技术中心

自主研发,专业化、本地化支持服务

电力电子基础知识

一、SPWM应用和原理解析



应用实例:三相两电平桥逆变器

下图是两电平桥SPWM电路的结构图。该电路采用两电平、三桥臂的主电路模式,采用IGBT作为开断元件,采用二极管构建旁通回路,通过调制SPWM的脉冲控制信号,分别来控制桥式电路中IGBT的通与断,改变电路的拓扑和更新电路状态。

20200520-1002.png

两电平桥SPWM结构

 


SPWM调制的基本原理:

SPWM调制的基本原理是把正弦调制波与三角形载波进行比较:

当正弦波大于三角波时,给上桥臂导通信号,给下桥臂关断信号;

当正弦波小于三角波时,给上桥臂关断信号,给下桥臂导通信号;

这样就可以得到脉冲宽度按正弦规律变化的和正弦波等效的PWM波形,也称为SPWM(Sinusoidal PWM),下图具体展示如何通过参考波与三角载波比较来生成上桥臂的PWM脉冲。


20200520-1003.png

 

SPWM相关概念

调制比(m):指的是参考正弦波的幅度与三角载波幅度的比值,对于SPWM调制来说,逆变生成的基频电压波形的幅度与调制比m和直流电压Vdc有如下的关系:

20200520-1013.png

死区: 对于电压源型的逆变电路,上下桥臂的开关命令是互补的。由于实际的开关器件不是理想的,不能瞬时关断,为了避免上下桥臂的开关器件同时导通,烧坏器件。 需要把每个管子的开通命令稍微延迟一段时间再发出,这个时间也常常被称为死区时间。

 

二、SVPWM 原理解析



空间矢量调制方式,简称SVPWM,是一种非常常见的三相电压源变流器PWM控制方式。和SPWM相比,SVPWM可以有效提高DC母线电压利用率,降低交流侧电压的谐波率等。然而,SVPWM需要更多的计算。

 

SVPWM基本原理:

  • 将参考正弦电压信号看作一个旋转矢量。

  • 当上桥臂导通下桥臂关断的时候,将状态标记为1。对于三相电压源变流器来说,有8个开关矢量,即(000),(100),(110),(010),(011),(001),(101),(111)。

  • 六个矢量 (100),(110),(010),(011),(001),(101)将空间平面分割成6个扇区。一个参考电压向量可以看成两个相邻的开关矢量的线性叠加。

20200520-1004.png

 

当参考向量落在扇区1时:

20200520-1014.png

V1代表矢量(100);V2代表矢量(110);

上桥臂开关状态描述如下:

20200520-1005.png

20200520-1015.jpg

 

三、NPC 三电平桥PWM 脉冲发生



应用实例:NPC型三电平桥变流器

经典NPC型三电平桥变流器,其电路组成同样为IGBT模块,同时加入了钳位二极管,具体电路模型如上图。工作过程中,根据电压的极性和电流的极性,结合控制策略,控制IGBT开关的动作,以达到变流器的工作要求。

20200520-1006.png


PWM调制的基本原理:

NPC型三电平桥常用PWM的脉冲发生方法为 Phase-Disposition SPWM。

对于NPC型变流器,以A相为例,S1和S3两个IGBT开关方式互补,S2和S4两个IGBT开关方式互补。为达到控制要求,需要将两组switch对应的三角波进行上下平移,和同一个参考波进行比较,生成控制IGBT动作的开关信号。具体工作方式如下:

20200520-1007.png

这样就可以得到脉冲宽度按正弦规律变化的和正弦波等效的PWM波形,如下图所示:

20200520-1008.png


四、H桥单极性脉冲发生



应用实例:H桥变流器单极性脉冲发生

下图为一H桥变流器结构,可以将H桥理解为两个半桥的叠加,S1和S2为一组,S3和S4为1组。

20200520-1009.png

当S1和S4导通,S2和S3阻断时,VPN=+Vc;

当S2和S3导通,S1和S4阻断时,VPN=-Vc;

当S1和S3导通,S4和S2阻断(S4和S2导通,S1和S3阻断)时,VPN=0。

为达到以上三种工作状态,对于H桥各IGBT的控制策略按照如下图右的方式。即:对参考波进行求反,和相同的三角波进行比较,将通断信号分别输送给S1、S2、S3、S4,即可达到控制要求。

相比于半桥型变流器,H桥型变流器对DC母线电压的利用率更高,可以输出的交流波形峰值Vpeak=Vc,但与此同时,需要的IGBT开关个数相较于半桥型变流器增多了1倍。

工作原理如下图所示:

 20200520-1010.png


五、Phase Shift PWM



应用实例:单相MMC背靠背拓扑

近年来,随着MMC结构的问世和普遍应用,Phase Shifted PWM(PS-PWM)开始成为必须的PWM调制方式。由于MMC结构开关器件多,控制逻辑复杂,SVPWM在MMC结构中的应用相较于PSPWM已显现出明显的不足。例如,逻辑复杂,计算量大,对控制器要求高等。

下图为一单相MMC背靠背结构,由图可知,每个MMC的上下桥臂上各有相同的多个子模块,通过级联方式连接在一起。从子模块的结构可知,每一个子模块可以输出的电压V=Vc 或 0。

20200520-1011.png

 

PS-PWM调制的基本原理:

由以上介绍的SPWM可知,对于单独一个子模块的调制,可以得到Vc和0两个电平。为使整体MMC结构正常工作,得到需要的正弦电压波形,需要对MMC同一桥臂的各子模块按移相PWM进行控制。

 

5-level的MMC 一个桥壁有4个子模块;PSPWM调制方式所示,一共有4个三角波,每个三角波相位相差90度; 每个子模块对应一个三角波;这四个子模块对应同一个参考波,参考波和对应三角波比较去控制子模块的IGBT的开通和关断,最终产生了阶梯状的类正弦电压波形。

20200520-1012.png

热点内容
热点内容

关注远宽能源公众号

电话:(+86) 021-65011357
邮件:info@modeling-tech.com
上海办公室:上海市杨浦区隆昌路619号城市概念2号楼C12室
武汉办公室:湖北省武汉市武昌区友谊大道2号2008新长江广场A座906室