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三电平逆三相逆变器控制方法介绍

1. 为什么要有三电平?

    基础的三相逆变电路都是两电平的逆变电路,其电路原理图如下所示:

图1

       一般在三相逆变桥臂后面增加滤波系统。滤波系统可以将三相桥臂输出的方波电压中高频信号滤除,留下我们希望频率的交流电压。电网中的电能质量与输出电能的谐波有关,因此对于逆变电路来说,降低输出电压的谐波含量(THD)是非常重要的。

       降低谐波的含量的途径有两种。第一种是从源头解决问题,降低三相桥臂输出电压的谐波含量,直接的方法就是将两电平的输出电压调整为更加趋近于正弦波的输出电压,如三电平,五电平,七电平等等更多,理想化的设想,如果这个三相逆变桥臂电路可以将输出完美的正弦电路,那就不需要滤波电路的存在了。主要的手段就是改变三相逆变电路的结构和控制方法,由于三相桥式逆变电路的局限性,任何控制方法都不能让其改变输出电平,因此若要改变电平则必须要改变电路,同时找到匹配的控制方法,大多数方法都是从两电平的SVPWM控制方法中改进。

       第二种是增加滤波电路的滤波能力,通过改变滤波电路的结构,L、LC、LCL等更加的复杂的滤波电路。

2. 两电平和三电平如何实现?

       三相逆变器的输出电平分析如下:三相桥式逆变电路在工作时,每个桥臂的功率开关管独立工作,且同一桥臂的开关管互补导通。每个桥臂有两种工作状态,因此整个电路有8种工作状态。下面对三相桥式逆变电路工作原理进行分析。以开关管V1、V6、V5开通为例。此时电路中电流情况如图2所示

                                图2 三相桥式逆变电路工作情况

       从图2中可见,a,c桥臂中上开关管开通,b桥臂中下开关管开通。因此电流在a、c桥臂中流入,经过负载后从b桥臂流出,若忽略功率开关管的导通内阻,则可将工作在此状态的三相桥式逆变电路进行简化如图3所示。

                                                图3 三相桥式逆变电路等效图

       根据图3可知,当电路工作在该状态下时,a、b、c桥臂的电压可表示如下:

       负载的线电压可表示为:

       负载各相电压可表示为:

       其中UNN`为两中点之间的电压。整理上式可得:

       由于为负载为三相对称负载,则:

       故UNN`可化简为:

       则此时UNN`=Ud/6,则相电压为:

       整理得三相桥式逆变电路的不同开关策略下,不同开关策略的输出电压整理如表1。定义当Sa、Sb、Sc三个桥臂的上桥臂导通时,其值为1;当下桥臂导通时,其值为0。

       在上图中发现,三个相电压的输出电压Uab,Ubc,Uca,都只能输出Ud和-Ud两个电平的电压,这个就是电路的两电平。此外电路中以a相为例,a点所链接的桥臂开关管的通断可令,a点的电压发生进行±0.5ud的切换,因此若要实现三电平逆变电路,需要在桥臂的结构上做文章。

       根据上述电平的描述,三电平逆变电路就是让Uab,Ubc,Uca三个相电压存在三个电平。桥臂的多电平化可以令电路实现三电平输出。实现方式有多种,如下

       桥臂通过跨接在串联开关管上的的跨界电容实现多电平。

       通过在桥臂上增加二极管的方式使逆变器出现零电平,从而使输出电平的波形正弦度大大提高,波形质量有所改善。

       中点嵌位电路利用开关管进行桥臂输出电压的嵌位。

       每个电路的结构不同,但是令每个桥臂输出三电平逆变电路的思想是相同的,因此在三电平逆变电路的控制方法中,即使电路结构不同,控制方法的基本原理也是相同的。接下来,我将介绍本三电平逆变电路的控制方法。

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