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1、摘要当今世界，电能越来越成为人们日常生活和工业生产中的重要能源，而其质量和指标在不同的情况下有不同的要求。随着交流电机调速技术的逐渐成熟，高性能大容量的交流调速技术显得尤为重要。三电平逆变器由于具有输出容量大、输出电压高、电流谐波含量小、控制方法成熟简单等优点，在中高压调速领域得到了广泛的应用。而正弦脉宽调制（SPWM）方法是三电平逆变器的核心技术之一。本文介绍了单相三电平逆变器的结构和基本原理，及其SPWM控制法的原理，并以载波同向SPWM法对三电平逆变器进行控制。本文基于MATLAB/SIMULINK对三电平逆变电路建立模型，并进行开环、闭环仿真，从而分析了逆变器输出电压的谐波含量、电压稳
2、定度。采用PI调节器设计对逆变器设计了双闭环控制，同时对负载能力进行研究。关键词三电平逆变器 正弦脉宽调制 MATLAB PI调节器单击此处输入中文关键词Abstract Nowadays,electrical energy has play a more and more role in peoples daily life and industrial production , and its quality and index in different circumstances have different requirements.Along with the induction m
3、otor technology mature gradually,high performance and capacity of AC control technology is particularly important.Because of the advantages,such as high output capacity, high output voltage, small current harmonic content, and the control method is mature and simple, so the three-level inverter in h
4、igh voltage control field is in a wide range of applications.The sinusoidal pulse width modulation (SPWM) control method is one of the core technology of three-level inverter .This article describes the three-level inverter structure and basic principles, the PWM control method .With the method of c
5、arrier homonymous SPWM three-level inverter control.MTALBA/SIMULINK is used for the three-level inverter circuit model building, and the open loop, closed loop simulation in the paper.So as to analyze the harmonic content of inverter output voltage，and the voltage stability.The PI-controller is appl
6、ied to design the dual-loop,and do the research of ability to load.Keywords：Three-level Inverter SinusoidalClick here and input keywords in English-PWM(SPWM) MATLAB PI-controller 目 录摘要IVAbstractV第1章 绪论11.1 课题背景及意义11.2 多电平逆变技术的发展及意义41.2.1 多电平逆变技术的发展41.2.2 多电平逆变技术的意义41.3 课题研究的主要内容及目标5第2章 多电平变换器的主电路拓扑及
7、工作原理62.1 多电平逆变技术分类与选择62.2二极管钳位式三电平逆变器的拓扑及工作原理82.3 二极管钳位三电平逆变器的特点13本章小结15第3章 多电平逆变器的调制策略163.1 多电平逆变器的控制目标及PWM技术163.2 逆变器调制技术的分类173.3 三电平逆变器的SPWM技术18本章小结20第4章 逆变电路的数学模型建和参数设计214.1 逆变器的基本要求214.2 单相逆变器的数学模型214.3 逆变器滤波器的设计234.4 逆变器闭环系统调节器的设计264.5 PI调节器参数计算294.5.1 电压电流瞬时值双闭环控制系统294.5.2 外环电压平均值内环电压瞬时值控制系统3
8、04.5.3 外环电压平均值内环电流瞬时值控制系统32本章小结33第5章 三电平逆变器的MATLAB仿真及分析345.1 三电平逆变器的MATLAB/simulink模型345.2逆变器的MATLAB仿真与分析365.2.1 开环系统的仿真与分析365.2.2 闭环系统的仿真与分析39本章小结50第6章 逆变器控制电路选择及器件列选516.1 PI调节器集成芯片SG3525516.1.1 集成芯片SG3525的介绍516.1.1 三电平逆变器PI调节器的SG3525的实现556.2驱动芯片IR2110566.2.1 驱动芯片IR2110566.2.1 IR2110在三电平逆变器中的参数设计58
9、6.3 逆变器元器件列选58本章小结59结论2参考文献4致谢6附录17附录26第1章 绪论1.1 课题背景及意义电能是当前时代国家经济发展和人民生活的不可或缺的能源。我国的电能生产与发展已名列世界前茅，但是仍满足不了工业生产和人民生活的提高的需要。由于缺电，生产不能按照正常的速度和秩序进行，影响了国民经济的发展和人民生活水平的提高。与此同时，在电能十分紧张的情况下，由于技术落后，电能的浪费现象也十分严重。例如在工业用电中根据国家有关部门的调查统计，年发电量的60%70%用于电动机拖动。其中90%是用于交流电动机的直接恒速拖动，由于不能实现变频条数，每年都会造成很大的电能浪费。如占工业用电30%
10、以上的风机和泵类负载，全国共有约4700万台以上，总功率达1.3亿KW以上，由于这类负载的工况变化较大，如果将直接恒速拖动改动用中、高压容量变频调速拖动，就可以达到明显的节电效果，以平均节电20%计算，全国一年可以节电约500亿KWh，相当于一个年发电量1500万KW的发电站。此外，中、高压大容量变频调速系统在轧钢、水泥、造纸、船舶等工业与生活领域中的应用，可以是系统性能最佳，可以提高生产效率和产品质量。同时在解决环境污染方面，中、高压大容量变频调速系统也是一种最好、最直接的方法之一，如告诉电气化铁路、城市地铁和轻轨以及电动汽车等，可以大大减少尾气排放的污染。3单击此处输入正文内容 自1957
11、年美国通用电气公司研制的第一个晶闸管面世开始，电力电子技术从此诞生。晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能关断的器件，因而属于半控型器件。70年代后期，以门极客观段晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特点是，通过门极的控制既可以使其开通又可以使其关断。在80年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复合型器件异军突起。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子技术的应用越来越广泛，也开启了电力电子技术的新的纪元。4随着电力电子技术在低压小功率的用电领域的广泛应用，其技术在许多方面已渐趋成
12、熟，将来的研究目标是高功率密度、高效率、高性能；而在高压大功率的工业和输配电领域，各方面的技术正成为当今电力电子技术的研究重点。一方面，人们希望电力电子装置能够处理越来越高的电压等级和容量等级。例如，电力系统中的高压直流输电（HVDC），以静止同步补偿器（STATCOM）和有源电力滤波器（APF）等为代表的柔性交流输电技术（FACTS）,以及以高压变频为代表的大电机驱动和大功率电源装置等；另一方面，为了满足输出电压谐波含量的要求，有希望这些大功率电力电子装置能工作在高开关频率下，并且尽量减少电磁干扰（EMI）问题。3为了满足对电力电子装置的诸多要求，人们提出了很多方案,如将器件串联以承受高压，
13、将器件并联以承受大电流，或者将多个装置串联或并联来达到目的。但是，由于生产制造使得电力电子器件参数具有离散性，需要复杂的动、静态均压电路和均流电路。均压电路会导致系统控制复杂，损耗增加；而器件均流，对于具有负沮度系数的功率器件来说是一件相当困难的事情。同时，对于器件串并联，驱动电路的要求也大大提高，要求延迟时间接近、并尽量短。在关断过程中，由于恢复性能的差异，数量众多的吸收电路也是必不可少的，降低了系统的可靠性，井且这一方案对抽出电压谐波改善没有任何贡献，因而应用范围受到了一定的局限。随着电力电子装置等非线性负载在电力系统、工业、轨道交通以及家电中的大量应用，对电网的无功与谐波污染也日益严重。
14、电网中的无功与谐波不仅可以降低发电、输配电和用电的效率，同时也降低了电气设备的可靠性，严重时还可能损坏设备、危及电网的安全运行。我国的电网具有以下特点：超大规模；超长距离、超大容量电力传输；超级水、火发电中心与能源基地；超重负载中心；能源中心与负载中心联系非常薄弱；交、直流混合输电；多种控制装置混合。这些特点决定了我国的电网将面临非常严重的安全和稳定的隐患问题，而克服这些问题的有效办法就是发展柔性交流输电系统（FACTS）和治理电网的无功与谐波污染，以提高电力系统的可控性和可靠性，提高电能的输送能力以及系统的安全性和稳定性。为此，采用高压大容量多电平逆变器构成的综合潮流控制器（UPFC）和电力
15、有源滤波无疑是一种最直接最有效的治理方法。多电平逆变器与传统两电平逆变器相比，具有许多优势，如控制方式灵活、输出电压的相位和幅值便于调节与控制、输出电压的谐波含量低、逆变效率高、可以使用价格更便宜的低频高压大功率开关器件、适合于高压大功率输出等。因此，在各种高压大功中的AC一DC变换、DC一DC变换和DC一AC变换中得到应用，但主要应用于高压大功率交流电动机的变频调速、直流输电和电能质量综合治理及超导储能，感应加热和大功率不间断电源( UPS)等领域。同时在清洁能源的利用上也起到重要作用，如风力发电和太阳能发电可以通过高压多电平逆变器入网。随着大量电力电子装置的普及使用以及变压器、交流电动机、整流器、荧光灯等非线性感性负载比例的增加，电网所受到的无功功率与谐波污染日益严重，而无功功率补偿和电力有源滤波器也向着高压大功率的方向发展。因此，多电平逆变器在电能质量综合治理上也有着广泛的应用前景。高压大容量交流电动机的变频调速系统，是多电平逆变器的另一个重要领域，在城市自来水厂用的供水泵，电厂用的给水泵、引风机、水泵，钢厂轧钢用的大容量交流电动机拖动、制氧机、除尘风，石油工业用的压缩机，煤矿用的排水泵、排风扇，交通运输用的电力机车，船舶用的电力推进系统，轨道交通用的
