三相三电平独立双输出变换器及其载波PWM调制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换装置技术领域，具体地说，是一种三相三电平独立双输出变换器及其载波PWM调制方法。

背景技术

如今，多电平逆变器已经得到了一定的发展，但其大多只能将输入的直流电变换输出一组三相交流电。随着工业生产领域和日常生活中电机驱动的大量使用和发展，只有一组输出的变换器已经逐渐不能满足在如风力发电系统、电动汽车、轨道机车牵引等需要双交流的领域使用，大量的研究逐渐趋向于如何用一台独立的电力变换器去供多台用电设备使用。为此有学者曾提出了几种两电平、三电平双输出变换器结构，但两电平变换器不能很好地应用于高压大功率场合，现有的三电平变换器也大多存在拓扑结构复杂、两个输出端电压受限制的问题。为此提出一种三相三电平独立双输出变换器及其载波PWM调制方法，三电平逆变器不仅可以更好的应用于高压大功率场合，且相对于两电平逆变器，其开关承受的电压应力更低，输出波形更接近于正弦波。所提出的三相三电平独立双输出变换器具有较大的直流链路电压利用率，并且所提出变换器的电压冗余状态增多，提高了电压增益。所使用的载波PWM调制方法，该调制方法简单易实现，具有更低的谐波畸变率和更高的效率。

发明内容

本发明的目的是，针对双交流输出领域所需要的高压大容量变换器的问题，提出一种结构合理，成本低，用途广泛的三相三电平独立双输出变换器的拓扑结构，并提供科学合理、适用性强、效果佳的载波PWM调制方法。

实现本发明目的之一采用的技术方案是，一种三相三电平独立双输出变换器，其特征在于：它包括1个直流输入电源V

所述开关模块均由一个绝缘栅双极晶体管T

直流输入电源V

开关模块S

开关模块S

开关模块S

三相阻感负载Z

实现本发明目的之二采用的技术方案是，一种三相三电平独立双输出变换器的载波PWM调制方法，其特征在于，它包括以下内容：

(1)设置三相三电平独立双输出变换器A相、B相和C相桥臂均相同的开关模块数量和合理开关状态，即每相桥臂具有8个开关模块共有12种合理开关状态，对于A相：

开关状态1：开关模块S

开关状态2：开关模块S

开关状态3：开关模块S

开关状态4：开关模块S

开关状态5：开关模块S

开关状态6：开关模块S

开关状态7：开关模块S

开关状态8：开关模块S

开关状态9：开关模块S

开关状态10：开关模块S

开关状态11：开关模块S

开关状态12：开关模块S

(2)采用载波PWM调制，使用两条三角载波u

使用两组调制波u

第二组调制波u

其中，m

调制波u

①若u

②若u

(3)定义两组交流输出A相与B相之间线电压幅值分别为U

(4)结合步骤(1)-(3)的分析结论和12种合理开关状态，进一步分析生成各个开关模块驱动信号的逻辑运算；驱动信号的值为1，表示该开关模块开通；驱动信号的值为0，表示该开关模块关断；

将第一组调制波u

将第二组调制波u

将第一组调制波u

将第二组调制波u

由信号e

e

由信号e

e

根据所述信号e

①在开关状态(P，P)、开关状态(P，O)、开关状态(P，N)、开关状态(O，P)和开关状态(N，P)这5种开关状态下，开关模块S

s

②在开关状态(P，P)、开关状态(P，O)、开关状态(P，N)、开关状态(O，N)、开关状态(O

s

③在开关状态(O，P)、开关状态(N，P)、开关状态(N，O)、开关状态(N，N)、开关状态(O

s

④在开关状态(P，N)、开关状态(O，N)、开关状态(N，P)、开关状态(N，O)和开关状态(N，N)这5种开关状态下，开关模块S

s

⑤在开关状态(P，P)、开关状态(O，P)、开关状态(N，P)、开关状态(N，O)、开关状态(O

s

⑥在开关状态(P，O)、开关状态(P，N)、开关状态(O，N)、开关状态(N，N)、开关状态(O

s

⑦在开关状态(O，N)、开关状态(N，O)、开关状态(N，N)、开关状态(O

s

⑧在开关状态(P，P)、开关状态(P，O)、开关状态(O，P)、开关状态(O

s

其中，AND为逻辑“与”运算符号，OR为逻辑“或”运算符号；

(5)通过步骤(1)-(4)能够获得所述三相三电平独立双输出变换器24个开关模块的驱动信号，完成载波PWM调制，使三相三电平独立双输出变换器输出两组频率、幅值皆可调的三相三电平交流输出。

本发明的一种三相三电平独立双输出变换器及其载波PWM调制方法具有的效果是：

1.本发明的一种三相三电平独立双输出变换器应用于双交流领域，能够使一组直流输入电压经过逆变电路输出两组频率、幅值皆可调的三相交流电压，其结构合理，成本低，用途广泛；

2.三电平变换器相较于两电平变换器，不仅可以更好地应用于高压大功率场合，且其单个开关承受的电压应力更低，输出波形更接近于正弦波；

3.本发明的一种三相三电平独立双输出变换器具有较大的直流链路电压利用率，并且电压冗余状态增多，提高了电压增益；

4.所使用的载波PWM调制方法简单易实现，具有更低的谐波畸变率和更高的效率，其科学合理、适用性强、效果佳。

附图说明

图1为本发明的一种三相三电平独立双输出变换器拓扑结构图；

图2为开关状态1的原理图；

图3为开关状态2的原理图；

图4为开关状态3的原理图；

图5为开关状态4的原理图；

图6为开关状态5的原理图；

图7为开关状态6的原理图；

图8为开关状态7的原理图；

图9为开关状态8的原理图；

图10为开关状态9的原理图；

图11为开关状态10的原理图；

图12为开关状态11的原理图；

图13为开关状态12的原理图；

图14为调制波与载波比较示意图；

图15为生成驱动信号的逻辑运算图；

图16为第一组交流输出三相电流波形图；

图17为第二组交流输出三相电流波形图；

图18为第一组交流输出线电压和第二组交流输出线电压波形图；

图19为第一组交流输出阻感负载三相电压波形图；

图20为第二组交流输出阻感负载三相电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参照图1，本发明的一种三相三电平独立双输出变换器包括：1个直流输入电源V

开关模块S

三相阻感负载Z

如图1所示，通过对开关模块施加合理的驱动信号，本发明的一种三相三电平独立双输出变换器可实现将单个直流输入电压变换为两组频率、幅值皆可调的三相交流电压。

参照图1-图14，本发明的一种三相三电平独立双输出变换器的载波PWM调制方法，包括以下内容：

(1)设置三相三电平独立双输出变换器A相、B相和C相桥臂均相同的开关模块数量和合理开关状态，即每相桥臂具有8个开关模块共有12种合理开关状态，对于A相：

开关状态1：开关模块S

开关状态2：开关模块S

开关状态3：开关模块S

开关状态4：开关模块S

开关状态5：开关模块S

开关状态6：开关模块S

开关状态7：开关模块S

开关状态8：开关模块S

开关状态9：开关模块S

开关状态10：开关模块S

开关状态11：开关模块S

开关状态12：开关模块S

(2)三相三电平独立双输出变换器采用载波PWM调制，使用两条三角载波u

使用两组调制波u

第二组调制波u

其中，m

调制波u

①若u

②若u

(3)为了达到对两组三相交流输出的精准控制，定义两组交流输出A相与B相之间线电压幅值分别为U

(4)结合步骤(1)-(3)的分析结论和12种合理开关状态，进一步分析生成各个开关模块驱动信号的逻辑运算；驱动信号的值为1，表示该开关模块开通；驱动信号的值为0，表示该开关模块关断；

将第一组调制波u

将第二组调制波u

/>

将第一组调制波u

将第二组调制波u

由信号e

e

由信号e

e

根据所述信号e

①在开关状态(P，P)、开关状态(P，O)、开关状态(P，N)、开关状态(O，P)和开关状态(N，P)这5种开关状态下，开关模块S

s

②在开关状态(P，P)、开关状态(P，O)、开关状态(P，N)、开关状态(O，N)、开关状态(O

s

③在开关状态(O，P)、开关状态(N，P)、开关状态(N，O)、开关状态(N，N)、开关状态(O

s

④在开关状态(P，N)、开关状态(O，N)、开关状态(N，P)、开关状态(N，O)和开关状态(N，N)这5种开关状态下，开关模块S

s

⑤在开关状态(P，P)、开关状态(O，P)、开关状态(N，P)、开关状态(N，O)、开关状态(O

s

⑥在开关状态(P，O)、开关状态(P，N)、开关状态(O，N)、开关状态(N，N)、开关状态(O

s

⑦在开关状态(O，N)、开关状态(N，O)、开关状态(N，N)、开关状态(O

s

⑧在开关状态(P，P)、开关状态(P，O)、开关状态(O，P)、开关状态(O

s

其中，AND为逻辑“与”运算符号，OR为逻辑“或”运算符号。

根据以上分析，能够获得生成功率开关驱动信号的逻辑电路，如图15所示，图中符号

(5)通过步骤(1)-(4)能够获得所述三相三电平独立双输出变换器24个开关模块的驱动信号，完成载波PWM调制，使三相三电平独立双输出变换器输出两组频率、幅值皆可调的三相三电平交流输出。

为了验证本发明的一种三相三电平独立双输出变换器载波PWM调制方法的有效性，通过MATLAB/Simulink搭建仿真电路。仿真参数如下：开关频率10kHz，直流电源V

仿真结果如图16-图20所示，图16为第一组交流输出三相电流波形图，电流波形为三相对称正弦波，电流幅值为4.3A左右；图17为第二组交流输出三相电流波形图，电流波形为三相对称正弦波，电流幅值为3.8A左右；图18为第一组和第二组交流输出线电压u

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式是示意性的，而非限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨的情况下，还能够做出其它形式，这些均属于本发明的保护之内。