电力电子第5章

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图5.12
三角波比较电流跟踪型逆变器
电流跟踪型逆变器

• 电流跟踪型逆变器采取了电流的闭环控制，对 电流进行实时控制，电流的响应速度快。电流跟 踪型逆变器对电流的控制在逆变器中进行，其直 流电源仍是电压型的，因此它是电压源型电流控 制逆变器。 电流跟踪控制的思路也可以用于 电压的跟踪控制，不同的是检测的应是负载电压， 给定也是电压波形。因为跟踪型逆变器主要采用 电压源，其输出电压是矩形PWM波形，因此检测 输出电压需要采取滤波措施
5.2.5 PWM控制方式和数字化生成
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异步调制和同步调制 SPWM控制的数字化生成

一
异步调制和同步调制


• 根据载波比的不同情况，PWM有异 步调制和同步调制两种调制方 式。 异步调制:调制中，载波频率fc保持不变，而调制波频率fr可调，因 此载波比N不是常数，将随fr变化。 同步调制:调制中，载波比N保持不变，即fr变化时，fc也作相应变 化，因此同步调制时，交流输出电压在半周中的脉冲个数是固定的， 并且为了保持输出波形对称，载波比N宜为奇数。 分段同步调制:因为异步调制和同步调制各有优缺点，为取长补短， 实用中常采取分段同步调制的方法。即将交流输出的频率划分为若 干段，各段采用不同的载波比N，相当于异步调制。在各输出频率段 内，采用同步调制的方法，保持载波比不变。
5.2单相电压型逆变器
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电压型单相半桥式逆变器 中心抽头变压器式单相逆变器 电压型单相全桥式逆变器 单相电压型全桥式逆变器的PWM控制方式 PWM控制方式和数字化生成
5.2.1电压型单相半桥式逆变器
• 电压型单相半桥式逆变器电路如图5.2a 电压型单相半桥式逆变器如图5.2b
5.2.2中心抽头变压器式单相逆变器
T
c
u u
c
u A D B
r
•
O t
A
t
D
t
B
t

2

2
u
o

'


'
O
t
和'的确定
• 设正弦调制信号波为 • 式中，a称为调制度，0≤a<1；r为正弦信号波角频率， 从图7-12中可得如下关系式 • 因此可得 • 脉冲两边的间隙宽度'为
三相桥式逆变电路
不对称规则采样法
• 如果既在三角波的顶点位置又在底点位置 对正弦波进行采样，由采样值形成阶梯波， 则此阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽， 在一个三角波的周期内的位置是不对称的， 如图3所示。因此，这样的采样方法称为 不对称规则采样法。在这里，采样周期Ts 是三角波周期的1/2，即Ts=Tt/2。由图3 可知
规则采样法
• 在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功 率开关器件的通断，这种生成SPWM波形的 方法称为自然采样法。 • 规则采样法 是一种应用较广的工程实用 方法，其效果接近自然采样法，但计算量 却比自然采样法小得多。
方法说明
• 取三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc，使每 个脉冲的中点都以相应的三角波中点（即负峰点） 为对称。 • 在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样而得 到D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A点 和B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制功率开关器 件的通断。 • 可以看出，用这种规则采样法得到的脉冲宽度和 用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。
二

SPWM控制的数字化生成

• 现代电力电子变流装置大都以数字化方式产生SPWM驱动信号。在模 拟控制电路中，采用比较器比较三角波和正弦波，在两者相等时， 比较器的输出状态改变产生驱动信号。在微机控制的变频器中，一 般SPWM驱动信号由软件来实现，三角波和正弦波的交点通过计算得 到，并且在一次中断输出驱动信号之前，要完成三角波和正弦波交 点的计算，因此要求计算程序简捷，占wk.baidu.com机时少，这就产生了各种 算法。直接计算交点的算法称为自然采样法，这种方法需要求解复 杂的超越方程，化费较长机时难于在实时控制中使用。下面介绍一 种实用的交点计算方法―规则采样法。 规则采样法的原理是在固定的三角波的谷底时刻tP采样正弦波 ur的 值，并以此值计算与三角波两条边的交点时刻tA和tB（图5.9a）。 时刻tA和tB即是驱动信号的开关时间（图5.9b），其算法为： 设； 三角波的峰值高度为1，从图5.9a可得：
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5.1.1电压源型和电流源型逆变电路
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(a)电压源型
(b) 电流源型
图5.1
电压源型和电流源型逆变电路
5.1.2 PWM调制逆变电路
• 通过脉冲宽度的控制，可以调节逆变器输 出的电压和电流，可以减少输出波形的谐 波，或消除某些特定次谐波 脉冲宽度调制的方法很多，主要有等宽脉 冲调制、正弦脉宽调制和电压空间矢量控 制等。
第五章
直流/交流变换-逆变器
内容提要
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逆变电路分类和调制方式 单相电压型逆变器 单相电流型逆变器 三相电压型PWM逆变器 电压空间矢量控制逆变器SVPWM 多电平逆变器 三相电流型逆变器
5.1逆变电路分类和调制方 式
•电压源型和电流源型逆变电路

180°和120°导通型逆变电路 PWM调制逆变电路
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图5.10 晶闸管单相电流型逆变器
5.3.2

电流跟踪型逆变器
电流跟踪型逆变器使逆变器输出电流跟随给定的电流波形变化，这 • 也是一种PWM控制方式。电流跟踪一般采用滞环控制，即当逆变器输 出电流与设定电流的偏差超过一定值时，改变逆变器的开关状态，使逆 变器输出电流增加或减小，从而将输出电流与设定电流的偏差控制在一 定范围内,其工作原理以图5.11说明。
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• 在对称规则采样中，实际的正弦波与三角载波的交 点所确定的脉宽要比生成的PWM脉宽大，也就是说， 变频器的输出电压比正弦波与三角波直接比较生成 PWM时输出的电压要低。而非对称规则采样法在一 个载波周期里采样两次正弦波数值，该采样值更真 实地反映了实际的正弦波数值，其输出电压也比前 者高。但是由于采样次数增大了一倍，也就增大了 数据的处理量，当载波频率较高时，微处理器的运 算速度将成为一个限制因素。
5.3 单相电流型逆变器
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晶闸管单相电流型逆变器

电流跟踪型逆变器
5.3.1

晶闸管单相电流型逆变器
晶闸管单相电流型逆变器电路如图5.10a 电路中，VT1～VT4组成逆变器，其直流环节有 大电感Ld, 因此直流回路电流Id基本不变，属于 电流型逆变器。在VT1、 VT3导通时有正向电流 Id自A流向B，在VT2、 VT4导通时有反向电流 自B流向A，因此AB间电流io是方波型的交流电 （图5.10b）。 图5.10的电流型逆变器常用于感应电炉的中 频电源，而RL负载则是感应电炉中频变压器的原 边绕组。感应电炉通过改变直流电源Ud,调节直 流电流Id来调节感应电炉的输出功率，并且逆变 器开关可以通过负载换流，因此直流电源一般采 用晶闸管可控整流器。在使用中，电容C要预充 电，在逆变器启动时，电容C与RL首先产生振荡， 而晶闸管触发器则利用振荡产生的电压uo为同 步信号，使VT1～VT4的导通和关断与uo同步， 因此该晶闸管中频电源的输出频率即是RLC并联 谐振电路的谐振频率。
图5.6 PWM的面积等效原理
二 单极性SPWM调制（SSPWM）
图5.7
单极性SPWM调制
三 双极性SPWM调制(BSPWM)
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三 角载波有正负极性，同 样在载波和调制波的交点处产生 驱动信号（图5.8a），但是T1、 T3和T2、T4的驱动脉冲互补 （5.8b和图5.8c），在T1、T3导 通时，T2、T4截止；在T2、T4导 通时，T1、T3截止，因此逆变器 交流输出电压在半周期中，也有 正负极性的变化（图5.8d），故 称为双极性调制。在输出交流的 正半周，正脉冲宽度大于负脉冲； 在输出交流的负半周，负脉冲宽 度大于正脉冲，且脉冲宽度随ur 变化，使输出交流电压按正弦规 律变化。
5.4 三相电压型PWM逆变器
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电压型三相SPWM逆变器

其他电压型三相逆变器的PWM控制方式
三相桥式逆变器基本结构

单相逆变器满足了单相交流负载 • 调压调频的要求，但是三相交流 负载需要三相逆变器，例如工业 上大量使用的三相交流电动机调 速就需要能调频调压的三相交流 电源。三相逆变器可以由三个单 相逆变器组成，这时使用的元器 件较多，普遍采用的是六个功率 器件组成的三相桥式电路结构 （图5.13），其三相负载Za、Zb、 Zc可以是星型连接或三角形连接。 三相逆变器也有电压型和电流型 电路，并且单相逆变器中研究的 各种控制方式，方波控制、PWM控 制，单极性调制，双极性调制， 电流跟踪控制等都可以应用在三 相逆变器中。
图5.13
三相桥式逆变器基本结构
5.4.1

电压型三相SPWM逆变器
现代电压型三相SPWM逆变器主要采用全控型开关器件，其电路如图5.14a。 • 其调制原理如图5.14b，三相调制波ura、urb和urc与相同三角波比较，在 交点处产生各相的驱动脉冲，一般三相SPWM逆变器都采用双极性调制方法。 图5.14c、d、e分别是逆变器输出端A、B、C与电源假想中性点N’的电压， 在各相上桥臂开关管导通时，该相输出电压为＋Ud/2,在下桥臂开关管导通 时，该相输出电压为－Ud/2。图5.14f为逆变器器输出线电压uAB的波形， uAB= uAN’－ uBN’ 。在负载星形连接时，一般其中性点电N是悬空的，N 点与电源中性点N’不相连接，因此N点电位是浮动的。根据A、B、C三点的 电平，在A、B、C都是高电平时（T1、T3、T5导通），或在A、B、C都是低 电平时（T4、T6、T2导通），负载没有电流，N点电位为零。此外有两种情 况：（1）上桥臂有两个开关导通，下桥臂有一个开关导通，这时负载与电 源的连接和各相的电压如图5.15a。（2）上桥臂有一个开关导通，下桥臂 有两个开关导通，这时负载与电源的连接和各相的电压如图5.15b。根据各 个开关区段的三相开关状态可以得到三相负载的相电压波形，图5.14g是A 相相电压ua＝uAN的波形，负载相电压有5种电平，即±Ud/3、±2Ud/3和零 电平组成。

5.1逆变电路分类和调制方式

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逆变电路分类 按输出相数分类，有单相、三相逆变电路。 按输出相数分类，有单相、三相逆变电路。 按直流电源的性质区分，有电压源型和电 流源型逆变电路。 按输出波形调制方式区分的逆变电路等。
5.1.1 电压源型和电流源型逆变电路

电流源型逆变器:直流回路采用大电感滤波， 电感使逆变器输入电流Id波动很小，具有 电流源的性质，故称为电流源型逆变器 （图5.1b） 电压源型逆变器:当直流回路采用大电容滤 波时，逆变器输入电压Ud波动很小，具有 电压源的性质，故称为电压源型逆变器 （图5.1a）
• 只用两个开关器件的单相方波型逆变器还有 带中心抽头变压器式（图5.3），图中两个开关 器件交替驱动，各工作输出交流的一半周期（18 0°）
图5.3
中心抽头变压器式逆变器
5.2.3电压型单相全桥式逆变器
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单相电压源型全桥式逆变器由四个开关器件 和四个续流二极管组成（5.4a）。
开关器件驱动控制方式 • 固定脉冲 控制方式 脉冲移相 控制方式
图5.5
脉冲移相控制
5.2.4 单相电压型全桥式逆变器的PWM 控制方式
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SPWM调制原理 单极性SPWM调制（SSPWM） 双极性SPWM调制(BSPWM) 双极性调制和单极性调制的比较
一 SPWM调制原理
在数学上可以证明，如果 正弦半波划分为N等份，每等 份用对应的矩形脉冲来表示， 如果矩形脉冲的面积与该等份 正弦波的面积相等，则正弦半 波就可以用一系列矩形脉冲来 等效，这就是面积相等的原则, 也称冲量等效原理（5.6）。 如果矩形脉冲是等高不等宽 的脉冲序列，则称为脉宽调制 PWM；如果矩形脉冲是等宽不 等高的脉冲序列，则称为脉冲幅 度调制，简称脉幅调制PAM．
图5.8
双极性SPWM调制
四 • 双极性调制和单极性调制的比较


双极性调制和单极性调制都通过调制波和载波比较， 在交点处产生驱动信号。 调制比和载波比 单极性调制在输出交流的半周内只有单一极性的脉 冲，因此输出电压（基波值）较高； 采用PWM调制时，在输出电压中可以消除（N－2） 次以下谐波， N为载波比，因此除基波外，其最低 次谐波为（N－2）次。 双极性调制同相上下桥臂的开关器件交替导通，较 易产生直通现象，因此同相上下桥臂开关的关断和 导通之间要有一定的时间间隔，称为“死区”，以 确保不产生直通现象。
(a) 原理图 (b) 驱动脉冲 图5.11 单相电流跟踪型逆变器原理
电流跟踪型逆变器
在滞环控制电流跟踪型逆变器中，T1 、 T2的开关频率是不固定的，除受环宽的影响 外，还受负载电感和给定电流di/dt 的影响， 开关频率高开关的损耗也随之提高。为了限 制开关损耗，电流跟踪型逆变器也可以用固 定开关频率的控制方法，但是 T1和T2以固 定频率交替导通和关断，这时电流的偏差就 不能固定，实际上这已经不是电流跟踪的方 式。现在也提出一种三角波调制的电流跟踪 型逆变器，其原理如图5.12。电流实际值与 给定值比较后的偏差信号经放大器A放大，再 与三角波比较产生PWM驱动信号。采用这种 控制方式，开关器件的开关频率即是三角载 波的频率，因此输出电流的谐波含量较小， 可以用于对谐波和噪声要求较高的场合．