逆变电路&SPWM控制

1逆变电路•引言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，为无源逆变逆变与变频变频电路：分为交交变频和交直交变频两种。交直交变频由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变。主要研究无源逆变2逆变电路•引言主要应用各种直流输入电源，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电压型逆变器逆变电路的基本工作原理4以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理逆变电路的基本工作原理图5-1逆变电路及其波形举例负载a)b)tS1S2S3S4iouoUduoiot1t2S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。5逆变电路的基本工作原理S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。直流电交流电6逆变电路的基本工作原理逆变电路最基本的工作原理——改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。图5-1逆变电路及其波形举例a)b)tuoiot1t2电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。7逆变电路8输出波形的控制方法9逆变器输出波形的PWM控制1.单脉宽调制：在半周期内仅有一个脉冲，改变脉冲宽度来调压参考信号Ar,幅值为Ac频率为fc的三角载波信号输出基波频率fo：fc/2改变调制度M=Ar/Ac调压优点：开关损耗小缺点：THD较大10逆变器输出波形的PWM控制2。多脉宽调制（均匀多脉冲宽度调制）Ur1:参考（调制）门信号频率fo高频载波频率为fc半周期脉冲数为p=fc/(2fo)P越大，低次谐波降低，失真度减小。11逆变器输出波形的PWM控制3。正弦脉冲宽度调制（SPWM）多脉冲宽度随正弦波幅值改变。THD大大减小幅值为Ar的参考正弦波与幅值为Ac频率为fc的三角波比较Fo=fr最低次谐波为2p-1,P=5时，最低次谐波为9次urucuOtOtuouofuoUd-Ud12逆变器输出波形的PWM控制4。改进型正弦脉宽调制仅正弦波过零点附近60度加入载波优点：增加基波分量，并保持原谐波含量，同时减小了开关损耗13逆变器输出波形的PWM控制5。谐波消除技术：（1）固定开关角（2）阶梯波（3）多重化连接14（1）特定谐波消去法(SelectedHarmo-nicEliminationPWM—SHEPWM)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π），共6个开关时刻可控OtuoUd-Ud2ppa1a2a3特定谐波消去法的输出PWM波形15一般，在输出电压半周期内器件通、断各k次，考虑PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个控制基波幅值，可消去k－1个频率的特定谐波k越大，开关时刻的计算越复杂除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法16（2）阶梯波和多重化连接低频开关工作，适用于很大功率输出缺点：体积重量较大17逆变器输出波形的PWM控制1.单脉宽调制优点：开关损耗小缺点：THD较大2。多脉宽调制（均匀多脉冲宽度调制）3。正弦脉冲宽度调制（SPWM）多脉冲宽度随正弦波幅值改变。THD小4。改进型正弦脉宽调制仅正弦波过零点附近60度加入载波5。谐波消除技术：（1）固定开关角（2）阶梯波（3）多重化连接18SPWM调制原理19画出了一正弦波的正半波，并将其划分为k等分(图中k＝7)。将每一等分中的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形波所替代从而得到一组等效于正弦波的一组等幅不等宽的矩形脉冲的方法称为逆变器的正弦脉宽调制(SPWM)。SPWM图示20SPWM型变换器给逆变器固定的直流电压通过开关元件有规律的导通和关断，得到由宽度不同的脉冲组成的电压波形调制波形削弱和消除某些高次谐波，得到具有较大基波分量的正弦输出电压。SPWM变换器21功率晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极型晶体管(BJT、MOSFET、IGBT)是自关断器件。用它们作开关元件构成的SPWM变换器，可使装置的体积小、斩波频率高、控制灵活、调节性能好、成本低。SPWM变换器，简单地说，是控制逆变器开关器件的通断顺序和时间分配规律，在变换器输出端获得等幅、宽度可调的矩形波。这样的波形可以有多种方法获得。SPWM变换器22调制法得到PWM波有两种方法：单极性和双极性。两者区别在于三角载波的不同。urucuOtOtuouofuoUd-Ud信号波载波调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLurucurucuOtOtuouofuoUd-Ud单极性调制双极性调制两种SPWM调制23在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断ur正半周，V1保持通，V2保持断urucuOtOtuouofuoUd-Ud信号波载波调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc单极性PWM控制方式：24单极性PWM控制方式：当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud当uruc时使V4断，V3通，由D2续流，uo=0urucuOtOtuouofuoUd-Ud25ur负半周，V1保持断，V2保持通当uruc时使V3通，V4断，uo=-Ud当uruc时使V3断，V4通，uo=0虚线uof表示uo的基波分量urucuOtOtuouofuoUd-Ud信号波载波调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc单极性PWM控制方式：26单极性PWM控制方式：27在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负在ur一周期内，输出PWM波只有±Ud两种电平仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件的通断ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同urucuOtOtuouofuoUd-Ud双极性PWM控制方式28双极性PWM控制方式当uruc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号当uruc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号urucuOtOtuouofuoUd-Ud29双极性PWM控制方式3．双极性调制30在双极性SPWM控制方式中，同一相上、下两个臂的驱动信号都是互补的。实际上为了防止上、下两个臂直通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟时间，才给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。这个延迟时间将会给输出的SPWM波形带来影响，使其偏离正弦波。桥式互补驱动信号31SPWM调制特点32SPWM调制后的信号中除了含有调制信号和频率很高的载波频率及载波倍频附近的频率分量之外，几乎不含其它谐波。因此，SPWM的开关频率愈高，谐波含量愈少。当载波频率越高时，SPWM的基波就越接近期望的正弦波。但是，SPWM的载波频率除了受功率器件的允许开关频率制约外，开关器件工作频率提高，开关损耗和换流损耗会随之增加。另外，开关瞬间电压或电流的急剧变化形成很大的扰动，会产生强的电磁干扰；还会在线路和器件的分布电容和电感上引起冲击电流和尖峰电压关于SPWM的开关频率33SPWM波形的生成根据SPWM变换器的基本原理和控制方法，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点。在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，这样就可得到SPWM波形。但这种模拟电路的缺点是结构复杂，难以实现精确的控制。目前SPWM的产生和控制可以用微机来完成34求取开关时刻的方程式是超越方程，求解时需要花费较多的计算时间，因而难以在实时控制中在线计算。1.自然采样法35规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，它的效果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法小得多。实际应用较多的还是采用三角波作为载波的规则采样法：a.在三角波的负峰时刻tD对正弦调制波采样而得到D点b.过D点作一水平直线和三角波分别交于A点和B点c.在A点的时刻tA和B点的时刻tB控制功率开关器件的通断可以看出，用这种规则采样法所得到的脉冲宽度和用自然采样法所得到的脉冲宽度非常接近。2.规则采样法36采用三角波载波的规则采样法采用三角波载波的规则采样法37以消去SPWM波形中某些主要的低次谐波为目的，通过计算确定各脉冲的开关时刻．这种方法称为低次谐波捎去法。在这种方法中，已经不再比较载波和正弦调制波，但目的仍是使输出波形尽可能接近正弦波，因此也算是生成SPWM波形的一种方法。应当指出，低次谐波消去法可以很好地消除指定的低次谐波，但是剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大。不过，因为其次数已比所消去的谐波次数高，因而较容易滤除。3．低次谐波消除法38跟踪型SPWM也不是用载波对正弦波进行调制是把希望输出的电流或电压作给定信号，与实际电流或电压信号进行比较，由此来决定逆变器电路功率开关器件的通断，使实际输出跟踪给定信号。跟踪型SPWM变换器中，电流跟踪控制应用较多。主要的有电流滞环控制型和固定开关频率型。4．跟踪型SPWM39SPWM产生方法1－微机软件生成SPWM在用微机软件生成SPWM时，通常有查表法和实时计算法。查表法是根据不同的调制度M和正弦调制信号的角频率，先离线计算出各开关器件的通断时刻，把计算结果存于EPROM中，运行时查表读出需要的数据进行实时控制，该方法所需要的内存容量往往较大。实时计算法是在运行时，根据控制变量进行在线计算求得所需的数据。这种方法适用于计算量不大的场合。实际所用的方法往往是上述两种方法的结合。40采用专门产生SPWM波形的大规模集成电路芯片可简化控制电路和软件设计，降低成本，提高可靠性。目前应用得较多的SPWM芯片有HEF4752、SLE4520、MA818、8XC196MC。HEF4752芯片可提供三组互差120°的互补输出SPWM控制脉冲，以供驱动逆变器六个功率开关器件产生对称的三相输出，可适用于晶闸管或功率晶体管。该芯片有8段载波比(15、21、30、42、60、84、120、168)自动切换，调制频率范围为0~200Hz总之，SPWM控制是变换器中关键技术之一，而且仍然是在不断深入研究的重要课题。SPWM产生方法2－专用集成电路41三相桥式逆变器三相桥式逆变器42在SPWM变换器中，使用最多的是三相桥式逆变器。三相桥式逆变器一般都采用双极性控制方式。U、V和W三相的SPWM的控制通常公用一个三角波载波信号，用三个相位互差120°的正弦波作为调制信号，以获得三相对称输出。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同。三相SPWM调制4344三相SPWM波形45逆变电路一个完整的逆变器除了主电路之外还要有其它附加电路，其基本结构如下图所示，除逆变主电路外还包括：46电压型逆变电路1）逆变电路的分类——根据直流侧电源性质的不同电压型逆变电路——又称为电压源型逆变电路VoltageSourceTypeInverter-VSTI直流侧是电压源电流型逆变电路——又称为电流源型逆变电路CurrentSourceTypeInverter-VSTI直流侧是电流源47电压型逆变电路2）电压型逆变电路的特点图5-5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。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。48电压型逆变电路单相电压型逆变电路49单相电压型逆变电路1）半桥逆变电路u图5－6单相半桥电压型逆变电路及其工作波形a)ttOOONb)oUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2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。导通顺序：V1-VD2-V2-VD150单相电压型逆变电路1）半桥逆变电路u