè)負(fù)的平均電壓，以實(shí)現(xiàn)直流電源的能量向交流電網(wǎng)的流轉(zhuǎn)。 </p><p>　　上述兩個(gè)條件必須同時(shí)具備才能實(shí)現(xiàn)有源逆變。</p><p>　　必須指出，對(duì)于半控橋或者帶有續(xù)流二極管的可控整流電路，因?yàn)樗鼈冊(cè)谌魏吻闆r下均不可能輸出負(fù)電壓，也不

52、允許直流側(cè)出現(xiàn)反極性的直流電勢(shì)，所以不能實(shí)現(xiàn)有源逆變。 </p><p>　　有源逆變條件的獲得，必須視具體情況進(jìn)行分析。例如上述直流電機(jī)拖動(dòng)卷?yè)P(yáng)機(jī)系統(tǒng)，電機(jī)電勢(shì)ED的極性可隨重物的“提升”與“下降”自行改變并滿(mǎn)足逆變的要求。對(duì)于電力機(jī)車(chē)，上、下坡道行駛時(shí)，因車(chē)輪轉(zhuǎn)向不變，故在下坡發(fā)電制動(dòng)時(shí)，其電機(jī)電勢(shì)ED的極性不能自行改變，為此必須采取相應(yīng)措施， 例如可利用極性切換開(kāi)關(guān)來(lái)改變電機(jī)電勢(shì)ED的極性， 否則系統(tǒng)將不能

53、進(jìn)入有源逆變狀態(tài)運(yùn)行。</p><p>　?。ㄈ┠孀兡芰康淖儞Q關(guān)系模塊</p><p>　　同極性連接E1>E2； (b) 同極性連接E2>E1； (c) 反極性連接 </p><p>　　圖 (a)表示直流電源E1和E2同極性相連。當(dāng)E1＞E2時(shí)， 回路中的電流為 </p><p>　　式中R為回路的總電阻。此時(shí)電源E1輸出

54、電能E1I，其中一部分為R所消耗的I2R，</p><p>　　其余部分則為電源E2所吸收的E2I。 注意上述情況中，輸出電能的電源其電勢(shì)方向與電流方向一致，而吸收電能的電源則二者方向相反。 </p><p>　　在圖(b)中，兩個(gè)電源的極性均與圖(a)中相反，但還是屬于兩個(gè)電源同極性相連的形式。如果電源E2＞E1，則電流方向如圖，回路中的電流I為 此時(shí)，電源E2輸出電能，電源E1吸收電

55、能。 在圖(c)中，兩個(gè)電源反極性相連， 則電路中的電流I為</p><p>　　此時(shí)電源E1和E2均輸出電能，輸出的電能全部消耗在電阻R上。如果電阻值很小，則電路中的電流必然很大；若R=0，則形成兩個(gè)電源短路的情況。 </p><p>　　綜上所述， 可得出以下結(jié)論： </p><p>　　(1) 兩電源同極性相連，電流總是從高電勢(shì)流向低電勢(shì)電源， 其電流的大

56、小取決于兩個(gè)電勢(shì)之差與回路總電阻的比值。如果回路電阻很小，則很小的電勢(shì)差也足以形成較大的電流，兩電源之間發(fā)生較大能量的交換。 </p><p>　　(2) 電流從電源的正極流出，該電源輸出電能；而電流從電源的正極流入，該電源吸收電能。電源輸出或吸收功率的大小由電勢(shì)與電流的乘積來(lái)決定，若電勢(shì)或者電流方向改變，則電能的傳送方向也隨之改變。</p><p>　　(3) 兩個(gè)電源反極性相連，如

57、果電路的總電阻很小，將形成電源間的短路， 應(yīng)當(dāng)避免發(fā)生這種情況。 </p><p><b>　　六、總體電路</b></p><p><b>　?。ㄒ唬┲麟娐穲D</b></p><p>　　（二）總體電路原理圖說(shuō)明</p><p>　　然后按照要求和對(duì)產(chǎn)品本身性能的定位確定設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)。要求將直流48

58、V轉(zhuǎn)變成交流220V，按兩倍直流母線(xiàn)電壓選擇余量，則應(yīng)選取100V電壓等級(jí)的功率器件，一般在低壓時(shí)應(yīng)選取功率MOSFET；對(duì)電流額定值的選取，一般應(yīng)選擇3倍余量，若逆變效率為85%，允許的直流最低電壓為42V，允許過(guò)載能力為120%，則直流電流的最大值為，再考慮3倍的電流余量，應(yīng)選擇200A的功率MOSFET。查閱相關(guān)資料后可知IXYS公司的“HIPERFET”P(pán)ower MOSFET，型號(hào)為IXFN230N10比較適合。其參數(shù)如下：I

59、D=230A，RDS（on）=0.006Ω,QG(on)=690nc,封裝形式為ISOPLUS227。</p><p>　　選擇了主功率器件后若采用工頻逆變技術(shù)，應(yīng)設(shè)計(jì)主變壓器，其設(shè)計(jì)首先應(yīng)選擇逆變變壓器的效率指標(biāo)、變比、和漏抗三個(gè)重要的數(shù)據(jù)，總效率為逆變橋效率×變壓器效率×濾波器效率，一般要求變壓器效率在95%以上，最好采用冷軋型簿型硅鋼片，至于匝比，應(yīng)考慮直流允許范圍及輸出電壓精度兩個(gè)重要

60、指標(biāo)，也就是應(yīng)在最嚴(yán)重工況，如輸入為42Vdc，輸出功率為2KVA時(shí)，應(yīng)保證輸出電壓仍在220V允許波動(dòng)范圍以?xún)?nèi)。</p><p>　　輸出濾波器的設(shè)計(jì)，是逆變器設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)，通常采用常K型Γ型低通濾波器，常K型Γ型低通濾波器如圖所示。串臂阻抗與并臂阻抗的乘積，一旦Lf、Cf值確定后，K為常數(shù)、不隨頻率變化，故稱(chēng)為常K型Γ型低通濾波器。</p><p>　　由于Lf/Cf具有阻抗平方量綱

61、，故常數(shù)K也可用濾波器的另一重要參數(shù)R表示，即</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　圖2-16常K型Γ型低通濾波器</p><p>　　四端網(wǎng)絡(luò)在輸入端、輸出端均處于阻抗匹配時(shí)工作最好，四端網(wǎng)絡(luò)的輸入端、輸出端特性阻

62、抗分別為</p><p><b>　?。?-17）</b></p><p><b>　?。?-18）</b></p><p>　　當(dāng)時(shí)，，故R是頻率為零時(shí)的特性阻抗，稱(chēng)之為標(biāo)稱(chēng)特性阻抗。Γ型濾波器的傳通條件為，即，故可得</p><p><b>　　（2-19）</b><

63、/p><p>　　當(dāng)時(shí)，必定為零，此為通頻帶的最低角頻率；當(dāng)R時(shí)，則，此為通頻帶的最高角頻率，即濾波器截止頻率。因，可得濾波器的截止頻率為</p><p><b>　?。?-20）</b></p><p>　　因此，當(dāng)時(shí)，Γ型濾波器的衰耗為零；當(dāng)時(shí)，Γ型濾波器開(kāi)始有衰耗，其衰耗頻率特性如圖2-16所示。圖中，為對(duì)稱(chēng)四端網(wǎng)絡(luò)的衰耗常數(shù)。通帶內(nèi)的衰耗為

64、零，因?yàn)檫@時(shí)的Zc1、Zc2 均為純電阻，只有濾波器的阻抗相當(dāng)于電阻時(shí)，它才能從輸入端吸收能量，而當(dāng)濾波器元件沒(méi)有損耗時(shí)，能量才能完整地送入負(fù)載中，因此衰耗可為零；在阻帶中，特性阻抗具有電抗性質(zhì)，濾波器從電源吸收的能量將部分返回電源，負(fù)載只能部分得到電源供給的能量，呈現(xiàn)出較大的衰耗。</p><p>　　圖2-17 常K型Γ型濾波器的衰耗特性</p><p>　　對(duì)稱(chēng)四端網(wǎng)絡(luò)的衰耗常數(shù)還可

65、表示為</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p>　　若b用雙曲線(xiàn)函數(shù)表示，令為無(wú)量綱頻率或通用頻率，將、和式（2-20）代入式（2-21），可得阻帶衰耗公式為</p><p><b>　?。?-22）</b></p><p>　　Lf與Cf的確定 由式（2-20）可得<

66、;/p><p><b>　?。?-23）</b></p><p><b>　?。?-24）</b></p><p>　　Lf與Cf 的值取決與R的選擇。</p><p>　　若最低次諧波為11次，理論上可將定在11次諧波頻率左右，從而只需很小的Lf與Cf 值。然而，最低次諧波的理論計(jì)算值只能作為參考；由

67、于變壓器繞制的偏差、功率晶體管動(dòng)態(tài)壓降或飽和壓降不一致以及各種非線(xiàn)性因素，實(shí)際電路中往往具有較高的二次與三次諧波電壓，故實(shí)際濾波器的選取有時(shí)要低到三次或二次諧波頻率才能得到較好的正弦波形。這要根據(jù)器件與工藝水平的實(shí)際情況來(lái)選定。當(dāng)輸出電壓基波頻率為50HZ時(shí)，通常選在100～400HZ 左右。顯然，選得低，Lf與Cf 值將增大，成本將增加；但由圖2-16可知，若低，諧波頻率處的衰耗將增大，可得到較好的正弦波。</p>&l

68、t;p>　　由式（2-17）、（2-18）、（2-22）可得</p><p><b>　　（2-25）</b></p><p><b>　?。?-26）</b></p><p>　　由式（2-25）、（2-26）可得， 、與頻率的關(guān)系入圖19-10所示。需要關(guān)心的是通帶內(nèi)（0～區(qū)間）的變化。在通帶內(nèi)，只有當(dāng)負(fù)載電阻R

69、L 等于特性阻抗（電阻性）時(shí)才能使衰耗真正為零。由圖19-10可看出，在通帶內(nèi)并不是常數(shù)，故RL 需取某一合適值，使其在通帶內(nèi)與的正負(fù)偏差適中，濾波器才能傳送較多的有功功率，而回饋至逆變器的無(wú)功功率較少。在Γ型濾波器中，RL與端相接，設(shè)RL 在曲線(xiàn)上的位置適中，如圖所示。由圖可得</p><p>　　R=（0.5～0.8）RL （2-27）</p>&

70、lt;p>　　圖2-18 與頻率的關(guān)系</p><p>　　當(dāng)逆變器的輸出功率和輸出電壓確定時(shí)，RL 就是已知量，則濾波器的標(biāo)稱(chēng)特性阻抗R即可選定，將其代入式（2-23）、（2-24）中，即可決定Lf、Cf 值。</p><p>　　諧波含量的計(jì)算 常K型Γ型低通濾波器對(duì)各次諧波的衰減已由式（2-22）決定，當(dāng)選定后即可進(jìn)行計(jì)算。例如，選定為三次諧波，欲求=11次、13次、23次和

71、25次諧波的衰減值，則可由和雙曲線(xiàn)函數(shù)表求出b值。</p><p>　　若最后的結(jié)果還嫌諧波過(guò)大，則可將定在2.5次諧波上，甚至更低些，直至諧波含量滿(mǎn)足要求。</p><p><b>　　七、總結(jié)</b></p><p>　　本文針對(duì)混合電平式逆變器和混合單元式逆變器存在的高壓?jiǎn)卧β势骷妷簯?yīng)力過(guò)高、低壓?jiǎn)卧娏鞯构嗟膯?wèn)題，提出了高壓?jiǎn)卧捎?/p>

72、二極管箝位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，選取各單元適當(dāng)電壓比的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)分析及仿真實(shí)驗(yàn)表明，該方法在克服電壓應(yīng)力過(guò)高、消除低壓?jiǎn)卧娏鞯构喾矫媸怯行У摹?lt;/p><p>　　通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我認(rèn)識(shí)到了知識(shí)和現(xiàn)實(shí)的區(qū)別，深刻體會(huì)到電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用。它讓我對(duì)學(xué)過(guò)的電力電子技術(shù)知識(shí)進(jìn)行了鞏固，讓我對(duì)電力電子技術(shù)知識(shí)有了更深的理解。</p><p>　　在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，我掌握了網(wǎng)絡(luò)上查找資料方法技巧

73、,為本次課程設(shè)計(jì)提供了一定的資料。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)的階段:開(kāi)始我不是很會(huì)做,在通過(guò)與同學(xué)相互討論，不段的學(xué)習(xí)中,終于圓滿(mǎn)完成了任務(wù)。感謝齊老師的對(duì)我們耐心的指導(dǎo)！通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我有了很大的收獲。不但對(duì)電力電子技術(shù)有了更為深入的了解，對(duì)一個(gè)課題如何進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路調(diào)試等也有了一定的掌握，希望在以后的大學(xué)生活當(dāng)中我能學(xué)到更多的知識(shí)。</p><p><b>　　八