兩電平逆變器與三電平逆變器的區(qū)別

兩電平逆變器的工作原理

兩電平電壓型逆變器的主電路所示，電壓型逆變器典型工作方式是180°導(dǎo)通方式，任何時(shí)刻都有不相同的三只主管導(dǎo)通，每次換相都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行的，因此又稱縱向換相。相同中上下兩橋臂中的兩只主管稱為互補(bǔ)管（即控制脈沖是互反的），它們交替導(dǎo)通。

在換流瞬間，為了防止同一相上下兩臂的主管同時(shí)導(dǎo)通而引起直流電源的短路，通常采用“先斷后通”的方法，即先給應(yīng)關(guān)斷的主管關(guān)斷信號(hào)，待其關(guān)斷后留一定時(shí)間裕量，然后再給應(yīng)導(dǎo)通的主管開(kāi)通信號(hào)，兩者之間留一個(gè)短暫的死區(qū)時(shí)間。

下面來(lái)分析該電路的工作波形，對(duì)于U相輸出來(lái)說(shuō)，當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí)，Uun=Ud/2；V4導(dǎo)通時(shí)，Uun=-Ud/2.因此Uun的波形是幅值為Ud/2的矩形波。V，W兩相情況類似，只是相位依次相差120度。通常我們所說(shuō)的幾電平指的是逆變器輸出的相電壓，對(duì)兩電平而言，逆變器輸出的相電壓只有上述分析的兩種電平：±Ud/2。

負(fù)載線電壓可分別由公式求出：Uuv=Uun-Uvn；Uvw=Uvn-Uwn；Uwu=Uwn-Uun。

可以看出負(fù)載線電壓有三個(gè)值：±Ud，0。

對(duì)該電路的工作原理再作如下說(shuō)明：在整流運(yùn)行狀態(tài)下，Ua》0時(shí)，由V4，VD1，VD6（或VD2），Ls組成升壓斬波電路。V4導(dǎo)通時(shí)，Ua通過(guò)V4，VD6（或VD2）向Ls儲(chǔ)能，當(dāng)V4關(guān)斷時(shí)，Ls儲(chǔ)存的能量通過(guò)VD1向直流側(cè)電容充電。電路為升壓斬波，若控制不當(dāng)，直流側(cè)電容電壓可能比交流電壓峰值高出許多倍，容易損壞器件。

在了解兩電平變流器的工作原理基礎(chǔ)上，我們可以看出，如果需要變流器承受更高的電壓，就需要選用耐壓等級(jí)更高的IGBT，或者采用IGBT串聯(lián)的方式。

但I(xiàn)GBT的電壓等級(jí)不可能太高（通用電壓等級(jí)為600V/1200V/1700V/3300），IGBT是高速器件，串聯(lián)比較困難，另外采用兩電平電路時(shí)di/dt較高，波形不太理想。因此我們考慮采用多電平逆變電路。

三電平逆變器的工作原理

多電平變流器的采用，不僅可以提高電壓等級(jí)，而且獲得了更多階的輸出電壓，這將使得輸出波形更接近于正弦波，且諧波含量少，電壓變化率小，輸出容量大。下面對(duì)常見(jiàn)的一種三電平拓?fù)潆娐愤M(jìn)行分析。

逆變器每一相需要4個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管、4個(gè)續(xù)流二極管、2個(gè)箱位二極管;整個(gè)三相逆變器直流側(cè)由兩個(gè)電容串聯(lián)起來(lái)來(lái)支撐并均衡直流側(cè)電壓。通過(guò)一定的開(kāi)關(guān)邏輯控制，交流側(cè)產(chǎn)生三種電平的相電壓，在輸出端合成正弦波。

以U相為例：

當(dāng)V11和V12（或VD11和VD12）導(dǎo)通，V41和V42關(guān)斷時(shí)，U點(diǎn)和O點(diǎn)電位差為Ud/2;

當(dāng)V41和V42（或VD41和VD42）導(dǎo)通，V11和V12關(guān)斷時(shí)，U和O點(diǎn)的點(diǎn)位差為-Ud/2；

當(dāng)V12或V41導(dǎo)通，V11和V42關(guān)斷時(shí)，U和O點(diǎn)電位差為0。

可以看出三電平電路的輸出相電壓由三種電平：±Ud/2，0；同樣的的得出輸出線電壓有五種電平：±Ud，±Ud/2，0。

三電平拓?fù)涞囊粋€(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是每個(gè)主開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)所承受的電壓僅為直流側(cè)電壓的一半，因此適合于高壓大容量應(yīng)用場(chǎng)合。與此類似，還可以構(gòu)成五電平等更多電平的電路。

兩電平與三電平對(duì)比

1）損耗計(jì)算：每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，兩電平輸出為正、負(fù)電平，三電平輸出為正、負(fù)、零電平。因此兩電平拓?fù)鋼p耗較高。

2）輸出諧波：輸出電平臺(tái)階越多，波形越趨近與正弦波，帶出的諧波越少。

3）器件耐壓：三電平中主開(kāi)關(guān)承受電壓為直流側(cè)電壓一半，兩電平則為全部母線電壓。三電平會(huì)增加使用的器件數(shù)量，但電壓等級(jí)越高價(jià)格越高。

4）三電平可以降低開(kāi)關(guān)頻率，較少開(kāi)關(guān)損耗。