【正文】 述兩個(gè)單相電壓型逆變器的串聯(lián)移相疊加以構(gòu)成階梯波逆變器時(shí) ， 如果移相角 φ＝ π/3，則不僅消除了 3次諧波 ， 而且同時(shí)也消除了 3的奇次倍諧波；另外 ， 如果移相角 φ＝ π/5， 則不僅消除了 5次諧波 ，而且同時(shí)也消除了 5的奇次倍諧波；可見(jiàn) ， 相對(duì)于方波逆變器而言 ， 階梯波逆變器的輸出諧波將大為減小 。 電壓型階梯波逆變器 單相變壓器串聯(lián)移相疊加結(jié)構(gòu) ? 下圖 a)為三個(gè)單相電壓型逆變器的串聯(lián)移相疊加結(jié)構(gòu) ， 當(dāng)每個(gè)逆變器采用單脈沖方波調(diào)制且脈沖寬度為 120176。 ， 若逆變器 逆變器 3輸出變壓器的變比均為 1： 1， 而逆變器 2輸出變壓器的變比為 ，并且使三個(gè)單相逆變器輸出方波的相位角依次錯(cuò)開 45176。 后再進(jìn)行串聯(lián)疊加 ， 則串聯(lián)疊加后的電壓波形為 12階梯波電壓波形 。 ( a )逆 逆 逆2 逆 逆 逆3 逆 逆 逆1 ?0 2:11:11:1iu1u2u3u45?o45?o ou?1u2u3u46 iiu2iu4?5?5?0( b )ou3i)22( u?iu1: 2 電壓型階梯波逆變器 單相變壓器串聯(lián)移相疊加結(jié)構(gòu) ? 若以疊加后輸出電壓 u的向量為基準(zhǔn) ， 則各逆變器的輸出電壓 u uu3以及疊加后的輸出電壓 u分別為 )4(s i n2s i n1π4,5,3,11??? ?? ???tnnnEun ?tnnEun?? s i n2s i n1π24,5,3,12 ?????)4(s i n2s i n1π4,5,3,13??? ?? ???tnnnEun ?)(s i n)4c o s21(2s i n1π U24,5,3,1d321 tnnnnuuuun??? ????? ??? ? 電壓型階梯波逆變器 ?1u2u346iuiu2iu4?5?5?0( b )ou3ui)22( u?iu單相變壓器串聯(lián)移相疊加結(jié)構(gòu) ? 其中基波與各次諧波的幅值為 )4c o s21(2s i n1π24 d)m ( n ?? nnnUu ?? ? 顯然，若要消除第 n次諧波則應(yīng)使 Um(n)＝ 0，即 ，因此 nπ/4=2kπ+π177。 π/4, k＝ 0， 1， 2， 3， … ， n =8k +4177。 1?？梢?jiàn)當(dāng) k＝ 0時(shí)， n =3， 5；當(dāng) k＝ 1時(shí)， n =11， 13；當(dāng) k＝ 2時(shí)， n =19， 21； … . ? 以上分析表明：當(dāng)在輸出電壓 u中消除 3， 5， 11， 13， 19， 21， … 次諧波時(shí)，則輸出電壓 u中將不包含 8k +4177。 1次諧波。 ? 另外，進(jìn)一步分析式 (424)可知，輸出電壓 u中的諧波含量與脈沖寬度 θ有關(guān)，當(dāng) θ＝ 150176。 時(shí)，輸出電壓 u中的諧波含量最少。當(dāng)調(diào)節(jié)脈沖寬度 θ時(shí)，輸出電壓 u的基波幅值和諧波含量均會(huì)發(fā)生變化。 0)4/c o s (21 ?? ?n)(s i n)4c o s21(2s i n1π U24,5,3,1d321 tnnnnuuuun??? ????? ??? ? 電壓型階梯波逆變器 電壓型階梯波逆變器 ( a )逆 逆 逆2 逆 逆 逆3 逆 逆 逆1 ?0 2:11:11:1iu1u2u3u45?o45?o ou( b )o3i)22( u?iu1）引言 ? 多電平逆變器 (Multilevel Inverter)，就是通過(guò)對(duì)直流側(cè)的分壓和開關(guān)動(dòng)作的不同組合，實(shí)現(xiàn)多電平階梯波電壓的輸出，從而使波形更加正弦化。 ? 二極管箝位式 三電平逆變器又稱 NPC（ Neutral Point Clamped）三電平逆變器，是最早提出的一種多電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 ? 這種逆變拓?fù)湓陂_關(guān)器件承受 相對(duì)兩電平結(jié)構(gòu)二分之一壓降 和 更低的開關(guān)頻率情況下 ，得到與兩電平相同或者更好的輸出波形。 ? 三電平拓?fù)湓诟邏捍蠊β蕡?chǎng)合中應(yīng)用時(shí)， 一方面 降低了器件承受的開關(guān)應(yīng)力，減小器件的開關(guān)損耗； 另一方面 降低了電路運(yùn)行中的 du/dt 、 di/dt和輸出波形諧波含量等。因此，三電平變換器已經(jīng)在高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)、電力系統(tǒng)有源濾波和動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用。 電壓型階梯波逆變器 1）引言 電壓型階梯波逆變器 a ) 39。1U 正 弦 波階 梯 波o t?π2u mU π39。2U39。3 39。4U39。5雖然與階梯波一樣，但習(xí)慣上稱其為多電平，并且電平數(shù)為其波峰到波谷所包含的階梯數(shù)。 2） 三電平逆變器工作原理 ? 直流側(cè)電壓通過(guò)兩個(gè)串聯(lián)的分壓電容 、 將電壓分為三個(gè)等級(jí) ，將兩個(gè)電容串聯(lián)的中點(diǎn)定義為中性點(diǎn) n。 ? 每一相需要 4個(gè)功率開關(guān)管 ， 4個(gè)續(xù)流二極管 ， 兩個(gè)箝位二極管 。 ? 其實(shí)每一相所需的開關(guān)器件個(gè)數(shù)為 2(n1)、 箝位二極管個(gè)數(shù)為 2(n2)、 直流分壓電容個(gè)數(shù)為 n1， 其中 n為電平數(shù) 。 負(fù)載a 1Sa 2Sa 4Sa 3Sb 1Sb 2Sb 3Sb 4Sc 1Sc 2Sc 3Sc 4SaibiciN Pin1i2i1C2Cd c 1Vd c 2Vd cV+++ABCPND a 1D b 1D c 1D a 2D b 2 D c 2中點(diǎn)箝位式三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 電壓型階梯波逆變器 2） 三電平逆變器工作原理 ? 箝位二極管能在中間兩個(gè)功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)把電平箝在零電位 ， 同時(shí)在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)提供電流通道防止電容短路 。 ? 其中每一個(gè)功率開關(guān)管承受正向阻斷電壓為 。 負(fù)載a 1Sa 2Sa 4Sa 3Sb 1Sb 2Sb 3Sb 4Sc 1Sc 2Sc 3Sc 4SaibiciN Pin1i2i1C2Cd c 1Vd c 2Vd cV+++ABCPND a 1D b 1D c 1D a 2D b 2 D c 2中點(diǎn)箝位式三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 2dcV 電壓型階梯波逆變器 2. 三電平逆變器工作原理 ? 所謂三電平是指逆變器交流側(cè)每相輸出電壓相對(duì)于直流側(cè)電壓有三種可能的取值 ， 即：正電壓 、 零電平和負(fù)電壓 。 ? 以 A相為例 ， 電容 C C2為變換電路提供 2個(gè)相同的直流電壓 ，二極管 Da Da2用于電平箝位 。 ? 當(dāng)同時(shí)開通 Sa Sa2 ， 關(guān)斷 SaSa4時(shí) ， 在逆變電路輸出端可以獲得一個(gè)正電壓 Vdc/2； ? 同時(shí)開通 Sa Sa3 ， 關(guān)斷 SaSa4時(shí) ， 輸出電壓為 0； ? 同時(shí)開通 Sa Sa4 ， 關(guān)斷 SaSa2時(shí) ， 可在輸出端得到一個(gè)負(fù)電壓 Vdc/2 。 負(fù)載a 1Sa 2Sa 4Sa 3Sb 1Sb 2Sb 3Sb 4Sc 1Sc 2Sc 3Sc 4SaibiciN Pin1i2i1C2Cd c 1Vd c 2Vd cV+++ABCPND a 1D b 1D c 1D a 2D b 2 D c 2圖 420中點(diǎn)箝位式三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 電壓型階梯波逆變器 ? 由此可見(jiàn) ， 每相橋臂的四個(gè)主開關(guān)功率管有三種不同的通斷組合 ， 對(duì)應(yīng)三種不同的輸出電位 。 三電平逆變器的開關(guān)狀態(tài)與輸出電壓關(guān)系如表 2示 。 開關(guān)狀態(tài) VAn 導(dǎo)通器件 流通路徑 Sa1 Sa2 Sa3 Sa4 1 1 0 0 Vdc/2 0時(shí)， Sa1， Sa2主開關(guān)器件導(dǎo)通 圖 421（ a） 0時(shí)， Sa1， Sa2續(xù)流二極管導(dǎo)通 圖 421（ b） 0 1 1 0 0 0時(shí)， Sa2主開關(guān)器件和 Da1導(dǎo)通 圖 422（ a） 0時(shí)， Sa3主開關(guān)器件和 Da2導(dǎo)通 圖 422（ b） 0 0 1 1 Vdc/2 0時(shí)， Sa3， Sa4續(xù)流二極管導(dǎo)通 圖 423（ a） 0時(shí)， Sa3， Sa4主開關(guān)器件導(dǎo)通 圖 423（ b） 電壓型階梯波逆變器 3) 三電平逆變器的控制要求 ? 從中點(diǎn)箝位式三電平逆變器動(dòng)態(tài)工作過(guò)程可以看出 : ? ① 開關(guān)狀態(tài) P和 0間、 0和 N間可以相互自由過(guò)度， P和 N間不能直接過(guò)度，必須通過(guò)中間狀態(tài) 0來(lái)過(guò)度，不允許輸出電位的跳變； ? ②對(duì)主開關(guān)器件控制脈沖是有嚴(yán)格要求的，每一相總是相鄰的兩個(gè)開關(guān)器件開通，其它兩個(gè)器件關(guān)斷，以防止同一橋臂短路。即： Sa1與 Sa3， Sa2與 Sa4的驅(qū)動(dòng)脈沖都要求是互補(bǔ)的，同時(shí)每一對(duì)主開關(guān)器件要遵循先斷后通的原則，即在脈沖中必須加入死區(qū)時(shí)間； ? ③為了保證主電路開關(guān)器件的安全工作，必須使調(diào)制成的脈沖波有最小脈寬和最小間歇寬度的限制，以保證最小脈沖寬度大于開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間，最小脈沖間歇寬度大于開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間。 電壓型階梯波逆變器 電壓型階梯波逆變器 E/4NiaibicE/4PE/4A B CE/4OTa2Da2Tc2Dc2Tb2Db2Ta1Da1Tb1Db1Tc1Dc1Ta3Tb3Tc3Da3Db3Dc3Dc8Ta8Da8Tb8Db8Tc8Dc7Ta7Da7Tb7Db7Tc7Dc6Ta6Da6Tb6Db6Tc6Dc5Ta5Da5Tb5Db5Tc5Ta4Da4Tb4Db4Tc4Dc4五電平逆變器 電壓型階梯波逆變器 ?但是隨著電平數(shù)的增加，直流側(cè)串聯(lián)電容也是隨之增加，因此還要考慮各電容電壓之間的平衡問(wèn)題，這也是多電平逆變電路發(fā)展中的一個(gè)難點(diǎn)，和研究的關(guān)鍵點(diǎn)。 ? 那么采用什么方法來(lái)控制這些逆變電路中的開關(guān)管的通斷，使得輸出接近正弦波，目前常用的方法就是 PWM控制方法。 電壓型階梯波逆變器