[工程科技]SPWM逆变

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第六章无源逆变电路10/20/20221

1本章内容6.1　无源逆变电路的基本原理6.2　逆变器基本类型和性能指标6.3　三相逆变器工作原理6.4　PWM控制技术10/20/20222

2无源逆变电路的原理及分类无源逆变直流交流〔向负载直接供电)无源逆变技术的应用交流调速系统：如铁道牵引、大型工矿机车、城市有轨交通〔地铁和轻轨车)、重型电传动汽车和矿井提升设备等交流电源：如列车照明、感应加热电源、不停电电源〔UPS)等10/20/20223

3逆变器的基本类型按电网相数分类单相多相按调制方法分类SPWM阶梯波按导通的角度分类18012010/20/20224

4逆变器的基本类型〔续)按储能元件的性质分类电压型逆变器电流型逆变器10/20/20225

56.1无源逆变电路的基本原理6.1.1单相半桥逆变电路工作原理T1、T2轮流导通T1导通、T2截止：uan=UD/2T1截止、T2导通：uan=-UD/2波形分析10/20/20226

6由工作原理/波形分析得到的结论：①T1、T2轮流导通,使直流交流②改变T1、T2的切换频率,便可改变输出交流电的频率——变频.③与输出电压同方向的电流流过开关管T,与输出电压反方向的电流流过二极D,因此在电压型逆变器中二极D是必须的,它提供了反向电流通路,故称为反馈二极管.同时D又起着使负载电流连续的作用,因此又称为续流二极管.④T1、T2不能同时导通,否则将出现直流电源短路——贯穿短路.因此电压型逆变器同一桥臂上、下管的控制必须遵循"先断后开"原则.10/20/20227

76.1.1单相半桥逆变电路〔续)基本关系输出电压表达式基波电压有效值电感负载电流峰值R-L负载电流基波分量10/20/20228

86.1.2单相全桥逆变电路电路结构工作原理与半桥逆变电路相同T1、T4导通、T2、T3截止：Uan=UDT1、T4截止、T2、T3导通：Uan=-UD波形分析10/20/20229

96.1.2单相全桥逆变电路〔续)基本关系输出电压表达式基波电压有效值电感负载电流峰值R-L负载电流10/20/202210

106.3三相逆变器工作原理6.3.1三相电压型逆变器工作原理电路结构10/20/202211

11不同的控制方法有不同的输出：180导通型120导通型PWM控制10/20/202212

121800导电型—控制规律触发脉冲各管导通180依次相差60任何时刻有三个开关管同时导通导通顺序六个阶段10/20/202213

13180导通型各阶段的等值电路及电压值10/20/202214

14180导通型三相逆变器的输出波形相电压波形线电压波形10/20/202215

15180导通型三相逆变器的参数相电压表达式线电压表达式10/20/202216

16感性负载情况负载电流滞后角小于60〔a)A相电压波形〔b)A相电流波形〔c)T1的电流波形〔d)D4的电流波形〔e)直流输入电流10/20/202217

17感性负载情况〔续)负载电流滞后角大于6010/20/202218

18感性负载下逆变器中可能有三种电流：功率电流它通过两个或三个逆变管,将能量从直流电源送到负载.环路电流它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管,形成环流,但此环流不经过电源.反馈电流它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到直流电源中去.10/20/202219

19120导通型三相逆变器的输出波形相电压波形线电压波形10/20/202220

20180导通方式和120导通方式的比较：120方式上下两管间有60的间隙,对换流有利,但是管子的利用率低,且若采用星形接法,则始终有一相断开,在换流时会引起较高的感应电势,而180方式无论在三角形还是星形接法时,正常工作都不会产生过电压,故180方式应用较为普遍.10/20/202221

21逆变器有功功率的反馈电动机负载工作在发电机状态时,其发出的电能通过逆变器电路中的反馈二极管D1~D6回馈到直流侧,使直流侧电压UD升高为限制UD,必需将回馈的电能消耗掉或回馈到电网,具体方案有：通过制动单元消耗掉通过有源逆变桥回馈到电网〔见再生方案1)通过脉冲整流器回馈到电网〔见再生方案2)10/20/202222

22逆变器有功功率的反馈〔续)再生方案1四象限运行功率因数低谐波电流大主电路复杂10/20/202223

23逆变器有功功率的反馈〔续)再生方案2四象限运行功率因数高〔接近于1)谐波电流小控制较复杂10/20/202224

246.3.2电流型逆变电路优点：由于有大电感抑流,短路的危险性也比电压型逆变器小得多.不需要增设反并联的再生变流装置.缺点：电感重量、体积都很大,实际使用不如电压型逆变器广泛.10/20/202225

25三相电流型逆变电路主电路10/20/202226

266.3.2三相电流型逆变器工作原理〔续)触发脉冲：〔1200导电方式)10/20/202227

27工作原理及主要波形：线电流波形负载Δ型连接时的相电流波形10/20/202228

28电流型逆变器的四象限运行10/20/202229

296.4PWM技术方波型逆变器的问题本身不能调节输出电压幅值输出电压中含有大量的5、7、11次谐波解决方法采用PWM控制技术本节主要讨论电压型逆变器的PWM控制方法10/20/202230

306.4.0　PWM控制技术的理论基础冲量等效原理〔面积等效原理)：冲量相等而形状不同的窄脉冲作用于惯性系统时,其效果基本相同.〔说明为什么PWM波能与正弦波等效)10/20/202231

31正弦脉宽调制〔SPWM)原理目标函数——正弦输出电压使脉冲列的作用效果尽量接近于正弦波的作用效果基本原理根据冲量等效原理,用一组幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲列来代替正弦波改变各脉冲的宽度和变化周期即可改变等效正弦波的幅值和频率10/20/202232

32正弦脉宽调制〔SPWM)原理〔续)1.单极性调制正半周：T1导通,T4交替通断,T2、T3截止负半周：T2导通,T3交替通断,T1、T4截止10/20/202233

33正弦脉宽调制〔SPWM)原理〔续)2.双极性调制同一桥臂上的两个管子处于互补工作状态ur>uc时：T1、T4导通,uo=UDur

34三相逆变器一般采用双极性调制在双极性调制中,上下桥臂互补工作.为了防止桥臂直通短路,一个管子关断后,再延迟△t时间,才开通另一个管子,△t称为死区时间.死区时间给输出的PWM波形带来影响,使其偏离正弦波.10/20/202235

356.4.2SPWM的基波电压对SPWM脉冲进行数学分析后可以得出以下结论：结论一：输出基波电压幅值U1m与脉宽i有关,调节参考信号的幅值可以改变各脉冲的宽度,实现对逆变器输出电压基波的平滑调节.〔前提条件：n不太少,sin/2n/2n,sini/2i/2)10/20/202236

36结论二：脉冲宽度与该处正弦值近似成正比.输出的SPWM波是两侧窄、中间宽、脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形.U1m=Um结论三：SPWM逆变器输出的基波电压正是调制时所要求的等效正弦波.10/20/202237

376.4.3　对脉宽调制的制约条件PWM控制中两个重要定义：载波比：调制比：〔调制深度)载波比N受开关器件开关频率和损耗的限制：调制比M受最小脉宽与最小间歇的限制10/20/202238

386.4.4　同步调制与异步调制1.同步调制：在变频输出过程中,载波比N不变,载波信号与调制波信号保持同步的调制方式.即开关频率与输出频率同比例变化.优点：波形对称性好.当N为奇数时,输出波形正、负半周对称；当N为3的倍数时,三相输出波形对称,相互之间保持120相位移.缺点：低频时谐波大.当输出频率很低时,开关频率也随之降低,谐波显著增加,使负载电机产生较大的脉动转矩和噪声.10/20/202239

396.4.4　同步调制与异步调制〔续)同步调制示例：10/20/202240

406.4.4　同步调制与异步调制〔续)2.异步调制：在变频输出过程中,载波频率fc不变,载波比N随输出频率的降低而增大.优点：低频特性好.减少负载电机的转距脉动与噪声,改善低频工作性能.缺点：波形对称性差.N连续变化,当N不等于整数及三的倍数时,输出正负不对称,三相不对称.要求开关频率较高.10/20/202241

416.4.4　同步调制与异步调制〔续)3.分段同步调制：把变频范围划分成若干频段,每个频段内都维持载波比N恒定,不同频段取不同的N值.分段同步要注意的问题：各段载波比均取3的奇数倍；各频率切换点采用滞后切换的方法；尽量减小在频率切换点处因载波比的变化而造成的输出电压冲击.10/20/202242

426.4.5　SPWM波形实现方式SPWM波形具体生成方式有：模拟控制生成方式特点：实时性好,但控制电路复杂,可靠性差数字控制〔微机)生成方式〔包括专用芯片实现)特点：控制电路简单、可靠目前最常用的生成方式10/20/202243

43SPWM的数字控制自然采样法：按照正弦调制波与三角载波的自然交点,采集脉冲前、后沿时刻,生成SPWM波形,叫做自然采样法.〔NaturalSampling)10/20/202244

44SPWM的数字控制〔续)自然采样法脉宽计算超越方程,求解困难！虽能确切反映正弦脉宽调制的原始方法,却不适于微机实时控制.10/20/202245

45SPWM的数字控制〔续)规则采样法：按照某种规则采集脉冲前、后沿时刻,生成SPWM波形,叫做规则采样法〔RegularSampling).10/20/202246

46SPWM的数字控制〔续)规则采样法II脉宽计算规则采样法的实质是用阶梯波来代替正弦波,从而简化了算法,适合微机实时控制.10/20/202247

47习题6-1无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？6-2电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？6-3IGBT三相电压型无源逆变电路,工作在180°导通方式下,带电阻电感负载,画出完整的主电路图,以及在负载阻抗角φ<60°及φ>60°两种情况下的输出电压uAO、uAO’、uAB、输出电流iA、开关电流iT1、iD4直流侧电流id的波形〔注：O为负载中点,O’为直流电源中点).10/20/202248

486-4在逆变器中为什么要采用PWM技术？6-5单极性和双极性PWM调制有什么区别？单相逆变器和三相逆变器分别可采用什么调制方法？6-6载波比和调制比如何定义？是不是越大越好？分别受什么因素限制？它们与输出电压和输出频率有何关系？6-7什么是同步调制？什么是异步调制？二者各有何特点？分段同步调制有什么优点？6-8什么是自然采样法？什么是规则采样法？与自然采样法相比,规则采样法有什么优缺点？10/20/202249

496-9逆变电路分为电压型和电流型的依据是什么？6-10三相电压型逆变器,当采用PWM控制时,分频比N为什么要取３的倍数？为什么要取奇数？10/20/202250

506-16下图为交－直－交系统电路图,试回答下列问题：①简要说明图中各电路单元的作用；②分别画出无源逆变器工作在180°导通方式下,输出电压uAB的波形图；③当负载电机分别工作在电动状态和发电机状态时,分别说明该变流系统中的能量传递路径,以及直流侧电容电压的极性、电感电流的实际方向.10/20/202251

51课堂思考1、获得SPWM波形的基本方法有：硬件生成法、和.2、采用SPWM控制的电压型逆变电路中,载波频率越高,则输出电压中的谐波频率越.3、SPWM控制的逆变电路,输出SPWM波半周期包含25个脉冲波,设逆变器输出电压基波频率为200Hz,则电路中开关管的工作频率为.4、SPWM技术运用于电压型逆变器中,当改变可改变逆变器输出电压幅值；当改变可改变逆变器输出电压频率；当改变可改变开关管的工作频率.5、电压型无源逆变电路：①输出电压与负载性质无关〔)②输出电流与负载性质无关〔)③直流侧电流有脉动〔)④上、下桥臂的控制需遵循"先断后开"的原则〔)6、SPWM电压型逆变器采用同步调制,其特点有：①在调频过程中载波频率不变〔)②在调频过程中载波比不变〔)③低频运行时输出电压波形对称性好〔)④低频运行时输出电压谐波分量较小〔)10/20/202252

52６.1~６.4小结1、无源逆变：直流交流〔向负载直接供电).2、无源逆变电路的分类.3、三种单相电压型逆变电路的工作原理、特点.4、三相电压型逆变电路的结构、工作原理分析；三相电流型逆变电路的结构、工作原理分析；电压型逆变电路与电流型逆变电路的特点比较.５、方波控制逆变器的缺点.６、①SPWM控制的目的、基本原理；②单极性调制、双单极性调制的原理、特点；③三相逆变器一般采用双极性调制,三相调制信号ura、urb和urc的相位依次相差120°,三相公用一个三角波载波uc,一般取N为奇数且为3的整倍数.④对脉宽调制的制约条件.⑤何为异步调制、同步调制和分段同步调制,三者的特点.⑥SPWM波形生成方式；自然采样法、规则采样法的原理及特点.10/20/202253