现代电力电子技术林渭勋第7章节PWM多电平电路

1、第7章 PWM多电平电路,7.1 概述 7.2 多重化方波电路 7.3 多重化PWM直流变换电路 7.4 多重化PWM逆变电路 7.5 中点钳位式逆变电路 7.6 中点钳位式直流变换电路(NPC-DC/DC) 7.7 中点钳位式PWM整流电路(NPC-PWM-REC),7.1 概述,7.1.1 PWM多电平电路的工作背景 7.1.2 PWM多电平电路的分类,7.1.1 PWM多电平电路的工作背景,1)由于器件和单机容量的限制，大功率电路需要由多个器件或多个单元电路通过串/并联连接实现。 2)由于高压大电流操作，电路对电网和环境的污染严重，EMI强度高。 3)高可靠性：对于电力系统和大型生产设备的电力传动系统等应用场合，故障将产生严重后果，故要求有高可靠性运行。,7.1.2 PWM多电平电路的分类,按照输出叠加方式，所有多重化电路可分为串联和并联两类，串联时电压相加，所有串联单元电路流过相同电流；并联时电流相加，所有并联单元电路具有相同电压。 按照出端耦合方式，多重化电路可分为直耦式和磁耦式两类，前者和负载直接连接，无电气隔离。,7.2 多重化方波电路,7.2.1 多重化方波整流电路 7

2、.2.2 多重化电压源方波逆变电路 7.2.3 多重化电流源方波逆变电路,7.2.1 多重化方波整流电路,图7-1 两重方波整流电路 a)并联电路结构 b)串联电路结构 c)网侧电流波形,7.2.1 多重化方波整流电路,表7-1 移相式串联多重化方波整流电路的特性,7.2.2 多重化电压源方波逆变电路,图7-2 单相串联多重电压源方波电压逆变电路 a)主电路 b)单元电路的出端电压波形,7.2.2 多重化电压源方波逆变电路,表7-2 多重化方波逆变电路的频谱分组特性,7.2.2 多重化电压源方波逆变电路,图7-3 N=6多重化三相电压源方波逆变电路 a)电路结构 b)电压矢量关系 c)A相电压波形,7.2.2 多重化电压源方波逆变电路,图7-4 N=6多重化三相电压源方波逆变电源结构图 0交流电源 1输入变压器 2不控整流及滤波 3单相逆变桥 4波形叠加输出变压器(三相) 5输出滤波器 6负载 7输出电压检测电路 8电压给定 9电压调节器 10振荡器 11N级环形计数器 12移相器 13驱动器,7.2.2 多重化电压源方波逆变电路,图7-5 N=2 P=3的多重化三相方波电压逆变电路

3、a)主电路结构 b)A相电压矢量图 c)电量波形,7.2.3 多重化电流源方波逆变电路,图7-6 N=2多重化方波电流逆变电路 a)主电路 b)电流波形,r=/6 rad,7.2.3 多重化电流源方波逆变电路,表7-3 多重化电流源方波逆变电路的谐波含量,7.3 多重化PWM直流变换电路,7.3.1 多重化PWM单象限降压型电路 *7.3.2 多重化PWM双管正激式直流变换电路,7.3.1 多重化PWM单象限降压型电路,图7-7 N=3多重化PWM单象限降压型电路 a)主电路结构 b)电量波形,*7.3.2 多重化PWM双管正激式直流变换电路,图7-8 N=2并-并/串结构的多重化双管正激式电路 a)主电路结构 b)等效电路,*7.3.2 多重化PWM双管正激式直流变换电路,图7-9 N=2串-串结构的多重化双管正激式电路,7.4 多重化PWM逆变电路,7.4.1 多重化PWM电压源逆变电路 7.4.2 多重化PWM电流源逆变电路,7.4.1 多重化PWM电压源逆变电路,1.变压器串联输出方式,图7-10 多重化PWM电压源逆变电路 a)变压器输出方式 b)直接输出方式 1输入整流变压

4、器 2三相不控整流电路 3驱动电路 4单相逆变电路 5输出变压器 6N相三角形载波发生器 7单相正弦波发生器,7.4.1 多重化PWM电压源逆变电路,图7-11 N=5多重化SPWM电压源逆变电路电量波形 a)载波 b)单元输出电压 c)合成电压 m=0.8 K=3 N=5 =24,7.4.1 多重化PWM电压源逆变电路,图7-12 SPWM逆变电路 输出电压的THD-m曲线 a单重电路(N=1,K=15) b多重电路(N=5,K=3),7.4.1 多重化PWM电压源逆变电路,2.直接输出方式,表7-4 不同电压比电路的比较,7.4.1 多重化PWM电压源逆变电路,图7-13 直接输出式三相电压源 多重PWM逆变主电路结构,3.基于CPLD的控制电路结构,7.4.1 多重化PWM电压源逆变电路,7.4.1 多重化PWM电压源逆变电路,图7-14 基于DSP和CPLD的三相多重PWM逆变电源,7.4.1 多重化PWM电压源逆变电路,图7-15 采用变压器耦合输出的多重化PWM电压源逆变电路 a)主电路结构 b)输出电压波形 c)线电压矢量关系,4.变压器耦合输出,7.4.2 多重化PWM

5、电流源逆变电路,7.4.2 多重化PWM电流源逆变电路,(1)逆变入端均采用并联供电方式 由于两种电路均采用独立电源 故入端都是并联供电，但图7-10b为电压源，而图7-16则为电流源，当电源为非电流源时，则每一功率单元入端必须串联电感，其数值应足以维持入端电流近于恒定，由于电源性质不同，影响电路出端滤波器的构成，设每相均为纯阻负载，图7-10b应带电感输入型滤波器，使负载电流近似于基波；图7-16则带电容输入型滤波器、使负载电压近似于基波电压。 (2)逆变出端连接方式不同 (3)控制策略相同 两种逆变电路都采用载波移相SPWM控制方式(Carries Phase Shifted SPWM,缩称CPS-SPWM)，上图点划线框是各逆变单元的控制电路结构。,7.5 中点钳位式逆变电路,7.5.1 中点钳位式方波逆变电路 7.5.2 中点钳位式PWM逆变电路(NPC-PWM-INV) *7.5.3 直接转矩控制在NPC-PWM-INV中的应用,7.5.1 中点钳位式方波逆变电路,图7-17 三相中点钳位式方波逆变电路 a)主电路 b)e)电量波形 f)开关时序,1.三电平方波逆变电路,7.

6、5.1 中点钳位式方波逆变电路,图7-18 图7-17中各时区的等效电路,7.5.1 中点钳位式方波逆变电路,图7-19 中点钳位式五电平方波逆变电路 a)A相主电路 b)l)等效电路,2.五电平方波逆变电路,7.5.1 中点钳位式方波逆变电路,表7-5 五电平方波逆变电路开关状态,7.5.2 中点钳位式PWM逆变电路(NPC-PWM-INV),图7-20 NPC-PWM-INV的电量波形,7.5.2 中点钳位式PWM逆变电路(NPC-PWM-INV),表7-6 A相正半周期PWM开关函数表,表7-6 A相正半周期PWM开关函数表,表7-6 A相正半周期PWM开关函数表,表7-6 A相正半周期PWM开关函数表,7.5.2 中点钳位式PWM逆变电路(NPC-PWM-INV),图7-21 NPC-PWM-INV的空间矢量图 a)电压空间矢量的分布 b)磁链增量轨迹 c)矢量的合成,7.5.2 中点钳位式PWM逆变电路(NPC-PWM-INV),表7-7 NPC SVPWM INV电路开关状态与电压空间矢量的对照表,*7.5.3 直接转矩控制在NPC-PWM-INV中的应用,图7-22 采用

7、直接转矩控制的异步机调速系统 a)框图 b)主电路 1交流电源及电源变压器 2不控整流电路 3NPC-SVPWM-INV 4异步电动机 5驱动电路 6开关状态选择电路 7参量计算电路 8转矩调节器 9磁链调节器 10速度调节器,1.采用直接转矩控制的异步机调速系统框图,*7.5.3 直接转矩控制在NPC-PWM-INV中的应用,图7-23 磁链调节器 a)控制特性 b)调节过程,*7.5.3 直接转矩控制在NPC-PWM-INV中的应用,图7-24 转矩调节器 a)控制特性 b)调节过程,*7.5.3 直接转矩控制在NPC-PWM-INV中的应用,图7-25 电压矢量对和的影响,*7.5.3 直接转矩控制在NPC-PWM-INV中的应用,表7-8 电压矢量对和的影响,*7.5.3 直接转矩控制在NPC-PWM-INV中的应用,图7-26 定子磁链的计算,*7.5.3 直接转矩控制在NPC-PWM-INV中的应用,图7-27 基于DSP的全数字化 DTC异步机调速系统 1电网及输入变压器 2不控整流电路 3NPCINV 4异步电动机 5驱动电路 6控制电源模块 7电压检测 8电流检测 9

8、EEPROM 10DSP 11硬件过电流保护模块 12外部RAM扩展 13串行通信接口,7.6 中点钳位式直流变换电路(NPC-DC/DC),7.6.1 间接式NPC-DC/DC电路 7.6.2 直接式NPC-DC/DC电路,7.6.1 间接式NPC-DC/DC电路,图7-28 间接式NPC-DC/DC电路,7.6.1 间接式NPC-DC/DC电路,图7-29 NPC-INV不同相移角下的电量波形 a)=/8 b)=/4，c)=3/4(rad),7.6.2 直接式NPC-DC/DC电路,图7-30 NPC-BUCK电路 a)主电路 b)D=0.25的电量波形 c)D=0.75的电量波形 时区 M工作模式,7.6.2 直接式NPC-DC/DC电路,图7-31 NPC-BUCK电路的等效电路,7.7 中点钳位式PWM整流电路(NPC-PWM-REC),7.7.1 SVPWM的控制算法 7.7.2 NPC-PWM-REC的控制 *7.7.3 直流电源中点电位的控制 7.7.4 间接式IGCT-NPC双向变频调速系统,7.7 中点钳位式PWM整流电路(NPC-PWM-REC),图7-32 中点

9、钳位式三相PWM整流电路,7.7.1 SVPWM的控制算法,1. NPCREC中电压空间矢量的分布,图7-33 NPCREC中电压空间矢量的分布 a)在-坐标轴上的分布 b)子区分布,7.7.2 NPC-PWM-REC的控制,1)两个控制电路均采用间接式电流控制策略。 2)两种控制电路都拥有一个电压外环，而且都采用模拟电路构成，都使用PI调节器实现输出电压的调节。 3)两种电路均假定网侧基波相移角=0，也即交流侧的矢量关系将如图5-13所示。,7.7.2 NPC-PWM-REC的控制,图7-34 采用SVPWM控制的NPC-REC系统结构图 1电压给定 2电压调节器 3输出电压检测 4网压检测及坐标变换 5作用时间计算电路 6桥侧电压计算电路 7中点电位控制电路 8驱动电路 9负载 10NPC-REC,7.7.2 NPC-PWM-REC的控制,图7-35 坐标系间的关系,*7.7.3 直流电源中点电位的控制,1.直流中点电位浮动的原因分析,*7.7.3 直流电源中点电位的控制,图7-36 正负短矢量对直流中点 电位的影响(等效电路) a)=0，运行时 b)=0，运行时,7.7.4 间接式IGCT-NPC双向变频调速系统,表7-9 各种高压大功率器件的成本比较,7.7.4 间接式IGCT-NPC双向变频调速系统,表7-10 各种高压大功率器件的损耗比较,

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