CN102545681A - 可消除低频谐波的阶梯波合成式三相逆变器及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种可消除低频谐波的阶梯波合成式三相逆变器及控制方法，属于大功率逆变技术领域。该阶梯波合成式三相逆变器的主电路中包含一个三相三电平半桥逆变器（s1）和六个h桥逆变器（s2、s3、s4、s5、s6、s7）。它们的输入端为七个相互隔离比值为

的直流电压源。该阶梯波合成式三相逆变器的控制策略包括消除低频谐波的固定输入电压比移相控制和调节输出电压的单脉冲宽度调制或最优spwm调制策略。该三相逆变器结构较简单，开关频率低，在大功率应用场合具有体积小、效率高、输出电压波形质量好、可靠性高的优点。

Description

可消除低频谐波的阶梯波合成式三相逆变器及控制方法

技术领域

本发明涉及一种可消除低频谐波的阶梯波合成式三相逆变器及控制方法，属于大功率逆变技术领域。

背景技术

早期逆变器的输出波形为方波或准方波，控制策略和拓扑结构简单，但是输出波形谐波含量过高。随着电力电子技术的发展，高开关频率的SPWM控制技术广泛地应用于逆变器，输出波形质量明显得到提高，并且输出电压的幅值可调。但是在大功率应用场合，较高的开关频率使得逆变器中功率器件的开关损耗较大。

为了降低逆变器的开关频率，提高输出波形质量，阶梯波逆变器将多个方波或准方波逆变器的输出端经过一定移相后串联，得到对称的多脉冲阶梯波。一旦逆变器的个数确定后，为了消除相应频率的脉冲倍数次谐波，逆变器之间的移相角也确定。在移相角确定后，通过改变每个逆变器输出端变压器的变比后得到幅值匹配的方波或准方波，可以消除固定频率的低频谐波。

在传统的阶梯波控制方案中，为了消除输出阶梯波中的低频谐波，每个逆变器输出电压的幅值和移相角都依赖输出端的变压器合成。所用磁性元件的设计复杂，且需要在低频工作条件下转换全部逆变器功率，体积庞大。另外，逆变器输出电压基波的幅值也不可调节。

发明内容

本发明旨在结合阶梯波控制方案和SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation ，中文是：正弦脉冲宽度调制)控制技术的基础上，提出一种可消除低频谐波的阶梯波合成式三相逆变器及控制方法，该三相逆变器适用于大功率场合。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种可消除低频谐波的阶梯波合成式三相逆变器，其特征在于主电路中包含一个三相三电平半桥逆变器和六个H桥逆变器，其中三相三电平半桥逆变器的a相输出与第一H桥逆变器、第二H桥逆变器的输出端串联构成阶梯波合成式三相逆变器的A相输出，三相三电平半桥型逆变器的b相输出与第三H桥逆变器、第四H桥逆变器的输出端串联构成阶梯波合成式三相逆变器的B相输出，三相三电平半桥型逆变器的c相输出与第五H桥逆变器、第六H桥逆变器的输出端串联构成阶梯波合成式三相逆变器的C相输出，接地线由三相三电平半桥型逆变器S1引出。

所述的三相三电平半桥逆变器和六个H桥逆变器的输入端分别由七个相互隔离的直流电压源供电，电压比值为                                                

， 三相三电平半桥逆变器的abc三相输出电压和六个H桥逆变器的输出电压为基波频率的准方波，三相三电平半桥逆变器的abc三相输出电压互差120度，第一H桥逆变器的输出电压滞后三相三电平半桥逆变器的a相输出电压30度，第二H桥逆变器的输出电压超前三相三电平半桥逆变器的a相输出电压30度，第三H桥逆变器的输出电压滞后三相三电平半桥逆变器的b相输出电压30度，第四H桥逆变器的输出电压超前三相三电平半桥逆变器的b相输出电压30度，第五H桥逆变器的输出电压滞后三相三电平半桥逆变器的c相输出电压30度，第六H桥逆变器的输出电压超前三相三电平半桥逆变器的c相输出电压30度。

所述的三相三电平半桥逆变器和六个H桥逆变器中功率器件的基础工作频率等于输出电压基波频率，阶梯波合成式三相逆变器的输出相电压均为7电平阶梯波。

一种可消除低频谐波的阶梯波合成式三相逆变器的控制方法，采用单脉冲宽度调制时，在一个三相三电平半桥逆变器和六个H桥逆变器输出的准方波电压正半周期和负半周期分别插入一个以各自半周期中点为对称轴的零电平；采用最优正弦脉冲宽度调制SPWM调制时，在一个三相三电平半桥逆变器和六个H桥逆变器输出的准方波电压正半周期和负半周期分别插入一个或一个以上以各自半周期中点为对称轴的零电平，零电平的个数与所要清除的低频谐波个数相同，通过改变零电平的宽度和位置调节阶梯波合成式三相逆变器输出相电压的基波幅值，消去与插入零电平个数相同的低频谐波和降低总谐波含量。

本发明的有益效果如下：

1、直接采用比值为的七个相互隔离电压源分别为逆变器模块S1~~S7供电，直接调节七个逆变器模块S1~~S7输出电压的超前和滞后角度，省去了传统阶梯波逆变器输出端的低频变压器，同样达到了消除固定频率谐波的目的。

2、逆变器的开关频率低，效率得到提高。

3、用作交流输入变频电源或变频器时，三相三电平半桥逆变器S1的输入电压可直接整流得到，磁性元件的设计仅需考虑得到H桥逆变器S2~~S7输入电源的隔离变压器，变压器转换的有功功率仅为总有功功率的

，逆变器体积重量明显减小。

4、在任意基波幅值下，阶梯波合成式三相逆变器输出相电压的谐波次数仅包含3次、12k±1和12k±3次谐波，其输出线电压中仅包含12k±1次谐波（其中k为正整数），其中的低次谐波还可通过最优SPWM调制策略进一步消除，谐波含量小，输出电压波形质量好。

5、在逆变器模块S1~~S7输出的准方波电压正半周期和负半周期分别插入一个或一个以上以各自半周期中点为对称轴的零电平，通过改变零电平的宽度和位置不但可以调节阶梯波合成式三相逆变器输出相电压的基波幅值，而且可以进一步消去与插入零电平个数相同的低次谐波和降低总谐波含量。

附图说明

图1 阶梯波合成式三相逆变器的连接框图。

图2 阶梯波合成式三相逆变器中A相的连接示意图。

图3 阶梯波合成式三相逆变器中A相的控制电路框图。

图4 阶梯波合成式三相逆变器用作变频器的系统框图。

图5 阶梯波合成仿真图。

图6 单脉宽调制原理图。

图7 单脉宽调制输出特性曲线。

图8 单脉宽调制仿真图。

图9 多脉宽调制原理图。

图10 多脉宽调制输出特性曲线。

图11 多脉宽调制仿真图。

上述图中主要符号名称：S1——三相三电平半桥逆变器，S2~S7——H桥逆变器，U_dc1~U_dc7——逆变器模块的输入电压，a、b、c——三相三电平半桥逆变器S1的a相、b相、c相输出端，u_a、u_b、u_c——阶梯波合成式三相逆变器的A相、B相、C相输出电压，S、S₁₁~S₁₄、S₂₁~S₂₄、S₃₁~S₃₄——开关管，M——MOSFET及其反并联二极管，I——IGBT及其反并联二极管，D₁₁~D₁₂——二极管，C₁₁~C₁₂——电容，u^* _a——阶梯波合成式三相逆变器的A相采样，U^* _a——阶梯波合成式三相逆变器的A相输出电压有效值，U^* _aref——阶梯波合成式三相逆变器的A相输出电压基准，U_m——相电压的基波调制电压，V(ωt)——阶梯波逆变器的输出相电压，ωt——相位角，V_D——逆变器模块的输入电压幅值，θ₁~θ_N——调制脉冲宽度，V1~V4——电压仿真波形，Mag1~Mag2——电压仿真频谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

主电路结构框图如图1所式，图中包含一个三相三电平半桥逆变器S1和六个H桥逆变器（S2、S3、S4、S5、S6、S7），其中三相三电平半桥逆变器S1的a相输出与第一H桥逆变器S2、第二H桥逆变器S3的输出端串联构成阶梯波合成式三相逆变器的A相输出，三相三电平半桥型逆变器S1的b相输出与第三H桥逆变器S4、第四H桥逆变器S5的输出端串联构成阶梯波合成式三相逆变器的B相输出，三相三电平半桥型逆变器S1的c相输出与第五H桥逆变器S6、第六H桥逆变器S7的输出端串联构成阶梯波合成式三相逆变器的C相输出，接地线由三相三电平半桥型逆变器S1引出。

阶梯波合成式三相逆变器中每相逆变器的拓扑结构和控制方法均相同。以下以阶梯波合成式三相逆变器中的A相为例介绍具体的拓扑结构和控制方法。主电路结构的具体连接方式如图2所式。在具体实施时，图中所有的开关管S可根据不同应用场合采用MOSFET及其反并联二极管M或者IGBT及其反并联二极管I替换。三相三电平半桥逆变器S1采用了二极管嵌位型三相三电平半桥结构的拓扑，此处取对应的a相介绍，具体连接方式为开关管S₁₁~S₁₄顺向串联后连接在输入直流电压U_dc1的正负两端，电容C₁₁和C₁₂顺向串联后同样连接在输入直流电压U_dc1的正负两端，电容C₁₁和C₁₂之间的连接线引出逆变器的接地线。二极管D₁₁的阳极与地线连接，其阴极连接于开关管S₁₁与S₁₂之间的连接线。二极管D₁₂的阳极连接于开关管S₁₃与S₁₄之间的连接线，其阴极与地线连接。第一H桥逆变器S₂采用了全桥结构的拓扑，具体连接方式为开关管S₂₁和S₂₂顺向串联后连接在输入直流电压U_dc2的正负两端，开关管S₂₃和S₂₄顺向串联后同样连接在输入直流电压U_dc2的正负两端。第二H桥逆变器S3同样采用了全桥结构的拓扑，具体连接方式为开关管S₃₁和S₃₂顺向串联后连接在输入直流电压U_dc3的正负两端，开关管S₃₃和S₃₄顺向串联后同样连接在输入直流电压U_dc3的正负两端。三相三电平半桥逆变器S1中开关管S₁₂和S₁₃的连线与第一H桥逆变器S2中开关管S₂₃和S₂₄的连线相连接，第一H桥逆变器 S2中开关管S₂₁和S₂₂的连线与第二H桥逆变器S3中开关管S₃₃和S₃₄的连线相连接，由第二H桥逆变器S3中开关管S₃₁和S₃₂的连线处引出输出相电压u_a。

阶梯波合成式三相逆变器的控制电路包含低频谐波消除的移相阶梯波控制和输出电压调制方法。三相逆变器中每相的控制方法相同，以下以阶梯波合成式三相逆变器中A相为例介绍其具体的控制策略，控制框图如图3所示。首先保证三相三电平半桥逆变器S1和第一H桥逆变器S2、第二H桥逆变器S3的输入侧直流电压的比值U_dc1:U_dc2:U_dc3=

。输出端相电压u_a经过采样和滤波之后得到输出端相电压采样u^* _a，再通过有效值运算后得到直流量U^* _a。该直流量与输出电压有效值给定U^* _aref经过PI调节器的调节后得到基波调制电压U_m。基波调制电压U_m与所要消除的低频谐波频率确定后可以得到所需的三相三电平半桥逆变器S1输出电压波形，该输出电压波形在准方波的基础上包含了一个或一个以上以各自半周期中点为对称轴的零电平，零电平的个数与所要消除的低频谐波个数相同。通过改变零电平的宽度和位置调节阶梯波合成式三相逆变器输出相电压的基波幅值，消去与插入零电平个数相同的低频谐波和降低总谐波含量。

根据三相三电平半桥逆变器S1所需输出的电压波形，三相三电平半桥逆变器S1中开关管S₁₁~S₁₄的驱动逻辑可以得到，于是第一H桥逆变器S2中开关管S₂₁~S₂₄的驱动逻辑和第二H桥逆变器S3中开关管S₃₁~S₃₄的驱动逻辑均可以在此基础上移相得到。通过移相使得第一H桥逆变器S2的输出电压滞后三相三电平半桥逆变器S1的输出电压30度，第二H桥逆变器S3的输出电压超前三相三电平半桥逆变器S1的输出电压30度。最后，三相三电平半桥逆变器S1和第一H桥逆变器S2、第二H桥逆变器S3的输出电压串联得到阶梯波合成式三相逆变器的输出端相电压u_a。

阶梯波合成式三相逆变器作为变频器应用的系统框图如图4所示。三相电源一方面直接通过整流滤波后可以得到三相三电平半桥逆变器S1的输入直流电源U_dc1，另一方面通过六个隔离变压器后再整流滤波得到六个H桥逆变器（S2、S3、S4、S5、S6、S7）的输入直流电源U_dc2~U_dc7。调整隔离变压器原副边的匝比以保证输入直流电源U_dc1~U_dc7的比值为。阶梯波合成式三相逆变器的三相输出相电压输入至电机的三相绕组，电机的三相绕组为三角形连接方式。阶梯波合成式三相逆变器的输出电压基波幅值和输出频率均可调，可以为电机提供恒压频比的三相交流电源。

图5为阶梯波合成式三相逆变器工作在以50Hz为周期，不调节输出电压时的仿真波形。开关管以电源的基波频率开关动作。V3为三相三电平半桥逆变器S1中a相的输出电压仿真波形，为准方波。V1为第二H桥逆变器S3的输出电压仿真波形，为超前V3 30度的准方波。V2为第一H桥逆变器S2的输出电压仿真波形，为滞后V3 30度的准方波。三个逆变器输出电压的幅值之比为。V4为阶梯波合成式三相逆变器中A相的输出相电压仿真波形，为7电平、12脉冲阶梯波。Mag1为阶梯波合成式三相逆变器中A相输出相电压仿真波形V4的频谱，输出相电压的谐波次数中包含3次谐波、12k±1和12k±3次谐波（其中k为正整数）。Mag2为阶梯波合成式三相逆变器中A相输出线电压仿真波形的频谱，三相逆变器线电压中仅包含12k±1次谐波。

图6为阶梯波合成式三相逆变器的单脉宽调制原理波形。图中以单相相电压为例，准方波电压的脉冲宽度保持为θ₁不变，脉冲赋值为V_D。在准方波正半周期和负半周期分别插入一个以各自半周期中点为对称轴的零电平，零电平的宽度为θ₁-θ₂，其中θ₂为变量，调节θ₂在0至θ₁之间变化实现了输出相电压基波幅值的调节。输出相电压的表达式如下：

式中θ₂的变化仅对各次谐波的幅值有影响，并不影响固定输入电压比移相控制对低频谐波的消除。

图7为阶梯波合成式三相逆变器在采用单脉宽调制时，相电压THD、线电压THD和相电压基波幅值随调制比m变化时的曲线。从图中曲线可以得到以下结论：相电压THD随调制比m的增大而减小，线电压THD随调制比m的增大而整体呈减小趋势，相电压基波幅值随调制比m的增大而增大。

图8为阶梯波合成式三相逆变器工作在以50Hz为周期，采用调制比为0.87单脉宽调制时的仿真波形。V1~V3的仿真电压波形在图5的基础上从准方波中点处中插入一个以各自半周期中点为对称轴的零电平，调整θ₂的大小后输出电压的调制比为0.87，调节了输出电压基波分量的幅值。V4为调制后阶梯波逆变器的输出相电压仿真波形。Mag1和Mag2与图5中的相比所包含的谐波次数相同，但是各次谐波幅值发生变化。

图9为阶梯波合成式三相逆变器的最优SPWM调制原理波形。图中以单相相电压为例，脉冲赋值为V_D。准方波电压的脉冲宽度为θ₁，在准方波正半周期和负半周期分别插入多个以各自半周期中点为对称轴的零电平，零电平的宽度为θ₂-θ₃、θ₃-θ₄……θ_N-1-θ_N，N为正整数。变量θ₁~θ_N满足不等式0<θ_N<θ_N-1<……<θ₂<θ₁<π。输出相电压的表达式如下：

式中θ₁~θ_N的变化不但不影响固定输入电压比移相控制对低频谐波的消除，而且可以在调节输出基波电压幅值的同时进一步消去N-1个指定频率的谐波。

图10为阶梯波合成式三相逆变器在采用最优SPWM调制时，相电压THD、线电压THD和相电压基波幅值随调制比m变化时的曲线。从图中曲线可以得到以下结论：相电压THD随调制比m的增大而减小，线电压THD随调制比m的增大而整体呈减小趋势，相电压基波幅值随调制比m的增大而增大。

图11为阶梯波合成式三相逆变器工作在以50Hz为周期，采用调制比为0.9最优SPWM调制且N=3时的仿真波形。V1~V3的仿真电压波形在图5的基础上从准方波中点处中插入两个以各自半周期中点为对称轴的零电平，调整θ₁~θ₃的大小后输出电压的调制比为0.9，调节了输出电压基波分量的幅值。V4为调制后阶梯波逆变器的输出相电压仿真波形。Mag1和Mag2与图5中的相比所包含的谐波次数进一步减少，消去了11次和13次谐波，各次谐波的幅值也发生变化。 

Claims (4)

1.一种可消除低频谐波的阶梯波合成式三相逆变器，其特征在于主电路中包含一个三相三电平半桥逆变器（S1）和六个H桥逆变器（S2、S3、S4、S5、S6、S7），其中三相三电平半桥逆变器（S1）的a相输出与第一H桥逆变器（S2）、第二H桥逆变器（S3）的输出端串联构成阶梯波合成式三相逆变器的A相输出，三相三电平半桥型逆变器（S1）的b相输出与第三H桥逆变器（S4）、第四H桥逆变器（S5）的输出端串联构成阶梯波合成式三相逆变器的B相输出，三相三电平半桥型逆变器（S1）的c相输出与第五H桥逆变器（S6）、第六H桥逆变器（S7）的输出端串联构成阶梯波合成式三相逆变器的C相输出，接地线由三相三电平半桥型逆变器（S1）引出。

2.根据权利要求1所述的可消除低频谐波的阶梯波合成式三相逆变器，其特征在于所述的三相三电平半桥逆变器（S1）和六个H桥逆变器（S2、S3、S4、S5、S6、S7）的输入端分别由七个相互隔离的直流电压源供电，电压比值为                                                

， 三相三电平半桥逆变器（S1）的abc三相输出电压和六个H桥逆变器（S2、S3、S4、S5、S6、S7）的输出电压为基波频率的准方波，三相三电平半桥逆变器（S1）的abc三相输出电压互差120度，第一H桥逆变器（S2）的输出电压滞后三相三电平半桥逆变器（S1）的a相输出电压30度，第二H桥逆变器（S3）的输出电压超前三相三电平半桥逆变器（S1）的a相输出电压30度，第三H桥逆变器（S4）的输出电压滞后三相三电平半桥逆变器（S1）的b相输出电压30度，第四H桥逆变器（S5）的输出电压超前三相三电平半桥逆变器（S1）的b相输出电压30度，第五H桥逆变器（S6）的输出电压滞后三相三电平半桥逆变器（S1）的c相输出电压30度，第六H桥逆变器（S7）的输出电压超前三相三电平半桥逆变器（S1）的c相输出电压30度。

3.根据权利要求1所述的可消除低频谐波的阶梯波合成式三相逆变器，其特征在于所述的三相三电平半桥逆变器（S1）和六个H桥逆变器（S2、S3、S4、S5、S6、S7）中功率器件的基础工作频率等于输出电压基波频率，阶梯波合成式三相逆变器的输出相电压均为7电平阶梯波。

4.一种基于权利要求1所述的可消除低频谐波的阶梯波合成式三相逆变器的控制方法，其特征在于采用单脉冲宽度调制时，在一个三相三电平半桥逆变器（S1）和六个H桥逆变器（S2、S3、S4、S5、S6、S7）输出的准方波电压正半周期和负半周期分别插入一个以各自半周期中点为对称轴的零电平；采用最优正弦脉冲宽度调制调制时，在一个三相三电平半桥逆变器（S1）和六个H桥逆变器（S2、S3、S4、S5、S6、S7）输出的准方波电压正半周期和负半周期分别插入一个或一个以上以各自半周期中点为对称轴的零电平，零电平的个数与所要清除的低频谐波个数相同，通过改变零电平的宽度和位置调节阶梯波合成式三相逆变器输出相电压的基波幅值，消去与插入零电平个数相同的低频谐波和降低总谐波含量。

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