中点箝位型三电平变换器SFOPWM方法的研究

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:介绍了中点箝位型三电平变换器中的一种典型载波PWM方法——开关频率优化PWM(SFOPWM),这种方法由于注入零序的三次三角波,调制比最大可以达到1.15;另外通过适当选择载波和调制波之间的相移可以减少开关次数。仿真和实验结果验证了该方法的特点。 关键词:中点箝位型三电平变换器;开关频率最优化脉宽调制 1 概述 二极管中点箝位型三电平变换器[1]如图1所示。由于二极管的箝位,这种变换器中每个功率开关管承受的最大电压为直流侧电压的一半,从而降低了开关过程的dv/dt,因此可以用低成本的低压器件实现中高容量的变换;另外,由于输出电压有三种电平,其谐波水平明显低于二电平变换器,因此可以简化输出滤波器的设计和降低EMI问题;最后这种变换器在实现中高容量的变换时没有工频变压器,节省了装置的体积,提高了系统的效率。因此,这种结构的变换器在高电压大功率的变频调速、有源电力滤波装置、高压直流(HVDC)输电系统和电力系统无功补偿等方面有着广泛的应用前景。 本文从控制自由度的角度介绍了SFOPWM方法,这种方法由于在正弦调制波中注入零序三次分量,从而使电压利用率提高到1.15;另外,合理选择载波同调制波之间的相移可以减少开关次数。最后用MATLAB的SIMULINK工具仿真研究了SFOPWM的特性,实验结果验证了SFOPWM方法的特点。 图1 2 SFOPWM技术 三电平逆变器载波技术,来源于两电平的SPWM技术,但是,由于三电平逆变器特殊的结构,三电平的载波技术又不同于两电平的载波技术。三电平逆变器中的开关管多,因此三电平逆变器的载波和调制波都可能不止一个,而且每一个载波和调制波都有多个控制自由度;这些载波和调制波的控制自由度至少有频率、幅值和调制波和载波之间的偏移量等。这些自由度的不同组合,将会产生多种载波PWM技术。其中最具代表性的有3种:分谐波PWM、开关频率优化PWM、三角载波移相PWM。而中点箝位型中最经常用到的就是分谐波PWM、开关频率优化PWM。开关频率最优化PWM方法因为其电压利用率高,开关频率优化等原因而得到了实际的应用。 三电平分谐波PWM方法是两电平正弦波调制在多电平领域的一个扩展。载波是n个具有同相位、同频率fc、相同的峰峰值Ac,且对称分布的三角波,参考信号是一个峰峰值为Am,频率为fm正弦信号。在三角载波和正弦波相交的时刻,如果正弦波的值大于载波的值,则开通相应的开关器件,否则相反。开关频率最优化的方法是由Steinke[2]提出的。这种方法是在分谐波基础之上增加了一个注入谐波的自由度而来的。它注入的是零序分量vzero和调制波的表达式如式(1)—式(4)所示: 式中:va=masin(2πfm+Φ); ma为幅度调制比。 这种方法的原理如图2所示。这种控制方法的最大调制比可以达到1.15,由于每相的调制波都注入谐波,因此它只能用于三相系统中。 3 载波和调制波相移角Φ对开关次数的影响 TolbertLeonM研究了载波和调制波相移角同频率调制比mf之间的关系,得出了关于相移角对开关次数影响的三条规律[3]: 1)如果频率调制比mf为16的倍数的时候,载波和调制波之间的相移对一个周期内总的开关次数没有影响,即开关次数不受Φ的影响; 2)如果载波频率mf是偶数的时候,一个调制周期内,最大的开关次数是2mf。开关次数Nsw=2mf-2j(其中j=0,1,2,3,j的具体值取决于mf); 3)如果载波频率mf是奇数的时候,一个调制周期内,开关的最大次数是可以大于2mf,开关次数Nsw=2mf-2j(其中j=0,%26;#177;1,%26;#177;2,j的具体值取决于mf)。 通过适当选择频率调制比、幅度调制比和相移角,则开关次数可以减少35%。 4 仿真研究 为了研究SFOPWM方法注入的零序分量特点和SFOPWM方法的特性,建立了主电路结构同图1的仿真模型。图3是幅度调制比ma=0.9和1.1时候的调制波和注入的零序分量。从图3可以看出,SFOPWM方法的调制波是3次三角波,其幅值与调制比ma有关系。图4是开关频率fc=10kHz时输出的相电压、线电压波形。 5 实验结果 为了验证仿真结果和SFOPWM的特点,建立了实验模型,其中开关管采用IRF840,二极管采用MUR860,开关频率为10kHz。图5是幅度调制输出的相电压、线电压波形,图6是经过简单LC滤波后的波形(其中滤波电感L=1mH,滤波电容C=1μF)。 6 结语 开关频率最优化(SFOPWM)方法由于注入零序的三次三角波,调制比最大可以达到1.15;另外通过适当选择载波和调制波之间的相移可以减少开关次数,从而减少开关损耗。实验和仿真结果都验证了SFOPWM方法的特点。中点箝位型三电平特殊结构,为PWM控制方法提供了更多的自由度,SFOPWM方法只是其中之一,研究这些自由度可以获得工作特性更好的PWM方法。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200703/12441.html
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