现代电力电子技术林渭勋第3章节PWM逆变电路

1、第3章 PWM逆变电路,3.1 概述 3.2 单相方波逆变电路 3.3 单相SPWM逆变电路 3.4 三相方波逆变电路 3.4.4 三相方波逆变电路的特点 3.5 三相SPWM逆变电路 3.6 逆变电路输出电压波形改善 3.7 逆变电路的控制,3.1 概述,3.1.1 特殊交流电源的分类 3.1.2 逆变电路的基本用途 3.1.3 逆变电路的分类,3.1.1 特殊交流电源的分类,1.感应加热电源 2.交流调速电源(变频变压电源，VVVF电源) 3.恒频恒压电源(CVCF电源) 4.有源逆变电源,3.1.2 逆变电路的基本用途,1.直接变换 直接将太阳能或化学能电池等直流能源转换为负载所需要的交流电能称为直接变换。 2.间接变换 前述几种特殊电源均采用AC-DC-AC的多级转换方式(在很多文献中称之为含直流环节的交流变换电路)，显然在这类电源中逆变电路承担DC-AC转换的任务。,3.1.3 逆变电路的分类,迄今已发展了多种逆变电路并可分类如下： 逆变电路分为有源逆变电路、无源逆变电路、功率器件半控型电路、全控型电路、直流电源电压源电路、电流源电路电路、结构桥式电路、半桥电路全桥电路、非桥

2、式电路、双极性电路等。,3.2 单相方波逆变电路,3.2.1 基本假定 3.2.2 方波逆变电路 3.2.3 相移式方波逆变电路,3.2 单相方波逆变电路,图3-1 电压源单相桥式方波逆变电路 a)全桥式电路结构 b)半桥式电路结构 c)全桥式电路电量波形 d)全桥移相式电路电量波形,3.2.1 基本假定,1)构成逆变电路的功率器件均具有理想特性：无惯性；无内耗，开关状态的更迭可在瞬间完成。 2)向逆变电路供电的直流电源无内阻，直流侧并联电容Cd值很大，直流电压ud无纹波且不受负载影响。 3)逆变电路具有理想负载，变压器和电抗器无直流内阻、铁心不饱和；电路无分布电感和寄生电容；负载电容器无内耗。,3.2.2 方波逆变电路,1.输出电压分析：出电压u0的波形与负载无关，恒为交变方波，这是所有电压源逆变电路的共同特点。,2.换流方式：变电路具有以下两种不同的换流方式臂内换流和臂间换流。 3.输出功率：逆变电路基波平均功率与其瞬时值的直流分量相等。,4.方波逆变电路的特点：(1)输出电压不可调；(2)输出电压谐波含量高。,3.2.3 相移式方波逆变电路,图3-2 输出电压谐波含量与的关系曲线

3、,3.3 单相SPWM逆变电路,3.3.1 双极性SPWM逆变电路 3.3.2 单极性SPWM逆变电路 3.3.3 单相PWM逆变电路用例,3.3.1 双极性SPWM逆变电路,图3-3 双极性SPWM单相逆变电路的电量波形 g)主电路功率器件的开关时序(阴影时区表示器件导通),3.3.1 双极性SPWM逆变电路,图3-4 双极性SPWM中的近似关系,1. SPWM逆变电路的调压原理,3.3.1 双极性SPWM逆变电路,图3-5 SPWM逆变电路的调压特性 线性调制区 过调制区 方波区,3.3.1 双极性SPWM逆变电路,图3-6 包含3次谐波的调制信号,3.3.1 双极性SPWM逆变电路,图3-7 输出电压的频谱,2. SPWM技术抑制谐波的原理,3.3.1 双极性SPWM逆变电路,图3-8 双极性SPWM INV的 谐波特性,3.3.1 双极性SPWM逆变电路,表3-1 双极性SPWM 数据,表3-1 双极性SPWM 数据,3.3.1 双极性SPWM逆变电路,3.逆变电路入端电流i的分析,3.3.2 单极性SPWM逆变电路,图3-9 单极性SPWM单相逆变电路电量波形,3.3.2 单

4、极性SPWM逆变电路,图3-10 单极性SPWM逆变电路 输出电压的谐波特性,3.3.2 单极性SPWM逆变电路,图3-11 K1时的近似关系 (单极性SPWM),3.3.2 单极性SPWM逆变电路,图3-12 带钳位式缓冲电路的单极性SPWM逆变电路 a)电路结构 b)d)理想条件下电路的电量波形,3.3.2 单极性SPWM逆变电路,图3-13 图3-12a电路的电量波形,3.3.2 单极性SPWM逆变电路,图3-14 图3-13中各时区的等效电路,3.3.3 单相PWM逆变电路用例,图3-15 车载IGBT-SPWM单相高频链逆变电路 1交流反馈电压检测 2电压调节器 3晶振电路 4分频电路 5正弦波调制信号形成 6，12PWM芯片 7分相器 8，13IGBT驱动电路 9，11过电流保护电路 10直流反馈电压采样电路,3.3.3 单相PWM逆变电路用例,表3-2 车载高频链逆变电源性能指标,3.4 三相方波逆变电路,3.4.1 纯阻负载的工作情况分析 3.4.2 无源感性负载的工作情况分析 3.4.3 有源负载的工作情况分析,3.4.1 纯阻负载的工作情况分析,图3-16 三相半桥

5、式电压源逆变电路 a)主电路结构 b)e)等效电路 f)k)纯阻负载下电量波形,3.4.2 无源感性负载的工作情况分析,图3-17 无源感性负载下逆变电路的电量波形 E负载反电动势,3.4.2 无源感性负载的工作情况分析,图3-18 三相方波电压源逆变电路的工作模式 a)第一模式(3T0D) b)、d)第二模式(2T1D) c)第三模式(1T2D),3.4.3 有源负载的工作情况分析,笼型异步电动机的简化等效电路,图3-19 笼型异步电动机的等效电路 a)简化等效电路 b)电动势源等效电路 c)等效子电路,3.4.3 有源负载的工作情况分析,图3-20 电动机负载下相电流波形,3.4.3 有源负载的工作情况分析,图3-21 电动机负载下三相逆变电路的电量波形,3.4.4 三相方波逆变电路的特点,1.输出电压谐波含量高 2.输出电压不可调 3.直流电压利用率较低,1.输出电压谐波含量高,三相电压源逆变电路输出相电压总谐波失真度THD=26%，该值虽比单相电路低，但仍然高于诸如CVCF一类电源的要求。,2.输出电压不可调,图3-22 三相全桥式逆变电路,2.输出电压不可调,图3-23 三相

6、桥式逆变电路 的负载端电压矢量图 a)半桥式电路 b)全桥式电路,3.直流电压利用率较低,三相电路直流电压利用率Av为Av=UA01mUd 式中，UA01m为相电压基波幅值。 估算Av=0.637，三相逆变电路的直流电压利用率并不高。,3.5 三相SPWM逆变电路,3.5.1 控制极信号的时序分布 3.5.2 纯阻负载下的电路工作情况 3.5.3 感性负载下的电路工作情况,3.5.1 控制极信号的时序分布,1)各相上下桥臂控制信号在相位上互补。 2)为提高器件的关断速度和可靠性，关断期中加上负电压。 3)和图3-16f相比较，已调制的控制信号实际上可视为在方脉冲的正负半周各挖去一处缺口而成(由于K值很低，因而比较直观)。 4)任何时刻，有三个控制信号处于高位，其余的处于低位。 5)已调制控制信号的脉宽随时间按正弦规律变化；但在同一时间内其脉宽则随调制比m值而变。,3.5.1 控制极信号的时序分布,图3-24 三相电压源SPWM逆变电路的电量波形,3.5.2 纯阻负载下的电路工作情况,1)由于各相上下桥臂控制信号在相位上互补，因而上下臂功率器件也以互补方式轮流导通。 2)由于任何时刻电路

7、中有三个控制信号处于高位，相应地主电路中有三支器件处于通态，其他器件关断，在纯阻负载下，各导电臂中只有可控器件参与导通，其开关时序如图3-24f。 3)输出电压分析：按图3-24e所选时间坐标，输出线电压uAB(uAB=uA0-uB0，uB0波形与uA0相仿，但相位滞后2/3rad)为奇函数，其傅里叶级数展开式为,3.5.2 纯阻负载下的电路工作情况,图3-25 三相SPWM逆变电路 的调压特性 线性区 过调制区 方波区,3.5.3 感性负载下的电路工作情况,电路为第四模式工作，该模式不同于图3-18所示的各种模式，导通的器件集中于桥的三个上臂(或下臂)，由于VD1、VD3和VT5同处通态，三相暂时处于短路，这种情况直至=+3(即时区5)，电路中有ug1，ug5和ug6处高位，相应地有VD3向VT6瞬间换流，电路中改为VT1、VT5和VT6导通(3T0D)，满足iA10，iB10和iC10。其他时区类推。,3.6 逆变电路输出电压波形改善,3.6.1 附加输出滤波器 3.6.2 PWM技术的优化,3.6.1 附加输出滤波器,图3-26 电感输入型低通滤波器 a)电路结构 b)电抗幅频特

8、性,3.6.2 PWM技术的优化,图3-27 倍频式SPWM逆变电路 a)主电路结构 b)电量波形,3.7 逆变电路的控制,3.7.1 电压瞬时值单环反馈控制 3.7.2 电流瞬时值单环反馈控制 3.7.3 电压电流双环反馈控制 3.7.4 电压空间矢量控制 3.7.5 PWM逆变电路的控制手段,3.7.1 电压瞬时值单环反馈控制,图3-28 单相电压源半桥式逆变 电路的控制电路框图 a)电压平均值反馈方式 b)电压瞬时值反馈方式 1平均值检测电路 2电压给定 3PI电压调节器 4恒幅正弦波调制信号发生器 5乘法器 6三角形载波发生器 7SPWM比较器 8驱动电路,1.电压平均值反馈控制方式存在的问题,3.7.1 电压瞬时值单环反馈控制,2.电压瞬时值反馈控制,图3-29 具有电压瞬时值反馈环的 逆变电路结构图,3.7.2 电流瞬时值单环反馈控制,图3-30 采用电流滞环跟踪控制方式的逆变电路 a)电路结构 b)等效电路 c)普通比较器的控制特性 d)滞环比较器的控制特性 1正弦电流给定 2滞环比较器 3锁存器 4驱动电路,1.电流滞环跟踪控制,3.7.2 电流瞬时值单环反馈控制,图3

9、-31 具有准固定开关频率的滞环控制 1正弦电流给定 2滞环比较器 3频率给定 4频率检测电路 5频率调节器 6驱动电路,3.7.2 电流瞬时值单环反馈控制,2.准固定频率的滞环跟踪控制 针对常规滞环跟踪开关频率变化的弱点，文献10提出一种在滞环控制中引入频率反馈的方法，解决滞环控制的上述问题，而且不影响原有的系统快速性、稳定性和稳态精度。,3.7.3 电压电流双环反馈控制,图3-32 具有电压电流双反馈环的逆变电路 a)电路结构图 b)电量波形图 1正弦电压给定 2电压调节器 3电流调节器 4三角形载波发生器 5SPWM信号比较器 6驱动电路,3.7.4 电压空间矢量控制,图3-33 三相电压源逆变电路 a)主电路 b)电量波形 S导通桥臂 M工作模式 合成空间矢量 t时间区域,1.电动机定子电压的空间矢量,3.7.4 电压空间矢量控制,图3-34 由三相方波逆变电路 供电的空间矢量分布,3.7.4 电压空间矢量控制,图3-35 三相SPWM逆变电路的电压波形,3.7.4 电压空间矢量控制,图3-36 线电压空间矢量在 复平面上的分布,3.7.4 电压空间矢量控制,图3-37 SVPWM信号图解生成法 a)轨迹作图 b)开关状态及空间电压矢量序列 c)输出电压波形,2.电压空间矢量PWM信号生成方法,3.7.4 电压空间矢量控制,图3-38 SVPWM信号生成 a)电压空间矢量分布 b)SVPWM信号,3.7.5 PWM逆变电路的控制手段,图3-39 规则采样法,1.基于单片机和集成数字定时芯片结构,3.7.5 PWM逆变电路的控制手段,图3-40 采用微机和SLE4520控制的IGBT变频电源开环框图 1三相交流电源 2三相不控整流器 3直流滤波电容器 4IGBT三相逆变器 5异步电动机 6驱动电路 7SLE4520 8微机8031 9频率给定 10EPROM 11RAM 12故障电路 7A地址译码镇存器 7B1振荡器 7B2脉冲放大器 7C分频比率锁存器 7D可编程序分频器 7E8位数据锁存器 7F可预置8位计数器 7G过零检测器 7H死区位移锁存器 7I信号处理及输出电路

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