第7章 PWM多電平電路

1、第7章PWM多電平電路7.1概述7.2多重化方波電路7.3多重化PWM直流變換電路7.4多重化PWM逆變電路7.5中點(diǎn)鉗位式逆變電路7.1概述7.1.1PWM多電平電路的工作背景7.1.2PWM多電平電路的分類7.1.1PWM多電平電路的工作背景 （1)1)由于器件和單機(jī)容量的限制，大功率電路需要由多個器件或由于器件和單機(jī)容量的限制，大功率電路需要由多個器件或多個單元電路通過串多個單元電路通過串/ /并聯(lián)連接實現(xiàn)。并聯(lián)連接實現(xiàn)。 （2)2)由于高壓大電流操作，電路對電網(wǎng)和環(huán)境的污染嚴(yán)重，由于高壓大電流操作，電路對電網(wǎng)和環(huán)境的污染嚴(yán)重，EMIEMI強(qiáng)強(qiáng)度高。度高。 （3)3)高可靠性：對于電力系

2、統(tǒng)和大型生產(chǎn)設(shè)備的電力傳動系統(tǒng)等高可靠性：對于電力系統(tǒng)和大型生產(chǎn)設(shè)備的電力傳動系統(tǒng)等應(yīng)用場合，故障將產(chǎn)生嚴(yán)重后果，故要求有高可靠性運(yùn)行。應(yīng)用場合，故障將產(chǎn)生嚴(yán)重后果，故要求有高可靠性運(yùn)行。多電平電路泛指其輸出量多電平電路泛指其輸出量 具有多個電平的電路（在多電平整流電具有多個電平的電路（在多電平整流電 路則指其輸入電流），而采用路則指其輸入電流），而采用PWM控制方式的多電平電路則稱為控制方式的多電平電路則稱為 PWM多電平電路。多電平電路。多電平電路的工作背景多電平電路的工作背景 大功率應(yīng)用的特點(diǎn)大功率應(yīng)用的特點(diǎn)擴(kuò)容和諧波抑制的基本思想擴(kuò)容和諧波抑制的基本思想 多電平電路不依靠高開關(guān)頻率來實

3、現(xiàn)諧波抑制，它通過新型多電平電路不依靠高開關(guān)頻率來實現(xiàn)諧波抑制，它通過新型電路拓?fù)涮岣唠娐返目側(cè)萘亢洼敵鲭妷旱目傠娖綌?shù)，并使它接近電路拓?fù)涮岣唠娐返目側(cè)萘亢洼敵鲭妷旱目傠娖綌?shù)，并使它接近正弦，從而實現(xiàn)容量擴(kuò)大和諧波抑制。正弦，從而實現(xiàn)容量擴(kuò)大和諧波抑制。7.1.2PWM多電平電路的分類多電平電路多電平電路直耦式直耦式磁耦式磁耦式電路構(gòu)成電路構(gòu)成控制方式控制方式電能變換電能變換二極管鉗位二極管鉗位電容鉗位電容鉗位有源鉗位有源鉗位方波電路方波電路PWMPWM電路電路整流電路整流電路逆變電路逆變電路直流變換電路直流變換電路交流變換電路交流變換電路多重化電路多重化電路中點(diǎn)鉗位電路中點(diǎn)鉗位電路混合電路混

4、合電路耦合方式耦合方式疊加方式疊加方式串聯(lián)疊加串聯(lián)疊加并聯(lián)疊加并聯(lián)疊加7.2多重化方波電路7.2.1多重化方波整流電路7.2.2多重化電壓源方波逆變電路7.2.1多重化方波整流電路移相移相3030 構(gòu)成的串聯(lián)構(gòu)成的串聯(lián)2 2重聯(lián)結(jié)電路重聯(lián)結(jié)電路 整流變壓器二次繞組分別采用星形和三角形接法構(gòu)成整流變壓器二次繞組分別采用星形和三角形接法構(gòu)成相位相相位相差差3030 、大小相等、大小相等的兩組電壓，接到相互的兩組電壓，接到相互串聯(lián)串聯(lián)的的2 2組整流橋。組整流橋。 因繞組接法不同，變壓器一次繞組和兩組二次繞組的匝比如因繞組接法不同，變壓器一次繞組和兩組二次繞組的匝比如圖所示，為圖所示，為1:1: 1

5、:1: 。 該電路為該電路為1212脈波脈波整流電路。整流電路。 補(bǔ)充1 移相30串聯(lián)2重聯(lián)結(jié)電路37.2.1多重化方波整流電路圖7-1兩重方波整流電路a)并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)b)串聯(lián)電路結(jié)構(gòu)c)網(wǎng)側(cè)電流波形ddddddIIIIIIIIIII3323333332543218/131其他特性如下：其他特性如下： 直流輸出電壓直流輸出電壓 7.2.1多重化方波整流電路coscos1對波形對波形iA進(jìn)行傅里葉分析，可得其基波幅值進(jìn)行傅里葉分析，可得其基波幅值Im1和和n次諧波幅值次諧波幅值Imn分別分別如下：如下：dmII341, 3 , 2 , 1, 112341kknInIdnm即輸入電流諧波次數(shù)為即輸

6、入電流諧波次數(shù)為12k1，其幅值與次數(shù)成反比而降低，其幅值與次數(shù)成反比而降低。cos662UUd功率因數(shù)功率因數(shù)(7-2)(7-3)cos9886. 0cos1位移因數(shù)位移因數(shù)7.2.1多重化方波整流電路利用變壓器二次繞阻接法的不同，互相錯開利用變壓器二次繞阻接法的不同，互相錯開2020 ，可將三組橋構(gòu)成，可將三組橋構(gòu)成串串聯(lián)聯(lián)3 3重聯(lián)結(jié)電路重聯(lián)結(jié)電路 整流變壓器采用星形三角形組合無法移相整流變壓器采用星形三角形組合無法移相2020 ，需采用，需采用曲折接法曲折接法。 整流電壓整流電壓u ud d在每個電源周期內(nèi)脈動在每個電源周期內(nèi)脈動1818次，故此電路為次，故此電路為1818脈波整脈波整

7、流電路流電路。 交流側(cè)輸入電流諧波更少，為交流側(cè)輸入電流諧波更少，為1818k k1 1次次（k k=1, 2, 3=1, 2, 3），），u ud d的的脈動也更小。脈動也更小。 輸入位移因數(shù)和功率因數(shù)分別為：輸入位移因數(shù)和功率因數(shù)分別為：cos1=cos=0.9949cos將整流變壓器的二次繞組移相將整流變壓器的二次繞組移相1515 ，可構(gòu)成，可構(gòu)成串聯(lián)串聯(lián)4 4重聯(lián)結(jié)電路重聯(lián)結(jié)電路 為為2424脈波整流電路脈波整流電路。 其交流側(cè)輸入電流諧波次為其交流側(cè)輸入電流諧波次為24k24k1 1，k=1k=1，2 2，33。 輸入位移因數(shù)功率因數(shù)分別為：輸入位移因數(shù)功率因數(shù)分別為：cos1=co

8、s=0.9971cos7.2.2多重化電壓源方波逆變電路二重單相電壓型逆變電路二重單相電壓型逆變電路 兩個單相全橋逆變電路組成，輸出通過兩個單相全橋逆變電路組成，輸出通過變壓器變壓器T T1 1和和T T2 2串聯(lián)串聯(lián)起來。起來。 輸出波形輸出波形 兩個單相的輸出兩個單相的輸出u u1 1和和u u2 2是是180180矩形波矩形波。 u u1 1和和u u2 2相位錯開相位錯開 =60=60, ,其中的其中的3 3次諧波次諧波就錯開了就錯開了3 36060=180=180，變壓器串聯(lián)合成后，變壓器串聯(lián)合成后，3 3次諧波互相抵消次諧波互相抵消，總輸出電壓中不含，總輸出電壓中不含3 3次諧波。

9、次諧波。 u uo o波形是波形是120120矩形波，含矩形波，含6k6k1 1次諧次諧波波，3k3k次諧波都被抵消。次諧波都被抵消。由此得出的一些結(jié)論由此得出的一些結(jié)論 把若干個逆變電路的輸出按一定的相位把若干個逆變電路的輸出按一定的相位差組合起來，使它們所含的某些主要諧波分量差組合起來，使它們所含的某些主要諧波分量相互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形。相互抵消，就可以得到較為接近正弦波的波形。 多重逆變電路有多重逆變電路有串聯(lián)多重串聯(lián)多重和和并聯(lián)多重并聯(lián)多重兩兩種方式，電壓型逆變電路多用串聯(lián)多重方式，種方式，電壓型逆變電路多用串聯(lián)多重方式，電流型逆變電路多用并聯(lián)多重方式。電流型逆變電路

10、多用并聯(lián)多重方式。 補(bǔ)充2 二重單相逆變電路 12060180tOtOtO三次諧波三次諧波u1u2uo補(bǔ)充3 二重逆變電路的工作波形 7.3多重化PWM直流變換電路多相多重斬波電路多相多重斬波電路 是在電源和負(fù)載之間是在電源和負(fù)載之間接入多個結(jié)構(gòu)相同的基本接入多個結(jié)構(gòu)相同的基本斬波電路而構(gòu)成的。斬波電路而構(gòu)成的。 相數(shù)相數(shù):一個控制周期中一個控制周期中電源側(cè)的電流脈波數(shù)。電源側(cè)的電流脈波數(shù)。 重數(shù)重數(shù)：負(fù)載電流脈波：負(fù)載電流脈波數(shù)。數(shù)。3 3相相3 3重降壓斬波電路重降壓斬波電路 電路及波形分析電路及波形分析 相當(dāng)于由相當(dāng)于由3 3個降壓斬個降壓斬波電路單元波電路單元并聯(lián)并聯(lián)而成。而成。圖圖7

11、-7N=3多重化多重化PWM單象限降壓型電路單象限降壓型電路a)主電路結(jié)構(gòu)主電路結(jié)構(gòu)b)電量波形電量波形 總輸出電流為總輸出電流為 3 3 個斬波電路單元輸個斬波電路單元輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的值的3 3倍，脈動頻率也為倍，脈動頻率也為3 3倍。倍。7.3多重化PWM直流變換電路 總輸出電流總輸出電流最大脈動率最大脈動率（電流脈動幅值與電流平均值之比）（電流脈動幅值與電流平均值之比）與相數(shù)的平方成反比，其總的輸出電流脈動幅值變得很小，所需與相數(shù)的平方成反比，其總的輸出電流脈動幅值變得很小，所需平平波電抗器波電抗器總重量大為減輕。總重量大

12、為減輕。 當(dāng)上述電路電源公用而負(fù)載為當(dāng)上述電路電源公用而負(fù)載為3 3個獨(dú)立負(fù)載時，則為個獨(dú)立負(fù)載時，則為3 3相相1 1重斬重斬 波電路波電路，當(dāng)電源為當(dāng)電源為3 3個獨(dú)立電源，向一個負(fù)載供電時，則為個獨(dú)立電源，向一個負(fù)載供電時，則為1 1相相3 3重斬重斬 波電路波電路。 電源電流的電源電流的諧波分量諧波分量比單個斬波電路時顯著減小。比單個斬波電路時顯著減小。多相多重斬波電路還具有備用功能，各斬波電路單元可互為備用，多相多重斬波電路還具有備用功能，各斬波電路單元可互為備用，萬一某一斬波單元發(fā)生故障，其余各單元可以繼續(xù)運(yùn)行，使得總體萬一某一斬波單元發(fā)生故障，其余各單元可以繼續(xù)運(yùn)行，使得總體的可

13、靠性提高。的可靠性提高。7.4多重化PWM逆變電路補(bǔ)充補(bǔ)充4 二重二重PWM型逆變電路型逆變電路 補(bǔ)充補(bǔ)充5 二重二重PWM型逆變電路輸出波形型逆變電路輸出波形 二重化后，輸出電壓中所含諧波的二重化后，輸出電壓中所含諧波的 角頻率仍可表示為角頻率仍可表示為n c+k r，但其，但其 中當(dāng)中當(dāng)n為奇數(shù)時的諧波已全部被除為奇數(shù)時的諧波已全部被除 去，諧波的最低頻率在去，諧波的最低頻率在2 c附近，附近， 相當(dāng)于電路的等效載波頻率提高了相當(dāng)于電路的等效載波頻率提高了 一倍。一倍。 7.4多重化PWM逆變電路圖7-10多重化PWM電壓源逆變電路a)變壓器輸出方式b)直接輸出方式1輸入整流變壓器2三相不

14、控整流電路3驅(qū)動電路4單相逆變電路5輸出變壓器6N相三角形載波發(fā)生器7單相正弦波發(fā)生器7.5中點(diǎn)鉗位式逆變電路回顧圖回顧圖3-163-16三相電壓型橋式逆變?nèi)嚯妷盒蜆蚴侥孀?，以，以N N為參考點(diǎn)，輸出相電壓為參考點(diǎn)，輸出相電壓 有有U Ud d/2/2和和-U-Ud d/2/2兩種電平，稱為兩種電平，稱為兩電平逆變電路兩電平逆變電路。多電平逆變電路多電平逆變電路 逆變器能承受逆變器能承受更高的電壓更高的電壓，而且相電壓的波形更接近，而且相電壓的波形更接近正弦波正弦波。 常用的多電平逆變電路有常用的多電平逆變電路有中點(diǎn)鉗位型逆變電路中點(diǎn)鉗位型逆變電路，飛跨電容型逆變飛跨電容型逆變電路電路，以

15、及，以及單元串聯(lián)多電平逆變電路單元串聯(lián)多電平逆變電路。 飛跨電容型逆變電路由于要使用較多的電容，而且要控制電容上飛跨電容型逆變電路由于要使用較多的電容，而且要控制電容上的電壓，因此使用較少。的電壓，因此使用較少。 補(bǔ)充補(bǔ)充6 飛跨電容型三電平逆變電路飛跨電容型三電平逆變電路 7.5中點(diǎn)鉗位式逆變電路中點(diǎn)鉗位型中點(diǎn)鉗位型（NPCNeutral Point Clamped） 逆變電路。逆變電路。(以三電以三電平方波逆變電路為例進(jìn)行分析）平方波逆變電路為例進(jìn)行分析） 電路構(gòu)成電路構(gòu)成直流濾波電容由直流濾波電容由Cd1和和Cd2串聯(lián)連串聯(lián)連 接，接，Cd1=Cd2，Ud1=Ud2=Ud/2=Us， 故

16、點(diǎn)故點(diǎn)O為直流電壓源中點(diǎn)。為直流電壓源中點(diǎn)。每個橋臂由兩個全控器件串聯(lián)構(gòu)成，每個橋臂由兩個全控器件串聯(lián)構(gòu)成， 兩者都反并聯(lián)了二極管。兩者都反并聯(lián)了二極管。每個橋臂中點(diǎn)通過鉗位二極管和直每個橋臂中點(diǎn)通過鉗位二極管和直 流側(cè)中點(diǎn)相連。流側(cè)中點(diǎn)相連。圖7-17三相中點(diǎn)鉗位式方波逆變電路a)主電路b)e)電量波形f)開關(guān)時序040441101)/(0KUVDVTVDVTKUuSAASAo（7-37）7.5中點(diǎn)鉗位式逆變電路 電路工作原理分析電路工作原理分析 控制極信號時序如圖控制極信號時序如圖7-17b7-17b。 圖7-17三相中點(diǎn)鉗位式方波逆變電路a)主電路b)e)電量波形f)開關(guān)時序圖7-18圖

17、7-17中各時區(qū)的等效電路7.5中點(diǎn)鉗位式逆變電路 各相對電源中點(diǎn)各相對電源中點(diǎn)O電壓有電壓有U Us s和和0 0三種電平三種電平三電平電路三電平電路( (如圖如圖7-7-17c)17c)。 相電壓相減得到線電壓相電壓相減得到線電壓( (如圖如圖7-7-17d)17d)。三電平逆變電路的輸出線電。三電平逆變電路的輸出線電壓有壓有U Ud d、U Ud d/2/2和和0 0五種電平。五種電平。 與圖與圖3-163-16相比，相比，NPC電路輸出電路輸出電電壓諧波壓諧波相對減少。相對減少。 三電平逆變電路另一突出優(yōu)點(diǎn)：三電平逆變電路另一突出優(yōu)點(diǎn)：每個主開關(guān)器件承受電壓為直流側(cè)每個主開關(guān)器件承受電壓為直流側(cè)電壓的一半電壓的一半( (如圖如圖7-17e)7-17e)。圖7-17三相中點(diǎn)鉗位式方波逆變電路a)主電