[工程科技]SPWM逆变.ppt

2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-1,第六章 无源逆变电路,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-2,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,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-3,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,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-4,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 180 120,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-5,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,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-6,6 . 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/2 T1截止、T2导通：uan= -UD/2 波形分析,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-7,由工作原理/波形分析得到的结论：, T1、T2轮流导通，使直流,交流, 改变T1、T2的切换频率，便可改变输出交流电的频率变频。, 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。, T1、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。,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-8,6 . 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,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-9,6.1.2 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= UD T1 、T4截止、T2 、T3导通： Uan= - UD 波形分析,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-10,6 . 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,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-11,6 . 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,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-12,不同的控制方法有不同的输出： 180 导通型 120导通型 PWM控制,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-13,1800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,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-14,180 导通型各阶段的等值电路及电压值,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-15,180 导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形 线电压波形,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-16,180 导通型三相逆变器的参数 相电压表达式 线电压表达式,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-17,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,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-18,感性负载情况（续） 负载电流滞后角 大于60 ,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-19,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。,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-20,120 导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形 线电压波形,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-21,180 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。,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-22,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 D1D6 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）,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-23,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,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-24,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,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-25,6. 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。,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-26,三相电流型逆变电路 主电路,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-27,6 . 3 . 2 三相电流型逆变器工作原理（续）,触发脉冲：（ 1200导电方式）,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-28,工作原理及主要波形： 线电流波形 负载型连接时的相电流波形,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-29,电流型逆变器的四象限运行,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-30,6 . 4 PWM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,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-31,6. 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）,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-32,6.4.1 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,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-33,6.4.1 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,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-34,6.4.1 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 uruc时：T1、T4导通，uo= UD uruc时：T2、T3导通，uo= - UD,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-35,三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。,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-36,6. 4. 2 SPWM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，sini/2 i/2）,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-37,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。,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-38,6. 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,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-39,6. 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。,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-40,6. 4. 4 同步调制与异步调制（续）,同步调制示例：,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-41,6. 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。,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-42,6. 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。,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-43,6. 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,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-44,6.4.5.2 SPWM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。（Natural Sampling）,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-45,6.4.5.2 SPWM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。,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-46,6.4.5.2 SPWM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（Regular Sampling）。,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-47,6.4.5.2 SPWM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。,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-48,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？ 6-3 IGBT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）。,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-49,6-4 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？,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-50,6-9 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为什么要取的倍数？为什么要取奇数？,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-51,6-16 下图为交直交系统电路图，试回答下列问题： 简要说明图中各电路单元的作用； 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； 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。,2019/4/19,北京交通大学电气工程学院,6-52,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，