第3章 PWM逆變電路

1、第3章PWM逆變電路3.1概述3.2單相方波逆變電路3.3單相SPWM逆變電路3.4三相方波逆變電路3.4.4三相方波逆變電路的特點3.5三相SPWM逆變電路3.6逆變電路輸出電壓波形改善3.7逆變電路的控制3.1概述3.1.1特殊交流電源的分類3.1.2逆變電路的基本用途3.1.3逆變電路的分類3.1.1特殊交流電源的分類1.感應(yīng)加熱電源2.交流調(diào)速電源(變頻變壓電源，VVVF電源)3.恒頻恒壓電源(CVCF電源)4.有源逆變電源3.1.2逆變電路的基本用途1.直接變換直接將太陽能或化學(xué)能電池等直流能源轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需要的交流電能稱為直接變換。2.間接變換前述幾種特殊電源均采用AC-DC-AC

2、的多級轉(zhuǎn)換方式(在很多文獻(xiàn)中稱之為含直流環(huán)節(jié)的交流變換電路)，顯然在這類電源中逆變電路承擔(dān)DC-AC轉(zhuǎn)換的任務(wù)。3.1.3逆變電路的分類迄今已發(fā)展了多種逆變電路并可分類如下：逆變電路分為有源逆變電路、無源逆變電路、功率器件半控型電路、全控型電路、直流電源電壓源電路、電流源電路電路、結(jié)構(gòu)橋式電路、半橋電路全橋電路、非橋式電路、雙極性電路等。3.2單相方波逆變電路3.2.1基本假定3.2.2方波逆變電路3.2.3相移式方波逆變電路3.2單相方波逆變電路圖3-1電壓源單相橋式方波逆變電路a)全橋式電路結(jié)構(gòu)b)半橋式電路結(jié)構(gòu)c)全橋式電路電量波形d)全橋移相式電路電量波形3.2.1基本假定1)構(gòu)成逆變

3、電路的功率器件均具有理想特性：無慣性；無內(nèi)耗，開關(guān)狀態(tài)的更迭可在瞬間完成。2)向逆變電路供電的直流電源無內(nèi)阻，直流側(cè)并聯(lián)電容Cd值很大，直流電壓ud無紋波且不受負(fù)載影響。3)逆變電路具有理想負(fù)載，變壓器和電抗器無直流內(nèi)阻、鐵心不飽和；電路無分布電感和寄生電容；負(fù)載電容器無內(nèi)耗。3.2.2方波逆變電路1.輸出電壓分析：出電壓u0的波形與負(fù)載無關(guān)，恒為交變方波，這是所有電壓源逆變電路的共同特點。2.換流方式：變電路具有以下兩種不同的換流方式臂內(nèi)換流和臂間換流。3.輸出功率：逆變電路基波平均功率與其瞬時值的直流分量相等。4.方波逆變電路的特點：(1)輸出電壓不可調(diào)；(2)輸出電壓諧波含量高。3.2.

4、3相移式方波逆變電路圖3-2輸出電壓諧波含量與的關(guān)系曲線3.3單相SPWM逆變電路3.3.1雙極性SPWM逆變電路3.3.2單極性SPWM逆變電路3.3.3單相PWM逆變電路用例3.3.1雙極性SPWM逆變電路圖3-3雙極性SPWM單相逆變電路的電量波形g)主電路功率器件的開關(guān)時序(陰影時區(qū)表示器件導(dǎo)通)3.3.1雙極性SPWM逆變電路圖3-4雙極性SPWM中的近似關(guān)系1. SPWM逆變電路的調(diào)壓原理3.3.1雙極性SPWM逆變電路圖3-5SPWM逆變電路的調(diào)壓特性線性調(diào)制區(qū)過調(diào)制區(qū)方波區(qū)3.3.1雙極性SPWM逆變電路圖3-6包含3次諧波的調(diào)制信號3.3.1雙極性SPWM逆變電路圖3-7輸出

5、電壓的頻譜2. SPWM技術(shù)抑制諧波的原理3.3.1雙極性SPWM逆變電路圖3-8雙極性SPWM INV的諧波特性3.3.1雙極性SPWM逆變電路表3-1雙極性SPWM 數(shù)據(jù)表3-1雙極性SPWM 數(shù)據(jù)3.3.1雙極性SPWM逆變電路3.逆變電路入端電流i的分析3.3.2單極性SPWM逆變電路圖3-9單極性SPWM單相逆變電路電量波形3.3.2單極性SPWM逆變電路圖3-10單極性SPWM逆變電路輸出電壓的諧波特性3.3.2單極性SPWM逆變電路圖3-11K1時的近似關(guān)系(單極性SPWM)3.3.2單極性SPWM逆變電路圖3-12帶鉗位式緩沖電路的單極性SPWM逆變電路a)電路結(jié)構(gòu)b)d)理想

6、條件下電路的電量波形3.3.2單極性SPWM逆變電路圖3-13圖3-12a電路的電量波形3.3.2單極性SPWM逆變電路圖3-14圖3-13中各時區(qū)的等效電路3.3.3單相PWM逆變電路用例圖3-15車載IGBT-SPWM單相高頻鏈逆變電路1交流反饋電壓檢測2電壓調(diào)節(jié)器3晶振電路4分頻電路5正弦波調(diào)制信號形成6，12PWM芯片7分相器8，13IGBT驅(qū)動電路9，11過電流保護(hù)電路10直流反饋電壓采樣電路3.3.3單相PWM逆變電路用例表3-2車載高頻鏈逆變電源性能指標(biāo)3.4三相方波逆變電路3.4.1純阻負(fù)載的工作情況分析3.4.2無源感性負(fù)載的工作情況分析3.4.3有源負(fù)載的工作情況分析3.4

7、.1純阻負(fù)載的工作情況分析圖3-16三相半橋式電壓源逆變電路a)主電路結(jié)構(gòu)b)e)等效電路f)k)純阻負(fù)載下電量波形3.4.2無源感性負(fù)載的工作情況分析圖3-17無源感性負(fù)載下逆變電路的電量波形E負(fù)載反電動勢3.4.2無源感性負(fù)載的工作情況分析圖3-18三相方波電壓源逆變電路的工作模式a)第一模式(3T0D)b)、d)第二模式(2T1D)c)第三模式(1T2D)3.4.3有源負(fù)載的工作情況分析籠型異步電動機(jī)的簡化等效電路圖3-19籠型異步電動機(jī)的等效電路a)簡化等效電路b)電動勢源等效電路c)等效子電路3.4.3有源負(fù)載的工作情況分析圖3-20電動機(jī)負(fù)載下相電流波形3.4.3有源負(fù)載的工作情況

8、分析圖3-21電動機(jī)負(fù)載下三相逆變電路的電量波形3.4.4三相方波逆變電路的特點1.輸出電壓諧波含量高2.輸出電壓不可調(diào)3.直流電壓利用率較低1.輸出電壓諧波含量高三相電壓源逆變電路輸出相電壓總諧波失真度THD=26%，該值雖比單相電路低，但仍然高于諸如CVCF一類電源的要求。2.輸出電壓不可調(diào)圖3-22三相全橋式逆變電路2.輸出電壓不可調(diào)圖3-23三相橋式逆變電路的負(fù)載端電壓矢量圖a)半橋式電路b)全橋式電路3.直流電壓利用率較低三相電路直流電壓利用率Av為Av=UA01mUd式中，UA01m為相電壓基波幅值。估算Av=0.637，三相逆變電路的直流電壓利用率并不高。3.5三相SPWM逆變電

9、路3.5.1控制極信號的時序分布3.5.2純阻負(fù)載下的電路工作情況3.5.3感性負(fù)載下的電路工作情況3.5.1控制極信號的時序分布1)各相上下橋臂控制信號在相位上互補(bǔ)。2)為提高器件的關(guān)斷速度和可靠性，關(guān)斷期中加上負(fù)電壓。3)和圖3-16f相比較，已調(diào)制的控制信號實際上可視為在方脈沖的正負(fù)半周各挖去一處缺口而成(由于K值很低，因而比較直觀)。4)任何時刻，有三個控制信號處于高位，其余的處于低位。5)已調(diào)制控制信號的脈寬隨時間按正弦規(guī)律變化；但在同一時間內(nèi)其脈寬則隨調(diào)制比m值而變。3.5.1控制極信號的時序分布圖3-24三相電壓源SPWM逆變電路的電量波形3.5.2純阻負(fù)載下的電路工作情況1)由

10、于各相上下橋臂控制信號在相位上互補(bǔ)，因而上下臂功率器件也以互補(bǔ)方式輪流導(dǎo)通。2)由于任何時刻電路中有三個控制信號處于高位，相應(yīng)地主電路中有三支器件處于通態(tài)，其他器件關(guān)斷，在純阻負(fù)載下，各導(dǎo)電臂中只有可控器件參與導(dǎo)通，其開關(guān)時序如圖3-24f。3)輸出電壓分析：按圖3-24e所選時間坐標(biāo)，輸出線電壓uAB(uAB=uA0-uB0，uB0波形與uA0相仿，但相位滯后2/3rad)為奇函數(shù)，其傅里葉級數(shù)展開式為3.5.2純阻負(fù)載下的電路工作情況圖3-25三相SPWM逆變電路的調(diào)壓特性線性區(qū)過調(diào)制區(qū)方波區(qū)3.5.3感性負(fù)載下的電路工作情況電路為第四模式工作，該模式不同于圖3-18所示的各種模式，導(dǎo)通的

11、器件集中于橋的三個上臂(或下臂)，由于VD1、VD3和VT5同處通態(tài)，三相暫時處于短路，這種情況直至=+3(即時區(qū)5)，電路中有ug1，ug5和ug6處高位，相應(yīng)地有VD3向VT6瞬間換流，電路中改為VT1、VT5和VT6導(dǎo)通(3T0D)，滿足iA10，iB10和iC10。其他時區(qū)類推。3.6逆變電路輸出電壓波形改善3.6.1附加輸出濾波器3.6.2PWM技術(shù)的優(yōu)化3.6.1附加輸出濾波器圖3-26電感輸入型低通濾波器a)電路結(jié)構(gòu)b)電抗幅頻特性3.6.2PWM技術(shù)的優(yōu)化圖3-27倍頻式SPWM逆變電路a)主電路結(jié)構(gòu)b)電量波形3.7逆變電路的控制3.7.1電壓瞬時值單環(huán)反饋控制3.7.2電流

12、瞬時值單環(huán)反饋控制3.7.3電壓電流雙環(huán)反饋控制3.7.4電壓空間矢量控制3.7.5PWM逆變電路的控制手段3.7.1電壓瞬時值單環(huán)反饋控制圖3-28單相電壓源半橋式逆變電路的控制電路框圖a)電壓平均值反饋方式b)電壓瞬時值反饋方式1平均值檢測電路2電壓給定3PI電壓調(diào)節(jié)器4恒幅正弦波調(diào)制信號發(fā)生器5乘法器6三角形載波發(fā)生器7SPWM比較器8驅(qū)動電路1.電壓平均值反饋控制方式存在的問題3.7.1電壓瞬時值單環(huán)反饋控制2.電壓瞬時值反饋控制圖3-29具有電壓瞬時值反饋環(huán)的逆變電路結(jié)構(gòu)圖3.7.2電流瞬時值單環(huán)反饋控制圖3-30采用電流滯環(huán)跟蹤控制方式的逆變電路a)電路結(jié)構(gòu)b)等效電路c)普通比較

13、器的控制特性d)滯環(huán)比較器的控制特性1正弦電流給定2滯環(huán)比較器3鎖存器4驅(qū)動電路1.電流滯環(huán)跟蹤控制3.7.2電流瞬時值單環(huán)反饋控制圖3-31具有準(zhǔn)固定開關(guān)頻率的滯環(huán)控制1正弦電流給定2滯環(huán)比較器3頻率給定4頻率檢測電路5頻率調(diào)節(jié)器6驅(qū)動電路3.7.2電流瞬時值單環(huán)反饋控制2.準(zhǔn)固定頻率的滯環(huán)跟蹤控制針對常規(guī)滯環(huán)跟蹤開關(guān)頻率變化的弱點，文獻(xiàn)10提出一種在滯環(huán)控制中引入頻率反饋的方法，解決滯環(huán)控制的上述問題，而且不影響原有的系統(tǒng)快速性、穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)精度。3.7.3電壓電流雙環(huán)反饋控制圖3-32具有電壓電流雙反饋環(huán)的逆變電路a)電路結(jié)構(gòu)圖b)電量波形圖1正弦電壓給定2電壓調(diào)節(jié)器3電流調(diào)節(jié)器4三角形

14、載波發(fā)生器5SPWM信號比較器6驅(qū)動電路3.7.4電壓空間矢量控制圖3-33三相電壓源逆變電路a)主電路b)電量波形S導(dǎo)通橋臂M工作模式合成空間矢量t時間區(qū)域1.電動機(jī)定子電壓的空間矢量3.7.4電壓空間矢量控制圖3-34由三相方波逆變電路供電的空間矢量分布3.7.4電壓空間矢量控制圖3-35三相SPWM逆變電路的電壓波形3.7.4電壓空間矢量控制圖3-36線電壓空間矢量在復(fù)平面上的分布3.7.4電壓空間矢量控制圖3-37SVPWM信號圖解生成法a)軌跡作圖b)開關(guān)狀態(tài)及空間電壓矢量序列c)輸出電壓波形2.電壓空間矢量PWM信號生成方法3.7.4電壓空間矢量控制圖3-38SVPWM信號生成a)

15、電壓空間矢量分布b)SVPWM信號3.7.5PWM逆變電路的控制手段圖3-39規(guī)則采樣法1.基于單片機(jī)和集成數(shù)字定時芯片結(jié)構(gòu)3.7.5PWM逆變電路的控制手段圖3-40采用微機(jī)和SLE4520控制的IGBT變頻電源開環(huán)框圖1三相交流電源2三相不控整流器3直流濾波電容器4IGBT三相逆變器5異步電動機(jī)6驅(qū)動電路7SLE45208微機(jī)80319頻率給定10EPROM11RAM12故障電路7A地址譯碼鎮(zhèn)存器7B1振蕩器7B2脈沖放大器7C分頻比率鎖存器7D可編程序分頻器7E8位數(shù)據(jù)鎖存器7F可預(yù)置8位計數(shù)器7G過零檢測器7H死區(qū)位移鎖存器7I信號處理及輸出電路7J狀態(tài)觸發(fā)器3.7.5PWM逆變電路的控制手段圖3-41SLE4520的管