第3章PWM逆变电路讲课教案

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1、1,第3章 逆变电路,3.1 概述 3.2 单相方波逆变电路 3.3 三相方波逆变电路 3.4 单相SPWM逆变电路 3.5 三相SPWM逆变电路 3.6 逆变电路谐波分析 3.7 PWM技术优化 3.8 逆变电路的控制,2,3.1 概述,逆变的概念 逆变与整流相对应，直流电变成交流电。 交流侧接电网，为有源逆变。 交流侧接负载，为无源逆变。 主要应用 各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。 交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。,3,3.1 概述,逆变电路的分类 电能流向：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

2、电源：电压源电路、电流源电路 电路结构：桥式电路（半桥、全桥）、非桥式电路 输出相数：单相电路、三相电路 控制方式：方波电路、PWM电路（单极性、双极性） 开关环境：硬开关电路、软开关电路,4,1）逆变电路的分类,电流型逆变电路又称为电流源型逆变电路 Current Source Type Inverter-VSTI,直流侧是电流源,3.2 单相方波逆变电路,6,3.2 单相方波逆变电路,2）电压型单相方波逆变电路的特点,图3-5 电压型全桥逆变电路,(1)直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。 (2)输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。 (3)阻感负载时需提供无功功率

3、。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。,7,3.2.1 单相方波逆变电路,1）半桥逆变电路,u,图3-6 单相半桥电压型逆变电路及其工作波形,工作原理 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，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2。 V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈。VD1、VD2称为反馈二极管,它又起着使负载电流连续的作用，又称续流二极管。,8,3.2.1 单相电压型逆变电路,优点：电路简单，使用器件少。 缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电

4、容器串联，要控制两者电压均衡。 应用： 用于几kW以下的小功率逆变电源。 单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。,9,3.2.1 单相电压型逆变电路,2) 全桥逆变电路,共四个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成。 两对桥臂交替导通180。 输出电压合电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍。 改变输出交流电压的有效值只能通过改变直流电压Ud来实现。,特点,10,3.2.1 单相电压型逆变电路,T1、T4与T2、T3 交替通、断,T导电供电，D导电续流，不同负载时，D、T导电情况不同,11,3.2.1 单相电压型逆变电路,输出电压分析,直流电压利用率,12,3.2.1 单相电压型逆变

5、电路,输出功率分析,交流分量，平均值为零,其它时间,直流分量，等于基本平均功率,13,3.2.1 单相电压型逆变电路,方波逆变电路的特点,输出电压不可调，取决于输入直流电压。 若要可调，可采取： 采用直流电压连续可调的直流环节 采用逆变桥间移相调压方式 采用移相式方波逆变电路 输出电压谐波含量高 直流电压利用率低,14,3.2.2 移相式方波逆变电路,阻感负载时，还可采用移相得方式来调节输出电压移相调压。,。V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180q。 （0 q 180 ） 输出电压是正负各为q的脉冲。 改变q就可调节输出电压。,15,3.2.2 移相式方波逆变电路,移相式方波逆变电路

6、的特点,电路兼具变频调压功能 逆变器工作环境：二极管具有ZVZC关断环境，可控器件具有ZVZC开通环境 基准臂和移相臂器件工作过程有差异 输出电压谐波含量仍然高,16,3.2.3 带中心抽头变压器的逆变电路,图3-8 带中心抽头变压器的逆变电路,与全桥电路的比较： 比全桥电路少用一半开关器件。 器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高 一倍。 必须有一个变压器 。,交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。 两个二极管的作用也是提供无功能量的反馈通道。 Ud和负载参数相同，变压器匝比为1：1：时，uo和io波 形及幅值与全桥逆变电路完全相同。,17,3.3 三相方波逆变电路,三个

7、单相相差120度的逆变电路可组合成一个三相逆变电路 应用最广的是三相桥式逆变电路,图3-9 三相电压型桥式逆变电路,每个开关导通120度 任何时候有三个开关同时导通 上下开关互补导电，顺序为123、234、345、456、561、612、123,18,3.3 三相方波逆变电路,19,3.3 三相方波逆变电路,20,3.3 三相方波逆变电路,负载星形连接时,21,3.3 三相方波逆变电路,22,3.3 三相方波逆变电路,可以推知，逆变桥输入端电流为恒值，直流侧电容中无电流 输入电流,在纯电阻负载下电流分析：,任何桥臂仅有可控器件导通，反并二极管无电流，负载通过逆变桥从直流电源吸收能量 输入功率,

8、23,3.3 三相方波逆变电路,三相全桥应用于大容量场合，主电路框图,每个单相全桥电路可以采用桥内移相方式实现输出电压调节,24,3.4 单相SPWM逆变电路,PWM波可等效的各种波形 直流斩波电路 直流波形 SPWM波 正弦波形 等效成其他所需波形，如:,PWM技术即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)。,25,3.4.1 SPWM基本原理,26,冲量等效原理: 大小、波形不相同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同。,3.4.1 SPWM基本原理,27,3.4.1 SPWM基本原理,因此要使图中的PWM电压

9、波在每一时间段都与该时段中正弦电压等效，除每一时间段的面积相等外，每个时间段的电压脉冲还必须很窄，这就要求脉波数量P很多。脉波数越多，不连续的按正弦规律改变宽度的多脉波电压就越等效于正弦电压。,在某一很短的时间段期间，正弦电压与同一时间段中等幅脉冲电压作用于L、R电路时，只要两个窄脉冲电压的冲量相等，则它们所形成的电流响应就相同。,28,3.4.2 单相SPWM逆变电路,T1（D1）、T4（D4）导通 VabVd T3（D3）、T2（D2）导通 VabVd T1（D1）、T3（D3）导通 或T2（D2）、T4（D4）导通 Vab0,29,单极性正弦脉冲宽度调制SSPWM,30,（续2）,31,

10、（续3）,32,(1) P=6, 2P-1=11, 最低谐波为11次,(3) 11次谐波大于1/11=9%,(2),（续4）,33,双极性三角波 Vc,Vr交点确定开关通、断点 输出电压正、负半周中，vab既有正电压也有负电压，没有零电压,双极性正弦脉冲宽度调制SSPWM,34,双极性正弦脉宽调制BSPWM(续1),35,双极性正弦脉宽调制BSPWM(续2),36,3.5 三相SPWM逆变器,37,3.5 三相SPWM逆变器,38,3.5 三相SPWM逆变器,（1）驱动信号可由硬件电路实现，亦可由软件采用Micro Processor或DSP实现。 （2）提高电压利用率，可改变vr或采用空间矢

11、量控制。,39,3.6 PWM逆变电路的谐波分析,使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量。 谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一。 分析以双极性SPWM波形为准。 分析方法 以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出PWM波的傅里叶级数表达式。 尽管分析过程复杂，但结论简单而直观。,40,3.6 PWM逆变电路的谐波分析,c,+,k,r,),不同a时单相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图。,1）单相的分析结果,PWM波中不含低次谐波，只含wc及其附近的谐波以及2wc、3wc等及其附近的谐波。,单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱图,41,3.6 PWM逆变电路的谐波分析

12、,2）三相的分析结果公用载波信号时的情况,42,3.6 PWM逆变电路的谐波分析,三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率wc整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是wc2wr和2wcwr。 SPWM波中谐波主要是角频率为wc、2wc及其附近的谐波，很容易滤除。 当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果，另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。后者的谐波分布情况和SPWM波的谐波分析一致。,谐波分析小结,43,3.7 PWM优化,特定谐波消去法 (Selected Harmonic Elimination PWMSH

13、EPWM),这是计算法中一种较有代表性的方法。 输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和），共6个开关时刻可控。 为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。,44,特定谐波消去法,其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后1/4周期以/2为轴线对称 (3-2),同时满足式（3-1）、（3-2）的波形称为四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为 (3-3) 式中，an为,45,特定谐波消去法,图3-9，能独立控制a1、a 2和a 3共3个时刻。该波形的an为 式中n=1,3,5,确定a1的值，再令两个不同的an=0(n=1,3,5)，就可建三个方程，求得a1、a2和a3 。,图3-9

14、 特定谐波消去法的输出PWM波形,46,消去两种特定频率的谐波,特定谐波消去法,在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互抵消。可考虑消去5次和7次谐波，得如下联立方程：,给定a1，解方程可得a1、a2和a3。a1变，a1、a2和a3也相应改变。,（35）,47,3.8 逆变电路的控制,闭环控制 把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。 对逆变电路反馈控制电路的要求： 稳定性好 稳态精度高 快速性好 可靠性高、功耗低和体积小 多种SPWM方式 从目标函数分：电压正弦PWM、电流正弦PWM 从

15、实现手段分：模拟方式、数字方式,48,3.8.1 滞环比较方式,1) 跟踪型PWM变流电路中，电流跟踪控制应用最多。,图6-22 滞环比较方式电流跟踪控制举例,基本原理 把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*-i作为滞环比较器的输入。 V1（或VD1）通时，i增大 V2（或VD2）通时，i减小 通过环宽为2DI的滞环比较器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*。,49,3.8.1 滞环比较方式,2) 三相的情况,三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形,三相电流跟踪型PWM逆变电路,50,3.8.1 滞环比较方式,3) 采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路

16、有如下特点。,（1）硬件电路简单。 （2）实时控制，电流响应快。 （3）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波。 （4）和计算法及调制法相比，相同开关频率时输出电流 中高次谐波含量多。 （5）闭环控制，是各种跟踪型PWM变流电路的共同特点。,51,3.8.1 滞环比较方式,4) 采用滞环比较方式实现电压跟踪控制 把指令电压u*和输出电压u进行比较，滤除偏差信号中的谐波，滤波器的输出送入滞环比较器，由比较器输出控制开关器件的通断，从而实现电压跟踪控制。,电压跟踪控制电路举例,52,3.8.1 滞环比较方式,和电流跟踪控制电路相比，只是把指令和反馈信号从电流变为电压。 输出电压PWM波形中含大量高次谐波，必须用适当的滤波器滤除。 u*=0时，输出电压u为频率较高的矩形波，相当于一个自励振荡电路。 u*为直流信号时，u产生直流偏移，变为正负脉冲宽度不等，正宽负窄或正窄负宽的矩形波。 u*为交流信号时，只要其频率远低于上述自励振荡频率，从