Z源逆变器的研究.docx

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Z源逆变器的研究

摘要

逆变器作为实现电能DC/AC的变换在各类功率变换中的应用十分普遍。

可是传统的电压型和电流型逆变器存在着原理上的障碍和局限。

电压源逆变器一般是一种降压型的逆变器，电流源逆变器是一种将降流型的逆变器，这就限制了它们的输出。

若是要取得更高的电压（或更大的电流），就必需增加一个额外的直流升压变流器。

而且在电压源逆变器中，一个桥臂的上下两个开关有可能显现由于EMI的噪声而致使直通的现象，这将损坏开关和电路，从而降低电路的靠得住性。

为了幸免直通，要加入死区时刻，这又会引发波形的畸变。

一样在电流源逆变器中也存在着类似的问题。

本论文要紧分析一种新型的逆变器—Z源逆变器，它克服了以上的传统逆变器的缺点。

在电压型逆变器中引入Z网络后，使逆变器主电路的直通成为可能，而且能够利用逆变器的直通使Z源逆变器成为一个buck-boost型的逆变器。

本文除对Z源逆变器的工作原理进行详细的分析外，着重研究其主电路的设计，提出了Z源逆变器中各个器件的设计方式，尤其是Z网络中的电容和电感的设计方式。

通过对Z源逆变器可能存在的非正常的工作状态的分析，明确了Z源逆变器中各个器件和各类工作参数的彼此阻碍的关系。

在分析Z源逆变器中各开关器件的电压电流应力的基础上，还探讨了各类减小开关电压和电流应力的方式。

最后运用仿真和实验结果加以了验证。

关键词：

Z源逆变器，Z网络，短路零矢量

vL

Abstract

Theinverteriswidelyusedinallkindsofconversions.However,thetraditionalinverter（VSIorCSI）hastheconceptualandtheoreticalbarriersandlimitations.Theyareeitherabuck（VSI）oraboost（CSI）inverter,whichlimitstheoutputvoltageorcurrent.ItrequiresanadditionalDC-DCconvertertoboosttheoutputvoltage（VSI）ortheoutputcurrent（CSI）.

Inavoltage-sourceinverter,theupperandlowerdevicesofeachphaselegcouldbegatedsimultaneouslybyEMInoise,whichwoulddestroythecircuitanddecreasethereliability.Toavoidtheshoot-throughstate,deadbandhastobeprovidedinthecontrolstrategy.Nevertheless,adisadvantageofthedeadbandisthatitcanbringthewaveformdistortion.CSIalsohavesomesimilarlimitations.

Inordertoovercometheproblemsofthetraditionalinverter,anewtypeinverternamedZ-sourceinverterwaspresented.Itmakestheshoot-throughstatepossiblebyemployingauniqueimpedancenetwork（Z-network）.AndthisuniqueimpedancenetworkallowstheZ-sourceinvertertobuckandboostitsoutputvoltage.

Inthispaper,theoperatingprincipleandsuperiorityoftheZ-sourceinverteraredescribedfirstly.Anditsmaincircuitdesignisanalyzedindetail.BasedontheanalysisoftheabnormaloperationalstateoftheZ-sourceinverter,therelationshipbetweentheoperatingstatusanddevicesparametersisproposeddistinctly.Themethodsofreducingthestressarediscussedthroughtheanalysisofthedevicesvoltageandcurrentstresses.Atlastthesimulationandexperimentalresultshavebeenperformedtoconfinetheanalysis.Theyarequiteconsistentwiththetheoreticalanalysis.

Keywords:

Z-sourceinverter,Z-network,shootthroughzerostate

摘要························································

Abstract····················································

第一章绪论··············································

逆变电路概述·········································

逆变器的要紧应用·····································

感应加热电源····································

交流调速电源（变频变压电源，VVVF电源）···········

恒平恒压电源（CVCF电源）·························

有源逆变电源·····································

传统逆变电路拓扑的理论局限····························

电压型和电流型逆变器拓扑简介·····················

电压型和电流型逆变器拓扑的理论局限···············

现代对逆变器的新要求和研究意义························

第二章一种新型逆变器—Z源逆变器··························

Z源逆变器的提出······································

Z源电压型逆变器的正常工作原理和等效电路··············

Z源电压型逆变器起落原理······························

Z源逆变器的一种非正常工作状态························

Z源逆变器在电力传动中的应用··························

第三章Z源逆变器的操纵方式简述····························

短路零矢量的不同实现方式······························

Z源逆变器的各类操纵方式·······························

按现实短路零矢量的方式不同分类···················

.1单相短路操纵······························

.2两相短路操纵······························

.3三相短路操纵······························

按注入短路零矢量的方式不同分类···················

.1简单操纵方式······························

.2PWM改造方式·······························

.3最大升压操纵方式···························

第四章Z源逆变器的设计······································

Z网络设计·············································

Z网络中的电容设计································

Z网络中的电感设计··································

.1依照电感电流纹波大小设计·····················

.只考虑电感电流的高次谐波时的设计·······

.考虑由输入电压引发的电感电流低次

谐波时的设计···························

.考虑由操纵方式引发的电感低次谐波

时的设计·······························

.同时考虑两种电感低次纹波时的设计·······

.2为幸免Z源逆变器非正常工作的电感设计········

由正常工作引发的主电路优化设计考虑···················

第一章绪论

本章要紧简要介绍了传统的逆变电路拓扑——电压型逆变电路和电流型逆变电路的原理及其应用并提出了他们本身固有的理论缺点，从现代对逆变器的新要求说明了开展新型逆变器研究的目的和意义。

逆变电路概述

DC/AC交流电路，即逆变电路，它能够实现直流电能到交流电能的转换。

图1-1为逆变器的功能框图。

在已有的电能生产方式中，化学能电池和太阳能电池都属于直流电源，当需要由这种电源向交流负载供电时就必需要通过DC/AC变换；另外，还有公共电网和各类独立电源（其中心频率为50Hz），由这些电源向交流负载供电时最一般的方式，但随着生产的进展，有相当一部份的用电负载供电质量有特殊要求，上述电源难于直接向这些负载供电。

为知足这些要求，也需要DC/AC变换。

直接将太阳电池或化学电池等直流电能转换为负载所需的交流电能称为直流变换。

而采纳AC-DC-AC结构的多级转换系统中的逆变转换称为间接变换。

电压源逆变器依照输出电压相数能够分为单相逆变器和三相逆变器。

单相逆变器有半桥式、中心抽头式；采纳方波输出操纵模式。

全桥或H桥式逆变器，采纳方波输出或相移电压操纵方式。

三相逆变器有方波输出型、六阶梯波输出型、多阶梯逆变器（包括12阶梯和18阶梯逆变器）、多电平逆变器等。

三相逆变器的操纵方式有PWM方式，SPWM方式，矢量操纵方式，相移电压操纵方式等。

开关的工作模式有硬开关和软开关模式。

1.2逆变器的要紧应用

感应加热电源

依照加热工艺方式和工件尺寸的不同，感应加热电源的频率范围从几百赫兹到几百千赫兹。

这种电源的典型结构是通过AC/DC变换，将公共电网的交流电能先变换成直流，再通过DC/AC变换成负载所需频率的交流电能。

交流调速电源（变频变压电源，VVVF电源）

变频调速是交流调速的典型方式，为维持电机气隙磁通恒定以避免铁心饱和，必需使定子电压与频率同步转变。

因此，交流调速电源是一种变频变压电源，如图I-