毕业论文-三电平逆变器研究

1、题 目 学 院 专 业 班 级 学 号 学生姓名 指导教师 完成日期106032053施诚羽2010年6月10日2010届毕业论文三电平逆变器研究自动化与电气工程学院电气工程及其自动化电气062浙江科技学院毕业论文、学位论文版权使用授权书本人 施诚羽 学号 106032053 声明所呈交的毕业设计（论文）、学位论文 三电平逆变器研究,是在导师指导下进行的研究工作及収得的研究成果。除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，与我一同工 作的人员对本研究所做的任何贡献均已在论文川作了明确的说明并表示谢意。本毕业设汁（论文）、学位论文作者愿意遵守浙江科技学院

2、关于保留、使用学位 论文的管理办法及规定，允许毕业设计（论文）、学位论文被查阅。本人授权 浙江科技 学院 可以将毕业设计（论文）、学位论文的全部或部分内容编入有关数据库在校园网内传 播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编毕业设计（论文）、学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）论文作者签名：签字fi期：年 月 日导师签名：签字日期：年 月 日摘要多电平逆变器中每个功率器件承受的电压较低，因此可以用低耐压的功率器件实现高压 大容量逆变器。且采用多电平变换技术可以显著提高逆变器输出电压的质量指标。因此，随 着功率器件的不断发展，釆用多电平变换技术将成为实现高压大功率逆变器的重要途

3、径和方 法。本文首先对电力电子技术的发展和多电平逆变器的发展状况进行了描述。在分析两电平 逆变器工作原理的基础上对三电平逆变器进行了研究，综合比较了三电平逆变电路两种典型 拓扑结构的优缺点；介绍了二极管钳位型三电平逆变器和级联型三电平逆变器，分析了二极 管钳位型逆变器和级联熨三电平逆变器相对于传统两电平逆变器的优点，体现了课题研究的 重要意义。最后通过matlab/simulink的来建立仿真模型，对三电平逆变器进行仿真，对主电路、 pwm信号产生电路、电流与电压采样电路、tgbt驱动及保护电路进行了分析研究。关键词：两电平逆变器、三电平逆变器、仿真、钳位式、级联式abstractin mul

4、ti-level inverters, the voltage stress of each power device is relatively lower. that is suitable to realize the high voltage and large capacity inverters with the low voltage resistant power devices. and it is possible to enhance the quality of inverter's output voltage obviously by using multi

5、-level inverter. therefore, with the development of power devices, the multi-level converter technology has been an effective approach for inverters to achieve high voltage and large power.initially, summing up the development prospect of power electronic technology and the development status of mul

6、tilevel inverter control technology. based on the principle of two-level inverter, three-level inverter is studied on and the advantages and disadvantages of the three-level inverter two canonical topology structure are comprehensively compared the three-level inverter with diode clamped is introduc

7、ed, which is analysised about advantages to the two-level inverter. it embody the important significance of the subject researchin the end, by founding matlab/simulink model. analysis the main circuit、electrify cushion circuit> pwm signal generate> current and voltage samplingigbt drive and pr

8、otect circuit.key words： two-level inverter, three-level inverter, simulation, clamped type, cascaded目录摘要iiabstractill1 前言11多电平逆变器产生的背景11.2多电平逆变器的分类和基本工作原理21. 3本论文的主要研究内容52两电平逆变器62.1三相两电平逆变器结构特点62.2三相两电平逆变器的pwm简介63钳位式三电平逆变器83.1二极管钳位式三电平逆变器83.1.1二极管钳位式三电平逆变器的基本结构和原理83.1.2 spwm状态分析103.1.3二极管钳位式三电平逆变器的

9、特点113.1.4三相二极管钳位三电平逆变器113.1.5 三相二极管钳位三电平逆变器的spwm研究133.2 屮点电位平衡的研究143.2.1中点电位不平衡的原因及危害153.2.2直流侧电容电压的平衡方法154级联式三电平逆变器174.1级联式三电平逆变器的结构与特点174.2三相级联式三电平逆变器204.2.1 2h桥级联的pwm研究分析225 逆变器的simulink仿真245. 1matlab/simulink简介245.2各逆变器仿真对比简析245.2.1各逆变器主电路对比255.2.2 各逆变器pwm电路图对比265.2.3各逆变器输出电流和电压波形对比285.2.4各三相异步电

10、机的电流、转速和电磁转矩对比295. 3对比总结336 总结356. 1总结356. 2展望35致谢37参考文献381.1多电平逆变器产生的背景电力电子技术自二十世纪50年代诞生以來，经过近半个世纪的飞速发展，至今已被广泛应 用于需要电能变换的各个领域。在低压小功率的用电领域，电力电子技术的各个方面已渐趋成熟, 将来研究的目标是高功率密度、高效率、高性能；在高压大功率的工业和输配电领域，各个方面 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，以电力系统中的高压直流输电(iivdc),静止同步补偿器(statc0m) 和有源电力

11、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 点击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，又希望这些大功 率电力电子装置能工作在高开关频率下，尽量减少emi问题。电力电子器件是电力电子装置的核心，在过去的儿十年里，电力电子器件经历了晶闸管 (scr),可关断晶闸管(gt0)、双极型大功率晶体管(gtr)和场控制器件(igbt和power mosfet) 三个阶段。这些年來，各种新型功率器件，如tgct, tegt, eto等又纷纷出现。器件的单管容量、 开关频率已经有了极大的提高。如表1-1例举了当前主要的电力电子器件的各类性能参

12、数值。表1-1当前主要的电力电子器件性能定额电力电子器件最高阻断电压(v)最大额定电流(a)最高工作频率(血)gtto9000100001000power mosfet500200100k/2migbt6500240020000tgct600040001000iegt45001500在某些应用场合，传统的两电平电压源逆变器拓扑，已经不能满足人们对高压、人功率的要求。并且，以现有电力电子器件的工艺水平，其功率处理能力和开关频率之i'可是矛盾的，往往功 率越大，开关频率却越低。为了实现高频化和低emi的大功率变换，在功率器件水平没有本质突 破的情况下，有效的手段是

13、从电路拓扑和控制方法上找到解决问题的方案。在过去的二十多年里, 研究者们进行了大量的研究和探索，提出了多种高压大功率变换的解决思路和方法，其中就包含 了多电平逆变技术。1.2 多电平逆变器的分类和基本工作原理表1-2多电平逆变器按结构形式分类多电平逆变器(multilevelinvertors)钳位式多电 平逆变器 (clamped type multilevel inverters)二极管钳位式多电平逆变器(diode-clampedmultilevel inverters)飞跨电容钳位式多电平逆变器(flying-capcicitormultilevel inverters)二极管中性点钳

14、位式(diode neutral point clamped type)二极管串联钳位式(series diode clamped type)二极管自钳位式(diode self-clamped type)采用辅助忖的二极管钳位式(diode clamped with auxiliary armtype)飞跨电容钳位式(fiying-capacitor type)电容电压自平衡式(self-voltage balancing type)级联式多电 平逆变器 (cascaded multilevel inverters)2h桥级联式(cascaded type of 211 bridge)311

15、桥级联式(cascaded type of 3h bridge)混合钳位式多电平逆变器 (hybrid-clamped multi 1evel inverters)具冇独立直流电源级联式 多电平逆变器 (cascaded-nverters wi th separated de sourcs)混合级联式多电平逆变器 (hybrid cascaded multilevel inverters)多电平逆变器经过了 20多年的研究和发展，现在已经形成了几种典型的多电平逆变器主电 路的结构形式。这些主电路结构形式从原理上可以分为两大类：一类是钳位式半桥结构形式，包 扌舌二极管钳位、飞跨电容钳位、二极管飞

16、跨电容混合钳位和通用钳位式半桥结构形式；另一类是 利用单相全桥逆变器（fbt或ii桥）直接串联叠加的级联式结构形式。这两种结构形式的多电平 逆变器的等效原理电路如图1-1. 1-2所示。这是一种正半周期输出的等效原理电路，英屮1-1 为钳位式半桥结构形的等效原理电路；图1-2为级联结构形式的等效原理电路。下面利用等效原 理电路来说明这两类多电平逆变器是如何输出多电平，如何输出高压大功率交流电的。切换电路图1-1多电平逆变器半周期等效原理电路-钳位式p ei61 i i i1l en切换电路图1-2多电平逆变器半周期等效原理电路-级联式所谓电平数，对于电压型逆变器而言，指的是输出电压波形中，从正

17、的最大值到负的最大值 z间所包含的阶梯数目。多电平逆变器和两电平逆变器一样，也有电压型与电流型逆变电路之分，但应用较多的是电 压型多电平逆变器，因此将以电压型多电平逆变器为主进行介绍。1. 3本论文的主要研究内容1. 详细介绍了多电平逆变器的产生背景、发展现状、主要应用及研究的热点和难点，重点阐述 三电平逆变器。2. 具体介绍三电平逆变器的基木电路结构特点和工作原理。3. 通过matlab软件对几种典型的逆变结构来进行仿真，同时也对两电平逆变进行仿真。主要仿 真内容包括电压电流采样电路，tgbt驱动电路，pwm信号输出电路，保护电路。4. 通过连接三相异步电机，对比输出电流，电压，电磁转矩跟转

18、速之间的差别，来分析三电平 逆变器相比传统两电平逆变器的优缺点以及其应用领域与研究意义。2两电平逆变器三电平逆变器是在两电平逆变器的基础上发展来的，为了通过对比分析，从而突出三电平逆 变器的特性和优缺点，本章先适当的介绍两电平逆变器的一些相关知识要点。2.1三相两电平逆变器的结构特点如图2-1所示，传统的逆变器是两电平逆变器。两电平逆变器的侮相桥臂有2个开关管。图2-1三相电压型桥式逆变电路如果设直流侧电压为ud,输出的电压只能为ud/2或-ud/2输出的电平只有两种状态，因此称为两电平逆变器。在两电平逆变器中，每个管子承受的最大电压为直流侧电压输出线电压有效值（1）2.2三相两电平逆变器的p

19、wm分析如下图2-2所示，为三相两电平逆变器工作吋各桥臂的输出电压波形图。图2-2三相两电平逆变电路的工作波形为了防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，在上述180°导电方 式逆变器中，要采取“先断后通”的方法。即先给应关断的器件关断信号，待其关断后经一定的 吋间延时，然后再给应导通的器件发出开通信号，即在两者之间留一个短暂的死区时间。死区时 间的长短要视器件的开关速度而泄，器件的开关速度越快，所留的死区时间就可以越短。3钳位式三电平逆变器两电平逆变器如果运用于中高压场合，在开关频率较低的情况下，将会出现系统效率低，能 量传输困难等一系列问题。因此人们考虑从改进

20、逆变器自身拓扑结构入手来解决这些问题，从而 产生了多电平逆变器。这种逆变器不需要升降压变压器，也不需要均压电路，通过增加输出电压 的电平，使得输出波形更接近正弦波形，且谐波含量更低，可以解决两电平逆变器所存在的问题。対于三电平逆变器拓扑结构的分析是対其深入研究的基础。本章首先讨论二极管钳位式三电 平逆变器的结构及运行原理，并对其pwm控制方法进行研究分析。3.1二极管钳位式三电平逆变器三电平逆变器是由基本的两电平逆变器组合而成的。钳位式三电平逆变器是属于由基本逆变 单元通过串、并联组合而成的一种单一直流电源、半桥式结构形式的钳位式多电平逆变器。这一 类结构形式的多电平逆变器包括-二极管钳位式、

21、飞跨电容钳位式和混合式多电平逆变器，本次重 点讲解二极管钳位式三电平逆变器。3. 1. 1二极管钳位式三电平逆变器的基本结构和原理二极管钳位式多电平逆变器是开发最早的一种多电平逆变器。这种多电平逆变器的特点是主 电路和控制电路比较简单，控制方式也比较简单，便于双向功率流动的控制，功率因素控制也方 便。缺点是直流电容分压的均压比较复杂和困难。二极管钳位式三电平逆变器是在两电平逆变器的两个开关器件串联的基础上加入了一对中 心点钳位二极管，组成了三电平逆变器，其单相电路如图3-1所示。三电平逆变器的输出电压波 形如图3-2所示，是一个三电平交流电压波形。v1je/2cdivdz'v2je/2

22、vd7ua0v2iz图3-1单相二极管钳位三电平逆变器电路ed/2ua0 0ed/2；i13 s©(on)> v2 (on)_ i 一 *2 (on) _j 一 vf(on)，v2 (on)丄:(on)图3-2单相二极管钳位三电平逆变器工作波形在图3-1所示的三电平逆变器主电路结构中。其中，平均每个开关管承受正向阻断电压为直 流侧母线电压的一半。与传统的两电平拓扑结构相比较，英屮钳位式三电平逆变器主要优点是： 器件具有两倍的正向阻断电压能力，并能减少谐波和有效地降低开关频率将是两电平的1/5,且 其电压上升率du/dt比两电平通用逆变器降低一半，污染电气性能的电流上升率di/d

23、t也随z减 少，能明显降低损害电极的绝缘性能而延长其工作寿命；随着电平数增加，每个电平幅值相对降低，电压变化减少，主电路电流含有的脉动成分也减少，转矩脉动和电磁噪声降低；因为与吸收 电路有关的电路电压只有一半，流入吸收电路的能量小，即发热量减少，可减小电路体积。若三 电平逆变器接上中点悬空的三相对称的星形负载，则负载中将不会有三的倍数次谐波电流流过。三电平逆变器输出电压电平与开关状态的关系见表3-1.表3-1输出电压电平与开关状态的关系输出电平v,vre/2开开关关0关开开关-e/2关关开开3. 1.2 spwm状态分析假定有开关管w与v/组成的基本单元1在a点和0点之间产生的两电平电压为ua

24、oi ；由开关 管v2与组成的基本单元2在a点与0点之间产生的两电平电压为uao2,则二极管钳位三电平 逆变器的spwm工作波形，也即上述两个基本单元的工作波形如图3-3所示。图3-3二极管钳位三电平逆变器的工作波形3. 1. 3二极管钳位式三电平逆变器的特点优点：（1）电平数越多，输出电压谐波含量越少；（2）阶梯波调制时器件在基频下工作，开关损耗小，效率高；（3）可控制无功功率；（4）链接系统控制简单。缺点：（1）需要大量的钳位二极管；（2）由于每桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成负荷不同；（3）存在电容电压不平衡问题。3. 1.4三相二极管钳位三电平逆变器三相二极管钳位三电平逆变器的原

25、理电路如图3-4所示，图3-5为工作波形。由于每一个桥 臂的输出电压有三个电平，三个相a、b、c总共可以输出33=27个电平状态，对应着空i'可电压项 链控制的27个相量状态，比起两电平逆变器8个空间向量来说，相量的可选择范围扩大了，控 制交流电动机时可以更容易获得良好的性能。虽然这种逆变器存在两个开关器件组态串联的耐压 问题（如和sa2同时导通、sa3和sa4r时关断时承受的耐压为e）,但是由于控制过程中不存 在两个开关器件同时导通或同时关断的现象，所以对开关器件参数的要求不是非常严格，系统的 安全系数也提高了。这种逆变器输出线电压的电平数有5种山。二图3-4三相二极管钳位三电平逆变

26、器原理电路图3-5三相二极管钳位三电平逆变器工作波形图3-4所示的三相二极管钳位三电平逆变器，可以用三台开关变量sa、sb、&分别表示各桥 臂的三种开关状态。用变量sa表示a相桥臂的开关状态。如果a相桥臂中的开关管sa3、sa4导通，sal. s&2关断, 其等效电路如图3-5a所示，这种状态定义为0态，即sa二0, %二-e/2；如果a相桥臂中的开关管 sa2、s«3导通,sal> sa4关断，其等效电路如图45b所示,这种状态定义为1态,即sa=l , uao=0; 如果a相桥臂中的开关管s泊、s°2导通，sa3、sa4关断，其等效电路如图3-5。

27、所示，这种状态定义为 2 态，即 sa=2, uao=+e/2o三相输出线电圧分别为uab=(uao-ubo)=(sa-sb)e/2(2)ubc=(ubcruco)=(sbsc)e/2(3)uca=(uco-uao)=(sc-sa)e/2(4)三相输出相电压分别为(5)uao=(sa-l)ed/2(a)(6)(7)(b)(c)图3-5三相二极管钳位三电平逆变器的a相等效电路3. 1. 5三相二极管钳位三电平逆变器的spwm研究三相二极管钳位三电平逆变器采用的spwm控制，各相的三角载波相同，各相的正弦调制波为zuas-ussincostubs = ussin（0st+ 弩） ucs=ussin

28、（0）st -写）（8）由图3-4所示的三相二极管钳位三电平逆变器电路可知，它的每一相桥臂都由4个开关管、4个续流二极管和两个钳位二极管组成。以a相桥臂为例，其屮开关管s和s“3的开关控制信号 互补，sa2和s/4的开关控制信号也是互补的。当开关管sa和sa2同时导通时，输出相电压为e/2; 当开关管sa2和sa3同时导通时，输出相电压为0;当开关管sa3和sa4同时导通时，输出相电压为 -e/2。为了确保电路中du/dt不能太大，必须保证每-相桥臂中只能有上述三种情况的开关状态（即0态、1态和2态），每一种状态只能有两个开关管同时导通，绝不容许有3个开关管同时导 通。由于开关管所采用的开关器

29、件都不是理想器件，它的导通和关断都需要一定的时间，而且关 断时间又常常大于导通时间，为了防止同桥臂开关管在转换时产生“穿通”故障，对于两电平逆 变器在开关管控制信号中应加入“死区时间” at。但对于三电平逆变器，它不存在这种现象。 从以上分析可知，一个桥臂屮只能有两个独立的控制信号。s泊和sa2的驱动控制信号时由两个具 有同相位、同频率fc、同幅值uc,且对称分布的层叠式三角波和一个幅值为us、频率为fs的正 弦调制波进行比较得到的。在正弦波大于三角波的部分，产生导通相应开关管的驱动信号；小于 部分产生关断相应开关管的信号。对于三电平逆变器，调制度m二us/2uc,载波比f二fc/fs。二极管

30、钳位三电平逆变器消除特定谐波法（selected harmonic elimination pwm）是以消 除输出电压波形屮某些特定的一次谐波为目的的种pwm控制法。和两电平逆变器消除特定谐波 法类似，三电平逆变器也是通过在预先给定的时刻特定开关的切换，从而产生预期的消除某些低 次谐波的pwm控制。消除特定谐波pwm控制法具有如下优点：（1）可以降低开关频率，降低开关损耗；（2）在相同开关频率下，可以生成最优的输出电压波形；（3）可以通过控制得到较高的基波电压，提高了直流电源电压的利用率，最多可达1.1。3-2中点电位平衡的研究所谓屮性点电位平衡问题，指的是三电平逆变器直流断的两个电容因充放电

31、所导致的两个电 容相连的中点上电位的波动。中点电位平衡问题是二极管钳位式三电平逆变器固有的问题，因为 逆变器三相输岀的0电平是通过二极管钳位到直流侧的屮点得到的，所以在逆变器工作时，就会 有电流流出或流入中点，电容进行充电或放电，造成中点电位不停的变化。研究三电平的中点电 位平衡，主要为了能控制好中点电位的平衡，使得电位的波动不至于影响逆变器的正常工作和输 出。只有较好地解决了屮点电位平衡问题，逆变器才能稳定有效地工作。3. 2.1中点电位不平衡的原因及危害中点电位波动的原因是多方面的，归纳起来有：（1）中矢量和小矢量作用时，两电容上的电流z间存在着相位或幅值的差异，充放电暂态过程 出来不对称

32、，而三相连接的某些情况下还会加剧这种不对称。（2）从中间的直流稳压部分而言，直流侧的两个电容在制造工艺上不可能达到完全的相同，势 必会造成中点电压的固有偏移。（3）直流侧电容的值越小，波动越严重，所以电容要尽可能大，但考虑到成本和制造工艺上耐 压等级的限制，电容值乂不能取得过大。（4）中点电流越大，波动越严重。（5）与输出的相电压的模|u|有关，山|越大，小矢量参与的成分越少，中点电位的控制越困难。（6）负载功率因数与屮点电流的相位关系密切，所以也是影响屮点电位的重要因素。（7）基波频率决泄稳足时的中点电位的波动频率。当逆变器直流端的屮点不平衡时，将带来以下危害：（1）逆变器输出电压波形发生畸

33、变。这样，输入给感应电机的电压中就会带有低次谐波，从而 使电机负载产生脉动转矩，影响调速性能；（2）开关器件承受的电压不均衡。每相屮有的器件承受的电压偏高，严重时将影响正常工作。（3）直流侧电容上的电压波动降低了电容的寿命。为了使逆变器能够正常工作，应努力使得屮点电位保持平衡。尤其是设计逆变器控制策略的 时候，耍考虑到开关矢量对中点电位的影响，把中点电位的波动降到最低的程度。3. 2.2直流侧电容电压的平衡方法解决中点电压平衡的主要方法是基于硬件电路的中点电位控制方法。当前通用的就是引入变流器均衡系统，在电源和电容之间并联一个电压均衡电路，通过电感 吸收或存储能量，通过对电容进行充放电控制来进

34、行补偿中点电位波动。这种方法原理比较简单, 不受逆变器pwm调制影响，也不受负载条件的影响，但是该电路需要增加额外的开关器件及驱动 电路，在大功率应用中无疑增加了系统的复杂性和成本。而且电感中电流变化的速度是有限制的, 频率较高时候控制效果无疑会受到影响。4级联式三电平逆变器4. 1级联式三电平逆变器的结构与特点为了利用低耐压开关器件获得多电平高压输出，二极管钳位三电平逆变器采用的方法是，将 电力电子开关器件串联组成半桥式结构，用一个高压直流电源供电，并用多个直流电容串联分压, 用钳位二极管，将主开关管上的电压钳位在一个直流电容电压上，来达到低压开关器件实现高压 输出的目的。但是这个方法的副产

35、物是出现了直流电容的分压的均压问题。这个钳位式三电平逆 变器的应用带來了麻烦。在二极管钳位三电平逆变器及其拓展的逆变器中，只能用控制算法来解 决这个问题。而本章中将要介绍的级联式三电平逆变器，是采用具有独立直流电源的ii桥作为基 本功率单元级联而成的一种串联结构形式，它不存在直流电容分压问题，因此也不存在直流电容 分压的均压问题。级联式多电平逆变器的主开关器件的耐压，被限定在向它所在基本功率单元供 电的独立直流电源电压上，多个由独立直流电源供电的基本功率单元的交流输出侧串联叠加，就 可以得到高压多电平电压输出。由于各个基本功率单元的直流电源电压是相互独立的，他们之间 没有直接的电联系，因此不存

36、在均压问题。相对于钳位式三电平逆变器二次绕组和整流器的个数 为代价的。在此基础上，级联式多电平逆变器，也针对独立直流电源个数多的电路结构，发展了 一些拓展和派生电路，可以在相同电平数的条件下，使独立直流电源的个数减少至最少。钳位 式和级联式电路结构的对比见表4-1 o表4-1钳位式与级联式电路结构的对比项目钳位式级联式基木单元基木电源是半桥式两电平逆变器基本单元是由半桥式两电平逆变器组成的h桥结构开关器件串联的半桥式结构h桥直接串联结构直流电源一个高压直流电源，通过直流电容 串联分压得到的彼此有电的联系 的直流电源多个彼此独立，没有直接电的联系的直流电源钳位电路有钳位元件及电路无钳位元件及电路

37、吸收电路有阻容吸收电路基木不用阻容吸收电路均压有均压问题及相应的克服电路没有均压问题，无克服均圧问题的电路级联式多电平逆变器数属于基本功率单元（fbi或称h桥）直接串联叠加组成的一种级联式 电路结构。多电平逆变器的合成原理，就是将载波三角波经过移相，并采用spwm控制的h桥逆 变单元直接串联叠加，而合成出高压多电平电压波形的。因此，具有使直流电源的级联式多电平 逆变器，与钳位式多电平逆变器相比较，具有以下优点（以fbt或2h桥级联为例）：（1）对于m电平的逆变器，所需的单相全桥逆变器（fbi或2h桥）个数和独立电源个数为（旷1） /2,输出相电压的电平数为m,输出线电压的电平数为2m-e电平数

38、越多，输出电压波 形中的谐波含量越少，更加接近于正弦波；（2）输入功率因数高（0.95以上），谐波小，整机效率高（96%以上），对电网污染小；（3）与钳位式多电平逆变器相比，当输出电平数相同时，所需的元器件数量最少；（4）可以采用常规低压的tgbtff关器件，技术成熟、可靠性高，各个功率单元和驱动电路结 构完全相同，便于模块化，可以互换，易于检修和维护，便于工稈上使用；（5）目前钳位式多电平逆变器只适合于三电平和五电平逆变器应用，对于七电平或九电平及 以上的多电平场合，只有采用级联式多电平逆变器；（6）容易实现软开关技术，不用阻容吸收电路；（7）不存在电容电压平衡问题；（8）控制方法简单，每一

39、个基本功率单元可以独立进行控制；（9）不用钳位二极管的钳位电容；级联式多电平逆变器的缺点：（1）需要的独立直流电源的个数较多；（2）不易实现四象限运行；如表4-2所示，为多电平逆变器每相所需器件的数目对比，显而易见，级联型多电平逆变器 的器件使用量是最少的。表42多电平逆变器每相所需元器件数目比较（m为电平数）逆变器类型二极管钳位式级联式主开关器件个数(m-l)xl(m-l)x2主二极管（续流）个数(m-l)x2(m-l)x2钳位二极管个数(m-l)x(m-2)0直流分压电容个数m-1(in-1)x2钳位电容个数00名词解释：把两个两电平半桥逆变器组成的逆变器叫做2h桥；把两个三电平半桥逆变器

40、组 成的逆变桥，叫做3h桥。本文重点介绍2h桥，其电路结构如图4-1所示。ua图4-1级联式多电平逆变器2h桥式电路结构上图所示的211桥所示，它的四种工作状态如图如图4-2所示，当开关管v, vy导通时，2h桥1处于正向导通状态，输出正向电压e；当开关管v12、v13导通时，211桥1处于反向导通 状态，输出电压为-e；当开关管v,匕3导通吋，2h桥1处于正向旁路状态，输出电压为零，但电流仍可以正向流通；当开关管v】3、vg导通时，2h桥1处于反向旁路状态，输出电压为零, 但电流仍可以反向流通。2h桥1的这四种工作状态，是通过控制电路来实现的，当2h桥1的这 四种工作状态，是通过控制电路来实

41、现的，当2h桥1处于正反向旁路工作状态时，即使2h桥1 不输出电压e,但也能保证211桥2输出电压e产生的电流能够流过2h桥1,以保证级联式多电 平电流在任何电平时都能够流通。(o正向旁路(d)反向旁路图4-2 2h桥的四种工作状态4.2三相级联式三电平逆变器如图4-3所示，为三相级联式三电平逆变器的典型电路结构图，其分别有3个211桥并联组成。此电路可以结成星形，也可以结成三角形，图4-3结成了星形。如果要使n个211桥直接串联叠加以获得高压多电平pwm电压输出，以211桥为功率单元进行 串联叠加时，必须满足一下三个基本条件：(1) 各个2h桥必须采用直流电源电压相同的独立直流电源，否则n个

42、2h桥就不能直接串联叠 加；(2) 必须使每一个2h桥都能工作在正向导通、反向导通和正反向旁路四种工作状态；(3) 必须采用以每一个2h桥桥臂为功率单元的双极型三角载波移相pwm控制。如图4-4为2h桥的基本电路结构示意图，图4-5为2h桥结构满足四种工作状态吋的pwm波 形图。图4-4 2h桥电路n个2h桥级联的输出电压表达式umesi叫卄鸵爲，n爲”.啤空c狀5(9)xsin(n/f"+n)%t其中m为pwm调制系数，m为电平数。4. 2.1 2h桥级联的pwm研究分析2h桥级联多电平逆变器的控制电路如图4-6所示。为了保证2h桥级联电路在任何输出电压 电平时都能够顺利导通，各2

43、h桥必须能够工作在正向导通、反向导通和正反向旁路工作状态。 为此，控制电路必须按图4-5所示的工作方式，以2h桥的一个桥臂作为功率单元，用双极型三 角载波进行载波移相pwm控制，各个2h桥的左桥臂的三角载波的初相位角依次超前h/n,各2h 桥右桥臂的三角载波初相位角，均超前其左桥臂三角载波180°二八。采用同一个正弦波但与三角 波的部分产生ua的正脉冲，小于部分产生ua的负脉冲；对于右桥臂，用正弦调制波与三角载波 氏2进行比较，在三角波大于正弦波的部分产生恥的正脉冲，小于部分产生电的负脉冲。用吩ub 得到2h桥的输出电压二的pwm波形。采用这样三角载波移相pwm控制，才能使每一个2h

44、桥 工作在正向导通、反向导通和正反向旁路工作状态，才能保证电路在任何电平时都能顺利的导通。按照上述工作原理设计的控制电路由三部分组成：即产生n个依次超前ir/n相位角的三角 波（双极性）发生器、可以产生出调幅、调频的三相正弦波发生器和利用正弦波信号与双极性三 角载波进行比较产生出各个2h桥开关驱动信号的比较器。通过对正弦波发生器的“幅值给定” 和“频率给定”的控制，就可以使逆变器按照定压定频、定压变频和变压变频状态工作，以满 足负载的需要。下图4-6即为最基础的211桥级联式多电平逆变器的pwm控制电路。幅值给定 频率给定图4-6 211桥级联式多电平逆变器的控制电路逆变器的simulink仿

45、真前面儿章主要介绍了三相两电平逆变器、三相二极管钳位式逆变器和三相级联式逆变器的电 路结构，以及相关pwm信号输出电路及控制方法等信息。本章将通过模型的仿真研究，获取各电 路的输出值來进行对比分析，更加直观的了解三电平逆变器相对于传统两电平逆变器的优缺点。5. 1 matlab/simulink 简介mat lab诞生于上世纪70年代后期，是墨西哥大学的clevemoler编写fortran程序，取名mat lab, 并很快受到欢迎；80年代后的第二代mat lab开始用c语言编写核心程序，并推向市场， simulink是matlab中的一种可视化仿真工具，是一种基于matlab的框图设计环境

46、，是实现动 态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字 信号处理的建模和仿真中。simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间 进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态 系统模型，simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口 (gui),这个创建过程只需单击 和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统 的仿真结果。simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各 种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频

47、处理和图像处理系统，simulink®供了交互式图 形化环境和可定制模块库来对英进行设计、仿真、执行和测试。构架在simulink基础之上的其 他产品扩展了 simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工 具。simulink与matlab紧密集成，可以直接访问matlab大量的工具来进行算法研发、仿真的分 析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义凶。5.2各逆变器仿真对比分析因为三电平逆变器相对于两电平逆变器，主要的优缺点，上文中已经介绍的非常详细，本小节就不再阐述了。本小节将主要通过各逆变器串接三相界步电机后，电机的

48、转子、定子电流，转速和电磁转矩的差别来对比，来说明三电平逆变器在实际应用中的优越性。5. 2. 1各逆变器主电路对比图5-1、5-2和5-3分别为三相两电平逆变器、三相二极管钳位式三电平逆变器和三相级联 式三电平逆变器在matlab/simulink中的仿真电路设计图。其输出端均串接一个三相异步电动机。 其中两电平逆变器直流侧电压源为190v+190v二380v,而三电平逆变器直流侧电压源均为190v。 由此可知，三电平逆变器各个器件所承受的电压值为两电平逆变器的一半，在高压大功率逆变器 应用屮有明显优势。diodosoixl -0ut2pwi.1 adlod"diod«3

49、diodzdlodhig9t2outlout：pm/m bftig >t311 9<rotor speed (um)>ot1rpmw2< bectnxnjgriclic tonjue te (mrmv>p咖cdiode6bt5a5>/nch(onous machine si unitsh (rpm)圜te (n.m)ir.is (a)igbt4oltagvoltage measyrementlioiio ib ij m«dsur«m«nt.口soopa!scope图5-1二相两电平逆变器simulink仿克主电路图igbt4ud

50、o1dio"3diode!igbt5dio“2isbt6diode4diodeudo2duelig jt7订3pwm bpwm cpwm a0«3 out4out1out2out30ut4z20/3g4igdt8zbid ib ic>scopeig8t13bt2diodvig0t9uab1soopdl<dt1ovb '11«rotor spzd (um)>0wcurrvt (qrotor ourtont i二(少affynohronow mjcninq si unibir.is (a)»pmhopn''2scbe

51、cuom科rmic ixqs tw (ttmpte(n.m)图5-2三相二极管钳位式三电平逆变器simulink仿真主电路图udc1l上diode!0iode5diodosudc2-pwm bomioui2013 ouh2寸 igbtdiod«4diode©iod«12pwm adio“2>do3scopelubvablig0t3oiodq&oi<do7l_ldc3 -icib iae3<rc<or curtcrg irg<9atorcuzntvftctor (<fnpasynchronous machine si un

52、itsoot1ollt4pwm cdiodoloir.*$wgpe n(rprn)«日ectzmsgn&io torque te (n'm)>te(n.m)却回101图5-3三相级联式三电平逆变器simulink仿真主电路图5. 2. 2各逆变器pwm电路图对比如图5-4、5-5和5-6分别为三相两电平逆变器、三相二极管钳位式三电平逆变器和三相级联式三电平逆变器在matlab/simulink中的pwm电路仿真设计图。由图可知，两电平逆变器的pwm 控制器最为简单，而三电平逆变器稍复杂一些。虽然钳位式跟级联式逆变器的pwm控制电路相似, 但是由于级联型逆变器由各

53、2h桥基本单元组成，随着输出电平数的增多，并不会增加pwm控制 电路的设计复杂性，每一个基本功率单元可以独立进行控制。其优点正如上文中所提及的，优势 非常明显。图5-5三相二极管钳位式三电平逆变器pwm电路图scope图5-6三相级联式三电平逆变器pwm电路图5. 2.3各逆变器输出电流和电压波形对比如图5-7、5-8和5-9所示，分别为三相两电平逆变器、三相二极管钳位式三电平逆变器和 三相级联式三电平逆变器仿真后输出的线电压、相电压和相电流的波形图。从图屮可以明显发现, 正如上文所述，虽然他们的输出线电压均为380v,但是因为三电平逆变器输出波形含有更多的电 平数，谐波含量更少，所以更加接近

54、于理想波形。且三电平逆变器的相电压仅为190v,线电流的 值也小于两电平逆变器。(a)电压波形(b)电流波形图5-7三相两电平逆变器输出电压、电流波形(a)电压波形(b)电流波形图5-8三相二极管钳位式三电平逆变器输岀电压、电流波形(a)电压波形(b)电流波形图5-9三相级联式三电平逆变器输出电压、电流波形5- 2.4各三相异步电机的电流、转速和电磁转矩对比如图5-10. 5-11和5-12所示，分别为三相两电平逆变器、三相二极管钳位式三电平逆变器 和三相级联式三电平逆变器串接三相异步电机后输出的转子、定子电流波形。r(a)图5-10三相两电平逆变器串接异步电机的转子、定子电流波形图5-11三

55、相二极管钳位式三电平逆变器串接异步电机的转子.定子电流波形图5-12三相级联式三电平逆变器串接异步电机的转子、定子电流波形从上面三图可知，两电平逆变器串接三相异步电机的转子、定子电流中，谐波含量非常高。 尤其在转子电流中，已经严重偏离了正弦波的波形，且在0.5s,即当电机转速稳定后，转子电流 的幅值变化依然很大。这样对电机转速的稳定性和对电网的污染将非常严重。而对比钳位式和级联式的电流波形，在0.5s电机转速稳定后，幅值也表现的非常稳定，波 形趋于正眩波，更加便于电机的转矩跟转速的控制。在这一方面，三电平逆变器的优势已经不言 而喻。如图5-13、5-14和5-15分别为三相两电平逆变器、三相二

56、极管钳位式三电平逆变器和三相 级联式三电平逆变器串接三相异步电机后，电机的输出转速波形，其中图a为电机口启动至电机 转速稳定0. 5s和稳定后0.5s的波形概图，图b为电机转速稳定后转速波形的详图。图5-13三相两电平逆变器串接异步电机的转速波形(a)电机启动后至最大转速的转速波形(b)电机达到最大转速后转速波形图5-14三相二极管钳位式三电平逆变器串接异步电机的转速波形(a)电机启动后至最大转速的转速波形(b)电机达到最大转速后转速波形图5-15三相级联式三电平逆变器串接异步电机的转速波形从上面三个波形图可知，虽然两电平逆变器和三电平逆变器串接的异步电机几乎在同时达到最大转速1400r/mo但是