刘凤君

　　(中国航天二院 北京 100854)

　本文介绍的2H桥3N -1级联式UPS,是一种采用2H桥3N -1(三进制法)级联叠加式多电平逆变器,以及谐波注入式12脉波整流器的一种新开发的完美无谐波UPS。这种新型UPS使用了一种新式的EPWM稳压控制法。

　　1 2H桥3N-1级联叠加合成法

　　所谓2H桥3N -1级联叠加式多电平逆变器,就是采用三进制法进行N 个2H桥级联叠加的一种多电平逆变器。对于N 个2H桥,如果适当地控制它们当中的4个逆变开关管的通断,都可以得到一组电压值为+U N,-U N或0的输出电压。N 个2H桥输出电压U N的值依次为U 1=31-1=30=1,U 2=32-1=31=3,U 3=33-1=32=9,……U N=3N -1。以下介绍三种2H桥的3N -1级联叠加的合成法。

　　1.1 N=2个2H桥的级联叠加合成法

　　假定有两个2H桥,2H1桥的输出电压为+U1、-U1、0，2H2桥的输出电压为+U 2、-U 2、0，U 1=31-1=30=1,U 2=32-1=31=3,即U 2=3U 1。2H2桥的工作周期是2H1桥的4倍,2H1桥与2H2桥通过各自输出变压器的次级进行串联叠加,其顺序见表1。

　　叠加出来的波形如图1所示。

　　1.2 N=3个2H桥的级联叠加合成法

　　假定有三个2 H 桥, 2 H 1桥的输出电压为+U 1、-U 1、0,2H2桥的输出电压为+U 2、-U 2、0，2H3桥的输出电压为+U 3、-U 3、0。U 1=31-1= 3 0 = 1 ,U 2 = 3 2 - 1 = 3 1 = 3 ,U 3 = 3 3 - 1 = 3 2 = 9 。U 2=3U 1,U 3=9U 1。2H2桥的工作周期是2H1桥的4倍,2H3桥的工作周期是2H1桥的13倍。2H1桥、2H2桥、2H3桥通过各自的输出变压器次级进行串联叠加,其顺序见表2。

　　叠加出来的波形如图2所示。

　　1.3 N个2H桥的级联叠加合成法

　　假定N 个2H桥逆变器:2H1桥:U 1=31-1=30=1,工作周期T 1=1

　　2 两个2H桥3N-1级联叠加式多电平逆变器这里要注意的有三点:

　　(1)为了使输出电压波形接近于正弦波,降低输出电压的谐波含量,对于各梯级起点角的位置和它们之间的间隔距离,必须仔细选择。

　　(2)为了和别的逆变器同步,在由N 个2H桥构成三相逆变器时,三相逆变器的三个相必须是对称的,并且阶梯波的60°和120°角,必须在同一个电平(阶高)上,但不应在梯级起点角上。

　　(3)实现控制要方便。

　　图3为两个2H桥级联叠加多电平逆变器的主电路,图4为符合上述三原则的工作波形图。为了使输出电压波形最大限度地接近于正弦波,可以采用给定法来确定各梯级的起点角位置,其方法如图4所示。由于两个2H桥级联叠加的输出电压是4梯级等阶差阶梯波,将正弦波的幅值U m分成4等份,并通过各分点作时间轴的平行线与正弦波曲线相交,用这些交点作为阶梯波的阶高。然后根据阶梯波面积与正弦波面积相等的原则来确定各梯级起点角的位置。使正弦波外侧阶梯波与正弦波构成的小三角形的面积,与正弦波内侧阶梯波与正弦波构成的小三角形的面积相等。这样就可以比较准确地确定出各梯级起点角的位置,即α1=7.5°,α2=22.5°,α3=37.5°,α4=67.5°。并由这些梯级起点角进行输出电压的谐波分析,求出谐波次数、畸变率和畸变总量,如表3所示。包括第99次谐波在内,这种阶梯波的畸变总量为8.7403%。

　　在组成三相逆变器时,对应于半个周期的钟脉冲数应取3的整倍数,这样可以简化控制电路。

　　2.1 控制电路

　　实现图4波形合成的两个2H桥3N -1级联式多电平逆变器的框图如图5所示。

图6是图5中的控制电路部分。24f脉冲振荡器,是产生频率为24f的钟脉冲发生器,并将此钟脉冲送到24环形计数器进行脉冲分配。触发器1包括两个双稳态触发器(d)、(e),触发器2包括另外两个双稳态触发器(f)、(g)。脉冲分配器是一个24环形计数器,它将序号为2、14的钟脉冲分配给双稳态触发器(d);将序号为11、23的钟脉冲分配给双稳态触发器(e);将序号为1、2、5、8、11、13、14、17、20、23的钟脉冲分配给双稳态触发器(f);将序号为2、3、10、11、12、14、15、22、23的钟脉冲分配给双稳态触发器(g)。这样,双稳态触发器(d)、(e)、(f)、(g)的输出就是图4中(d)、(e)、(f)、(g)所示的波形。用双稳态触发器(d)、(e)的输出去控制2H1桥的两臂,用双稳态触发器(f)、(g)的输出去控制2H2桥的两臂,就可以使2H1和2H2得到图4中(b)和(c)所示的输出电压波形,而(b)和(c)电压波形通过各自输出变压器的次级绕组进行串联叠加,就可以合成出图4(a)所示的9电平输出电压波形。

　　由图6可知,在组成三相逆变器时,钟脉冲的个数如果取3的整倍数,就可以使一个脉冲分配器三相共用。【红尘有你】