專利名稱：可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器及控制方法
技術領域：
本發明涉及一種可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器及控制方法，屬于大功率逆變技術領域。
背景技術：
早期逆變器的輸出波形為方波或準方波，控制策略和拓撲結構簡單，但是輸出波形諧波含量過高。隨著電力電子技術的發展，高開關頻率的SPWM控制技術廣泛地應用于逆變器，輸出波形質量明顯得到提高，并且輸出電壓的幅值可調。但是在大功率應用場合，較高的開關頻率使得逆變器中功率器件的開關損耗較大。為了降低逆變器的開關頻率，提高輸出波形質量，階梯波逆變器將多個方波或準方波逆變器的輸出端經過一定移相后串聯，得到對稱的多脈沖階梯波。一旦逆變器的個數確定后，為了消除相應頻率的脈沖倍數次諧波，逆變器之間的移相角也確定。在移相角確定后，通過改變每個逆變器輸出端變壓器的變比后得到幅值匹配的方波或準方波，可以消除固定頻率的低頻諧波。在傳統的階梯波控制方案中，為了消除輸出階梯波中的低頻諧波，每個逆變器輸出電壓的幅值和移相角都依賴輸出端的變壓器合成。所用磁性元件的設計復雜，且需要在低頻工作條件下轉換全部逆變器功率，體積龐大。另外，逆變器輸出電壓基波的幅值也不可調節。
發明內容
本發明旨在結合階梯波控制方案和SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，中文是正弦脈沖寬度調制)控制技術的基礎上，提出一種可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器及控制方法，該三相逆變器適用于大功率場合。本發明為解決其技術問題采用如下技術方案
一種可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器，其特征在于主電路中包含一個三相三電平半橋逆變器和六個H橋逆變器，其中三相三電平半橋逆變器的a相輸出與第一 H橋逆變器、第二 H橋逆變器的輸出端串聯構成階梯波合成式三相逆變器的A相輸出，三相三電平半橋型逆變器的b相輸出與第三H橋逆變器、第四H橋逆變器的輸出端串聯構成階梯波合成式三相逆變器的B相輸出，三相三電平半橋型逆變器的c相輸出與第五H橋逆變器、第六H橋逆變器的輸出端串聯構成階梯波合成式三相逆變器的C相輸出，接地線由三相三電平半橋型逆變器Sl引出。所述的三相三電平半橋逆變器和六個H橋逆變器的輸入端分別由七個相互隔離
的直流電壓源供電，電壓比值為2^:1:1:1:1:1:1,三相三電平半橋逆變器的abc三相輸出
電壓和六個H橋逆變器的輸出電壓為基波頻率的準方波，三相三電平半橋逆變器的abc三相輸出電壓互差120度，第一 H橋逆變器的輸出電壓滯后三相三電平半橋逆變器的a相輸出電壓30度，第二 H橋逆變器的輸出電壓超前三相三電平半橋逆變器的a相輸出電壓30 度，第三H橋逆變器的輸出電壓滯后三相三電平半橋逆變器的b相輸出電壓30度，第四H 橋逆變器的輸出電壓超前三相三電平半橋逆變器的b相輸出電壓30度，第五H橋逆變器的輸出電壓滯后三相三電平半橋逆變器的c相輸出電壓30度，第六H橋逆變器的輸出電壓超前三相三電平半橋逆變器的c相輸出電壓30度。所述的三相三電平半橋逆變器和六個H橋逆變器中功率器件的基礎工作頻率等于輸出電壓基波頻率，階梯波合成式三相逆變器的輸出相電壓均為7電平階梯波。一種可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器的控制方法，采用單脈沖寬度調制時，在一個三相三電平半橋逆變器和六個H橋逆變器輸出的準方波電壓正半周期和負半周期分別插入一個以各自半周期中點為對稱軸的零電平；采用最優正弦脈沖寬度調制 SPWM調制時，在一個三相三電平半橋逆變器和六個H橋逆變器輸出的準方波電壓正半周期和負半周期分別插入一個或一個以上以各自半周期中點為對稱軸的零電平，零電平的個數與所要清除的低頻諧波個數相同，通過改變零電平的寬度和位置調節階梯波合成式三相逆變器輸出相電壓的基波幅值，消去與插入零電平個數相同的低頻諧波和降低總諧波含量。本發明的有益效果如下
1、直接采用比值為2月1 1 1 1 1 1的七個相互隔離電壓源分別為逆變器模塊S1^S7
供電，直接調節七個逆變器模塊Sl…S7輸出電壓的超前和滯后角度，省去了傳統階梯波逆變器輸出端的低頻變壓器，同樣達到了消除固定頻率諧波的目的。2、逆變器的開關頻率低，效率得到提高。3、用作交流輸入變頻電源或變頻器時，三相三電平半橋逆變器Sl的輸入電壓可直接整流得到，磁性元件的設計僅需考慮得到H橋逆變器S2…S7輸入電源的隔離變壓器， 變壓器轉換的有功功率僅為總有功功率的1/2 ,逆變器體積重量明顯減小。4、在任意基波幅值下，階梯波合成式三相逆變器輸出相電壓的諧波次數僅包含3 次、1 士 1和1 士3次諧波，其輸出線電壓中僅包含1 士 1次諧波(其中k為正整數)， 其中的低次諧波還可通過最優SPWM調制策略進一步消除，諧波含量小，輸出電壓波形質量好。5、在逆變器模塊S1^S7輸出的準方波電壓正半周期和負半周期分別插入一個或一個以上以各自半周期中點為對稱軸的零電平，通過改變零電平的寬度和位置不但可以調節階梯波合成式三相逆變器輸出相電壓的基波幅值，而且可以進一步消去與插入零電平個數相同的低次諧波和降低總諧波含量。
圖1階梯波合成式三相逆變器的連接框圖。圖2階梯波合成式三相逆變器中A相的連接示意圖。圖3階梯波合成式三相逆變器中A相的控制電路框圖。圖4階梯波合成式三相逆變器用作變頻器的系統框圖。圖5階梯波合成仿真圖。圖6單脈寬調制原理圖。圖7單脈寬調制輸出特性曲線。圖8單脈寬調制仿真圖。圖9多脈寬調制原理圖。圖10多脈寬調制輸出特性曲線。圖11多脈寬調制仿真圖。
上述圖中主要符號名稱S1——三相三電平半橋逆變器，S2^S7——H橋逆變器， Udcl^Udc7—逆變器模塊的輸入電壓，a、b、c—三相三電平半橋逆變器Sl的a相、b相、 C相輸出端，Ua, ub, Uc—階梯波合成式三相逆變器的A相、B相、C相輸出電壓，S、Sn S14、 S21 S24、S3廣S34—開關管，M—一MOSFET及其反并聯二極管，I——IGBT及其反并聯二極管， D11I12——二極管，C11X2——電容，u*a——階梯波合成式三相逆變器的A相采樣，Ifa—— 階梯波合成式三相逆變器的A相輸出電壓有效值，U*aref——階梯波合成式三相逆變器的A 相輸出電壓基準，Uffl——相電壓的基波調制電壓，V(cot)——階梯波逆變器的輸出相電壓， "t——相位角，Vd——逆變器模塊的輸入電壓幅值，θ廣θ Ν—調制脈沖寬度，νΓν4—— 電壓仿真波形，MagrMag2——電壓仿真頻譜。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明創造做進一步詳細說明。主電路結構框圖如圖1所式，圖中包含一個三相三電平半橋逆變器Sl和六個H橋逆變器(S2、S3、S4、S5、S6、S7)，其中三相三電平半橋逆變器Sl的a相輸出與第一 H橋逆變器S2、第二 H橋逆變器S3的輸出端串聯構成階梯波合成式三相逆變器的A相輸出，三相三電平半橋型逆變器Sl的b相輸出與第三H橋逆變器S4、第四H橋逆變器S5的輸出端串聯構成階梯波合成式三相逆變器的B相輸出，三相三電平半橋型逆變器Sl的c相輸出與第五H橋逆變器S6、第六H橋逆變器S7的輸出端串聯構成階梯波合成式三相逆變器的C相輸出，接地線由三相三電平半橋型逆變器Sl引出。階梯波合成式三相逆變器中每相逆變器的拓撲結構和控制方法均相同。以下以階梯波合成式三相逆變器中的A相為例介紹具體的拓撲結構和控制方法。主電路結構的具體連接方式如圖2所式。在具體實施時，圖中所有的開關管S可根據不同應用場合采用MOSFET 及其反并聯二極管M或者IGBT及其反并聯二極管I替換。三相三電平半橋逆變器Sl采用了二極管嵌位型三相三電平半橋結構的拓撲，此處取對應的a相介紹，具體連接方式為開關管Sn S14順向串聯后連接在輸入直流電壓Udcl的正負兩端，電容C11和C12順向串聯后同樣連接在輸入直流電壓Udca的正負兩端，電容C11和C12之間的連接線引出逆變器的接地線。 二極管D11的陽極與地線連接，其陰極連接于開關管S11與S12之間的連接線。二極管D12的陽極連接于開關管S13與S14之間的連接線，其陰極與地線連接。第一 H橋逆變器&采用了全橋結構的拓撲，具體連接方式為開關管S21和S22順向串聯后連接在輸入直流電壓Udc2的正負兩端，開關管S23和S24順向串聯后同樣連接在輸入直流電壓Udc2的正負兩端。第二 H 橋逆變器S3同樣采用了全橋結構的拓撲，具體連接方式為開關管S31和順向串聯后連接在輸入直流電壓Udc3的正負兩端，開關管S33和、順向串聯后同樣連接在輸入直流電壓Udc3 的正負兩端。三相三電平半橋逆變器Sl中開關管S12和S13的連線與第一 H橋逆變器S2中開關管S23和、的連線相連接，第一 H橋逆變器S2中開關管S21和S22的連線與第二 H橋逆變器S3中開關管S33和、的連線相連接，由第二 H橋逆變器S3中開關管S31和、的連線處引出輸出相電壓ua。階梯波合成式三相逆變器的控制電路包含低頻諧波消除的移相階梯波控制和輸出電壓調制方法。三相逆變器中每相的控制方法相同，以下以階梯波合成式三相逆變器中A 相為例介紹其具體的控制策略，控制框圖如圖3所示。首先保證三相三電平半橋逆變器Sl
和第一 H橋逆變器S2、第二 H橋逆變器S3的輸入側直流電壓的比值Udcl Udc2 Udc3= 2^3:1:1。輸出端相電壓Ua經過采樣和濾波之后得到輸出端相電壓采樣u\，再通過有效值運算后得到直流量K。該直流量與輸出電壓有效值給定u*aref經過PI調節器的調節后得到基波調制電壓um。基波調制電壓Um與所要消除的低頻諧波頻率確定后可以得到所需的三相三電平半橋逆變器Si輸出電壓波形，該輸出電壓波形在準方波的基礎上包含了一個或一個以上以各自半周期中點為對稱軸的零電平，零電平的個數與所要消除的低頻諧波個數相同。通過改變零電平的寬度和位置調節階梯波合成式三相逆變器輸出相電壓的基波幅值，消去與插入零電平個數相同的低頻諧波和降低總諧波含量。根據三相三電平半橋逆變器Sl所需輸出的電壓波形，三相三電平半橋逆變器Sl 中開關管Sn si4的驅動邏輯可以得到，于是第一 H橋逆變器S2中開關管S2^Sm的驅動邏輯和第二 H橋逆變器S3中開關管S31 S34的驅動邏輯均可以在此基礎上移相得到。通過移相使得第一 H橋逆變器S2的輸出電壓滯后三相三電平半橋逆變器Sl的輸出電壓30度，第二 H橋逆變器S3的輸出電壓超前三相三電平半橋逆變器Sl的輸出電壓30度。最后，三相三電平半橋逆變器Sl和第一 H橋逆變器S2、第二 H橋逆變器S3的輸出電壓串聯得到階梯波合成式三相逆變器的輸出端相電壓ua。階梯波合成式三相逆變器作為變頻器應用的系統框圖如圖4所示。三相電源一方面直接通過整流濾波后可以得到三相三電平半橋逆變器Sl的輸入直流電源Udcl，另一方面通過六個隔離變壓器后再整流濾波得到六個H橋逆變器(S2、S3、S4、S5、S6、S7)的輸入直流電源Ud。fUd。7。調整隔離變壓器原副邊的匝比以保證輸入直流電源Ud。廣Ud。7的比值為
2^5:1:1:1:1:1:1。階梯波合成式三相逆變器的三相輸出相電壓輸入至電機的三相繞組，電
機的三相繞組為三角形連接方式。階梯波合成式三相逆變器的輸出電壓基波幅值和輸出頻率均可調，可以為電機提供恒壓頻比的三相交流電源。圖5為階梯波合成式三相逆變器工作在以50Hz為周期，不調節輸出電壓時的仿真波形。開關管以電源的基波頻率開關動作。V3為三相三電平半橋逆變器Sl中a相的輸出電壓仿真波形，為準方波。Vl為第二 H橋逆變器S3的輸出電壓仿真波形，為超前V3 30度的準方波。V2為第一 H橋逆變器S2的輸出電壓仿真波形，為滯后V3 30度的準方波。三個
逆變器輸出電壓的幅值之比為^:1:1。V4為階梯波合成式三相逆變器中A相的輸出相電
壓仿真波形，為7電平、12脈沖階梯波。Magl為階梯波合成式三相逆變器中A相輸出相電壓仿真波形V4的頻譜，輸出相電壓的諧波次數中包含3次諧波、1 士 1和1 士3次諧波 (其中k為正整數)。Mag2為階梯波合成式三相逆變器中A相輸出線電壓仿真波形的頻譜， 三相逆變器線電壓中僅包含1 士 1次諧波。圖6為階梯波合成式三相逆變器的單脈寬調制原理波形。圖中以單相相電壓為例，準方波電壓的脈沖寬度保持為Q1不變，脈沖賦值為vD。在準方波正半周期和負半周期分別插入一個以各自半周期中點為對稱軸的零電平，零電平的寬度為θ「Θ2，其中92為變量，調節02在0至Q1之間變化實現了輸出相電壓基波幅值的調節。輸出相電壓的表達式如下
權利要求
1.一種可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器，其特征在于主電路中包含一個三相三電平半橋逆變器(Si)和六個H橋逆變器(S2、S3、S4、S5、S6、S7)，其中三相三電平半橋逆變器(Si)的a相輸出與第一 H橋逆變器(S2)、第二 H橋逆變器(S3)的輸出端串聯構成階梯波合成式三相逆變器的A相輸出，三相三電平半橋型逆變器(Si)的b相輸出與第三 H橋逆變器(S4)、第四H橋逆變器(S5)的輸出端串聯構成階梯波合成式三相逆變器的B相輸出，三相三電平半橋型逆變器(Si)的c相輸出與第五H橋逆變器(S6)、第六H橋逆變器 (S7)的輸出端串聯構成階梯波合成式三相逆變器的C相輸出，接地線由三相三電平半橋型逆變器(Si)引出。
2.根據權利要求1所述的可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器，其特征在于所述的三相三電平半橋逆變器(Si)和六個H橋逆變器(S2、S3、S4、S5、S6、S7)的輸入端分別由七個相互隔離的直流電壓源供電，電壓比值為1:1:1:1:1:1,三相三電平半橋逆變器(Si)的abc三相輸出電壓和六個H橋逆變器(S2、S3、S4、S5、S6、S7)的輸出電壓為基波頻率的準方波，三相三電平半橋逆變器(Si)的abc三相輸出電壓互差120度，第一 H橋逆變器(S2)的輸出電壓滯后三相三電平半橋逆變器(Sl)的a相輸出電壓30度，第二 H橋逆變器(S3)的輸出電壓超前三相三電平半橋逆變器(Sl)的a相輸出電壓30度，第三H橋逆變器(S4)的輸出電壓滯后三相三電平半橋逆變器(Si)的b相輸出電壓30度，第四H橋逆變器(S5)的輸出電壓超前三相三電平半橋逆變器(Sl)的b相輸出電壓30度，第五H橋逆變器(S6)的輸出電壓滯后三相三電平半橋逆變器(Sl)的c相輸出電壓30度，第六H橋逆變器(S7)的輸出電壓超前三相三電平半橋逆變器(Si)的c相輸出電壓30度。
3.根據權利要求1所述的可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器，其特征在于所述的三相三電平半橋逆變器(Si)和六個H橋逆變器(S2、S3、S4、S5、S6、S7)中功率器件的基礎工作頻率等于輸出電壓基波頻率，階梯波合成式三相逆變器的輸出相電壓均為7電平階梯波。
4.一種基于權利要求1所述的可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器的控制方法，其特征在于采用單脈沖寬度調制時，在一個三相三電平半橋逆變器(Si)和六個H橋逆變器(S2、S3、S4、S5、S6、S7)輸出的準方波電壓正半周期和負半周期分別插入一個以各自半周期中點為對稱軸的零電平；采用最優正弦脈沖寬度調制調制時，在一個三相三電平半橋逆變器(Si)和六個H橋逆變器(S2、S3、S4、S5、S6、S7)輸出的準方波電壓正半周期和負半周期分別插入一個或一個以上以各自半周期中點為對稱軸的零電平，零電平的個數與所要清除的低頻諧波個數相同，通過改變零電平的寬度和位置調節階梯波合成式三相逆變器輸出相電壓的基波幅值，消去與插入零電平個數相同的低頻諧波和降低總諧波含量。
全文摘要
一種可消除低頻諧波的階梯波合成式三相逆變器及控制方法，屬于大功率逆變技術領域。該階梯波合成式三相逆變器的主電路中包含一個三相三電平半橋逆變器(S1)和六個H橋逆變器(S2、S3、S4、S5、S6、S7)。它們的輸入端為七個相互隔離比值為的直流電壓源。該階梯波合成式三相逆變器的控制策略包括消除低頻諧波的固定輸入電壓比移相控制和調節輸出電壓的單脈沖寬度調制或最優SPWM調制策略。該三相逆變器結構較簡單，開關頻率低，在大功率應用場合具有體積小、效率高、輸出電壓波形質量好、可靠性高的優點。
文檔編號H02M7/49GK102545681SQ20121001448
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月18日 優先權日2012年1月18日
發明者曹劍坤, 謝少軍 申請人:南京航空航天大學