t型三電平逆變器課程設(shè)計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　三相三電平逆變器具有輸出電壓諧波小，小，EMI小等優(yōu)點，是高壓大功率逆變器應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點，三相二極管中點箝位型三電平逆變器是三相三電平逆變器的一種主要拓?fù)?，已?jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。三相T型三電平逆變器，是基于三相二極管中點箝位型三電平逆變器的一種改進(jìn)拓?fù)洹＿@種逆變器中，每個橋臂通過反向串聯(lián)的開關(guān)管實現(xiàn)中點箝位功能，是逆變器輸出

2、電壓有三種電平。該拓?fù)浔热喽O管中點箝位型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)每相減少了兩個箝位二極管，可以降低損耗并且減少逆變器體積，是一種很有發(fā)展前景的拓?fù)洹?lt;/p><p>　　本設(shè)計采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM），本文介紹了三相T型三電平逆變器的設(shè)計，介紹其結(jié)構(gòu)和基本工作原理，及SPWM控制法的原理，并利用SPWM控制的方法對三電平逆變器進(jìn)行設(shè)計與仿真。本設(shè)計采用SIMULINK對T型三電平逆變電路建立模型，并進(jìn)行仿真。<

3、;/p><p>　　關(guān)鍵詞： T型三電平逆變器、正弦脈寬調(diào)制、SIMULINK仿真</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 緒論…………………………………………………………………………6</p><p>　　研究背景及意義 ..</p><p>　　三電平逆變器拓?fù)浞诸?/p>

4、</p><p>　　T型三電平逆變器工作原理分析…………………………………………6</p><p><b>　　逆變器的結(jié)構(gòu)</b></p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　正弦脈波調(diào)制（SPWM）……………………………………………………7</p><

5、p>　　3.1 PWM與SPWM的工作原理</p><p>　　3.2三電平逆變電路SPWM的實現(xiàn)</p><p><b>　　3.3本章小結(jié)</b></p><p>　　電路仿真與參數(shù)計算………………………………………………………10</p><p>　　4.1逆變器的基本要求</p><p&

6、gt;<b>　　4.2電路圖</b></p><p><b>　　4.3調(diào)制電路</b></p><p>　　4.4L-C濾波電路</p><p><b>　　4.5結(jié)果分析</b></p><p>　　課程設(shè)計小結(jié)……………………………………………………………14</

7、p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………15</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 研究背景及意義</p><p>　　近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人類對能源的需求也大幅度增加，而傳統(tǒng)能源面臨著枯竭的危機(jī)。在這種情況下，我們不得不加速開發(fā)新

8、型能源。各國的專家致力于新能源的開發(fā)與利用，光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、生物發(fā)電等各種新型發(fā)電技術(shù)已經(jīng)得到了一定的應(yīng)用，并且正在蓬勃的發(fā)展，尤其是光伏發(fā)電，因其成本低、穩(wěn)定性較好，控制簡單等優(yōu)點，在各國得到了廣泛的應(yīng)用。受地區(qū)氣象條件的影響，太陽能光伏電池板輸出的直流電壓極不穩(wěn)定，而且電壓幅值低，容量小。為了高效利用太陽能，需要將不穩(wěn)定的光伏電池串、并聯(lián)組合，并且經(jīng)過多級電力電子變換器組合輸出恒頻交流電壓并網(wǎng)運行。而把這些初始能源轉(zhuǎn)化為可用電能

9、的橋梁就是逆變器。隨著開關(guān)器件的不斷發(fā)展，逆變器的拓?fù)?、調(diào)制方式和控制策略也在不斷發(fā)展，控制理論在逆變器的控制上得到了很好的應(yīng)用，這一切都保證了優(yōu)良的供電質(zhì)量。在一些高電壓、大功率的應(yīng)用場合，傳統(tǒng)的兩電平逆變器由于開關(guān)器件耐壓限制，無法滿足需求。在這種情況下，如何將低耐壓開關(guān)器件應(yīng)用于高電壓大功率場合成為各國專家研究的熱點，由此，多電平逆變器技術(shù)應(yīng)運而生。多電平的概念最早是由日本專家南波江章(A.Nabae)等人在 1980 年提出的[

10、</p><p>　　1.2三電平逆變器拓?fù)浞诸?lt;/p><p>　　常見的多電平的電路拓?fù)渲饕腥N：二極管箝位型逆變器、飛跨電容箝位型逆變器和具有獨立直流電源的級聯(lián)型逆變器。本文研究的 T 型三電平逆變器可以說是中點箝位型逆變器的改進(jìn)拓?fù)洌鋬?yōu)勢主要體現(xiàn)在減少了電流通路中的開關(guān)器件數(shù)量，減少了傳導(dǎo)損耗。而且與二極管箝位型三電平逆變器相比，T 型三電平逆變器的每個橋臂少用了兩個箝位二極管

11、，其控制方法和二極管箝位型三電平逆變器類似[2]。T 型三電平逆變器融合了兩電平和三電平逆變器的優(yōu)勢，既有兩電平逆變器傳導(dǎo)損耗低，器件數(shù)目少的優(yōu)點，又有三電平逆變器輸出波形好，效率高的優(yōu)點，是很有發(fā)展前景的一種三電平逆變器拓?fù)洹?lt;/p><p>　　第二章 T型三電平逆變器的工作原理</p><p>　　2.1 逆變器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖1 T型三

12、電平逆變器結(jié)構(gòu)</p><p>　　以 A 相為例，當(dāng)開關(guān)管，同時導(dǎo)通，， 同時關(guān)斷時，輸出端 A 相對于直流側(cè)零電位參考點 O 點的電平為/2；當(dāng)開關(guān)管、，同時導(dǎo)通，,</p><p>　　同時關(guān)斷時，輸出端 A 相對于 O 點的電平為 0；當(dāng)開關(guān)管， 同時導(dǎo)通，，同時關(guān)斷時，輸出端 A 相對于 O點的電平為-/2。如表 2-3 所示。并且開關(guān)管與</p><p>

13、;　　不能同時導(dǎo)通，不考慮死區(qū)時間時，開關(guān)管和，和的驅(qū)動脈沖是互補(bǔ)的。開關(guān)狀態(tài)不能在 P 和 N 之間直接轉(zhuǎn)換，必須通過 0 狀態(tài)來過渡。A點的相電壓幅值為{ /2, 0 , -//2 }三種電平狀態(tài)，故稱為三電平逆變器。</p><p>　　1：、導(dǎo)通，、 關(guān)斷 =/2</p><p>　　2：、導(dǎo)通，、關(guān)斷 =0</p><p>　　3：、導(dǎo)通，

14、、關(guān)斷 =-/2</p><p><b>　　2.2三電平</b></p><p><b>　　測量圖如下：</b></p><p><b>　　圖2 測量三電平</b></p><p><b>　　2.3本章小結(jié)</b></p>&

15、lt;p>　　本章對 T 型三電平逆變電路的結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行了簡單的介紹，并對逆變器的控制提出要求，在下一章中將會重點對如何進(jìn)行調(diào)制進(jìn)行詳細(xì)的討論。</p><p>　　第三章 正弦脈波調(diào)制（SPWM）</p><p>　　3.1 PWM與 SPWM的工作原理</p><p>　　多電平逆變器的PWM控制技術(shù)是多電平逆變器研究中一個相當(dāng)關(guān)鍵的技術(shù)，它與多電

16、平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出是共生的，因為它不僅決定多電平逆變的實現(xiàn)與否，而且，對多電平逆變器的輸出波形質(zhì)量、電路中的器件應(yīng)力、系統(tǒng)損耗的減少和效率的提高都有直接的影響。多電平逆變器的調(diào)制在傳統(tǒng)兩電平的基礎(chǔ)上增加了零電平，從而使輸出電壓的諧波含量更進(jìn)一步減少。 </p><p>　　PWM控制技術(shù)的基本原理是根據(jù)采樣控制理論中的一個重要結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈

17、沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。 上述原理可以稱之為面積等效原理，它是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。下面分析如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦波。</p><p>　　圖3 將PWM波代替正弦波</p><p>　　如圖3所示的正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N個彼此相連的脈沖序列組成的波形。這些脈沖寬度相等，但幅值不等，且脈沖頂部不

18、是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積相等，就可以得到圖3-1b所示的脈沖序列。這就是PWM波形。可以看出，各脈沖的幅值相等，而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于負(fù)半周期也可以按同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的

19、PWM波形，稱為SPWM波形（Sinusoidal PWM波形）。</p><p>　　3.2正弦脈波調(diào)制（SPWM）的實現(xiàn)</p><p>　　每相采用兩個幅值相等,頻率相同,相位亦相同的三角波作為波載波層疊,PWM</p><p>　　方法是兩電平正弦波調(diào)制在多電平領(lǐng)域的一個擴(kuò)展。一三電平逆變器,應(yīng)該與同一正</p><p>　　弦調(diào)制波

20、進(jìn)行對比,兩個三角載波在空間上是持續(xù)的且對稱形成于零參考的正負(fù)兩側(cè),原理圖如圖3.1所示。</p><p>　　根據(jù)調(diào)制波與各個三角載波的比較得出輸出不同的電平級別,從而決定對應(yīng) 關(guān)管</p><p>　　的開關(guān)情況。當(dāng)調(diào)制波Up的值遠(yuǎn)高于上面載波Ucl的值,貝II為“1”的狀態(tài),輸出電Ud/2;當(dāng)調(diào)制波Ur的值遠(yuǎn)低于下面載波Uc2的值,則為“-1”狀態(tài),輸出電壓為-Ud/2;其余則為“0

21、”狀態(tài),輸出數(shù)為0。</p><p>　　載波比較法生成PWM脈沖諧波后,能夠控制功率 關(guān)操作,繼續(xù)輸出三相PWM</p><p>　　電壓。載波層疊PWM法的特點是輸出波形好,諧波含量相對較低,控制相對簡單,</p><p>　　易于實現(xiàn),可用于任何電平數(shù)的多「U平逆變器,可以在整個調(diào)制過程比變化范_內(nèi)進(jìn)行</p><p>　　圖4 載波

22、交疊式PWM調(diào)制法</p><p>　　如圖4為正弦波與三角波的比較產(chǎn)生PWM脈沖，P1信號接往S1和反相后接S3，P2信號接往S2和反相后接S4。由圖可看出正弦波的幅值略小于三角波的峰峰值，使調(diào)制工作與高調(diào)制度的情況下。正半周波時，正弦波始終高于下面三角波，則產(chǎn)生的PWM波使S4始終關(guān)斷，同理負(fù)半周波，S1始終關(guān)斷。</p><p><b>　　3.3本章小結(jié)</b>

23、;</p><p>　　本章主要討論了多電平逆器的PWM調(diào)制方法。首先介紹了多電平逆變器的控制目標(biāo)及PWM技術(shù)的基本原理。再詳細(xì)介紹了多載波調(diào)制PWM，闡述了各個開關(guān)管的工作狀態(tài)。通過本章的介紹，對多電平逆變器的調(diào)制方法進(jìn)行詳細(xì)了解。</p><p>　　第四章 電路仿真及參數(shù)計算</p><p>　　4.1逆變器的基本要求</p><p>

24、;　　已知參數(shù)和設(shè)計要求：</p><p>　　輸入電壓600V，輸出功率50kW，輸出三相相電壓220V，50Hz，帶50kW阻性負(fù)載，要求輸出電壓THD小于<2%。</p><p><b>　　4.2電路圖</b></p><p>　　圖56SIMULINK仿真-主電路圖</p><p><b>　　

25、與原理圖基本一致。</b></p><p>　　參數(shù)：電壓源：600V – DC C1=C2=1500μF，R1=R2=0.000001?</p><p><b>　　4.3調(diào)制電路</b></p><p>　　圖7 單相SPWM調(diào)制電路</p><p>　　取其中一個信號來觀測，連線如圖6，波形如

26、圖7（為以便觀察 三角波的頻率設(shè)為200hz）</p><p>　　圖8 （信號波，載波，Q1控制波 在一個周期內(nèi)的波形）</p><p>　　可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過調(diào)制出來的波形基本滿足SPWM調(diào)制后的結(jié)果。在最后的仿真過程中，鋸齒波的周期為0.00005s，即頻率為20kHz.</p><p>　　4.4 L-C 濾波電路</p><p>　

27、　在SPWM逆變器中，逆變器的輸出LC濾波器主要用來濾除開關(guān)頻率及其鄰近頻帶的諧波?？疾煲粋€濾波器性能的優(yōu)劣首先是看它對諧波的抑制能力，具體可以從THD值來體現(xiàn)。另外需要盡量減小濾波器對逆變器附加的電流應(yīng)力。電流應(yīng)力增大，除使器件損耗及線路損耗加大外，另一方面也使功率元件的容量增大。THD值小的要求與濾波器引起的附加電流應(yīng)力小的要求往往是矛盾的。LC濾波器的示意圖如下圖8所示。</p><p>　　圖9 L-

28、C濾波器</p><p>　　在濾波電路中，忽略逆變電路等效電阻時濾波器的傳遞函數(shù)為：</p><p><b>　　上式也可寫為：</b></p><p>　　式中： 為自然振蕩角頻率。</p><p>　　這是一個典型的二階振蕩系統(tǒng)，從頻域上分析，考慮幅頻特性和相頻特性，知道影響濾波效果的參數(shù)主要是轉(zhuǎn)折角頻率和阻尼

29、比。選擇SPWM逆變器的輸出LC濾波器的轉(zhuǎn)折頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率，這樣對開關(guān)頻率及其附近頻帶的諧波具有明顯的抑制作用。</p><p><b>　　一般要求</b></p><p><b>　　< <1/10</b></p><p>　　其中，為基波頻率，此處為50Hz, 開關(guān)頻率，此處為20kHz,</

30、p><p>　　取轉(zhuǎn)折頻率 =1/10</p><p><b>　　則有 </b></p><p>　　令L=5mH, 可求得 C=1.27uF ，最后調(diào)制取L=5mh，C=5 uF。</p><p><b>　　4.5 結(jié)果分析</b></p><p><b>　　A

31、)波形分析</b></p><p>　　取三相電壓波形，如下：</p><p><b>　　圖10 三相波形</b></p><p><b>　　B)輸出電壓分析:</b></p><p>　　圖11 輸出電壓有效值</p><p>　　C)輸出電壓畸變率分析：&

32、lt;/p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　從結(jié)果來看，能夠獲得一個非常近似正弦波的波形，其有效值為220V，頻率為50Hz，THD為：0.16%。</p><p>　　圖12 FFT Analysis</p><p>　　第五章 課程設(shè)計小節(jié)</p><p>　　本文對三

33、相T型三電平逆變器的設(shè)計進(jìn)行了研究仿真，本文主要完成了如下工作：</p><p>　　介紹了三電平逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了T型三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，介紹了其輸出電壓和開關(guān)狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系。</p><p>　　對PWM于SPWM做了介紹，對三電平SPWM實現(xiàn)的介紹。</p><p>　　進(jìn)行了電路仿真，介紹了電路圖與調(diào)制電路，計算出L-C濾波器的參數(shù)，實現(xiàn)了仿

34、真出非常接近正弦波的波形，有效值為220V，50Hz,THD為0.16%。</p><p><b>　　文獻(xiàn)綜述</b></p><p>　　[ 1] 陳堅．電力電子學(xué)：電力電子變換和控制技術(shù)[M]．北京：高等教育出版社；</p><p>　　2004．1-20．</p><p>　　[2] Park Y，Sul

35、S-K，Lim C-H，Kim W-C，Lee S-H．Asymmetric Control of </p><p>　　DC-Link Voltages for Separate MPPTs in Three-Level Inverters[J]．2011．</p><p>　　[3] 王兆安.電力電子技術(shù)第五版.機(jī)械工業(yè)出版社.2009.</p><p&g

36、t;　　[4] 童鳴庭.三相T型三電平非隔離并網(wǎng)逆變器的研究. .研究生學(xué)位論文.2013.</p><p>　　[5] 馮冠男. 三電平逆變器的設(shè)計及仿真研究.研究生學(xué)位論文.2012.</p><p>　　[6]夏玲芳.T型三電平逆變器技術(shù)研究.研究生學(xué)位論文.2014</p><p>　　[7]吳小溪. 二極管鉗位型三電平逆變器的研究.2011</p&g