在多电平逆变器电压不平衡消除使用耦合线圈和反馈控制

迪夫年代¹,G.Umamaheswari²

PG学生(电力电子和驱动器),EEE, Paavai工程学院,TN、印度
助理教授,EEE, Paavai工程学院,TN、印度

文摘

摘要在多电平逆变器的电压不平衡问题。多级电压源转换器的新趋势是大功率的电源转换器选择应用程序。的一个主要限制的多级转换器是不同级别之间的电压不平衡。消除单相电压不平衡的五级逆变器使用耦合电感和反馈控制,从而产生一个5级输出电压只有一个直流源。拓扑,避免分裂的直流电压,消除电路中电压平衡问题是一个突出的问题在传统的拓扑。反馈控制的逆变器是使用PI控制器实现。这里使用的六个功率开关有相同的电压应力和只采用一组耦合电感器。

关键字

多电平逆变器、比例积分控制器、耦合线圈、电源开关、电压不平衡。

介绍

多级转换器是在许多工业领域成为一个使能技术。多级转换器一直在研究和开发超过三十年,发现成功的工业应用[1]- [5]。然而,这仍是一个正在开发的技术,许多新的贡献和新的商业拓扑已报告在过去的几年里。的一个主要限制的多级转换器是不同级别之间的电压不平衡。不同层次之间的电压平衡的技术这些类型的逆变器通常包括电压钳位或电容器充电控制。这些拓扑使用多个直流电压源和多个直流电压电容[7],[8]。这是一个巨大的挑战时,体积,重量,和成本最小化。他们的主要问题主要是直流电容电压的平衡。多电平逆变器的各种应用程序:马达驱动器,活跃的过滤器,功率调节,能量储存在可再生能源系统,燃料电池能源系统、混合动力电动汽车(HEV)。

在所有多层拓扑与几个直流环节,DC电容器的电压平衡问题是关键问题。直流斩波电路用于电容器在二极管夹多级逆变器电压平衡。[16]最重要的是拓扑如二极管夹逆变器、电容器夹和级联多单元的独立直流源和新兴拓扑不对称混合细胞和软交换多级逆变器。最相关的控制和调制方法开发的家庭转换器:多级正弦脉冲宽度调制,多级选择性谐波消除,和空间矢量调制。[15]最理想的拓扑结构是一个多级逆变器只有一个直流源和任何分裂电容但不幸的是,这种类型的逆变器尚未被发现,电压不平衡问题,减少了多电平逆变器的输出电压效率[6],[9],[10]。多电平逆变器的发展和更好的控制单元将消除电压不平衡的问题。研究了单相五级逆变器使用耦合电感。提出的逆变器,只需要一个直流电压源和直流电压的电容器也避免,这消除了直流电容电压平衡问题与传统拓扑。六个相同的开关电压应力和只有一组耦合电感采用[11]。事实上,采用耦合电感,以使得它可以生成一个五级的输出电压只有一个直流电压源。 The presented topology is very suitable for low to medium power applications and also for high-current cases. In an open loop system the errors in the output are not rectified automatically. The use of a closed loop system helps to attain a better quality output with improved control features. A pi controller unit is chosen in order to realize the closed loop configuration [13]. The voltage and current outputs from the proposed inverter are fed back to the controller. The pi controller processes its available data, compares it with the preset reference value and calculates the deviation from the ideal working condition [14],[15]. The rectification is made by the controller by the switching pattern control and firing control of the switching elements used in the inverter topology. Thus an improved output waveform with reduced distortion and better controllability with reduced number of switches and with no voltage unbalance problem is obtained.

单相多电平逆变器耦合电感和反馈控制

图1表示使用耦合电感器逆变器的电路图。2 e是直流输入电压和L;和我是两个耦合电感器。两个电感的互感M和逆变器的输出终端是1和2。显然,这种拓扑构造非常简单,只需添加一个耦合电感器传统的三臂逆变桥。采用耦合电感,可以输出5级电压只有一个直流电压源。假设两个耦合电感匝数相同的或获得的中心抽头电感器。

两个电感的漏电感Lσ1 Lσ2,分别。假设Lσ;= Lσ= Lσ,耦合电感的电压方程可以表示如下:

这个结果很有趣和表明,耦合电感作为一个加法器将执行两个输入电压的non-common-connected common-connected终端作为输出终端。实际上,没有耦合电感器的帮助,提出逆变器将无法五级电压输出。电源开关一只胳膊被认为整合互补开关。例如,Smust被关闭如果S打开,反之亦然。

因此,下面的讨论将只专注于开关的开关状态,S和S .为便于分析,将使用数字“1”表示一个开关和“0”的国家将被用来表示断开状态。事实上V1n Vbn, Vcn都可以生成两级电压(E + E和−)。根据(6),电压水平的V12可以概括在表3.1。该逆变器可以生成五个输出终端电压水平。从表3.1,应该指出,年代的开关状态必须是1如果V12≥0年代的开关状态必须是0如果V12≤0。这意味着砂年代将开关的基本参考信号的频率。所以,年代和年代的切换损失提出逆变器将会非常低。提出了逆变器的输出电压可以表示为

耦合电感的设计

为了设计耦合电感器,耦合电感的电流之间的关系我,我和我应该分析的负载电流。使用(1)和(2),忽略漏电感,可以获得

反馈控制

第一臂电路的控制信号使用脉冲发生器。接下来的两个手臂的耦合线圈电路的主要部分。实际上,没有耦合电感器的帮助,提出逆变器将无法五级电压输出。反馈控制是只提供了最后两个武器。输出电压和电流被用来实现闭环控制。这是通过使用pi控制器和比较器单元。因此通过实现闭环控制,输出电压质量是提高和保持稳定的任何类型的负载条件。由于没有使用的直流环节电容电路、电压不平衡的问题就被消除了。场效应管的控制信号给第二和第三臂通过比较输出电压波和三角波。傅里叶分析的电路可以表明THD减少。 The voltage unbalance in the circuit is eliminated.

提出的单相5级逆变器是基于耦合电感器。这个逆变器输出5级只有一个直流电压源和没有把直流电压的电容器,完全避免了电压平衡问题。楼梯的高度在输出电压只有一半的直流环节电压在任何调制指数。与此同时,在所有电源开关电压应力是相同的,只有四个开关操作在高频率。事实上,采用耦合电感器,能够输出5级电压只有一个直流电压源。不需要把直流电压的电容器,完全避免了传统多电平逆变器的电压平衡问题。六个相同的开关电压应力,只采用一组耦合电感器。这个逆变器是基于广泛使用的三臂功率模块和所有电源开关上的电压应力相同,使它很容易构建。提出了拓扑结构非常适合低到中等功率应用,尤其是在大电流情况下。

结果和讨论

这里介绍的多电平逆变器的输出是一个5级的电压。对面的输出电压被loadconnected共同的和非共同的终端。没有电压输出电压不平衡是可见的输出电压波形。耦合电感的存在是主要的元素负责代5级输出电压仅用6个开关。这个输出电压作为PI控制器的反馈信号。100 v直流输入给定的输出波形。五个阶段的输出。100 v的电压水平,50 v, 0 v, -50 v、-100 v。这些级别如上图所示。

当前的负载测量臂。输出电流波形是通过连接一个电流源与负载串联。毫安培的电流范围。当前的值是0.025。当前没有涟漪,很明显的输出波形。当前波形也喂PI控制器的反馈信号。PI控制器单元处理电压和电流波形产生触发脉冲。

发射脉冲的顺序给mosfet的s1, s2、s3、s4, s5和s6给出图如上所示。发射脉冲的第一臂给出使用脉冲发电机和其他武器的发射脉冲使用反馈。

比较所产生的发射脉冲比例积分控制器的输出三角波。这个过程是内部子系统完成的。提供的开关在第一个手臂使用脉冲发射脉冲发电机。给出了开关在其他两个武器触发脉冲的比较的PI控制器的输出三角波;这个过程是内部子系统完成的。

结论

提出的单相5级逆变器是基于耦合电感和闭环配置。这个逆变器输出5级只有一个直流电压源和没有把直流电压的电容器,完全避免了电压平衡问题。FFT分析该电路在闭环条件下显示的THD值系统。

提出的闭环控制系统使用的电压和电流反馈。从FFT分析的THD值电路获得36.56%,因此它是证明该系统更为高效。验证结果显示提出的拓扑和反馈控制的有效性。

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