電力電子技術(shù)第5章直流交流變換器課件

1、第5章 交-直-交變換器 5.1 引 言 交-直-交變換器就是把工頻交流電通過整流器變換成直流電，再通過逆變器將直流電逆變成為頻率可調(diào)的交流電。交-直-交變換器由交-直變換器和直-交變換器兩部分組成，交-直變換器屬整流器；直-交變換器就是把直流電變成交流電，稱為逆變器，也稱變頻器。逆變的概念，交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變。交直交變頻, 由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是變頻器。主要應(yīng)用各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是變頻器。5.2 逆變器的基本原理S1、S4閉合，S2

2、、S3斷開時，負(fù)載電壓uo為正。S1、S4斷開，S2、S3閉合時，負(fù)載電壓uo為負(fù)。(1) 電阻性負(fù)載 io與uo形狀相同，相位也相同(2) 電感性負(fù)載 io與uo形狀如由圖所示5.3 電壓型逆變器 逆變器的分類 根據(jù)輸出相數(shù)的不同單相逆變器三相逆變器根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同電壓型逆變器：直流側(cè)并聯(lián)電容，具有電壓源的特性電流型逆變器：直流側(cè)串聯(lián)電感，具有電流源的特性5.3.1 單相電壓型逆變器 1半橋逆變器 2.全橋逆變器電壓型逆變器的特點是直流電源接有很大的濾波電容，從逆變器向直流電源看過去電源內(nèi)阻為很小的電壓源，保證直流電壓穩(wěn)定。 半橋電壓型逆變器 全橋電壓型逆變器 全橋電壓型逆變器工作原

3、理它和直流PWM逆變器具有相同的電路結(jié)構(gòu)。把VT1和橋臂VT4作為一對，VT2和VT3作為另一對，成對的兩個開關(guān)管同時導(dǎo)通，兩對交替各導(dǎo)通180，右下圖開關(guān)管的驅(qū)動信號波形。輸出電壓波形t1t2： VT1 、VT4通態(tài)，VT2 、VT3斷態(tài)，uo=Ud，iot2t3：關(guān)斷VT1、VT4，開通VT2、VT3 ，io0，VD2 、VD3 續(xù)流，uo=Ud，iot3： io=0t3t4：VT2、VT3通態(tài)，uo=Ud，io反向t4： 關(guān)斷VT2、VT3 ，開通VT1、VT4。t4t5：iouc時，使VT2、VT3斷，VT1、VT4通，uo=Ud當(dāng)uruc時，使VT3斷，VT4通，uo=Ud當(dāng)uruc

4、時，使VT3斷，VT4通，uo=0當(dāng)uruc時，使VT4斷，VT3通，uo=Ud 圖中，uo1表示uo的基波分量 基波輸出電壓為正、輸出電流為正時的工作過程 (a ） (b) 基波在輸出電壓為負(fù)、輸出電流為正時的工作過程(c) (d)(2) 工作過程基波輸出電壓為負(fù)、輸出電流為負(fù)時的工作過程(e) (f) 基波輸出電壓為正、輸出電流為負(fù)時的工作過程 (g) (h) 調(diào)制度a：將正弦參考波ur的幅值與三角載波uc的峰值之比定義為調(diào)制度a，亦稱調(diào)制比或調(diào)制系數(shù)。一般來說，0a fr，所以SPWM波中所含的主要諧波的頻率要比基波頻率高得多，是很容易濾除的。載波頻率越高，SPWM波中諧波頻率就越高，所

5、需濾波器的體積就越小。單相橋式SPWM逆變器采用單極性控制和雙極性控制時，輸出電壓中不含低次諧波，其諧波主要分布在載波角頻率c整數(shù)倍附近，并以載波角頻率c附近的諧波幅值為最大。單極性控制方式比雙極性控制方式的諧波小。 單極性調(diào)制時的諧波 雙極性調(diào)制時的諧波3. 兩種控制方式比較采用單極性控制方式時，在參考波的半個周期內(nèi)，有一個開關(guān)管是始終關(guān)斷的；在每個主電路開關(guān)周期內(nèi)，輸出電壓只在正和零(或負(fù)和零)間跳變，正、負(fù)兩種電平不會同時出現(xiàn)在同一開關(guān)周期內(nèi)；逆變器采用雙極性控制方式時，同一相上下橋臂的兩個開關(guān)管交替通斷，處于互補工作方式；在每個主電路開關(guān)周期內(nèi)，輸出電壓波形都會出現(xiàn)正和負(fù)兩種極性的電平

6、；在雙極性SPWM控制方式中，同一相上、下兩個臂的驅(qū)動信號都是互補的。但實際上為了防止上、下兩個臂直通而造成短路，在給一個臂施加關(guān)斷信號后，再延遲時間，才給另一個臂施加導(dǎo)通信號。延遲時間的長短主要由功率開關(guān)器件的關(guān)斷時間決定。這個延遲時間將會給輸出的SPWM波形帶來影響，使正弦波發(fā)生畸變。在SPWM逆變器中，載波頻率fc與參考波頻率fr 之比N = fc /fr 稱為載波比。根據(jù)載波和參考波是否同步及載波比的變化情況，SPWM逆變器分為異步調(diào)制、同步調(diào)制和分段同步調(diào)制方式。1. 異步調(diào)制方式載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式。通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時，載波比N是變化的。2. 同步調(diào)制

7、方式 在同步調(diào)制方式中，參考信號頻率變化時載波比N不變，參考信號一個周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的。5.5.3 SPWM的調(diào)制方式異步調(diào)制的缺點：在信號波的半周期內(nèi)，SPWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱。當(dāng)fr 較低時，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小。當(dāng)fr 增高時，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，脈沖不對稱的影響就變大。同步調(diào)制的缺點：fr 很低時，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除。fr 很高時，fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。3. 分段同步調(diào)制方式為了克服上述缺點，通常都采用分段同步調(diào)制的方法，即把

8、逆變器的輸出頻率范圍劃分成若干頻段，每個頻段內(nèi)都保持載波比N為恒定，在輸出頻率的高頻段采用較低的載波比，以使載波頻率不致過高。在輸出頻率的低頻段采用較高的載波比，使載波頻率不致過低而對負(fù)載產(chǎn)生不利影響。各頻段的載波比應(yīng)該都取3的整數(shù)倍且為奇數(shù)。提高載波頻率可以使輸出波形更接近正弦波。但載波頻率的提高受到功率開關(guān)器件允許最高頻率的限制。為防止N在切換點附近跳動，采用回滯切換的方法。實線表示fr增高時的切換頻率，虛線表示 fr 降低時的 切換頻率。5.5.4 三相橋式SPWM逆變器 工作原理 如何調(diào)壓、變頻、改相序5.5.5 SPWM的一般問題1SPWM的優(yōu)點調(diào)壓和調(diào)頻同時在逆變器的控制中完成，不

9、再需要調(diào)控直流電源，因此電壓型SPWM逆變器都采用不可控整流器作為直流輸入電源。，僅有一個可控功率級，從而簡化了主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)，使裝置的體積小、重量輕、造價低、可靠性高。 直流電壓可由二極管整流獲得，交流電網(wǎng)的輸入功率因數(shù)與逆變器輸出電壓的大小和頻率無關(guān)而接近1；如有數(shù)臺裝置，可由同一臺不可控整流器輸出作直流公共母線供電。 輸出頻率和電壓都在逆變器內(nèi)控制和調(diào)節(jié)，其響應(yīng)的速度取決于控制回路，而與直流回路的濾波參數(shù)無關(guān)，所以調(diào)節(jié)速度快，并且可使調(diào)節(jié)過程中頻率和電壓的配合同步，以獲得好的動態(tài)性能。 輸出電壓或電流波形接近正弦，從而減少諧波分量。2SPWM的開關(guān)頻率SPWM是經(jīng)過調(diào)制的幅值相等

10、、寬度不等的脈沖信號。SPWM調(diào)制后的信號中除了含有參考信號外，還含有頻率很高的載波頻率及載波倍頻附近的頻率分量，但幾乎不含其他諧波，特別是幾乎不含接近基波的低次諧波。因此，載波頻率也即SPWM的開關(guān)頻率愈高，諧波對系統(tǒng)的影響越小，諧波越容易濾除，SPWM波就越接近期望的正弦波。但是，SPWM的載波頻率除了受功率器件的允許開關(guān)頻率制約外，SPWM的開關(guān)頻率也不宜過高，這是因為開關(guān)器件工作頻率提高，開關(guān)損耗和換流損耗會隨之增加。另外，開關(guān)瞬間電壓或電流的急劇變化形成很大的du/dt或di/dt，會產(chǎn)生強的電磁干擾，還會在線路和器件的分布電容和電感上引起沖擊電流和尖峰電壓。5.5.6 SPWM波的

11、生成方法 SPWM波形的生成主要有3種方式：模擬電路（包括模擬/數(shù)字混合電路）、微型計算機（包括單片機、數(shù)字信號處理器等）、專用集成電路。根據(jù)SPWM逆變器的基本原理和控制方法，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點。在交點時刻對功率開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，這樣就可得到SPWM波形。但這種模擬電路的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實現(xiàn)精確的控制。SPWM波可以用微機來完成。在用微機軟件生成SPWM脈沖時，通常有查表法和實時計算法。查表法適用于計算量較大、在線計算困難的場合，但所需要的內(nèi)存容量往往較大。實時計算法是在運行時進(jìn)行在線計算求得所需的開關(guān)時刻的方法，它適用于計算

12、量不大的場合。專用集成電路有很好的性能價格比，可簡化控制電路和軟件設(shè)計，降低成本，提高可靠性。專用集成電路的使用一般都較為方便，既可與單片機接口，也可單獨使用。1. 規(guī)則采樣法 實際應(yīng)用較多的是計算量比自然采樣法小得多的規(guī)則采樣法。在三角波的負(fù)峰時刻tD對正弦調(diào)制波采樣而得到D點，過D點作一水平直線和三角波分別交于A點和B點，在A點的時刻tA和B點的時刻tB控制功率開關(guān)器件的通斷?？梢钥闯?，用這種規(guī)則采樣法所得到的脈沖寬度和用自然采樣法所得到的脈沖寬度非常接近。 2低次諧波消去法以消去SPWM波形中某些主要的低次諧波為目的，通過計算確定各脈沖的開關(guān)時刻這種方法稱為低次諧波消去法。在這種方法中，

13、已經(jīng)不再比較載波和正弦調(diào)制波，但目的仍是使輸出波形盡可能接近正弦波，因此也算是生成SPWM波形的一種方法。應(yīng)當(dāng)指出，低次諧波消去法可以很好地消除指定的低次諧波，但是剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會相當(dāng)大。不過，因為其次數(shù)已比所消去的諧波次數(shù)高，因而較容易濾除。這種波形可用傅里葉級數(shù)表示為在半個周期內(nèi)的6個開關(guān)時刻中，能獨立控制的只有1、2、3三個時刻。該波形的an為: 根據(jù)需要確定基波分量a1的值，再令兩個不同的an=0，就可以建立三個方程，聯(lián)立求解可得1、2、3這樣就消去了兩種特定頻率的諧波。通常在三相對稱電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消，因此可以考慮消去5次和7次諧波，列方程

14、為 :3跟蹤控制法跟蹤型SPWM也不是用載波對正弦波進(jìn)行調(diào)制，而是把希望輸出的電流或電壓作給定信號，與實際電流或電壓信號進(jìn)行比較，由此來決定逆變器電路功率開關(guān)器件的通斷，使實際輸出跟蹤給定信號。采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型SPWM逆變器如下圖所示。當(dāng)io(io*+I)時，VT1或VD1導(dǎo)通，io增大當(dāng)io(io*+I)時，VT2或VD2導(dǎo)通，io減小通過滯環(huán)比較器的控制，io就在(io*+I)和(io*I)的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流io*。當(dāng)io*是正弦波時，輸出電流io也十分接近正弦波。環(huán)寬I過寬時，開關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬I過窄時，跟蹤誤差小，但開關(guān)頻率過高，開關(guān)損耗增大。L大時，io的變化率小，跟蹤慢；L小時，io的變化率大，開關(guān)頻率過高。4專用集成電路采用專門產(chǎn)生SPWM波形的大規(guī)模集成電路芯片可簡化控制電路和軟件設(shè)計，降低成本，提高可靠性。應(yīng)用得較多的SPWM芯片有HEF4752、SLE4520、MA818、8XC196MC。HEF4752芯片可提供三組互差120的互補輸出SPWM控制脈沖，以供驅(qū)動逆變器六個功率開關(guān)器件產(chǎn)生對稱的三相輸出，可適用于晶閘管或功率晶體管。該芯片有8段載波比(15、21、30、42、60、84、120、168)自動切換，調(diào)制頻率范圍為0200Hz，開關(guān)頻率一般不超過2kHz?？傊?，