第7章 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7.1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)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多个单元电路通过串/ /并联连接实现。并联连接实现。 （2)2)由于高压大电流操作，电路对电网和环境的污染严重，由于高压大电流操作，电路对电网和环境的污染严重，EMIEMI强强度高。度高。 （3)3)高可靠性：对于电力系

2、统和大型生产设备的电力传动系统等高可靠性：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。应用场合，故障将产生严重后果，故要求有高可靠性运行。多电平电路泛指其输出量多电平电路泛指其输出量 具有多个电平的电路（在多电平整流电具有多个电平的电路（在多电平整流电 路则指其输入电流），而采用路则指其输入电流），而采用PWM控制方式的多电平电路则称为控制方式的多电平电路则称为 PWM多电平电路。多电平电路。多电平电路的工作背景多电平电路的工作背景 大功率应用的特点大功率应用的特点扩容和谐波抑制的基本思想扩容和谐波抑制的基本思想 多电平电路不依靠高开关频率来实

3、现谐波抑制，它通过新型多电平电路不依靠高开关频率来实现谐波抑制，它通过新型电路拓扑提高电路的总容量和输出电压的总电平数，并使它接近电路拓扑提高电路的总容量和输出电压的总电平数，并使它接近正弦，从而实现容量扩大和谐波抑制。正弦，从而实现容量扩大和谐波抑制。7.1.2PWM多电平电路的分类多电平电路多电平电路直耦式直耦式磁耦式磁耦式电路构成电路构成控制方式控制方式电能变换电能变换二极管钳位二极管钳位电容钳位电容钳位有源钳位有源钳位方波电路方波电路PWMPWM电路电路整流电路整流电路逆变电路逆变电路直流变换电路直流变换电路交流变换电路交流变换电路多重化电路多重化电路中点钳位电路中点钳位电路混合电路混

4、合电路耦合方式耦合方式叠加方式叠加方式串联叠加串联叠加并联叠加并联叠加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7.2.1多重化方波整流电路移相移相3030 构成的串联构成的串联2 2重联结电路重联结电路 整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相相位相差差3030 、大小相等、大小相等的两组电压，接到相互的两组电压，接到相互串联串联的的2 2组整流桥。组整流桥。 因绕组接法不同，变压器一次绕组和两组二次绕组的匝比如因绕组接法不同，变压器一次绕组和两组二次绕组的匝比如图所示，为图所示，为1:1: 1

5、:1: 。 该电路为该电路为1212脉波脉波整流电路。整流电路。 补充1 移相30串联2重联结电路37.2.1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ddddddIIIIIIIIIII3323333332543218/131其他特性如下：其他特性如下： 直流输出电压直流输出电压 7.2.1多重化方波整流电路coscos1对波形对波形iA进行傅里叶分析，可得其基波幅值进行傅里叶分析，可得其基波幅值Im1和和n次谐波幅值次谐波幅值Imn分别分别如下：如下：dmII341, 3 , 2 , 1, 112341kknInIdnm即输入电流谐波次数为即输

6、入电流谐波次数为12k1，其幅值与次数成反比而降低，其幅值与次数成反比而降低。cos662UUd功率因数功率因数(7-2)(7-3)cos9886. 0cos1位移因数位移因数7.2.1多重化方波整流电路利用变压器二次绕阻接法的不同，互相错开利用变压器二次绕阻接法的不同，互相错开2020 ，可将三组桥构成，可将三组桥构成串串联联3 3重联结电路重联结电路 整流变压器采用星形三角形组合无法移相整流变压器采用星形三角形组合无法移相2020 ，需采用，需采用曲折接法曲折接法。 整流电压整流电压u ud d在每个电源周期内脉动在每个电源周期内脉动1818次，故此电路为次，故此电路为1818脉波整脉波整

7、流电路流电路。 交流侧输入电流谐波更少，为交流侧输入电流谐波更少，为1818k k1 1次次（k k=1, 2, 3=1, 2, 3），），u ud d的的脉动也更小。脉动也更小。 输入位移因数和功率因数分别为：输入位移因数和功率因数分别为：cos1=cos=0.9949cos将整流变压器的二次绕组移相将整流变压器的二次绕组移相1515 ，可构成，可构成串联串联4 4重联结电路重联结电路 为为2424脉波整流电路脉波整流电路。 其交流侧输入电流谐波次为其交流侧输入电流谐波次为24k24k1 1，k=1k=1，2 2，33。 输入位移因数功率因数分别为：输入位移因数功率因数分别为：cos1=co

8、s=0.9971cos7.2.2多重化电压源方波逆变电路二重单相电压型逆变电路二重单相电压型逆变电路 两个单相全桥逆变电路组成，输出通过两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变压器变压器T T1 1和和T T2 2串联串联起来。起来。 输出波形输出波形 两个单相的输出两个单相的输出u u1 1和和u u2 2是是180180矩形波矩形波。 u u1 1和和u u2 2相位错开相位错开 =60=60, ,其中的其中的3 3次谐波次谐波就错开了就错开了3 36060=180=180，变压器串联合成后，变压器串联合成后，3 3次谐波互相抵消次谐波互相抵消，总输出电压中不含，总输出电压中不含3 3次谐波。

9、次谐波。 u uo o波形是波形是120120矩形波，含矩形波，含6k6k1 1次谐次谐波波，3k3k次谐波都被抵消。次谐波都被抵消。由此得出的一些结论由此得出的一些结论 把若干个逆变电路的输出按一定的相位把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量差组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。相互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。 多重逆变电路有多重逆变电路有串联多重串联多重和和并联多重并联多重两两种方式，电压型逆变电路多用串联多重方式，种方式，电压型逆变电路多用串联多重方式，电流型逆变电路多用并联多重方式。电流型逆变电路

10、多用并联多重方式。 补充2 二重单相逆变电路 12060180tOtOtO三次谐波三次谐波u1u2uo补充3 二重逆变电路的工作波形 7.3多重化PWM直流变换电路多相多重斩波电路多相多重斩波电路 是在电源和负载之间是在电源和负载之间接入多个结构相同的基本接入多个结构相同的基本斩波电路而构成的。斩波电路而构成的。 相数相数:一个控制周期中一个控制周期中电源侧的电流脉波数。电源侧的电流脉波数。 重数重数：负载电流脉波：负载电流脉波数。数。3 3相相3 3重降压斩波电路重降压斩波电路 电路及波形分析电路及波形分析 相当于由相当于由3 3个降压斩个降压斩波电路单元波电路单元并联并联而成。而成。图图7

11、-7N=3多重化多重化PWM单象限降压型电路单象限降压型电路a)主电路结构主电路结构b)电量波形电量波形 总输出电流为总输出电流为 3 3 个斩波电路单元输个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的值的3 3倍，脉动频率也为倍，脉动频率也为3 3倍。倍。7.3多重化PWM直流变换电路 总输出电流总输出电流最大脉动率最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比，其总的输出电流脉动幅值变得很小，所需与相数的平方成反比，其总的输出电流脉动幅值变得很小，所需平平波电抗器波电抗器总重量大为减轻。总重量大

12、为减轻。 当上述电路电源公用而负载为当上述电路电源公用而负载为3 3个独立负载时，则为个独立负载时，则为3 3相相1 1重斩重斩 波电路波电路，当电源为当电源为3 3个独立电源，向一个负载供电时，则为个独立电源，向一个负载供电时，则为1 1相相3 3重斩重斩 波电路波电路。 电源电流的电源电流的谐波分量谐波分量比单个斩波电路时显著减小。比单个斩波电路时显著减小。多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用，多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用，万一某一斩波单元发生故障，其余各单元可以继续运行，使得总体万一某一斩波单元发生故障，其余各单元可以继续运行，使得总体的可

13、靠性提高。的可靠性提高。7.4多重化PWM逆变电路补充补充4 二重二重PWM型逆变电路型逆变电路 补充补充5 二重二重PWM型逆变电路输出波形型逆变电路输出波形 二重化后，输出电压中所含谐波的二重化后，输出电压中所含谐波的 角频率仍可表示为角频率仍可表示为n c+k r，但其，但其 中当中当n为奇数时的谐波已全部被除为奇数时的谐波已全部被除 去，谐波的最低频率在去，谐波的最低频率在2 c附近，附近， 相当于电路的等效载波频率提高了相当于电路的等效载波频率提高了 一倍。一倍。 7.4多重化PWM逆变电路图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输入整流变压器2三相不

14、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7.5中点钳位式逆变电路回顾图回顾图3-163-16三相电压型桥式逆变三相电压型桥式逆变 ，以，以N N为参考点，输出相电压为参考点，输出相电压 有有U Ud d/2/2和和-U-Ud d/2/2两种电平，称为两种电平，称为两电平逆变电路两电平逆变电路。多电平逆变电路多电平逆变电路 逆变器能承受逆变器能承受更高的电压更高的电压，而且相电压的波形更接近，而且相电压的波形更接近正弦波正弦波。 常用的多电平逆变电路有常用的多电平逆变电路有中点钳位型逆变电路中点钳位型逆变电路，飞跨电容型逆变飞跨电容型逆变电路电路，以

15、及，以及单元串联多电平逆变电路单元串联多电平逆变电路。 飞跨电容型逆变电路由于要使用较多的电容，而且要控制电容上飞跨电容型逆变电路由于要使用较多的电容，而且要控制电容上的电压，因此使用较少。的电压，因此使用较少。 补充补充6 飞跨电容型三电平逆变电路飞跨电容型三电平逆变电路 7.5中点钳位式逆变电路中点钳位型中点钳位型（NPCNeutral Point Clamped） 逆变电路。逆变电路。(以三电以三电平方波逆变电路为例进行分析）平方波逆变电路为例进行分析） 电路构成电路构成直流滤波电容由直流滤波电容由Cd1和和Cd2串联连串联连 接，接，Cd1=Cd2，Ud1=Ud2=Ud/2=Us， 故

16、点故点O为直流电压源中点。为直流电压源中点。每个桥臂由两个全控器件串联构成，每个桥臂由两个全控器件串联构成， 两者都反并联了二极管。两者都反并联了二极管。每个桥臂中点通过钳位二极管和直每个桥臂中点通过钳位二极管和直 流侧中点相连。流侧中点相连。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040441101)/(0KUVDVTVDVTKUuSAASAo（7-37）7.5中点钳位式逆变电路 电路工作原理分析电路工作原理分析 控制极信号时序如图控制极信号时序如图7-17b7-17b。 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)开关时序图7-18图

17、7-17中各时区的等效电路7.5中点钳位式逆变电路 各相对电源中点各相对电源中点O电压有电压有U Us s和和0 0三种电平三种电平三电平电路三电平电路( (如图如图7-7-17c)17c)。 相电压相减得到线电压相电压相减得到线电压( (如图如图7-7-17d)17d)。三电平逆变电路的输出线电。三电平逆变电路的输出线电压有压有U Ud d、U Ud d/2/2和和0 0五种电平。五种电平。 与图与图3-163-16相比，相比，NPC电路输出电路输出电电压谐波压谐波相对减少。相对减少。 三电平逆变电路另一突出优点：三电平逆变电路另一突出优点：每个主开关器件承受电压为直流侧每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一半电压的一半( (如图如图7-17e)7-17e)。图7-17三相中点钳位式方波逆变电路a)主电