哈尔滨工业大学课件 电力电子技术21

电力电子技术第21讲4直流－交流变换器（5）哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.2电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育本讲是第4章直流－交流变换器的第5讲，前4讲的主要内容是：‰4.1逆变电路概述‰4.2单相方波型逆变电路‡4.3三相方波型逆变电路‡4.4逆变电路输出电压及波形的控制‡4.5PWM型逆变电路的控制方法4.5.1PWM逆变电路的控制信号的产生方法本讲继续学习：PWM逆变电路输出电压的谐波分析PWM逆变电路性能的改进PWM逆变器控制电路的工程实现方法哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.3电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育4.5.2PWM逆变电路的谐波分析‰PWM逆变电路可以使输出电压、电流接近正弦波，但由于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。‰同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析异步调制方式。‰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。哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.4电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育右图，不同a(调制度)时单相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图。1）单相的分析结果谐波角频率为:crnkωω±式中，n=1,3,5,…时，k=0,2,4,…；n=2,4,6,…时，k=1,3,5,…PWM波中不含低次谐波，只含载波频率ωc及其附近的谐波以及2ωc、3ωc等及其附近的谐波。c+kr)角频率(nωω1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱图taursinrω=基波哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.5电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育2)三相的分析结果输出线电压中的谐波角频率为crnkωω±式中，n=1,3,5,…时，k=3(2m－1)±1，m=1,2,…；n=2,4,6,…时，⎩⎨⎧=−=+=。ΛΛ,2,116,1,016mmmmk右图，不同a时三相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图。公用载波信号时的情况。1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率(nωc+kωr)三相桥式PWM逆变电路输出线电压频谱图谐波振幅基波哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.6电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育三相和单相比较，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ωc整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是ωc±2ωr和2ωc±ωr。SPWM波中谐波主要是角频率为ωc、2ωc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。谐波分析小结哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.7电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育4.5.3PWM逆变电路性能的改进‡直流电压利用率——逆变电路输出交流电压基波最大幅值U1m和直流电压Ud之比。‡正弦波调制的三相PWM逆变电路，调制度α为1时，输出线电压的基波幅值为，直流电压利用率为0.866，实际还更低。‡方案1：梯形波调制方法的思路€采用梯形波作为调制信号，可有效提高直流电压利用率。€当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅值更大。‰方案2：线电压控制方法：对两个线电压进行控制，适当地利用多余的一个自由度来改善控制性能。dU)2/3(改进目的：¾提高直流电压利用率，以提高逆变器的输出能力。¾减少器件的开关次数，以降低开关损耗1.提高直流电压利用率哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.8电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育ucurUurVurWuuUN'OωtOωtOωtOωtuVN'uUV梯形波为调制信号的PWM控制1)梯形波调制方法的原理及波形梯形波的形状用三角化率σ=Ut/Uto描述，Ut为以横轴为底时梯形波的高，Uto为以横轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成的三角形的高。σ=0时梯形波变为矩形波，σ=1时梯形波变为三角波。梯形波含低次谐波，PWM波含同样的低次谐波。低次谐波（不包括由载波引起的谐波）产生的波形畸变率为δ。哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.9电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育图4-1，δ和U1m/Ud随σ变化的情况。图4-2，σ变化时各次谐波分量幅值Unm和基波幅值U1m之比。00.20.40.60.81.0δ0.20.40.60.81.01.2UdU1m图4-1σ变化时的δ和直流电压利用率σ0.20.40.60.81.0σ5ωr00.10.27ωr11ωr13ωrU1mUmn图4-2σ变化时的各次谐波含量梯形波调制的缺点：输出波形中含5次、7次等低次谐波σ=0.4时，谐波含量也较少，约为3.6%，直流电压利用率为1.03，综合效果较好。δ哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.10电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育2）线电压控制方式uucr1uOωturur1uOωtur3叠加3次谐波的调制信号对两个线电压进行控制，适当地利用多余的一个自由度来改善控制性能。目标——使输出线电压不含低次谐波的同时尽可能提高直流电压利用率，并尽量减少器件开关次数。直接控制手段仍是对相电压进行控制，但控制目标却是线电压相对线电压控制方式，控制目标为相电压时称为相电压控制方式。鞍形波的基波分量幅值大。除叠加3次谐波外，还可叠加其他3倍频的信号，也可叠加直流分量，都不会影响线电压。叠加三次谐波在相电压调制信号中叠加3次谐波，使之成为鞍形波，输出相电压中也含3次谐波，且三相的三次谐波相位相同。合成线电压时，3次谐波相互抵消，线电压为正弦波。哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.11电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育线电压控制方式举例（叠加3倍次谐波和直流分量）叠加up，既包含3倍次谐波，也包含直流分量，up大小随正弦信号的大小而变化。设三角波载波幅值为1，三相调制信号的正弦分别为urU1、urV1和urW1，并令则三相的调制信号分别为⎪⎭⎪⎬⎫+=+=+=prW1rWprV1rVprU1rUuuuuuuuuu1),,min(rW1rV1rU1p−−=uuuu图6-19ucurU1urV1urW1uuUN'Ud-UdOtOurUurVurWucOtOOOOtttttuVN'uWN'uUVu1-11-1-0.5uP2Ud−2Ud线电压控制方式举例哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.12电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育不论urU1、urV1和urW1幅值的大小，urU、urV、urW总有1/3周期的值和三角波负峰值相等。在这1/3周期中，不对调制信号值为-1的相进行控制，只对其他两相进行控制，这种控制方式称为两相控制方式。优点（1）在1/3周期内器件不动作，开关损耗减少1/3。（2）最大输出线电压基波幅值为Ud，直流电压利用率提高。（3）输出线电压不含低次谐波，优于梯形波调制方式。哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.13电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育4.5.4PWM跟踪控制技术PWM波形生成的第三种方法——跟踪控制方法。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。常用的有滞环比较方式和三角波比较方式。PWM逆变器实现电压或电流闭环控制的方法。哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.14电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育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。tOiii*+ΔIi*-ΔIi*滞环比较方式的指令电流和输出电流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2ΔI的滞环比较器的控制，i就在i*+ΔI和i*-ΔI的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*。参数的影响环宽过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。L大时，i的变化率小，跟踪慢；L小时，i的变化率大，开关频率过高。滞环环宽电抗器L的作用哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.15电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育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逆变电路每一相都采用滞环比较方式的电流跟踪控制哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.16电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育3)采用滞环比较方式的电流跟踪型PWM变流电路有如下特点。（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。哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.17电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育4)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哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.18电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育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u中滤除由器件通断产生的高次谐波后，所得的波形就几乎和u*相同，从而实现电压跟踪控制。滞环比较方式电压跟踪控制特点：哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.19电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育2.三角形比较方式AAA(1)基本原理不是把指令信号和三角波直接进行比较，而是通过闭环来进行控制。把指令电流i*U、i*V和i*W和实际输出电流iU、iV、iW进行比较，求出偏差，通过放大器A放大后，再去和三角波进行比较，产生PWM波形。放大器A通常具有比例积分特性或比例特性，其系数直接影响电流跟踪特性。(2)特点开关频率固定，等于载波频率，高频滤波器设计方便。为改善输出电压波形，三角波载波常用三相三角波载波。和滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出电流所含的谐波少。三角波比较方式电流跟踪型逆变电路哈尔滨工业大学远程教育文件:电力电子技术21.20电力电子技术直流－交流变换器(5)哈尔滨工业大学远程教育不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟。以固定采样周期对指令信号和被控制变量进行采样，根据偏差的极性来控制开关器件通断。在时钟信号到来的时刻，如ii*，V1通，V2断，使I增大。如ii*，V1断，V2通，使I减小。每个采样时刻的控制作用都使实际电流与指令电流的误差减小。采用定时比较方式时，器件的最高开关频率为时钟频率的1/2。和滞环比较方式相比，电流控制误差没有一定的环宽，控制的精度低一些。3.定时比较方式。除上述两种比较方式外