无源逆变电路及PWM控制技术教学课件PPT.ppt

《无源逆变电路及PWM控制技术教学课件PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无源逆变电路及PWM控制技术教学课件PPT.ppt（47页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第8章 无源逆变电路及PWM控制技术8.1 换流方式 1.逆变电路的基本原理,单相桥式逆变电路：当S1、S4导通，S2、S3断开时，负载电压uo=+Ud；当S2、S3导通，S1、S4断开时，负载电压uo=-Ud。uo为交流方波。改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。,换流（换相）：电流从一条支路向另一条支路的转移过程。比如t1时刻，负载电流由流经S1，改换为流经S2。,S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。,当负载为阻感时，io相位滞后于uo，波形也不同,t1时刻断开S1、S4，合上S2、S3，uo极性立刻变负，但io不能立刻改变而维持原方向 io从直流电源负极

2、流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感中储存的能量向直流电源反馈，io逐渐减小，到t2时刻降为零，之后io才反向并逐渐增大。,当负载为电阻时，io和uo的波形相同，相位也相同,设t1时刻前S1、S4导通，uo和io均为正,换流方式分类,换流,全控型器件可通过门极得控制使其关断，半控型器件晶闸管，必须利用外部条件或采取其它措施才能使其关断。一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反向电压，才能关断。,开通时,关断时,无论支路是由全控型还是半控型电力电子器件组成，只要有适当的门极驱动信号，就可使其开通。,换相,1.器件换流,利用全控型器件的自关断能力进行换流,（Device Commutation）

3、,在采用IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等全控型器件的电路中，其换流方式即为器件换流。,只要把负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断，不需要器件具有门极可关断能力，也不需要为换流附加任何元件。可控整流电路三相交流调压电路采用相控方式的交交变频电路但不适用于没有交流电网的无源逆变电路,2.电网换流,由电网提供换流电压,（Line Commutation）,电网换流,3.负载换流,负载电流相位超前于负载电压的场合负载为电容性负载时 负载为同步电动机时,由负载提供换流电压,4个桥臂均由晶闸管组成负载是电阻电感串联后再和电容并联，工作在接近并联谐振状态而略呈容性。直流侧串入大电感Ld

4、，工作过程中可认为 id基本没有脉动,（Load Commutation）,工作波形分析：因为直流电流近似为恒值，4个臂开关的切换仅使电流流通路径改变，所以负载电流基本呈矩形波。,负载工作在对基波电流接近并联谐振的状态，对基波阻抗很大而对谐波阻抗很小，uo波形接近正弦波,t1时刻前：VT1、VT4为通态，VT2、VT3为断态，uo、io均为正，VT2、VT3上施加的电压即为uo t1时刻触发VT2、VT3使其开通，uo通过VT2、VT3分别加到VT4、VT1上使其承受反向电压而关断，电流从VT1、VT4换到VT3、VT2 触发VT2、VT3时刻，t1必须在uo过零前并留有足够裕量，才能使换流顺

5、利完成,强迫换流（Forced Commutation）设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式称为强迫换流。通常利用附加电容上所储存的能量来实现。也称为电容换流。直接耦合式强迫换流：,由换流电路内电容直接提供换流电压的方式,在晶闸管处于通态时，预先给电容C充电。如果合上开关S，就可以使晶闸管被施加反向电压而关断。,给晶闸管加上反向电压而使其关断的换流,电压换流,接通S后，LC振荡电流先正向流过VT并和VT中原有的负载电流叠加，经过半个振荡周期 振荡电流反向流过VT，直到VT的合成正向电流减至零后，再流过二极管VD。,接通S后，LC振荡电流将反向流过VT，与VT

6、的负载电流相减，直到VT的合成正向电流减至零后，再流过二极管VD。,晶闸管在LC振荡第一个半周期内关断,晶闸管在LC振荡第二个半周期内关断,电流换流,先使晶闸管电流减为零，然后通过反并联二极管使其加反向电压的换流,电感耦合式强迫换流：通过换流电路内的电容和电感的耦合来提供换流电压或换流电流。,4种换流方式中器件换流 只适用于全控型器件强迫换流电网换流 主要是针对晶闸管而言的。负载换流,因为器件或变流器自身的原因而实现换流,属于自换流,不是依靠变流器自身原因，而是借助于外部手段（电网电压或负载电压）来实现换流的，它们属于外部换流,熄灭:当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通

7、而变为零,8.2 电压型逆变电路（VSI）,电流型逆变电路（电流源型逆变电路）,电压型逆变电路（电压源型逆变电路）,直流侧是电压源,直流侧是电流源,电压型逆变电路的主要特点：1.直流侧为电压源，或并联有大电容，相当于恒压源。内阻抗近为0。2.交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而不同。3.当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，各桥臂都并联有反馈（续流）二极管（与全控器件反并联构成逆导开关）。,1半桥逆变电路(用全控型器件),半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂有一

8、个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点是直流电源的中点。负载联结在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。,设开关器件V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补。,t2时刻以前V1通，V2断 t2时刻给V1关断信号，给 V2开通信号，则V1关断，但感性负载中io不能立即改变方向，于是VD2导通续流。,t3时刻io降为零时，VD2截止，V2开通，io开始反向。t4时刻给V2关断信号，给V1开通信号，V2关断，VD1先导通续流，t5时刻V才开通。,V1或V2通时，负载电流io和电压uo同方向，直流侧向负载提供能量 VD1或VD2通时，i

9、o和uo反向，负载电感中贮藏的能量向直流侧反馈,输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2 输出电流io波形随负载情况而异。,2全桥逆变电路,电压型全桥逆变电路可看成由两个半桥电路组合而成，共4个桥臂，桥臂1和4为一对，桥臂2和3为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180,电压型全桥逆变电路输出电压uo的波形和半桥电路的波形uo形状相同，也是矩型波，但幅值高出一倍，Um=Ud,输出电流io波形和半桥电路的io形状相同，幅值增加一倍,固定180移相方波控制方式,只能通过改变DC侧Ud来调节输出交流电压有效值大小,采用移相方式调节逆变电路的输出电压,调节输出电压脉冲的宽度,移相调压,各IGB

10、T栅极信号为180正偏，180反偏，且V1和V2栅极信号互补，V3和V4栅极信号互补 V3的基极信号不是比V1落后180，而是只落后q(0 q 180)V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180-q 输出电压uo是正负各为q 的脉冲,两个半桥各自按180方波控制（上下两桥臂互补通断），两半桥的控制方波在相位上相差一定角度（0180）。输出给负载的电压波形为正负对称宽方波，幅度为。通过改变移相角度来调节输出交流电压有效值大小。移相范围=0180。,三相桥式逆变电路1电路：由三个半桥单元组成，多用全控器件，负载通常不接直流侧中性点（中线）。,电压型三相桥式逆变电路也是180导电方式 每桥臂导

11、电角度180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120 在任一瞬间将有三个桥臂同时导通 每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流,U相输出 当桥臂1导通时，uUN=Ud/2 当桥臂4导通时，uUN=Ud/2 uUN的波形幅值是为Ud/2 的矩形波 V、W两相情况和U相类似uVN、uWN的波形形状与uUN相同，只是依次相差120,2.输出相电压,3.负载线电压4.负载相电压将上式整理得负载中点N和电源中点N之间电压uUN,uUN+uVN+uWN=0,uNN也是矩形波，但其频率为uUN频率的3倍，幅值为其1/3，即为Ud/6。,波形：uUN、uVN、uWN的波形形状相同

12、，均为6拍阶梯波，幅度为，相位上依次相差120。,波形：正负对称1200宽方波，幅度为。,只能通过改变DC侧Ud来调节输出交流电压有效值大小,开关管的控制方式:1)180方波控制2)移相调压3)正弦型PWM控制 输出电压波形:1)输出交流电压有效值:1)通过改变DC侧Ud来调节2)通过改变角来调节3)通过改变PWM控制规律来调节,2),3),8.4 PWM控制的基本原理,采样控制理论中一个重要结论,冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同,冲量:窄脉冲的面积效果基本相同:环节的输出响应波形基本相同如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异,

13、PWM(Pulse Width Modulation)脉宽调制技术：通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值）,以正弦波为例说明面积等效原理：将正弦半波分成N等份，就可以把正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把以上脉冲序列以相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到PWM波形。各脉冲的幅值相等，宽度按正弦规律变化。PWM波形和正弦半波等效，即面积等效原理。,对于正弦波的负半周，也可

14、以用同样的方法得到PWM波形。,脉冲列的各脉冲宽度按正弦规律变化（等效平均面积按正弦波变化）的PWM波形，称作SPWM波形。,逆变电路输出的PWM波常见的有两种:三点式、两点式PWM波形三点式PWM：正半周均为正脉冲，负半周均为负脉冲，没有正、负两极性间的跳变，单极性PWM。,整个波形包含有三种电平，即+Ud/2，0V，-Ud/2，所以又被称作三电平（Three Level）PWM。其基波与原正弦波同频率,谐波仍存在。脉冲个数越多,正弦脉宽变化越平滑,则越逼近正弦,谐波亦越小。即开关频率高,则波形好,滤波也容易。,两点式(Two Level)PWM波形(双极性PWM)对应于正弦波的每个半周都是

15、双极性跳变的脉冲序列，在正负两电平间跳变。脉宽按正弦规律变化，在每个等份上的正负面积之代数和(平均面积)按正弦规律变化，即符合面积等效原理。各脉冲的占空比按正弦规律变化：在0t1这一等份上，对应的正弦波瞬时值为正值，脉冲占空比应大于50%，正、负面积的平均值为正值。在正弦波过零点近旁，脉冲占空比应接近等于50%，使正、负面积的平均值趋于零。在负半周各等份上对应的脉冲占空比均小于50%。,半波镜对称：通常要求正负半周对应的PWM波形半波镜对称，以消除偶次谐波。通常四分之一波也要对称。,脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,SPWM波形,SPWM波形,等幅PWM（直流电源产生）不等幅

16、PWM（交流电源产生）,直流斩波电路得到的PWM波是等效直流波形，SPWM波得到的是等效正弦波,三点式PWM波形比两点式波形更逼近正弦：要达到同样的基波、谐波成分要求，两点式PWM需要更高的开关频率，每半周脉冲个数N要增大。三点式PWM采用较低的开关频率可以获得较好的波形质量，故开关损耗小，更适用于大功率逆变器。但是直接输出三点式PWM波形的三点式逆变器主电路结构比较复杂，使用器件较多。所以，目前直接输出两点式PWM波形的两点式逆变器应用较多。改变等效正弦波（基波）的幅值：根据PWM波形面积等效原理，要改变等效输出正弦波的幅值，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度（占空比）即可。,8.5 PWM

17、逆变电路及其控制方法 PWM逆变主电路也可分为电压型和电流型两种类型。,计算法控制,调制法,根据正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，计算PWM波形中各脉冲的宽度和间隔时间。按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。,把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。,等腰三角波或锯齿波,V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补 uo正半周时，V1导通，V2关断，V3和V4交替通断 负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负,负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo=Ud V4关断时，负

18、载电流通过V1和VD3续流，uo=0 负载电流为负的区间，V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud,V4关断，V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0 uo总可得到Ud和零两种电平,单极性PWM控制方法（单相桥逆变）,uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平,单极性PWM控制方法（单相桥逆变）,Uo正半周，让V1保持通，V2保持断，V3和V4交替通断，uo可得Ud和零两种电平,调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在负半周为负正极性的三角波 在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断,单极性

19、PWM控制信号的产生方法（单相桥逆变）,等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲,载频三角波比较法,ur正半周，V1保持通，V2保持断 当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud当uruc时使V4断，V3通，uo=0,ur负半周，V1保持断，V2保持通 当uruc时使V3断，V4通，uo=0,表示uo的基波分量,单极性PWM控制方式Ur半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得PWM波形的控制方法,两点式PWM控制：在ur的半个周期内，三

20、角波载波有正有负，所得的PWM波也是有正有负。在ur的一个周期内，输出的PWM波只有Ud两种电平。仍然在ur和uc的交点时刻控制各开关器件的通断。,在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当ur uc时，给V1和V4以导通信号，给V2和V3以关断信号，输出电压uo=Ud。当uruc时，给V2和V3以导通信号，给 V1和V4以关断信号，uo=-Ud。,双极性PWM控制信号的产生方法,三相桥式逆变电路PWM控制三相的PWM控制公用三角波载波uc三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120,U相的控制规律当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN=Ud/2当urUuc时，给V

21、4导通信号，给V1关断信号，uUN=-Ud/2当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通,防直通死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定死区时间给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波,波形：uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2两种电平uUV波形可由uUN-uVN得出，当V1和V6通时，uUV=Ud，当V3和V4通时，uUV=Ud，当V1和V3或V4和V6通时，uUV=0输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成负载相电压PWM波由(2/

22、3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成,用PWM方式既可以实现VV又可以VF。在三角波比较方式中:U/f协调控制调制系数m=Urm/Ucm，01之间载波比N=fc/fr欲实现U/f协调控制，随f变化，同时调m。当fr很低，Urm很小时，m很小，正半周正脉冲宽度随Urm而变窄，平均正面积减小，基波幅度减小，SPWM波基波成分减小，。fr与fc协调关系,Variable voltage,Variable Frequency,PWM的协调控制方式,调节Ur,改变fr,fr与fc协调关系 frur参考信号频率，fcuc载频。载波比N=fc/fr。同步调制：fc与fr同步变化，N保持整数，可以使SP

23、WM波每周期半波内包含的矩形脉冲数保持固定，且正负半波对称，无偶次谐波。若N为3的整数倍，还可使三相PWM波完全对称，严格互差1200，在1200处为整数个三角波周期。比如N取6、9、24、27、159等。同步调制的缺点：低频时谐波增大，如高频时每周6个脉冲，谐波相对较小，但在fr仅为几Hz时，每周若仍为6个脉冲，由于低频时基波幅度小,谐波成分相对增大，再说低频时的谐波不易滤除。,异步调制:在调制波频率连续改变时，fc恒频，可以克服上述缺点，但又失去了所有的正负半周对称与三相波的对称性。因为不能保证N总为整数.当然在半周脉冲数很多的情况下，其影响程度会减小。分段同步调制：具有上两者的优点，N可变但始终保持为3的整数倍。不同频段采用不同的载波比，随着fr的降低N逐步加大。按fcfr频率配合关系，依次取21，33，45，69，99，147，201等。随fR每周脉冲个数逐步增加。无论那个频率段上，fc始终保持在一定范围内，即意味着功率器件的开关频率保持在适当范围内，本方案为1.42.0kHz。,分段同步调制的频段及载波比：,