三電平電路

三電平變換器(Tree.Level Inverter)的橋臂上有4個(gè)電力半導(dǎo)體器件，它通過對(duì)直流側(cè)的分壓和開關(guān)動(dòng)作的不同組合，實(shí)現(xiàn)多電平階梯波輸出電壓，可以使波形更加接近正弦波。

三電平(ThreeLevel，TL)整流器是一種可用于高壓大功率的PWM整流器，具有功率因數(shù)接近1，且開關(guān)電壓應(yīng)力比兩電平減小一半的優(yōu)點(diǎn)。提到一種三電平Boost電路，用于對(duì)整流橋進(jìn)行功率因數(shù)校正，但由于二極管整流電路的不可逆性，無法實(shí)現(xiàn)功率流的雙向流動(dòng)，提到了幾種三電平PWM整流器，盡管實(shí)現(xiàn)了三電平，但開關(guān)管上電壓應(yīng)力減少一半的優(yōu)點(diǎn)沒有實(shí)現(xiàn)。三電平整流器盡管比兩電平整流器開關(guān)數(shù)量多，控制復(fù)雜，但?具有兩電平整流器所不具備的特點(diǎn):

1)電平數(shù)的增加使之具有更小的直流側(cè)電壓脈動(dòng)和更佳的動(dòng)態(tài)性能，在開關(guān)頻率很低時(shí)，如300~500Hz就能滿足對(duì)電流諧波的要求;

2)電平數(shù)的增加也使電源側(cè)電流比兩電平中的電流更接近正弦，且隨著電平數(shù)的增加，正弦性越好，功率因數(shù)更高;

3)開關(guān)的增加也有利于降低開關(guān)管上的電壓壓應(yīng)力，提高裝置工作的穩(wěn)定性，適用于對(duì)電壓要求較高的場合。

逆變器(inverter)是把直流電能(電池、蓄電瓶)轉(zhuǎn)變成交流電(一般為220v50HZ正弦或方波)。應(yīng)急電源，一般是把直流電瓶逆變成220V交流的。通俗的講，逆變器是一種將直流電(DC)轉(zhuǎn)化為交流電(AC)的裝置。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。

TL整流器主電路如圖1所示，由8個(gè)開關(guān)管V11~V42組成三電平橋式電路。假定u1=u2=ud/2，則每只開關(guān)管將承擔(dān)直流側(cè)電壓的一半。

以左半橋臂為例，1態(tài)時(shí)，當(dāng)電流is為正值時(shí)，電流從A點(diǎn)流經(jīng)VD11及VD12到輸出端;當(dāng)is為負(fù)值時(shí)，電流從A點(diǎn)流經(jīng)V11及V12到輸出端，因此，無論is為何值，均有uAG=uCG=+ud/2，D1防止了電容C1被V11(VD11)短接。同理，在0態(tài)時(shí)，有uAG=0;在-1態(tài)時(shí)，有uAG=uDG=-ud/2，D2防止了電容C2被V22(VD22)短接。

右半橋臂原理類似，因此A及B端電壓波形如圖2所示，從而在交流側(cè)電壓uAB上產(chǎn)生五個(gè)電平:+ud，+ud/2，0，-ud/2，-ud。

每個(gè)半橋均有三種工作狀態(tài)，整個(gè)TL橋共有32=9個(gè)狀態(tài)。分別如下:

狀態(tài)0(1,1)開關(guān)管V11，V12，V31，V32開通，變換器交流側(cè)電壓uAB等于0，電容通過直流側(cè)負(fù)載放電，線路電流is的大小隨主電路電壓us的變化而增加或減小。

狀態(tài)1(1,0)開關(guān)管V11，V12，V32，V41開通，交流側(cè)輸入電壓uAB等于ud/2，輸入端電感電壓等于us-u1。電容C1電壓被正向(或反向)電流充電(u1<us，或放電us<u1)，C2通過直流側(cè)負(fù)載放電。

狀態(tài)2(1,-1)開關(guān)管V11，V12，V41，V42開通，輸入電壓uAB=ud，正向(或反向)電流對(duì)電容C1及C2充電(或放電)，由于輸入電感電壓反向，電流is逐漸減小。

狀態(tài)3(0,1)開關(guān)管V12，V21，V31，V32開通，交流側(cè)輸入電壓uAB等于-ud/2，輸入電感上電壓等于us+u1。電容電壓被正向(或反向)電流充電(或放電)。

狀態(tài)4(0,0)開關(guān)管V12，V21，V32，V41開通，輸入端電壓為0，電容通過直流側(cè)負(fù)載放電，線路電流is的大小隨主電路電壓us的變化而增加或減小。

狀態(tài)5(0,-1)開關(guān)管V12，V21，V41，V42開通，交流側(cè)電壓為ud/2，正向(或反向)電流對(duì)電容C2充電(或放電)，電容C1通過負(fù)載電流放電。

狀態(tài)6(-1,1)開關(guān)管V21，V22，V31，V32開通，uAB=-ud，正向(或反向)線電流對(duì)兩個(gè)電容C1及C2充電(或放電)，由于升壓電感電壓正向，線電流將逐漸增加。

狀態(tài)7(-1,0)開關(guān)管V21，V22，V32，V41開通，交流側(cè)電壓電平為-ud/2，正向(或反向)電流對(duì)電容C2充電(或放電)，電容C1通過負(fù)載電流放電。

狀態(tài)8(-1,-1)開關(guān)管V21，V22，V41，V42開通，輸入端電壓為0，升壓電感電壓等于us，兩個(gè)電容C1及C2均通過負(fù)載電流放電。電流is根據(jù)電壓us的變化而增加(或減小)。

三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡電路的設(shè)計(jì)與仿真

陶生桂 龔熙國 袁登科

【摘要】:多電平逆變器在中高壓大功率場合得到了廣泛的研究和應(yīng)用 .二極管中點(diǎn)箝位三電平逆變器是一種簡單實(shí)用的多電平逆變器 ,但是三電平逆變器直流側(cè)中點(diǎn)電位偏移問題影響著逆變器及其電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的可靠性 .為此提出了一種用于三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡的硬件電路 ,詳細(xì)介紹了其工作原理以及參數(shù)設(shè)定 ,并用Matlab/Simulink仿真工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了研究 ,給出了較好的仿真結(jié)果 .

【作者單位】: 同濟(jì)大學(xué)滬西校區(qū)電氣工程系 同濟(jì)大學(xué)滬西校區(qū)電氣工程系 同濟(jì)大學(xué)滬西校區(qū)電氣工程系

【關(guān)鍵詞】: 三電平逆變器 中點(diǎn)電位平衡 二極管箝位

【正文快照】: 近幾年來 ,多電平逆變器成為人們研究的熱點(diǎn)課題 .三電平逆變器是多電平逆變器中最簡單又最實(shí)用的一種電路 .三電平逆變器與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比較 ,主要優(yōu)點(diǎn)是 :器件具有 2倍的正向阻斷電壓能力 ,并能減少諧波和降低開關(guān)頻率 ,從而使系統(tǒng)損耗減小 ,使低壓開關(guān)器件可以應(yīng)

能源短缺和環(huán)境污染是人類當(dāng)前面臨的共同的世紀(jì)性難題。從20世紀(jì)90年代以來，以高壓IGBT、IGCT為代表的性能優(yōu)異的復(fù)合器件的發(fā)展引人注目，并在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了很多新型的高壓大容量變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，成為國內(nèi)外學(xué)者和工業(yè)界研究的重要課題，使得傳統(tǒng)上在大功率應(yīng)用領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位的SCR、GTO及其變換器結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)有力的挑戰(zhàn)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，兆瓦級(jí)的高壓多電平逆變器已有產(chǎn)品大量投入市場，并應(yīng)用于電力機(jī)車牽引、船舶電力推進(jìn)、軋鋼、造紙、油氣田、無功補(bǔ)償?shù)雀咝阅芟到y(tǒng)中。三電平逆變器的結(jié)構(gòu)較簡單，其電路拓?fù)湫问綇囊欢ㄒ饬x上來說可以看成多電平逆變器結(jié)構(gòu)中的一個(gè)特例，它的中點(diǎn)鉗位及維持中點(diǎn)電位動(dòng)態(tài)平衡技術(shù)、功率器件尖峰吸收緩沖電路、PWM算法簡化及控制策略、高壓功率器件的驅(qū)動(dòng)及系統(tǒng)的工作電源等也是多電平逆變器控制需要研究解決的問題。

近幾年來，多電平逆變器成為人們研究的熱點(diǎn)課題。三電平逆變器是多電平逆變器中最簡單又最實(shí)用的一種電路。三電平逆變器與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比較主要優(yōu)點(diǎn)是器件具有2倍的正向阻斷電壓能力，并能減少諧波和降低開關(guān)頻率，從而使系統(tǒng)損耗減小，使低壓開關(guān)器件可以應(yīng)用更廣泛。

隨著新型電力電子器件及DSP 智能控制芯片的迅速普及，這一技術(shù)必將在大功率應(yīng)用場合大顯身手。IGCT 和高壓IGBT等新型器件近來的發(fā)展使PWM逆變器在工業(yè)及牽引應(yīng)用中成本降低的同時(shí)性能也得到改善。傳統(tǒng)直流電流源供電及直流電壓源供電GTO逆變器正逐漸被使用IGCT及IGBT的兩電平或三電平PWM逆變器所取代，隨著減少電磁和噪聲等環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的提高，三電平逆變器方案必將得到廣泛的應(yīng)用。