电力电子三相四开关技术

2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作 2011年 7 月 6 日摘要电力电子技术出现于20世纪50年代，1957年美国通用电气公司在晶体管的基础上研制出了第一个晶闸管，当时被称作可控硅（silicon controlled rectifier,SCR）.晶闸管是一种利用半导体PN结原理开发出的固体可控开关，他可以用小电流控制开关导通，从而控制高电压大电流的电路。随着电力电子技术的飞速发展，各种大功率开关器件得到了广泛应用。它们一方面给电能的变换应用带来了方便，另一方面又给电力系统带来了繁重的无功控制和谐波治理问题。电力电子四开关技术应用尤为广泛。电力电子技术是研究电能形式变换的技术，这些变换的基本类型有：交流直流、直流直流、直流交流和交流交流的变换。电力电子电路是一种开关电路，具有非线性的特点，研究电力电子电路主要采用波形分析和分段线性化处理的方法。现代仿真技术为电力电子电路的研究和分析提供了极其方便的工具。 四开关组成的电路既可以用于整流也可以用于逆变，本文主要介绍三相四开关逆变器，滤波器。关键词三相四开关；SPWM变换器；整流器；逆变器；滤波器AbstractPower electronic technology appeared in the 1950 s and in 1957 the general electric company on the basis of the transistor developed the first thyristor and then was called SCR silicon controlled rectifier, (SCR). The thyristor is a use of semiconductor PN junction principle development of a solid controllable switch, he can use small current control switch conduction, so as to control high voltage large current circuit.With the rapid development of the power electronic technology, all kinds of high power switch device to a wide range of applications. They hand to power transformation application convenience, on the other hand, to the power system brought heavy reactive control and harmonic management problem. Power electronic technology is widely used four switch. Power electronic technology is the study of the form of electrical energy transformation technology, they transform the basic types of exchange-a: dc, dc-dc, dc-communication and exchange-communication transform. Power electronic circuit is a kind of switch circuit with nonlinear characteristics, study the main power electronic circuits of the waveform analysis and subsection linearization method. Modern simulation technology for electric power electronic circuits of research and analysis provides extremely convenient tool. Composed of four switch circuit can be used either for rectification can also be used for inverter, the thesis mainly introduces three phase four switch inverter, filter.Key wordsFour-switch three-phase; rectifier；SPWM converter；inverter；filter.II目录摘要IAbstractII前言1第一章 三相四开关逆变器21.1 三相四开关逆变器工作原理21.2 四开关三相逆变器与六开关三相逆变器的比较4第二章 三相四开关滤波器52.1三相四开关滤波器工作原理52.2三相四开关滤波器的基本原理6结论10参考文献11致谢12前言随着社会的发展和科技的进步，人们对电能的容量与质量的要求越来越高。作为世界上应用最为广泛的能源，电能的应用程度是一个国家发展水平和综合国力的重要标志之一。提高对电能质量的要求是一个国家工业生产发达、科技水平提高、社会文明程度进步的表现，是增强用电效率、节能降损、改善环境、提高国民经济的总体效益以及工业生产可持续发展的技术保证。电力电子技术是研究电能形式变换的技术，这些变换的基本类型有：交流直流、直流直流、直流交流和交流交流的变换。电力电子电路是一种开关电路，具有非线性的特点，研究电力电子电路主要采用波形分析和分段线性化处理的方法。现代仿真技术为电力电子电路的研究和分析提供了极其方便的工具。 四开关组成的电路既可以用于整流也可以用于逆变，论文主要介绍三相四开关逆变器，滤波器。第一章 三相四开关逆变器 1.1 三相四开关逆变器工作原理四开关三相逆变器（Four-Switch Three-Phase Inverter，简写为FSTP4）的电路拓扑结构如图1所示，Ud为直流母线电压，M1、M2、M3、M4为四个功率开关器件，两个容量相等的电容串于直流母线电压之间，从O、A、B点分别引出三根线，接到三相负载。以O点为参考点，当M1导通、M2关断时，A点电位为+Ud/2；当M1关断、M2导通时，A点电位为-Ud/2。同理可分析B点电位。当给开关管M1和M2、M3和M4施予SPWM控制信号时，A、B两点的电压基波必为正弦波。若使A、B两点电压相位相差60度，则可，则可得到三相电压。图 1.1 三相四开关逆变器拓扑结构图1.2 三相四开关逆变器的输出电压参见图1.2，使UAO和UBO相位相差60度，根据向量加减法则，则UAB、UBO，UOA的相位必定依次相差120度；变为相电压，则UAN、UBN、UON的相位依次相差120度。图3为A、B两相（O为参考点）SPWM控制信号产生图，两相调制信urA和urB相位相差60度，经三角载波调制产生SPWM控制信号，该信号用来控制四个开关管的通断。A、B两相功率开关器件的控制规律相同，现以A相为例来说明。当urA大于载波时，给上桥臂M1以导通信号，给下桥臂M2以关断信号；当urA小于载波时，给上桥臂M1以关断信号，给下桥臂M2以导通信号。M1和M2信号始终是互补的。图1.3 SPWM信号产生图1.2 四开关三相逆变器与六开关三相逆变器的比较六开关三相逆变器（Six-Switch Three-Phase Inverter，简写为SSTP）的拓扑结构如图4所示，Ud为直流母线电压，M1、M2、M3、M4、M5、M6为六个功率开关器件，从A、B、C点分别引出三根线，接到三相负载。若驱动开关器件的SPWM信号相位依次相差120度，则A、B、C三点可输出标准的三相电压。图1.4 三相六开关逆变器拓扑结构图1.5 输出电压比较由图1.1、图1.4、图1.5，我们可以得到四开关三相逆变器与六开关三相逆变器存在以下几点区别：（1）拓扑结构：四开关三相逆变器比六开关三相逆变器少了两个开关器件，主电路简单了。不过，六开关三相逆变器的两个电容可以用一个电容来代替，而四开关三相逆变器则不可以。（2）控制方案：六开关三相逆变器的控制信号需要三相相位互差120度的正弦波来作为调制信号；而四开关三相逆变器的控制信号只需要两相相位相差60度的正弦波作为调制信号。控制电路相对也简单了。（3）输出线电压谐波：输出波形中所含谐波的多少是衡量PWM控制方法优劣的基本标志。一般来说，输出线电压电平数越多，谐波越少5 。六开关三相逆变器控制的是相电压，相电压为两电平，两个相电压向量相减得线电压，所以线电压为三电平（+Ud，-Ud）；而四开关三相逆变器直接控制线电压，所以线电压为两电平（+Ud/2，-Ud/2）。所以，可以初步断定，四开关三相逆变器输出线电压的谐波要相对多一些。（4）直流电压利用率：直流电压利用率6是指逆变电路所能输出的交流电压基波最大幅值U1m和直流电压Ud之比，提高直流电压利用率可以提高逆变器的输出能力。四开关三相逆变器的直流电压利用率要比六开关三相逆变器低。设调制度为1，六开关三相逆变器控制的是相电压，输出相电压的基波幅值为Ud/2，输出线电压的基波幅值则为其根3倍，即直流电压利用率为0.866；而四开关三相逆变器直接控制线电压，所以它的直流电压利用率就为0.5。所以，四开关三相逆变器的输出能力要相对弱一些。第二章 三相四开关滤波器2.1三相四开关滤波器工作原理 考虑到三相六开关逆变器的三相输入电流之和在任意瞬间为零，只控制其中的两相电流，第三相电流自然受控，根据这个思路，将三相桥臂的一相换成电容桥臂，其对应相的电流受另外两相的自然控制，这样就构成了如图1.1所示的三相四开关并联型APF。关于该拓扑电路的应用目前主要停留于三相PWM整流器，在有源滤波方面的应用报道甚少。三相四开关并联型APF拓扑结构和控制方式简单的优点，成本低廉，易于实现，本文对其工作原理进行了分析，并提出了适用于三相四开关并联型APF的指令电流确定方法和输出电流控制算法，最终的实验与工程应用结果证明了检测与控制策略的合理性。图2.1三相四开关滤波器拓扑结构图1.1为三相四开关并联型APF的详细拓扑结构，其主要作用为：(1)保证电源具有较高的功率因数；(2)抑制电源谐波；(3)保持直流侧电容电压的恒定，并尽量减少纹波；(4)保持直流侧中点电压平衡。2.2三相四开关滤波器的基本原理 正文依据图2.1所示的三相四开关并联型APF拓扑结构图，可得到三相四开关滤波器的等值电路如图2.2所示。图2.2三相四开关滤波器的等值电路为避免直流侧电容电压的直通短路，图4.4中开关器件S1与S4、S2与S3之间的开关信号存在互补关系，即：S1+S4=1，S2+S3=1.式（2.22）中，Sx=1（x=1，4）表示开关Sx闭合；Sx=0（x=1，4）则表示开关Sx断开。由图4.4可知，三相四开关并联型APF的拓扑结构中只有两相桥臂由开关器件和续流二极管组成，第三相桥臂则由直流侧电容组成。与常规的三相六开关变流器相比，由于三相四开关滤波器所需要的开关器件和续流二极管数目可以减少，因此造价得以大幅降低；但由于其只有两相桥臂有开关器件和续流二极管，因此它的电路分析也与常规的三相六开关变流器有所不同。表2.3给出了4种开关模式下的电压瞬时值，图2.4则给出了相对应的电路分析图。表2.2不同开关模式下的电压瞬时值开关开关信号电压瞬时值图2.4不同开关模式下的电路分析图 对于常规的三相六开关变流器而言，在开关模式2和3时所得到的电压空间矢量被当作零矢量，因此变流器不能对其交流侧提供直流电压；而对于三相四开关滤波器而言，由于变流器交流侧始终有一相与其直流侧电容的中点相连，因此在开关模式2和3时仍能保证变流器对其交流侧提供直流电压，如图2.4(b)、图2.4(c)所示。在开关模式1和4时，由于三相四开关并联型APF有一相（即图2.3中的c相）始终与流器直流侧电容的中点相连，无法对其进行开通、关断控制，因此在变流器交流侧三相对称时，将没有电流流经c相，如图2.4(a)、图2.4(d)所示。根据三相四开关变流器的SVPWM调制算法，研究结果表明，与常规的三相六开关变流器相比：a、三相四开关变流器仅仅只有两相桥臂需要开关器件和续流二极管，它的第三相桥臂是由直流侧电容所组成。由于所需要的开关器件和续流二极管数目可以减少，因此三相四开关变流器的造价得以大幅降低。b、三相四开关并联型APF在平面上仅有4个彼此间隔为2的、模值不全相等的有效电压空间矢量，且不存在零矢量。为了获得等效的零矢量，可以将U1和U3同时作用相同的时间。(3)相关的仿真与实验结果证明了本文提出的三相四开关滤波器的SVPWM调制算法的有效性。在三相六开关并联型APF的SVPWM调制算法的研究基础上，将SVPWM调制算法扩展到三相四开关系统，提出了用于三相四开关并联型APF输出电流控制的SVPWM调制算法。由于三相四开关并联型APF只有四个模值不全相等的有效电压空间矢量，并且不存在零矢量，考虑到相对位置的电压空间矢量大小相等、方向相反，本文将相对位置的电压空间矢量同时作用相同的时间以获得等效的零矢量。相关的仿真与实验结果均证明了该SVPWM调制算法的可行性和有效性。结论经过前面的理论分析和实验验证，可以得到以下结论：在对逆变器研究现状及典型拓扑结构详细分析的基础上提出的四开关三相逆变器在理论和实践上都是可行的。四开关三相逆变器的输出效果基本可以达到六开关三相逆变器的输出效果。四开关三相逆变器能降低系统的成本和复杂度。在对滤波器研究现状及典型拓扑结构详细分析的基础上，提出了采用低成本的三相四开关并联型滤波器以适应低压中小容量谐波无功治理需求的解决方案，该方案符合细分市场的应用需求，从产品化与经济性的角度考虑，亦是较合理的选择。参考文献1 曾立, 孙友涛, 雄蕊. 四开关三相逆变器的空间矢量控制J.通信电源技术, 2005, 23(2): 30-32.2 符强, 林辉, 贺博. 四开关三相无刷直流电机的直接电流控制J. 中国电机工程学报, 2006, 26(4): 149-1533 张兰红, 胡育文, 黄文新. 容错型四开关三相变换器异步发电系统的直接转矩控制研究J. 中国电机工程学报, 2005, 25(18):52-584 王兆安, 黄俊. 电力电子技术M. 北京: 机械工业出版社,2000, 159-1605 王宝国, 王凤翔. 两相电机的线电压控制方式变频调速研究J. 电力电子技术, 2000, 34(1)6马丰民,吴正国,侯新国.基于统一PWM调制器的随机空间矢量调制J.中国电机工程学报,2007,27(7):98-1021112