麻省理工电力电子课程笔记(关于dc-ac逆变部分)

来自麻省理工的课程笔记,关于电力电子逆变部分

MIT电力电子课程笔记

D.Perreault

DC/AC逆变器

复习傅立叶变换

将一个周期信号分解为一系列正弦、余弦信号的和（或一系列复数指数的和 ）。

bf(t)=0+

2

∑[a

n=1

∞

n

sin(nωt)+bncos(nωt)

]

系数的计算方法如下：

2

f(t)sin(nω0t)dt∫TT2

bn=∫f(t)cos(nω0t)dt

TTan=

一些特殊的波形有以下的特性：偶函数

x(t)=x(-t)

不含有sin相，an=0

因为an的计算是对一个偶函数与一个奇函数sin的积的积分，结果等于零。奇函数

x(t)=-x(-t)

不含有cos相，bn=0

因为bn的计算是对一个奇函数与一个偶函数cos的积的积分，结果等于零。关于原点对成的函数

x(t)=x(t-T2)

没有偶数次谐波分量a2n=0、b2n=0。

因为a2n、b2n的计算中前半部分和后半部分互相抵消。逆变器的结构

来自麻省理工的课程笔记,关于电力电子逆变部分

目标：使用直流电源生成交流波形输出。

可以通过开关桥臂实现：

如果负载或滤波器是电阻性的或电感性的，输出电流滞后于输出电压，所以开关必须要截止反向电压而导通双向电流。

以下是使用MOSFET

和反并联二极管的实现方案：

假设我们需要合成一个正弦电压可编程的PWM（KSV教程8.2节）

第一种：最简单的正弦波近似方法是让每个开关在一个周期内通断一次。（允许的开关频率

受到能量损耗的限制。）

从上图可以看到，奇次波形（在本例中合成正弦波），所以没有cos相；同时又是半波对称波形，所以没有偶数次谐波；这是很好的，所以：

VX=

n为奇数

∑

Vnsin(nωot)

当δ=0时，

VX=

4Vdcπ1

sin(nωot)∑nn为奇数

输出电压中含有基波以及3次、5次、7次等谐波分量。如果通过输出滤波器将谐波滤除：

来自麻省理工的课程笔记,关于电力电子逆变部分

VL的波形较VX更“纯正”，但是低次谐波是很难滤除的，因为它们的频率与基波太接近。通过调节δ，可以控制基波和谐波的幅值。1．基波的控制（

VX=

n为奇数

∑

Vnsin(nωot)

只含有奇数次谐波）

V1=

2Vdcπ

∫

π δδ

sin( )d =

2Vdc

[cosδ cos(π δπ

)]=

4Vdc

cosδπ

通过调节δ我们可以调节基波的幅值，这在控制中是很有用的。2．我们还可以控制谐波的幅值（三次谐波是最低次的非零谐波）

2Vdc

V3=

π

∫

π δδ

sin(3 )d =

2Vdc

[cosδ cos(π δπ

)]=

4Vdc

cos3δ3π

如果选取δ=π6（30度），就可以消除三次谐波！！

通过适当的选择δ值可以消除三次谐波（但是不能与基波的幅值独立控制）。三次谐波的消

除使得五次谐波是最低次谐波，方便滤波器的滤除以得到期望的正弦波。

我们还可以使用抑制谐波的可编程PWM法进一步地减小谐波。该方法通过引入适当的notches来消除指定的谐波。n次谐波可以表示为：

Vn=

2

f(t)sin(nω0t)dt∫TT

对n次谐波进行积分，如果正的区域与负的区域相互抵消，就得到Vn=0。

通过引入notches，使得在不影响消除3次谐波的同时消除5次谐波。（详见下页的例子。）一般的，消除特定谐波的可编程PWM：

1．可以在半个周期内消除一种谐波；2．消除的谐波次数越高，开关频率越高；

3．实际上Vx的的谐波成分增加了，只是低频谐波减小，有利于滤波器的设计；4．开关动作的时间必须很精确（需要使用微控制器）。

来自麻省理工的课程笔记,关于电力电子逆变部分

谐波消除

方法：加入一个经过移相的波形，以消除指定次数的谐波。

来自麻省理工的课程笔记,关于电力电子逆变部分

如果x(t)=

∑∑

Ansin(nω0t+Φn)，则Ansin(nω0(t t1)+Φ

n

x(t t1)=

)=∑

Ansin(nω0t+Φn nω0t1)

可以发现，如果我们基波平移一个角度 θ`1= ωot1，就可以将n次谐波平移

θ`n=Αθ1

如下图所示，基波相移了36度（±18度），则5次谐波相移了180度（±90

度）。

将2个波形相加，因为两组波形的5次谐波反相，相互抵消，所以最终波形中不含有5次谐波。

注意，这种办法也适用于消除电流谐波，也适用于直流输出的变换器。举

例如下：

来自麻省理工的课程笔记,关于电力电子逆变部分

在这种情况下，我们需要消除基波分量。

从上图可知，基波减小了T/2（2fsw）。对于N个变换器合成的情况，纹波频率上升，峰－峰值下降。

这是一种很经典的方法。详见Miwa, et. al, 1992 IEEE Applied Power Electronic Conf., pp 557-568（这是一篇综述）；Chang, et. al, IEEE Trans. Circuit and System, vol 42, No. 5, may 1995, pp 245-251；Perreault, et. al, IEEE Trans. Circuit and System I, vol 46, No. 10, OCT. 1999, pp 1264-1274。

还存在其他减小谐波的方法多

电平变换器

中性点嵌位变换器（1983年由Nabaa发明）

三电平变换器

1．在大功率的场合很流行；

2．可以推广到更多电平（大于等于7电平）的场合。

来自麻省理工的课程笔记,关于电力电子逆变部分

这中结构可以产生三种输出电平：0，Vdc/2，Vdc。它可以像第83页中介绍的那样达到消除谐波的目的。另外，83页中介绍的变换器又称为虚拟的多电平变换器（因为它只使用了一

个三相桥）。

三电平变换器的每一个开关管都只需要承受Vdc/2的电压，所以Vdc可以大于每个开关管所能承受的电压等级。

三角波正弦PWM

如果开关在一个周期内通断很多次，就可以实时地合成任意

波形。

如果需要让<VX>跟随参考值Vref的变化，在一段时间内大于零，另一段时间内小于零，我

们可以使用如下的方法：

当Vref>0时（如正半周期），将S3关断、S4闭合，调节S1和S2，其中S1的占空比等于

d(t)=

Vref(t)Vref(t)

1 d(t)=

Vdc，S2的占空比等于Vdc。

当Vref<0时（如负半周期），将S1关断、S2闭合，调节S3和S4，其中S3的占空比等于

d(t)=

ref(t)Vdc

，S4的占空比等于1 d(t)=

ref(t)Vdc

。

在正半周期内，

来自麻省理工的课程笔记,关于电力电子逆变部分

为了实现调制功能，使用三角

波作为载波：

Vref

<q(t)==d(t)，所以VX的平均

值等于： ,pk，则在一个开关周期内，只要ref

V ,pkX

Vref= Vdc

V ,pk

实现这一功能的电路

如下：

对于正弦参考电压Vref(t)，V ,pk

=1

来自麻省理工的课程笔记,关于电力电子逆变部分

K=

Vref,maxVdc

定义为调制深度。通过变化K值大小，我们可以改变基波电压的幅值。

当0<K<1时，x

=KVdcsin(wt)

当K>1时，x≠KVdcsin(wt)，因为周期中有些部分Ksin(wt

)>1

这块区域成为过调制 …… 此处隐藏：4431字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……