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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 1PWM多电平电路的工作背景7 1 2PWM多电平电路的分类 7 1 1PWM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
2、 故要求有高可靠性运行 7 1 2PWM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
3、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 3N 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 4N 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11 N级环形计数器12 移相器13 驱动
4、器 7 2 2多重化电压源方波逆变电路 图7 5N 2P 3的多重化三相方波电压逆变电路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 6N 2多重化方波电流逆变电路a 主电路b 电流波形 r 6rad 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 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 3多重化PWM直流变换电路 7
5、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 7N 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 8N 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 9N 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
6、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6 N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 11N 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 8K 3N 5 24 7 4 1多重化PWM电压源逆变电路 图7 12SPWM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
7、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 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
8、NPC PWM REC 7 4 2多重化PWM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 CarriesPhaseS
9、hiftedSPWM 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 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
10、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 20NPC 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 6A相正半周期PWM开关函数表 表7 6A相正半周期PWM开关函数表 表7 6A相正半周期PWM开关函数表 表7 6A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 21NPC 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
11、 表7 7NPCSVPWMINV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3 NPC SVPWM INV4 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
12、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 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 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
13、异步机调速系统1 电网及输入变压器2 不控整流电路3 NPCINV4 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 EEPROM10 DSP11 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 29NPC INV不同相移角 下的电量波形a 8b 4 c 3 4 rad 7 6 2直接式NPC DC DC电路 图7
14、30NPC 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 31NPC 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 1SVPWM的控制算法7 7 2NPC 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中点钳位式三相PWM整流电路 7 7 1SVPWM的控制算法 1 NPCREC中电压空间矢量的分布 图7 33NPCREC中电压空间矢量的
15、分布a 在 坐标轴上的分布b 子区分布 7 7 2NPC 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 2NPC 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10 NPC REC 7 7 2NPC 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
