【正文】 電源的設(shè)計(jì) 摘要 傳統(tǒng)的三相逆變電源采用三橋臂結(jié)構(gòu)，但是在不對(duì)稱負(fù)載情況下，三相輸出電壓會(huì)產(chǎn)生負(fù)序分量和零序分量，這些因素會(huì)干擾系統(tǒng)的輸出效果，造成系統(tǒng)三相電壓輸出不對(duì)稱。 ：任務(wù)書、開(kāi)題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有 關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目： 三相四橋臂逆變電源的設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說(shuō)明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 注 意 事 項(xiàng) （論文）的內(nèi)容包括： 1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（ 300字左右）、關(guān)鍵詞 4）外文 摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論 7）參考文獻(xiàn) 8）致謝 9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)） ：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1萬(wàn)字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 萬(wàn)字。 、圖表要求： 1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫 2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖 紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。為了抑制這種不對(duì)稱的情況，本文引用了三相四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 本文 通過(guò)建立 三相四橋臂逆變電 源 的數(shù)學(xué)模型，由數(shù)學(xué)模型可以得到輸出電壓和電感電流等各個(gè)變量之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制。三相電壓和電流通過(guò)瞬時(shí)對(duì)稱分量法可以分解為瞬時(shí)的正序、負(fù)序和零序分量，并在各自的參考系中轉(zhuǎn)變成直流信號(hào)，再分別加以 PI 控制。 關(guān)鍵詞： 三相四橋臂逆變電源，數(shù)學(xué)模型，對(duì)稱分量，三相對(duì)稱電壓 II The Design of Threephase Fourleg Inverter Abstract Conventional threephase inverter adopts threeleg topology. But when the loads are unsymmetric, undesired ponents of negative sequence and zero sequence which e from threephase output voltages will cause unsymmetric output in system. For the sake of suppressing the asymmetry, a threephase fourleg inverter which is proposed in this paper can ensure the threephase symmetrical outputs when the loads are unsymmetric, in addition it has the advantage with smaller capacity and lower cost. This paper establish four bridge threephase inverter arm of the mathematical model, the model can get four bridge threephase inverter arm of the output voltage and current, inductance of the relationship between the different variables, so it can realize the output voltage thesis have built average models of a fourleg inverter based on the symmetrical ponents, and proposed a improved control strategy. Symmetrical ponents of threephase voltage and current are deposed into DC quantities which can be controlled by PI in their respective reference systems. This paper describes the detailed derivation of controller design and software implementation. Keywords: fourleg threephase inverter， mathematical model， symmetrical ponents， The threephase symmetrical voltage III 目 錄 摘要 能源危機(jī)的出現(xiàn)迫使人們把目光轉(zhuǎn)向了大力開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等綠色新能源，發(fā)展分布式發(fā)電。它的的應(yīng)用非常廣泛，在已有的各種電源中，蓄電池 、 干電池 、 太陽(yáng)能電池等都是直流電源，當(dāng)需要這些電源向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變電路。 三相四橋臂技術(shù) [1]在各種高質(zhì)量、高效、高可靠性的電源中起關(guān)鍵作用，是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的具體應(yīng)用。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，電力電子技術(shù)將使電源技術(shù)更加成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，實(shí)現(xiàn)高效率和高品質(zhì)用電相結(jié)合。而傳統(tǒng)的三相逆變器在不對(duì)稱負(fù)載情況下無(wú)法輸出對(duì)稱電壓，這時(shí)人們就提出了用三相四線輸出。 目前三相四橋臂逆變電源在電氣工業(yè)領(lǐng)域有十分廣闊的應(yīng)用前景和重大的 現(xiàn)實(shí)研究意義，以下為其典型應(yīng)用 [1]： (1)分布式發(fā)電系統(tǒng)，例如風(fēng)力 發(fā)電，光伏發(fā)電，燃料電池儲(chǔ)電裝置，這些裝置 可以以獨(dú)立方式或者在并網(wǎng)模式下運(yùn)行，這些分布式電能發(fā)電裝置一般采用帶中線連接的四橋臂逆變電源來(lái)提供三相輸出； (2)應(yīng)用有源電力濾波器（ APF）的四橋臂逆變電源，通過(guò)中性點(diǎn)控制來(lái)補(bǔ)償諧 12 波電流，對(duì)于減小電網(wǎng)諧波、清潔電能有著重要的意義； (3)三相 PWM 逆變電源，利用第四橋臂來(lái)處理電壓畸變率（ THD）和不平衡問(wèn)題。但是為了得到三相四線制的輸出電壓來(lái)提高逆變器帶不平衡負(fù)載的能力，必須在輸出端增加中點(diǎn)形成變壓器 (Neutral Formed Transformer，簡(jiǎn)稱為 NFT)，構(gòu)成了應(yīng)用中點(diǎn)形成變壓器 NFT 的三相逆變器 自耦變壓器結(jié)構(gòu)，如圖 11 所示。 圖 11 采用帶 NFT 的三相逆變電源 （ 2）采用 ?/Y接法的三相逆變電源 為了消除輸出電壓中的零序分量，在三相三橋臂逆變電源和三相負(fù)載之間加一個(gè) ?/Y 接法的變壓器，變壓器原邊為 ?型，次級(jí)接成 Y 型，這樣可以給不對(duì)稱負(fù)載產(chǎn)生的零序電流提供了通路，所以這種電路拓?fù)湓谌嘭?fù)載不對(duì)稱的情況下可以輸出對(duì)稱的電壓。 相應(yīng)的控制方案 可以采用 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下單 PI 調(diào)節(jié)器， 但是 它不能消除負(fù)序電壓靜差 ， 逆變電源的電路連接原理圖如圖 12 所示。利用電源輸入端的兩個(gè)串聯(lián)電容的中點(diǎn)，作為三相輸出的共地端 ， 可構(gòu)成三相四線制的輸出，如圖 13所示。而且其直流利用率明顯偏低，輸出相電壓峰值最高也只有直流母線電壓的一半。每相逆變器相互獨(dú)立，只要控制三相基準(zhǔn)正弦波互差 120176。 這種方法比 較適合于大功率輸出場(chǎng)合，缺點(diǎn)是采用的開(kāi)關(guān)管太多，而且輸出 14 需要三個(gè)單相變壓器。其結(jié)構(gòu)如圖 15所示 。雖然該逆變器的控制比較復(fù)雜，但仍是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。 圖 15 三相四橋臂逆變電源 三相四橋臂逆變拓?fù)涫墙陙?lái)研究比較廣泛的一種逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。具有電路形式簡(jiǎn)單、體積小、電壓利用率高、直流輸入電容小等突出優(yōu)點(diǎn)。 1992 年 Quinn. C. 橋臂變換器應(yīng)用于 APF 處理零序諧波分量問(wèn)題，同年 Bou Rabee 等學(xué)者提出了電流源三相四橋臂逆變器 [3]。 1994 年 ,在 [5]提出三相四橋臂逆變器用于永磁電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。 1997 年Richard Zhang 提出了三相四橋臂逆變器的三維空間矢量調(diào)制方案 [7]，推動(dòng)了三相四橋臂逆變器的實(shí)用化研究。 進(jìn)入 21世紀(jì)后，三相四橋臂逆變電源逐漸在科技領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注和研究，同時(shí)在 電力電子技術(shù)行業(yè)和電氣行業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域中也得到了充分的應(yīng)用與蓬勃的發(fā)展。 傳統(tǒng)的三相逆變器解決不了三相負(fù)載不對(duì)稱而要輸出對(duì)稱的電壓，因此，在原有的基礎(chǔ)上加了第四橋臂的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在加了第四橋臂后，處理不平衡負(fù)載時(shí)有很多優(yōu)越的性能但由于多了一個(gè)橋臂也使得控制變的比較復(fù)雜。 本課題主要研究?jī)?nèi)容分為以下幾個(gè)方面： 第一章首先簡(jiǎn)述了本課題的研究背景、研究意義以及研究現(xiàn)狀，并由傳統(tǒng)的三相四線制逆變電源引出了三相四橋臂逆變電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。建立了三相三橋臂逆變器和三相四橋逆變器在 ABC 坐標(biāo)系和 dqo 坐標(biāo)系中的的數(shù)學(xué)模型，論證了系統(tǒng)的可控性。 第四章完成了主電路，控制核心電路，保護(hù)電路和 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)；完 成了系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)，中斷程序設(shè)計(jì)和 8 路 PWM 波形的實(shí)現(xiàn)；最后進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，開(kāi)環(huán)和閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，給出并分析了相應(yīng)的波形。在 ABC 靜止坐標(biāo)系中建立了三相三橋逆變器和三相四橋逆變器的數(shù)學(xué)模型、三相 四橋逆變器在 dqo 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型，為本文的后續(xù)章節(jié)的研究奠定理論基礎(chǔ)。在 ABC 靜止坐標(biāo)系中，用三相電流和電壓作為變量，不需要進(jìn)行坐標(biāo)變換。 圖 21 三相三橋臂逆變器 三相三橋逆變器只能帶三相線性對(duì)稱負(fù)載，也就是說(shuō)，假設(shè)輸出電壓為 v。三個(gè)橋臂的中間的電壓為 vl、 v v3，輸出中點(diǎn)電壓為 vn，電感電流分別為 i i i3，三相輸出電壓分別為 v0 v0 v0輸出電流為 i01 、 i02 、 i0濾波器有 L1=L2=L3=L、以C1=C2=C3=C。 利用系統(tǒng)的能控矩陣 [B AB A2B A3B]可以判斷系統(tǒng)完全可控 [18]。 所以三相三橋臂逆變器是基于數(shù)學(xué)模型的可控性的控制，在權(quán)衡電壓、開(kāi)關(guān)損耗、諧波含量等因素的基礎(chǔ)上，合理選擇 V1， V2， V3的過(guò) 21 程。它一般采用三個(gè)橋臂的結(jié)構(gòu)。 一般場(chǎng)合的電源系統(tǒng)中，負(fù)載往往是不平衡，且是變化的，這就要求逆變器形成三相四線輸出。 圖 32三相四橋臂逆變器 與三相三橋臂逆變器類似，同樣用三相電流和電壓作為變量。三橋臂三相逆變器帶三相線性對(duì)稱負(fù)載，所以i1+i2+i3=0 為約束條件，由三個(gè)橋臂的中間的電壓為 vl、 v v3決定三相輸出電壓 v0 v0 v03。由與三相三橋臂逆變器的分析方法類似可得 ? ?101 1202 2 403 331 0 0 1 0 0 11 1 10 1 0 0 1 0 10 0 1 0 0 1 1ititit