本科毕业论文---三相四桥臂逆变电源的设计论文.doc

浦江学院 2015 届毕业设计（论文） 题 目：三相四桥臂逆变电源的设计 专 业：电气工程及其自动化 班 级：浦电气1105 姓 名：张杨 指导老师：梅磊 起讫日期：2015-012015-06 2015年6月三相四桥臂逆变电源的设计摘要传统的三相逆变电源采用三桥臂结构，但是在不对称负载情况下，三相输出电压会产生负序分量和零序分量，这些因素会干扰系统的输出效果，造成系统三相电压输出不对称。为了抑制这种不对称的情况，本文引用了三相四桥臂拓扑结构。三相四桥臂逆变电源可以在三相负载不对称时保持三相输出电压的对称输出，且具有系统容量小成本较低的优点。本文通过建立三相四桥臂逆变电源的数学模型，由数学模型可以得到输出电压和电感电流等各个变量之间的关系，从而实现对输出电压的控制。本文构建了基于瞬时对称分量法下四桥臂逆变器的平均模型，该逆变器在带三相不平衡负载的情况下，可以提供三相对称电压。三相电压和电流通过瞬时对称分量法可以分解为瞬时的正序、负序和零序分量，并在各自的参考系中转变成直流信号，再分别加以PI控制。同时本文给出了控制器设计的详细推导和软件实现方法。关键词：三相四桥臂逆变电源，数学模型，对称分量，三相对称电压IThe Design of Three-phase Four-leg InverterAbstract Conventional three-phase inverter adopts three-leg topology. But when the loads are unsymmetric, undesired components of negative sequence and zero sequence which come from three-phase output voltages will cause unsymmetric output in system. For the sake of suppressing the asymmetry, a three-phase four-leg inverter which is proposed in this paper can ensure the three-phase symmetrical outputs when the loads are unsymmetric, in addition it has the advantage with smaller capacity and lower cost. This paper establish four bridge three-phase inverter arm of the mathematical model, the model can get four bridge three-phase inverter arm of the output voltage and current, inductance of the relationship between the different variables, so it can realize the output voltage control.The thesis have built average models of a four-leg inverter based on the symmetrical components, and proposed a improved control strategy. Symmetrical components of three-phase voltage and current are decomposed into DC quantities which can be controlled by PI in their respective reference systems. This paper describes the detailed derivation of controller design and software implementation.Keywords: four-leg three-phase inverter，mathematical model，symmetrical components，The three-phase symmetrical voltage II目 录摘要IABSTRACT II 第一章 绪论11.1本课题研究背景以及研究意义21.2本课题的研究现状3 1.2.1 具有带不对称负载能力的三相逆变电源4 1.2.2 三相四桥臂逆变电源研究现状51.3本课题的主要研究内容6第二章 三相逆变器的数学模型72.1在ABC静止坐标系中建立三相三桥逆变器的数学模型82.2在ABC静止坐标系中建立三相四桥臂逆变器的数学模型92.3三相四桥逆变器在dqo旋转坐标系中的数学模型102.4本章小结11第三章 三相四桥臂逆变电源的控制策略12 3.1 对称分量法的理论与实现方法133.2 正负零序分量的平均模型143.3 正序、负序和零序分量的控制策略153.4 系统仿真实验163.5 本章小结17第四章 三相四桥臂逆变电源系统的硬件设计184.1 三相四桥臂逆变电源系统的总体设计19III4.2 三相四桥臂逆变电源系统的硬件设计204.2.1 功率主电路设计214.2.2 LC滤波电路和控制电路设计224.2.3 实验结果波形及分析23 4.3 本章小结24结语25参考文献26致谢27IV第一章 绪论1.1本课题研究背景以及研究意义 随着世界经济的快速发展，地球上的石油煤矿等一次性能源已被人类消耗殆尽。能源危机的出现迫使人们把目光转向了大力开发太阳能、风能、潮汐能等绿色新能源，发展分布式发电。但是在一般情况下，太阳能发电装置和风能发电装置输出的电能形式为直流电，需要将其进行 DC/AC 变换输出稳定的交流电才能接到电网，这些转化电能的过程中都离不开逆变电路。它的的应用非常广泛，在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。三相四桥臂技术1在各种高质量、高效、高可靠性的电源中起关键作用，是现代电力电子技术的具体应用。当前，电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础，正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。在不远的将来，电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用，实现高效率和高品质用电相结合。三相逆变技术是逆变装置的关键技术，在实际情况中，系统的负载大多为不对称负载，三相逆变现在面临的关键技术在于解决三相逆变器输出电压的对称性(幅值对称和相位对称)及其带不平衡负载的能力。而传统的三相逆变器在不对称负载情况下无法输出对称电压，这时人们就提出了用三相四线输出。如果采用在传统的三相桥式逆变器的基础上增加一个桥臂用来形成中点的三相四桥臂电路拓扑结构，这种三相四桥臂拓扑结构可以方便地实现具有调压功能的三相四线输出，并且具有较高的直流利用率，且控制方法可以比较容易地移植到现有的数字变换器平台上，有较好的发展前景。 目前三相四桥臂逆变电源在电气工业领域有十分广阔的应用前景和重大的现实研究意义，以下为其典型应用1：(1)分布式发电系统，例如风力发电，光伏发电，燃料电池储电装置，这些装置可以以独立方式或者在并网模式下运行，这些分布式电能发电装置一般采用带中线连接的四桥臂逆变电源来提供三相输出；(2)应用有源电力滤波器（APF）的四桥臂逆变电源，通过中性点控制来补偿谐波电流，对于减小电网谐波、清洁电能有着重要的意义；(3) 三相PWM逆变电源，利用第四桥臂来处理电压畸变率（THD）和不平衡问题。1.2 本课题的研究现状1.2.1 具有带不对称负载能力的三相逆变电源 三相三桥臂的逆变电源在带三相不对称负载的情况下，为了达到逆变电源能够输出稳定、对称的正弦波要求，主要有以下几种三相四线制连接形式： （1）采用带NFT的三相逆变电源 三相桥式逆变器的电路结构简单，采用的器件少，功率管承受母线电压。但是为了得到三相四线制的输出电压来提高逆变器带不平衡负载的能力，必须在输出端增加中点形成变压器(Neutral Formed Transformer，简称为 NFT)，构成了应用中点形成变压器 NFT 的三相逆变器-自耦变压器结构，如图 1-1 所示。其铁心为三相芯式铁心，以减小零序阻抗，变压器绕组采用曲折接法。图1-1 采用带NFT的三相逆变电源 （2）采用 /Y接法的三相逆变电源 为了消除输出电压中的零序分量，在三相三桥臂逆变电源和三相负载之间加一个/Y接法的变压器，变压器原边为型，次级接成Y型，这样可以给不对称负载产生的零序电流提供了通路，所以这种电路拓扑在三相负载不对称的情况下可以输出对称的电压。但因为变压器工作在工频，导致系统体积重量偏大，成本较高。相应的控制方案可以采用同步旋转坐标系下单PI调节器，但是它不能消除负序电压静差，逆变电源的电路连接原理图如图1-2 所示。图1-2 采用 /Y接法的三相逆变电源（3）采用分裂电容的三相逆变电源它有结构简单、功率器件较少等特点。利用电源输入端的两个串联电容的中点，作为三相输出的共地端，可构成三相四线制的输出，如图1-3所示。图1-3 分裂电容三相四线逆变器 这时，为了防止中点电位的偏移，串联电容的容值必须很大，使逆变器的体积和重量增加，而且当功率较大时或者缺相情况下，电容存在偏压的问题。而且其直流利用率明显偏低，输出相电压峰值最高也只有直流母线电压的一半。（4） 组合式三相逆变电源组合式三相逆变器电路结构如图2-4 所示，它是由三个单相逆变器组合而成，通过三个单相变压器耦合成三相电路。每相逆变器相互独立，只要控制三相基准正弦波互差 120，将三台输出的地连接在一起作为中线，就可以实现三相四线制的输出，它不但具有极强的带不平衡负载能力，且每相还可以分别控制，具有控制简单、易实现模块化结构、在线热更换和 N+1 个模块冗余技术等特点，提高了系统可靠性。这种方法比较适合于大功率输出场合，缺点是采用的开关管太多，而且输出需要三个单相变压器。图1-4 组合式三相逆变电源 （5）三相四桥臂逆变电源 三相四桥臂逆变器是在传统的三相桥式逆变器的基础上增加了一个桥臂，该桥臂的作用是形成中点，这样通过增加一个桥臂来直接控制中性点电压，并且产生中性点电流流入负载，这就增加了一个自由度，使三相四桥臂对逆变电源可以产生三个独立的电压，从而使其有在不平衡负载下维持三相电压的对称输出的能力。其结构如图1-5所示。这种电路拓扑具有较高的直流利用率，并且直流输入电容较小；减小不平衡负载时三相输出的不对称度；逆变器的输入端采用谐振直流环节时，四个桥臂的功率管均可实现零电压开关。虽然该逆变器的控制比较复杂，但仍是目前研究的一个热点。本课题最后选定三相四桥臂逆变器的拓扑结构。图1-5 三相四桥臂逆变电源三相四桥臂逆变拓扑是近年来研究比较广泛的一种逆变拓扑结构。具有三个自由度，可以产生三个独立的电压，从而使其有能力在不平衡负载下维持三相电压的对称输出，有效的处理零序电流和电压。具有电路形式简单、体积小、电压利用率高、直流输入电容小等突出优点。1.2.2 三相四桥臂逆变电源研究现状 目前可检索到的最早的三相四桥臂逆变器应用见于1979年，用于由晶闸管构成的三相电流源逆变器的换流2。1992年 Quinn. C. A.等学者提出将三相四桥臂变换器应用于 APF 处理零序谐波分量问题，同年 Bou Rabee 等学者提出了电流源三相四桥臂逆变器3。1993年，在4中第一次提到采用脉冲密度调制策略的电压源三相四桥臂逆变器，用于400Hz航空电源输出级，并且提出了逆变器输出滤波电感电容的设计方案。1994年,在5提出三相四桥臂逆变器用于永磁电机的驱动。1996年，在6中提出利用三相四桥臂逆变器消除共模噪声。1997 年Richard Zhang 提出了三相四桥臂逆变器的三维空间矢量调制方案7，推动了三相四桥臂逆变器的实用化研究。进入 21 世纪后，关于三相四桥臂逆变器的研究日益得到各国学者的重视，这加速了三相四桥臂逆变器在电力电子各个领域中的应用，除了上面提到的三相四桥臂逆变器和三相四桥臂APF之外，还包括三相四桥臂PWM 整流器8、无功功率发生器9及改善电机运行可靠性10等。进入21世纪后，三相四桥臂逆变电源逐渐在科技领域得到了广泛关注和研究，同时在电力电子技术行业和电气行业等相关领域中也得到了充分的应用与蓬勃的发展。 我国的三相四桥臂逆变电源设计的研究工作，由于受各方面条件的制约，起步较晚，起点较低，但进展较快。传统的三相逆变器解决不了三相负载不对称而要输出对称的电压，因此，在原有的基础上加了第四桥臂的拓扑结构，在加了第四桥臂后，处理不平衡负载时有很多优越的性能但由于多了一个桥臂也使得控制变的比较复杂。我国一些研究学者先后提出了三相四桥逆变器的控制方法主要有对称分量法11、电流环滞环控制12、PWM控制和二维空间矢量控制13和三维空间矢量控制14等。1.3本课题的主要研究内容 本课题主要研究内容分为以下几个方面： 第一章首先简述了本课题的研究背景、研究意义以及研究现状，并由传统的三相四线制逆变电源引出了三相四桥臂逆变电源的拓扑结构。 第二章关于三相逆变器的数学建模与分析。建立了三相三桥臂逆变器和三相四桥逆变器在ABC坐标系和dqo坐标系中的的数学模型，论证了系统的可控性。 第三章给出并分析了四桥臂逆变器基于abc三相静止坐标系下和基于dq0同步旋转坐标系的数学模型；介绍了对称分量法及其实现方法；推导出基于各序分量的dq坐标下平均模型并构建了各序的控制策略；最后进行了系统的仿真实验并给出了仿真波形。 第四章完成了主电路，控制核心电路，保护电路和IGBT驱动电路的设计；完成了系统总体软件设计，中断程序设计和8路PWM波形的实现；最后进行物理实验，开环和闭环实验，给出并分析了相应的波形。第二章 三相逆变器的数学模型建立数学模型是深入在研究和分析三相逆变器的工作原理理及动态和静态特性中建立数学模型是必不可少的手段。，在ABC静止坐标系中建立了三相三桥逆变器和三相四桥逆变器的数学模型、三相四桥逆变器在dqo旋转坐标系的数学模型，为本文的后续章节的研究奠定理论基础。2.1在ABC静止坐标系中建立三相三桥逆变器的数学模型三相三桥逆变器可以直接在ABC静止坐标系中建立数学模型。在ABC静止坐标系中，用三相电流和电压作为变量，不需要进行坐标变换。三相三桥逆变器的主电路如图2-1所示，为了便于分析，假设直流电源E一分为二，中间电位为0。 图2-1 三相三桥臂逆变器三相三桥逆变器只能带三相线性对称负载，也就是说，假设输出电压为v。，负载电流为i0，每相都满足i0=f(v0)，f(x)是线性可微分函数。三个桥臂的中间的电压为vl、v2、v3，输出中点电压为vn，电感电流分别为i1、i2、i3，三相输出电压分别为v01、v02、v03、输出电流为i01 、i02 、i03、滤波器有L1=L2=L3=L、以C1=C2=C3=C。由 （3-1）且io1+i02+i03=0 （3-2）i1+i2+i3=0 （3-3）式（3-1）中三式相加得 （3-4）由（v01+v02+v03）|t=0=0条件可得（v01+v02+v03）=0.由于 （3-5）式（3-5）可写成 （3-6）将式（3-3）和（v01+v02+v03）=0可得v1+v2+v3=3vn, ,从而式（3-6）可写为式（3-7），而式（3-1）可写为式（3-8） （3-7） （3-8）由于 i1+i2+i3=0和v01+v02+v03=0可以知道i1、i2、i3、v01、v02、v03中只有四个独立变量，设为i1、i2、v01、v02，可得 （3-9） （3-10）如果逆变器带阻性负载R，那么i0=f(v0)=v0/R,可得 系统的能控矩阵E=B AB A2B A3B A4B A5B,求解rank(E)=4,则从控制理论的角度知该系统完全可控。利用系统的能控矩阵B AB A2B A3B可以判断系统完全可控18。当负载为感性负载，设负载为电感L0和电阻R串联，系统的状态方程为： 系统的能控矩阵E=B AB A2B A3B A4B A5B,求解rank(E)=6,则从控制理论的角度知该系统完全可控。所以三相三桥臂逆变器是基于数学模型的可控性的控制，在权衡电压、开关损耗、谐波含量等因素的基础上，合理选择V1，V2，V3的过程。2.2 在ABC静止坐标系中建立三相四桥臂逆变器的数学模型 三相逆变器广泛应用于交流电动机的变频调速，或者为感应电热炉提供中频电源，为电子计算机、医用设备等重要装置提供不停电的工作电源。它一般采用三个桥臂的结构。这种结构由于没有中线，所以一般应用于对三相线性平衡负载的供电。 一般场合的电源系统中，负载往往是不平衡，且是变化的，这就要求逆变器形成三相四线输出。本文所研究的四桥臂三相逆变器是在传统的三桥臂结构的基础上增加了一个桥臂，用这个桥臂来构成中线(如图3-2)，从而在负载不对称时省去中点形成变压器，以减小系统的体积和重量。 图3-2三相四桥臂逆变器与三相三桥臂逆变器类似，同样用三相电流和电压作为变量。假设直流电源E一分为二，中间电位为O。三桥臂三相逆变器带三相线性对称负载，所以i1+i2+i3=0为约束条件，由三个桥臂的中间的电压为vl、v2、v3决定三相输出电压v01、v02、v03。而在三相四桥逆变器中i1+i2+i3 0，由vl、v2、v3和第四桥臂的中间的电位v4共同决定三相输出电压v01、v02、v03。由与三相三桥臂逆变器的分析方法类似可得 （3-11） （3-12）式(3-12)中i01=f1(v01), i02=f2(v02), i03=f3(v03)。从公式中可知v1、v2、v3、v4中只要有三个独立变量，就可以对系统的输出进行控制。在、中选择三个独立变量的最简单的方法是让其中的一个变量为确定值。、中的一个为零，比如=0，也可以，但这时、的对称性被破坏了，要求加大输入电容和直流输入电压，所以一般情况下不会采用这种结构，除非在紧急或冗余工作的情况下可以采用。一般常用方法是找到,它们之间的一个关系，这个关系可以是由v1、v2、v3决定v4，也可以是由v4决定v1、v2、v3，同时，这个关系也必须权衡电压应力、开关损耗等因素。本论文将分别介绍了由v1、v2、v3决定v4、，也可以是由v4决定v1、v2、v3的几种控制策略。2.3 三相四桥逆变器在dqo旋转坐标系中的数学模型 三相三桥逆变器只能带三相线性对称负载，v1、v2、v3只有两个独立变量，因此，通过坐标变换，减少变量个数，是三相逆变器控制中经常采用的方法。三相三桥逆变器中没有零序分量，可以采用ABC静止坐标系到dq旋转坐标系的变换。三相四桥逆变器的v1、v2、v3、v4中只要有三个独立变量，就可以对系统进行控制，所以也可以考虑进行类似的变换，三相四桥逆变器中有零序分量，可以采用ABCN静止坐标系到dqo旋转坐标系的变换，在图3-2中，首先定义输出三相电压的中点电位 , ,分别为四个桥臂的开关调制系数，有 （3-13）考虑ABCN静止坐标系到静止坐标系的变换，为了使变换阵为方阵，可以对变量进行增广，即ABCN静止坐标系到z静止坐标系，变量x可以是电压或电流。 （3-14） （3-15）ABCN静止坐标系到静止坐标系的变换 （3-16） （3-17）静止坐标系到dqo旋转坐标系的变换为 （3-18） （3-19）由以上公式可以推出从而ABCN静止坐标系到dqo旋转坐标系的变换 （3-20） （3-21）通过上面的变换，可以将ABCN静止坐标系中的变量变换到dqo旋转坐标系中，由于dqo旋转坐标系中的变量相互正交，没有耦合，可以进行单独控制。这种方法的缺点是要进行坐标系的变换和反变换，计算量较大。2.4本章小结本章介绍了三相三桥逆变器和三相四桥逆变器在ABC坐标系的数学模型，论证了系统的可控性，并分析了三相三桥臂逆变器和三相四桥臂逆变器的可控性。系统的可控性是控制的基础，但具体采用何种控制方案，还必须将直流输入电压要求、输出谐波等因素综合在一起考虑。三相四桥逆变器有四个输入控制变量，但只需要三个独立变量就可以实现对系统的控制，一般常用方法是找到它们之间的一个关系，这个关系可以是由v1、v2、v3决定v4，也可以是由v4决定v1、v2、v3，如何建立四个输入变量之间的关系是以下各章考虑的重点。第三章 三相四桥臂逆变电源的控制策略 3.1 对称分量法的理论与实现方法对称分量法由 Charles L.Fortescue 在 1913 年提出，最初用于分析电动机不平衡运行。现在，对称分量法已广泛的应用于电工领域分析各种不平衡运行的情况。根据对称分量理论，任意不对称的三维矢量、，均可以分解为三组对称的三维矢量之和，三组矢量分别为正序分量、负序分量和零序分量。三相不平衡矢量的分解情况，如图2-7所示：图中 、 、是正序分量、 是负序分量 、 是零序分量。图3-1对称分量法图2-7中各项矢量存在的数量关系如式1-1 (3-1)图2-7中正序、负序、零序系统内各矢量间的关系如式1-2 所示。 （3-2）其中，算子。假设原始系统各矢量是逆时针旋转的，通过对称分量法得到的正序分量、负序分量中的各个矢量仍然是逆时针旋转的，但是正序、负序分量中各矢量合成的系统矢量分别是逆时针、顺时针旋转的。零序分量中各矢量不旋转。3.2 正负零序分量的平均模型 为了方便分析研究模型，下面采用的是平均模型。上述的系统模型因为有开关管的存在，所以还是一个非线性的模型，分析不方便并且仿真时间长。假设开关频率远远大于输出交流信号的基波频率，那么可以忽略电压和电流的纹波，从而建立平均模型。三相四桥臂逆变器的平均模型如图3-2所示。图3-2 三相四桥臂逆变器的平均模型 如图3-2所示，逆变器输出三相相电压可以看成是电流型控制电压源，daf、dbf、dcf是等效电压源的占空比。逆变器输出三相相电压可以表示成式（3-3): （3-3）根据能量传输关系可以得到直流侧电流和逆变器输出三相电流的关系: (3-4)根据图（3-2）可以得到平均模型的电压方程：（3-5） 图3-2是由系统模型转变过来的平均模型，输出电压和电流都含有正序分量、负序分量和零序分量。下面将依次来分解平均模型，研究各序分量的平均模型并解决解耦问题。 分解平均模型之前，先写出逆变器输出三相相电压、逆变器输出三相电流和三相负载电压的对称分量表达式，如式(3-6)、(3-7)、(3-8)所示。式子右边项依次是正序分量、负序分量和零序分量。 （3-6) （3-7） （3-8）3.2.1正序分量的平均模型 正序分量下，第四桥臂上的电流in为零。那么，正序分量下的相电压方程如(4-26)所示： (3-9)再对式子（3-9）两边同时进行abc到dq0坐标变换得： （3-10）其中，Vp_q、Vq_p、Vo_p、id_p、iq_p、io_p和 vd_p、vq_p、vo_p是逆变器桥臂输出相电压，桥臂输出电流和负载电压的正序分量在dq0旋转坐标系下的坐标值。 观察式(3-10)正序分量平均模型的电压方程式，知道可以通过前馈控制的方式对d、q轴分量解耦，从而实现独立控制。正序分量下，d、q轴分量是直流量并且不含附加的交流分量，从而可以做到无静差调节。0轴分量为零，只需要对d、q轴分量进行调节。3.2.2负序分量的平均模型负序分量下，第四桥臂上的电流 in为也零。那么，负序分量下的相电压方程如式(3-11)所示： (3-11)再对式子（3-11）两边同时进行abc到dq0坐标变换得。这里需要注意的是负序分量在三相静止坐标系中相位依次超前120，合成矢量的旋转方向与正序分量相反，所以应该将- 代入变换矩阵 Cabc/dq0中。变换后如式(3-12)： (3-12)其中，Vd_n、Vq_n、V0_n，id_n、iq_n、i0_n和 vd_n、vq_n、v0_n是逆变器桥臂输出相电压，桥臂输出电流和负载电压的负序分量在dq0旋转坐标系下的坐标值。观察式(3-12)负序分量平均模型的电压方程式，知道也可以通过前馈控制的方式对d、q轴分量解耦，从而实现独立控制。负序分量下，d、q轴分量是直流量并且不含附加的交流分量，从而可以做到无静差调节。0轴分量为零，只需要对d、q轴分量进行调节。与正序分量下的坐标变换有区别的，注意是代入-。3.2.2零序分量的平均模型 零负序分量下，前三桥臂每个桥臂上的电流相等，第四桥臂上的电流in 数值是前三桥臂电流的3倍。那么，零序分量下的相电压方程如式(3-13)所示： (3-13) 零序分量的幅值相等,方向相同。带不平衡负载的时候，会有与输出电压基波频率相同的摆动。通过abc到dq0坐标变换，不论代入或者-，都不会得到有效的 d、q轴分量，得到的0轴分量也是还是含有输出电压基波频率相同的摆动。为了解决这个问题，将零序分量的变换矩阵 Fh做一些改变，使得得到的零序分量幅值不变，相位依次滞后120,如图4.5所示。这样，变换之后的零序分量在正序分量的dq坐标系中，可以得到有效的直流分量了。图3-3 改进后零序分量示意图改进后的变换矩阵 Fh：对式(4-29)两边同时进行 Fh矩阵变换，然后再两边同时进行abc到dq0坐标变换得：（3-14）其中，是逆变器桥臂输出相电压，桥臂输出电流和负载电压的改进后的零序分量在dq0旋转坐标系下的坐标值。 观察式(3-14)零序分量平均模型的电压方程式，形式与正序分量相似。同样的，解耦之后d、q轴分量可以独立控制，直流分量通过PI控制可以做到无静差调节。 正序、负序和零序分量的平均模型的建立使得信号流变得清楚。完整的信号转换如图3-4所示：三相相电压采样数据与储存的前四分之一周期采样数据一同代入各序分量提取矩阵计算，分别得到正序、负序和零序三相电压分量，然后再分别对各序分量进行abc/dq矩阵变换，最终得到dq坐标系下的各序分量的直流信号。与正序分量下的坐标变换相同，代入 。图3-4 三相交流信号转变成dq直流信号流程图3.3 正序、负序和零序分量的控制策略 通过分量提取和abc/dq坐标变换，将交流信号转变成直流信号。对于直流信号控制，本文采用的是运用广泛的PI控制。 图3-5 四桥臂逆变器总体控制策略框图 四桥臂逆变器的总体控制框图如图3-5所示：该方法简单，方便实现，可以做到无静差调节。总的控制策略是双闭环控制。内环为电流环，加快响应速度，加强动态性能；外环为电压环，控制输出三相平衡相电压，电压幅值为给定值，电压环输出为电流环给定值。正序、负序和零序分量的直流信号在各自的参考系中独立控制。 3.4 系统仿真实验 系统仿真实验平台的搭建是基于Saber仿真软件。三相四桥臂逆变器器件级系统仿真模型如图3-6所示： 图3-6基于Saber的四桥臂逆变器的系统仿真型 本文采用的是Saber软件仿真平台，图4.15显示的是四桥臂逆变器器件级的系统仿真。仿真实验中采用的参数如下：直流母线电压VDC为100V，前三桥臂滤波电感Lf为1.2mH，第四桥臂滤波电感Ln为500uH，滤波电感寄生电阻为0.3，滤波电容Cf为10uF；输出三相相电压频率为50Hz，额定幅值40V，负载额定电流为1A（幅值），额定负载为40；载波为三角波，频率为10kHz；电压、电流采样频率为10kHz。图中采样频率发生器的频率pos为10kHz。因为本文实验为验证控制方法的可行性，故实验带负载较小。3.5 本章小结 本章完成了四桥臂逆变器在三相静止坐标系下和同步坐标系下的数学模型。介绍了对称分量法理论及实现方法，完成了各序分量在dq同步坐标系下的平均模型，在此基础上推导出各序分量的双闭环PI控制策略。最后通过SABER仿真平台完成系统仿真实验，仿真结果验证了本章提出的控制策略的有效性。第四章 三相四桥臂逆变电源系统的硬件设计4.1 三相四桥臂逆变电源系统的总体设计 本文所搭建的系统平台系统结构图如下图4-1所示，整个逆变系统主要由直流电源和四对桥臂组成的功率主电路、LC 滤波电路、采样电路、驱动控制电路和辅助电源构成。图4-1 系统平台结构图4.2 三相四桥臂逆变电源系统的硬件设计 系统的硬件设计主要包括主电路拓扑电力电子元器件的设计，DSP 芯片电路的设计以及外围控制电路的设计。4.2.1功率主电路设计 主电路由输入直流电压源和四对桥臂构成。 输入直流电压源 400V 是将工业使用的三相 380V 交流电通过调压器进行调压，再通过一个三相整流桥整流后得到的。由于获取的输入直流电压源可能含有高次谐波，将影响到逆变电源三相输出电压的 THD，需在直流侧并上两个串联的滤波电容。本系统中取两个滤波电容参数相同且容值均为 1000F，耐压值为 400V。在实验过程中注意到，滤波电容具有储存电能的特点，电容经过充电以后电压具有一定危险系数，需要在实验之后将电容放电几分钟释放残留的电能，以免出现不安全因素。四对桥臂需用 8 个功率开关管。逆变电路中常用的功率开关管有 GTR（大功率晶体管）、电力 MOSFET（功率场效应管）、IGBT（绝缘栅极双极性晶体管）和 IPM（智能功率模块）。IPM 作为一种新型智能功率开关器件，它具有开关频率高、驱动功率低、耐压性好的特点，并且综合了 GTR 和 MOSFET 两者优点。IPM 区别于其他功率开关管的最大特点就是 IPM 模块内部封装了包括逻辑、检测、控制和保护的集成电路。 由于直流侧电压dcV 为 400V，根据电压等级经验公式有每相桥臂单管承受电压为： （4-1）式（4-1）中 1.15 为过电压系数，a 为安全系数，一般去 1.11.5，100 为电压尖峰。由上式可计算出IGBTV 最大在 800V 以上。 三相负载电流额定值设置为 10A，考虑到电力电子器件的工作安全裕量和系统发生容易过载情况，功率元器件的电流额定值的选取应该适当放宽到 20A30A。若发生一相空载的严重不对称情况，第四桥臂通过电流跟前三个桥臂也在同一个电流等级。通过以上对电压、电流定额以及功率器件的基本参数要求，本文选用的 IPM 模块为三菱公司生产的 PM100DSA120，四个 IPM 模块搭建四桥臂主电路。IPM 的内部结构图如4-2所示。 图4-2 IPM内部结构图 图中 VP1 和 VN1 分别为上下桥臂单元电源，CP1 和 CN1 分别为上下桥臂单元触发信号，VPC 和 VNC 分别为上下桥臂单元电源地，FPO 和 FNO 分别为上下桥臂单元故障信号。IPM 外围的驱动电路设计虽然比 IGBT 要相对简单，但其设计要求更严格，IPM 驱