（电力电子与电力传动专业论文）有源逆变和正弦调制策略的研究.pdf

a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fi n v e r th a sg o n et h r o u 曲r a p i da d v a n c e m e md u r i n gt h ep a s t d e c a d e s a n dr e c e n t l yi t sa p p l 泌a t i o n s8 f ee x p a n d i n gi ng r i d f e e ds o l a rs y s t e m ，w h o s e i m p a c ti si n e v i t a b l e 。 粥强p a p e rc o m e sf r o ma 1 1e x p e r i m e n t f b ra l la c t i v e - i n v e r t e rp r o p o s e da sa n i n t e r f a c eb e t w e e nas u l a rm o d u l ea n d s i n 寥- p h a s ep o w e rg r i d ，o u r u i t i m a t et a r g e ti s t om a k et h ea c t i v e - i n v e r t e ro p e r a t er i g h t l ya n dm a k e o u t p u tc u r r e n ta sc l o s et os i n e w a v ea sp o s s i b l e 。 w ed i s c u s s e dw i 氇t h r e em 确潞f o r c o n t m l l i n ge a r l e a ti nt h r e et o p o l o g i e s 诚t ht h e h e l p o fm a t h e m a t i cc a l c u l a t i o n si nm a t l a b t h o s em o d e sa r ep e a k m o d e h y s t e r e s i s - m o d ea n dt i m i n g m m o d e 。t h o s e c i r c u i t sa r ef u l l - b r i d g e , 碟8 l l - b r i d g ea n d p u s h - p u t t o p o l o g i e s 。 辩睡s i t u a t i o no f e l e c t r i c a ic o m p o n e n t ss u c ha si n d u e t o rc a p a c i t o r 穗o l dc i r c u i th a s 垂s ob e e nr e c o n s i d e l e d 。 f i n a l l y , t h ep a p e rp r e s e n t sa c o n s i d e r a t i o nf o rm a i nc i r c u i t & a c t i v e i n v e r t e r w b a tw eh a v ed o n ei nt h ep a s ti sj u s tab e g i n n i n g t om a k eo u rd r e a m sb e c o m e t r u e 。al o to f w o 蠢s h o u l db ed o n ei nt h e c o m i n gd a y s 。 k e y w o r d s ： a c t l v e - i n v e r t e rs i n e - w a v em o d u i a f i o np e a k - m o d e h y s t e r e s i s - m o d e t i m i n g - m o d e m a t l a b 独剑性声翡 本人声明所呈交的学位谂文是本人谯导师指导 f 进行的研究上作及取得的研究成果。据 我掰女g ，躲了文孛特剐招以杯淀彝致谢豹缝方外t 论文中不包含葵穗人已经黢表或撰写过戆 研究成果，也不包宵为获得佥自e j ：嫩盔堂。戚其他教育机构的学位域证书而 曼刖过的 材辑。我一露： ：佟蛇露志对本研究所傲浆任何囊献均己在论文中佟了骢赡懿说秘剪袭示嚣 意。 学经论文侔黄签名： 西籀：碑踟f 强 学使论文舨投傻餍授权书 本学位论文终：者完全了解鸯1 1 至塑。羹堂畜关傈餐、霞用学谴潦文赡攥宠，畜校攥霹并 向国家有芙部或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论空被查阅年| j 借阅。，率八授权地 ：壁叁堂可以将学像论文舶全帮袋部分斑窖缭入有美数据簿送行检索，可敬漆捌影翠、缩 印域扫描蒋复制手段僳存、汇编学倪论文。 ( 保密的学健论文在撰密蜃遗鼹本授投拯) 学髓论文作者麓名 签字稻斓：弘吸年器月菇日 学能论文作孝毕业后老向： f ：戆德： 通讯她女e ： 导师签名： 签字日期： 屯话： 郏编： 喙，哆 九谬 欠 妒 致谢 特别致谢包括我的研究生导师沈玉襟老师在内的合肥工业大学能源所的很 多老师；更毒1 9 9 9 缀- - 2 0 0 1 级二1 4 多位磺士磺究生同学翻搏士研究生；2 0 0 2 。l o 在荚丽的杭州度过的西天避我们两年多采相处和谐的主旋律的最美好象，谯，远 远胜过令人心醉的西子湖。那湖上的歌声美好：十年修得同船渡。 特爨致谢毽摇臻整老龚器羁藩褥老薅在蠹合惩工鼗大学魄气学浚熬缀多老舞， 他们的教诲和鼓励使我在电气工程的道路上起步。 特别致谢包括研究生部朱红老师和团委胡兴祥老师在内的合照工业大学的 缀多老繇；缝稍戆宽容与鞭策俘我越过人生兢程上静一个又一个陵滩。 1 9 9 3 ，当我第一次走谶合肥工业大学，还是个不满十九岁的青年； 光阴似流承； 十年过去了。 今天，我将再一次的告别这无限熟悉的菁菁校园；莘莘学子之列，自命不凡 豹专孳生身影蹇难秀逡寻。 “江山代有人才出，备领风骚数百年”，2 0 0 0 9 的研究生开学熟礼上，陈心 昭校长引用清代诗人赵翼的诗句勉励与会4 0 0 多位同学，那情形犹历历在e l 。 唉， 我爱我的母校； 我爱这戏许永不秀来学生时代。 在1 9 9 7 - - 2 0 0 0 艰难岁月，包括王世民同志和杨德鑫同惑在内的工，一罩的很 多间事给予的温暖的关照，令人难忘。 在过去鹣或长瓣弱子羹，雹摄衾教攘，赵鬻姨黎穆嚣姨在痨静缀多父辇瀚友 人热情的关心使人觉得做一个小孩子多好啊；只是岁月催人老。 父母的情意使人惟有努力向前，令他们多一份宽心。题文有谚：w el i v e t h r o u g h o u ri s s u e s e 感谢在过去的岁月早每个给过我帮助与快乐的人； 感谢在过去的岁月里每一个绘j 臻我痛苦与拒绝瓣人。 这两份感谢都蹙真诚的。 作者：夏小虎 2 0 0 3 年7 楚 第一章前言 引言：作为全文的开篇，援引相哭资料和文献中关丁逆变技术的般论述，同时明确了 垒文鲍垦鸯蕈和任务。 1 1 逆变技术橛述 1 ) 逆变技术的分类 逆变是对电能进行变换和控制的一种基本形式，它完成将直流电变换成交 流电的功能，现代逆变技术就是研究现代逆变电貉的理论和应用设计方法的一 门学科。这门学科综合了现代电力电子开关器件技术、现代功率变换技术、模 籀帮数字瞧子技术、p w m 蔹术、开关魄源蔹术酾现代羧铺技术等多种灾用设 计技术，已被广、泛的用予工业和民用领域中的各种功率变换系统和装置中。现 代逆交技零主要麓摇三部分内容；半霉体功率象成器彳譬及萁痤蠲、功率变换电 路和逆变控制技术。 理代遂交技零夔释粪 琵多，霹以按照不翅黪澎式遴孬分类。莛主要分类方 式如下： 1 ) 按照逆变器竣出的棱数，可分为攀耱逆交、三楣逆交秘多楣逆变。 2 ) 按照逆变器输出能量的去向，可分为有源逆变和无源逆交。如果把逆变 器的交流佻接到交流电源上，把巍流电逆变为弱频率的交流电反送到电姆去， 称为有源逆变；如果逆变器的交流侧不与电网联按，而省接接到负载，即把直 流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载，贝4 称为无源逆变。 3 ) 按照逆变嚣输出交流的频率，可以分为工颧逆变、中颓逆交和高频逆变。 工频逆变一般指5 0 6 0 h z 的逆变器；中频逆变的频率一般为4 0 0h z 到十几 k h z ：葛颧递交嚣豹频率粼一般麓十凡k h z 餮m h z 。这攀需要说明的怒，在 现代商频开关电源领域，5 0 0 k h z 以上才簿是高频，但是在逆变领域，有时功 率毙较大，2 0 k h z 瓣超音频算传麓频。 4 ) 按照输出稳定的参罱，可分为电鹰型逆变和电流型逆变。 5 ) 按照逆变主迄路豹髟式，霹分麓擎溱式、撵撬式、半褥式麓全轿式递交。 6 ) 按照逆变开关电路的工作方式，可分为谐振式逆变、硬开关式逆变和软 开关式遂变。 2 ) 电力电子开关器件 电力电子开关器件也称为功率半导体器件( p o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e ) ， 是电力电予技术中用来进罩亍毫效电能形式变换、功率控制与处理，以及实理能 量调节的新技术核心器件。1 9 5 8 年世界 = 第一支酚闸管研制成功，使半导体投 寒在王受镁滚魏应爝发生了革禽链豹交戴，胄力翦接囊了大功章电子器静多簿 化应用的进程。在随后的二十多年熙，功率半导体器件在技术性熊斧廿应用类型 方礤又密了突飞猛遴懿发戴，先盾分亿并利逡出功率遂导熬阕警、三壤双囊晶 闸管和可关断晶闸镑等。在此基础上为增强功率嚣件的可控性，述研制出被极 性大功漆器 零饕，开关遮霾受赢辩攀投m o s 璐效瘟晶俸蛰帮整合型离逮、低 功耗缀缘掇袋强鑫薄营，鼠诧功率拳导体器 孛簿入了全茬开关器臀貔薪时代。 进入9 0 年代，单个器俘鲍裙量明臻增大，控制功更勰灵活，价格显著蹲低， 派生的新鹜器件不断涌现，功率全控开关器件横块化和智能化集成电路已经形 成，产品性能和技术参数正在不断的改进和完鬯。 慧之，电力电子开关器件正在蠲羞高频亿、全羧纯、集成化鞫多功麓仡的 方鑫笈燕。豪1 寝握开关蒸赞载攀电类羹对鬻觅懿半罢露功率器锌遘雩亍了分 类。 褒1 i毫力电予开关器件静分类 类型器件名称爨 牛符号 蓄逶螽超警s e r 双向晶阍管t r i s 双叛羹可关断晶潮餐g o 静电感应晶闸管 s i t 大功率晶阐管g t r 功率缓熬应鑫签罄v o s f 嚣善 ；零投墼 势电感应晶髂繁 s 疆、 绝缘门极晶体管i g b t 复合登m o s 控裁晶髂昝m g 善 m o s 控制晶闸铃m c t 强蓊，逆变电路中已缀被广泛废霜静电力电子开关器 孛主要有s c r ，t r i s ， g t o ，g t r ，v m o s f e t 魏i g b t 。由予它们黪电滚签鬟翻开关速度番不挺囊， 所以柱邋变电路中的应用范嘲也不相同，具体的性能比较见表1 2 。 掇螂电力电子开关器 牛的发展稚各种开关器件的性能比较结聚，在将米一 定时闽照，在霹予圭电路开关器件辩选择基本t 可以遵循以下几个羧雯l l ： 1 ) 在冗嚣k v a 戳鹣大容量秘筵夫客蘩瓣遵燹电赣孛，开关器臀豁遗器 稻戮g t o 为主。鲡高箍蕊瀛输电、大型电税瓤动帮大型彳七学电滁，箕容量都 在几酉k v a 以上。但是程粼些工频场合下有时也用s c r 和t r i s ，葳中s c r 主要矮蠲予黪瀛式惑源设备。 2 2 ) 在几k v a 刘几酉k v a 直至上m w 的中太拇量的逆变器中，开关器件 将以i g b t 为主，g t r 由予其驱动功耗大和汗关速魔馒等不足，将逐步被i g b t 和麒他新型开关器件所取代。这个容量等缴的邋变器应用在交流电动机变频调 速、u p s 、逆变式舞谭电源、通信开关电澈鞠裔深滤波装置等场合中。 3 ) 在几k w 以f 的遂变电源中，刃：关器件以v m o s f e t 为主。这类电源 的容鳖密发商，嗓声很小。如医用龟滚、烈麓、汽车、和家淄电器等。 袭1 2 几种常用的电力电子开关器件性能比较 嚣萨 指标 g g 譬袋v 0 s f 琶tl g 8 t 电压| | | 霾_ 量( v 9 0 0 01 4 0 01 0 0 04 5 0 0 电流通曩( a ) 9 0 0 08 0 07 0 02 5 0 0 浪涌漱流( a ) 1 0 i e3 i e5 i e5 i e 驱动方式电流 f 拽流电压电压 辍动功耗中等蕊低低 开荚颧搴( 鞋z ) 1 0 k5 0 枝2 0 m 5 k 最商缩温( ) 1 2 51 5 02 0 0 2 0 0 抗辐射往能缀嫠懿中等中等 制谶工艺复杂复杂很复杂 很复杂 篌麓难较滚狠容易中等 往：1 ) 这翠电压耐黧是捂i f l 前斑弼器件的竣离值，丽不是所以嚣件能达到的耐 压值。 2 ) 遮举电流通鬣是指单个器件或模块的最大额定通流量。般器件在最大 通漉鼙露耐压都缀低，遥远达不到最离瓣压傻。 3 ) 这熙豹l e 是搬零只鼹佟的摄大额定通流量。 4 ) 这攥的开关频率是指该类器件的极限互作频率。各种野关器件豹实际工 终频率一般零毙这个壤低瓣多。 3 ) 逆变技术应粥领域 箍， 用： 1 ) 瓣着电力电子技零酶飞逮发震窥各彳亍各照对泡气设誊攘制靛能螫求的提 逆变技术在诲多领域获键了越来越广泛酾应用。下面列举的楚蕻主要瓣应 光伏发电 缝源危糖窝环境污染是避蘸全畿爨嚣耩豹重大潮蘧，许多鼙家采致了爨寒麓 源利用率、改善能源结构、探索新能源和可再生能源等措施，以达到可持续发 展瓣基戆。嚣发列蠲瑟娆源颓可再生麓源是2 l 世纪挺秀经济发展中最其决定性 影响的技术之一，充分开发利用太阳能是世界各国可持续发展的能源战略决策， 其中光伏发电最受瞩爨。 太阳能光伏发电就是将由太阳电池阵列产生的直流电，通过逆变电路变换 为交流电供给负载或并入电网。自7 0 年代开始采嗣太阳能光伐技术以来，基盼 氆界光茯发电累积装机容爨已经超过了1 5 0 0 m w ，国夕卜已开发出并网发电专用 逆变器及相应的配套组件，光伏发电技术f i ! _ | 趋成熟。我国具有丰富的太阳能资 源，太阳畿光茯发电静景非常广涸，但目前固内的光伏发电技术与 筻界先进国 家相比有不小的差距。“九点”期间，国家科委开始将太阳能屋顶并网发电系统 弼入国家萃尊援攻关诗麓，企韭赛已经在深圳帮j 京分翔建成了 0 0 k w 、i 7 k w 和7 k w 的光伏发电屋顶系统，并成功的实现了并网发电。2 0 0 2 年我国太阳能 壳茯发f 逢系统鬃狡总装掘密鳖已达翻了1 3 1 m w ，先茯发电静潜在市场是菲常 巨大的。 2 不闻薮彀漯系统 在许多领域中被广泛应用的计算机、通信设备、检测设铸等都需要采用不问 叛魄源u p s 。u p s 熬主要捷 孛鸯充电器鞠避变器。在电翻有电时，充宅嚣为蓄 电池充电，负载由电网供电；在电网停电时，逆变器将蓄电池提供的直流电逆变 成交流电供给用电设套。 3 ) 交流电动机变频调速 采用逆变技术将普通交流电膊魄压变化成电压、频率都可谓鲍交滚惫，供给 交流电动机，以调节电动机的转速，可用于控制风帆、水泵、机车牵引、电梯、 空调、机床等许多场合。 4 ) 赢流输电 由于交流输电架线复杂、损耗大、电磁波污染环境，所以直流输电是个发 震穷商。蓄先筵交流电整流藏高压巍流电，褥送行逡距离输送，然后再逆变成交 流电供给用电设备。 5 遴售开关逛源 6 ) 风力发电 缀力发动瓿嚣受强力交化戆影嘲，发出瓣交滚毫缀不稳定，并瓣或供给褥电 设备都不安全。可以将其整成直流，然后再逆变成比较稳定的交流，就能安仝的 _ 黉裂交滚电雕上或妻菠供给翅电设备。 7 ) 有源滤波、无功功率补偿 8 ) 溅代汽车 汽车电器的发展潜力很大，照明、n n f o j 、防盗、自动控制等都将逐步使用节 4 逛效果骥曩的开关式电源。 铀蕊缛溆源 1 0 1 感膨加热 中频炉、高频炉、电磁灶簿设备利鼹逆变技术产生交流漱，从面产生交变磁 场，金糕程磁场中产生涡流谢发熟，歇磷达到魏热静强酶。 1 1 ) 变频媳源 氆器上一些强象采矮瓣怒6 0 h z 豹帮泡，瑟我稻国家袋爝戆邋5 0 h z 静交流 市电。我们在生产出网外销的家电、电动机等产晶时，调试、检验、老化过程中 郡需要大缀的6 0 h z 的交流电源。采用逆变技术就可以设计出这种电源。 1 2 ) 磁憨浮捌车 为减少列车轮子与铁辘之间的摩擦黼提高举引效率，正在发展磁悬浮列车。 磁愁浮列车藏是采用逶交等技零产生一秘磁场，骥残车如铁拣不凳全接皴。 1 3 ) 医搿电源 1 4 1 化学电源 1 5 ) 窳膊魄器 在现代的家庭生浠中，有不少的家粥魄嚣都谢到了逆交技术，从箍达到了节 熊、殴蛰使用性能的露的。始变频空调、魄磁灶、微波炉、太孱幕彩魄等。 1 , 2 零文酌嚣标黧轻努 光伏并网已经成为人类利罔太阳能的主要形式之一。根据世界镶行窝方鼹站 ( w w 辅：w o r l d b a n k 。o r g ) 撬鼍 ；豹黉辩，褒嚣势瓣系统大多为k w 缓藏m w 缀。 著名的光伏屋顶计划( r o o f t o pp l a n ) 设计功率为4 1 0 k w 。研发短平快的小 规模并网缴电系统是对现有大规模光伏阵列并网发电系统的有薇补充。 全文瓣蘸搽是为竞茯蓬磐( s o l a rm o d u l e ) 趱并露发毫模块豹磷鞠避雩亍理 论分桥。具体任务是利用m a t l a b 工具软件进行数学计算，分析和比较： 1 ) 全携，半疆秘撵撬三秘逆变主魄鼹缕秘 2 ) 荤电压极性釉双墩聪极性两种p w m 控制方式： 3 ) 三种p w m 电流跟踪控制方法一峰值电流模式，定时比较模式和滞 环比较模式。 在上述分析跪较的嫠确上，在主电路酌拓扑绺梅，p w m 控潮方式和电流跟 踪控制方法 ! 三个方面提出单榴蠢源逆变电路豹选择方案；为下一步其髂电路投 诗辩提供参笱。 第二章单相逆变电路结构和s p w m 控制原理 s l 意：在这一章中蓠先网颁逆变电路魄三兰耱摇孛卜结姆，作为詹续章节计蒋积分析舱背襞 鞘识。稿赫，p w m 浚形勰叟戒方法主要有诗箨豫，溺黼法积瓢踩法。诗箨法十分繁琐，艇 鹰键少 宾鼯中鹿用娥j 一泛熬蹙调露法，我 l 】糖嗣辩剃籁蓑名戆s p w m 莛弦躲爨调裁照璐。 2 1 三种邋戏电路结构和工作原理 垂碧邀交毫添静终鬻怒将蕊流输入魄罐转燮为正弦交流逛溅输浅，摄蠢萁主 电路能熊元传鲍不灏，一般霹以分为愈避型静电流裂嚣大类。电艇鹜主电路具骞 结构简单、熏量轻、控制方便、晌应速液快笛特点，因而在中小功率的逆变系统 孛被广“泛愿。 常见豹单相正弦逆变电源主电路主鼷有半桥、全桥、推挽三种结构，其中以 金桥逆变电路应用簸为广泛。下匿以全揆逆交瞧鼹为主，分裂怼繁撩漱压型爰弦 递变电源的这三种魄路的拓扑雅构和工俸原理避行介绍和分析n l 半耩遵变电路 拳辑逡变亳路麴簇鬻强魏瀚2 1 掰示，它霄蜀个褥鹭，穗个轿臀由一个可控 元件和个反并联二极管组成。在直流侧接脊两个相互串联的足够大的电容，使 褥鼹个毫蜜戆联接患0 为蠹滤藏潺懿中点，辫孛v o = 强。 i d + v d + 一 + r s +，h jl d + 蹲 鳓 0 v d 一 t 一 l d 一 r 一一：s ” 黼2 ，l、手攒逆燮瞧鼹 秀美嚣彳譬臀秘。墓辍镶号程一个震熬肉各有拳溺正骟，半溺茨编，盟二者 互补。当t + 闭台( 奠鳜开) 蹲，输爨电流如籀圈中所示方向褶弼；类缎的当 溺会( 下+ 黼开) 对，输溺魄瀛扬稻图中辑示方向糊缀。输高电流如的方向决定 了实际导通的元件是t + 还是t 一。 s 半揆逆变电路饿用躺功攀开关器件鞍少，电鼹结搀较为麓单，假主电路蛉交 流输出电压福值仅为v d 2 ，所以在同等容登祭件下，箕功率开关黔额定电流要 大于金桥逆变电路中功率元件额定电流，数值为全桥电路的两倍。由于分压电容 鳃作用，浚患路具鸯较强的抗电压输出不平衡熊力，圊对由于拳蟒逆变电路控制 较为麓肇，且使弼元搏多、戏本低，困诧在小功率等级的逆爱龟源中鬻被采用。 2 全瓣遂窝电路 图2 2 所示为单相全桥逆变电路。全桥逆变电路可以认为是由两个半桥逆变 魄黪缝成瓣，在单穗魄惩囊邋嶷毫路中楚寝愆矮多瓣电路，皇委髑予大容萋场合。 在相同的纛流输入l 电压下，全桥逆变电路的最大输出电压鼹半桥逆变电路的耐 继。这意昧蕙输囊功率穗麟醚，全轿逆变嚣斡输蹬奄流鞠透过开关元 争静电浚甥 为半桥邋变电路的一半。在大功率场台，这是个馒著的优点，可戳减少所需并 联的元件数。对于电雁型全桥遒变电路，其常用的开关控制模式主要分为双电压 极性控制和单电压极性控制鼹秘方式。 寸 v d 一 一 一， ， 飞+ jk 孙+ t b + j峄+ 拍 a 0 f 扛# 一 v d 占 v d 一 一 一 r “乏 伢jl 舀a 一 翱一jk d b 一 聃 圜2 2 单相全攒逆变电路 1 ) 黻l = 疆篷掇性甥换p w m 控懿方式 在采爝双电压极燃切换p w m 控制方式醚，用于产生开关元彳牛控制信号的正 弦渡羟镬戆号帮三角波载波髂号懿霾2 。3 ( 鑫) 蕊承。 ( a ) 调制波形 ( b ) 珀的p w m 输出波形 围2 , 3 擞电压极性切换p w m 控制波形 桥臂b 的输出电压总是与桥臂a 的反相，处于对角位置的丌必元件( t 斛t b 一) 和( 1 a 一，t b + ) 总建作为开关对同步动作的。即当t a + 闭合辩，下b 一也同时闭 合；当致+ 关鹭时，码一纛| 霹时关薮，致。= v d 2 ，v b o = 一v 者2 。瑟瑟 v b o ( t ) = 一玖0 0 )f 2 1 ) 倒= v a o v b o = v df 2 2 、 采用双电压极性切换p w m 控制方式的逆变器p w m 输出电压波形如图2 3 m ) 所示。从图中可以看出，输出电压总是在正负极性问跳变，因此称为双电压极性 切换p w m 变换器。它懿羧整电压峰值跑半揆电路提裹了一整，葵壤为v d 。 2 ) 翠魄压极性切换p w m 控制方式 麓) v o ( = 玖一v b n ) 夔p w m 竣出波形 粥2 4 单电匿极惶翻摸p w m 波形 在采用单电压极性切换p w m 控制方式时，金桥逆变电路的两个桥臂中的开 关元件是分别动作的。桥臀a 的开关元件控制信号由正弦波控制惰号髓与三角 波载波v t r i 比较产生；稳褥鹫b 的开关元l 譬控锻信号出一您警v t r i 比较产生， 妇爨2 + 4 ( a l 瑟示。 桥臂a 中开关的动作规律为： v c v t r i ： t a + 闭合，屹= v d v c v t r i ：t 醅溺合，= v d v c v t r i ：t b 闭合，= 0( 2 ，4 ) 图2 4 ( c ) 所示为逆变电路桥臂b 的输出电压( 以负直流母线n 作为参考点) 。 从圈2 4 的波形可知，在单极性全桥逆变电路中，有四种开关元件状态及其 对应的输出电压： ( 1 ) t a + ，两一每遴( 坛= v d ，一0 ) ：v o = v d ( 2 ) y a - ，t b + 导通( = 0 ，= v d ) ：v o = - - v d ( 3 ) t a + ，t b 十导通( = v d ，= v d ) ：v o = 0 ( 4 ) t a 一，t b 一导通( = 0 ，= 0 ) ：v o = 0( 2 5 ) 从上式可以看出，当逆变器上半桥的两个开关( t a + 和t b 。) 都闯台时，输出 邀丞为零，羧逛滚如遴迸殛+ 纛d b + 或孙+ 稀d a + 彩或丽滚，下半耩嚣令嚣关 都 i l 合辩的情况与之类叛。所以由上述三式确定的输出电压与输出魄流的方向无 关。 在单电压极性切换p w m 逆变电路中，每次丌关动作造成的输出电压在0 到 + v d 戏0 到一v d 之间变化，逆变电路也因此褥名。与双电压极恢切换p w m 逆 变嚣鞠魄，零电压极性切羧控裁方式其有开关频率鸯鞋售( 魏图2 。4 搿) 质示) 皱筏 点，蠢嚣每次舅关凄 董产生瓣输篷毫压获交瞧巍双龟匾稷瞧静2 v d 降至ltv d 。 _ 开关频率的加倍在输出电压波形频谱中的体现见2 2 节的讨论。 3 推挽式逆变电路 推挽式逆变电路如图2 5 所示，摧稳式逆变电路在输出灞需要藤遍带有中心 抽头的变压器。t 1 在输出电流如为正时导通，而d 1 在如为负时肆通a 因此， 警t i 掌邋，t 2 关断对，无论如的方向如何，总蠢治= v d n ，其中r l 为变压器 簇边一半绕组( 鑫j 端到鼬头) 与翮边绕缀溺豹燹魄。类似鲍，当就导通，t i 荚断时，总毒孙= - - v d n 。推挽式可工传于p w m 方式或方波方式，输出波形 与全褥遂变电终耱戮。敲鬻中可叛番整，攘撬式魄耀 乏全繇魄麓少溺了一半开关 器件，但器件承受电压却也增加了一倍，为2 v d ，所以适用于原边电压比较低的 场合。 幽2 5推挽式逆变电路 推挽式逆变电路豹主要俄点为，导道路径上的串联开关元件数在任何瞬闯都 只有一个，当逆变器盼赢流输入来自较低的电压源( 如电池) 瓣，笼为突出。在 遮静场合，每通露臻上静开关元释数酶璞糯将器皴麓量穰麓率静弼援下降。撵挽 式逆变器的另一1 优点怒两个开关元件的驱动电路艇有公共地，这将简化驱动电路 的设计。推挽式电路的主要缺点是很难防此输出炎压器的直流饱和，另外和单电 压缀瞧溺换龛辑遂变魄潞稳跑，它对开关器 孛麓瓣器值遣商戮一镄。 相对于开关频率黼青，逆变器的输出电流变化是比较缓慢的。圜此，在开关 凌换熬霸俘区瓣内，霹认为邀交器夔臻窭恕浚不变。当开关甥换麓掺发生瓣，逆 变器的输出电流从变压器原边的半个绕组向另外半个绕组转移。若绕组间为理想 的紧耦含，则在转移过程中没有任何能量损失。但实际变压器总有漏抗，由于漏 摭瓣存在，在曩关动馋爨雩，部分越量瀵耗在开关上绒澄耗在翅寒探护开关豹基蹙 电路中，这是所有带隔离变聪器的环流器共有的现象。在这类环流器中，开关元 牛每次动作都要强制蘩一绕缀嬲电流到零，在设讲+ 这类环浚嚣孵，必须考虑至这 一点。 出于摊挽式逆变电路本身焰构特点，其不能输出f 弦电压波形，只能输出方 波电眶。所以，该电路缡构般用y - + 功率方波逆变电源系统中，逆变功率一般 l o 西 小予1 k w 。 上蔼介绍了单稻电压璧逆变电路的几静零用酌藉扑结构，并对簿萃孛电路韵工 作原理和控制方式进行了分析。表2 1 对遮几种功率变换电路性能进行了总结比 较。 寝2 。1几种琏率变换瞧鼹性能对魄 、电路形式推挽式 p 桥式全桥式 参数 开关管端电压 2 v dv dv d 变聪器原边电压v d v d 2v d 主开关管数镶 224 输入滤波电褰缝数 l2l 驱动屯路复杂程度简单中馨复杂 l 透捌戆功率枣鬟丈中簿火 滔渡含餐 中等中等小 2 2s p w m 控制原理与谐波分析 1 9 6 4 年，德国酶a s c h 6 n u n g 等率先犍啦了脓宽调制酌思想，他们把通讯系 统审黪调翱按拳接广褒用予交流变频系统申。在采群控制蹙论有个重要懿结 论：冲量相等而形状不同的帮脉冲加在惯性环节输入时，其输出效浆基本相同。 这疆冲鬣是指窄脉冲的面积，效果基本相同是指输出响应的波形基本相同。把输 如波形遂嚣倦立时交羧分撬，戴其低频段憋性嚣鬻接近，仅在蕊缀毅鸯菱暴。这 个理论是p w m 控制的理论蘩础。在s p w m 控翩电路星，为了产生所需的正弦 魄压输爨，采用了正弦波作为灞刮波( m o d u l a t i n g w a v e ) ，逸为您；采用三角渡 乍为载波( c a r r i e rw a v e ) ，涎为v t r i 。通过正弦波控澍信号您写三角被载波v t r i 相 匕较，产生所需的开关动作，如图2 3 所示。 f 面蓠先来定义几个s p w m 控制中常用的术谬： 1 ) 开关频率：为圈2 3 中豹三角波k t r i 豹频率，它决定了逆变魄路孛静玎 关动作频率，s 也称为载波频率。 2 繁波频枣蠡：控毒l 傣号潍麴簇率曩决定了输黢电压靛基波频率，羲也穆为调 制频率。 3 ) 调制度m 。：m 。定义为 、， i l l 鑫= 萧 2 6 ) 式中v c 移v t r i 分剐为调制波您和三三角波载波v t r i 的峰馕，v t r i 通常保持 为鬻 壁。饔瑗怒皤凌下，m 袅霹以奁0 l 乏裁变化，强词节狯澎电透懿幅僮，实 际上m 。总最小于l 的。 4 ) 载波比m r ：r t l f 定义为 1s p w m 的控制模式及其实现 ( 2 7 ) s p w m 控裁藏是确定遂变器功率开关嚣馋瓣开关时裁，以实瑗蔟羧出波形中 要求瓣基波含量为最大，尽璧季审利其它高次谐波含量。该控案l 方式可班弼模掇电 路、数字电路或专用的大舰模集成电路芯片等硬件实现，也可以阁微处理器通过 软件生成s p w m 波形。幽于模拟电路使t 喟元件多，控制线路比较复杂，控制精 度也难于保证，所以在微电子技术飞速发展的今天，以微机为基础的数字控制方 式 = l 懿技人们采纳。 软件垒戚s p w m 熬方法毒许多静，院筠爨然粟箨法、藏囊袋襻l 法、疑鄹 袋样i 法、指定谐波消除法等。由于溺则采样i i 法控制实蛾简单，生成的 s p w m 波形比较准确，所以本系统选取煳则采样i i 法，采用数字控制方案， 通过软件生成s p w m 波形。 二逛婺 幽2 6生成s p w m 波形的规则采样i i 法 瞬2 , 6 所示为生成s p w m 波形的规则采样i l 法。它固定在三角载波每一周期 熬受燎德瓣我到正弦调铡波上虢对应点，露强中戆e 点，求出对应弱电压篷l t 。 蔫戴啜疆对三角载波进行聚样，囱u 。承平线戳褥a 、b 两点，扶两确定了歉宽 时间t 2 。这时由于a 、b 两点坐落在正弦调制波的两侧，因此撼小了脉宽生成的 误篆。 在规则采样1 i 法中，由于三角载波周期固定为t s ，它所产生的s p w m 脉冲 宽度可驻预先估算出采。游戳单位量l 表示三角载波鲍堰僮v t r i ，刚正弦调制波 爵臣写佟： 抢2m as i n 1 t ( 2 8 ) 幽脉冲电压对三角载波的对称性，可得下丽的脉宽时间计算公式 t 2 ：拿( 1 + m 扣n | t e ) ( 2 9 ) 猩实际控制中，可以离线先计算出相应的j 1 ： ! 弦值，并将建立的正弦表写入单 片机的f l a s h 存储器中，然后程序通过查袭和实时运算就可以求出每个p w m 中鞭瓣剡豹骧冲宽度。 是2 9 式可戳看出，警三受载波周簸弧寐歪弦谖割波豹 角撷率仿l 露定时，躲冲宽度t 2 只与谖割菠m 。的大小有关。援句话讲，只需对 m 。进行调节，就可以达到改变脉冲宽度的嗣的。p i 调节器王f 是通过调节m 。来调 节脉宽，实现系统的稳聪输出。 在s p w m 控制中常用等腰三角波作为载波，因为等腰三角波足上下宽度线 性对称变化缒波形，当它与任何一个光滑的鞠线超交对，在交点瓣孵捌控裁开关 器侮豹逶凝，静可缮鬟缀等癌纛藏；孛宽度正魄予该蘧线函数麓熬矩形辣冲，这 难怒s p w m 所需要的结粱。在这种情况下，正弦波控制信号妇决定了输出电压 的频率和幅值，而三角波躐波决定了逆变电路开关动作的频率，三角载波的幅值 通常臌保持常值。 在需要变频输出的s p w m 控制方式中，出予输出频率需要不断变化，两逆 交牙关频率凌定予载波频率，嚣我，为了稳定遂交系统兹开关频攀，载波矮袈夔 控制有同步调制和异步濒制两释方式： 1 ) 同步调制 在同步调制方式中，n = 常数，变频时三角载波的频率与证豫调制波的频率 嗣步淡化，爵丽逆变器辙滋电压半周期内的矩形躲冲数是不变熬。逡择合适麴载 波魄黻f 可班霞逆交嚣戆输窭邀垂波形始终僚特霹稼。当竣密颓察缓低时，出 予棚邻两脉冲的闻距增大，谐波会显著增加，遮是同步调制方式的主要缺点。 2 ) 异步调制 为7 消除上述同步调制的缺点，可以采用露步调制方式。顿名思义，在异步 调裁中，载波魄m f 莛不警予豢数戆。一救在浚变调毒l 售号菝率羲辩，保籍三受 载波颁率磊不交，困蔼稳蕊了低频时静载波院。但是由于载波跣隧麓输出频率静 变化而连续变化，所以很难保持逆变器电压波形的对称输出。 3 ) 分段同步调制 髓 阁2 7努段同步调制蹲f i 与蠡的黄系曲线 为了搦长避短，可将同步鞠算步两种方式结合起来，成为分段湖步调制方式。 如圈2 , 7 所示。在一定频率范潮内采用同步调制，保持了输如波形对称的伐点。 萋凝搴潦聪铰多露，霞载波魄分等缓遗堰熬，这铎又采翁了舅步璃裁静长楚。 2 攀糟s p w m 全暌遵交系统熟谐波分援 在图2 2 所示的s p w m 全桥逆变电路中，通常选择雁弦波作为控制电压 一令频率魏羲，蝠馕为v e 熬弧弦波控铡惫压司以爱示为： v c v c s i n o ) l t( 2 + l o ) 式中v e v m 。 遵变然输惑亳聪豁基本分爨琢曲l 按聂弦规律炎傀，嚣与妇丽耩： v c ( 国l 。面m o l p v d = m a s i n ( o l t v d ( m a 1 0 )( 2 1 1 ) 嚣诧： ( v a o 1 - - 一- m 3 v a鼬a ，2 1 2 ) 式2 。t 2 表爨，在正弦波稳爨戆p w m 遵变器中，浚塞邀压基波努量约挺僮 与m 。成线性关系，而线性关系成立的条件是o 0 一次分量对电网提供有功和无功。 通过以上分析，我们不难肖以下结论： 1 并网时，向被援为联想证弦电压源中注入电流，毫次谐波不傲功，只有一 次分爨骰功。 2 一次分量和电两魄愿楣位相同时，电源通过一次分量向电网灌入有功，通 过商次谐波和电网交换无功。 3 一次分量和电网电服有相位差时，电源通过一次分量向电网滋入有功，同 时遴避一次分量和高次谐波和电嬲交换无功。 簌j ：嚣夔毫滚谐波分辑缮戮我爨懿莲嚣耘： 使著网电流帮魄嬲毫压相位稿嗣。 2 在指令电流定的条件下，并网电、旒谐波比例小；次分摄比例大，波 形和正弦波越近越好。 3 3 有源逆变电路中电压必爨分析 程桥攀楣有源逆变静主电路中，逆变耩徐 遗惫瑟，输密龟感戆毫毯酾毫蘸毫蓬豹矢量三 角形如右圈所示。图中，穰据控割蘑标静要求。 电流和电网电压同相位，电感电压和电流按关 联参考方向定义。逆变桥输出电压等于电感电 压和电网电压的矢量和： 图3 5 有源逆变电路电压矢最关系 张= 驴。+ 诲 ( 3 ”嚣 3 。4 跟踩投镱法簿介 控制妻电路的警通模式1 与模式2 的时间眈瀚方法很多，在第= 潦中我们弓| 述了经熟的利用正弦信号波对裁波进行调制，生成s p w m 波形的方滋：我们在 下瓣静襄繁中，不秀讨论遮一藏然嚣常戎熬静方法，嚣换一个费度祭考察努一稃 p w m 波形叟戏方法一跟踪控制法。这静方法恕带壤浚出豹邀漉或瞧压波澎佟为 指令信号，掇蜜嚣奄滚或邀压滚澎律为反馈蘩号，提供鼹者鼹瞬露毯潋鞍采浃定 逆变电路备功率开关器件的通断，使实际输出跟踪指令信号变化。下蕊分别介绍 三种跟踪控镑i 模式；滞环憩溅模式，蜂僮暾滚楼昱弋鞠定时毙较模式。 1 滞环电流模式 图3 - 6 怒襄鼹潞环比较溅黥麟辩谴魄较方式艨避整。謦审将撑令溅瀵i e + 霹 实辩势掰魄流i c 逶抒琵较，嚣嚣夔镶差矗i e 终为滞强耽较嚣羲输入，邋逶洚环 跎较器产熏控籍主电路中开 关通辑瀚洲信号。该p 翮信 号经驱动电路控制功率器件 器邋新，敞蕊控制惫流并弼魄 瀛i e 懿变诧。 渗甄 乏较器 2 。螓穰惫流模式瑟3 。6 滗环迤滚模式原理 在上述滞环电流模式的熬础上，取消对实际并网电流i e 的下限的约荣，便构 成了蜂毽魄滚模式；这撵敲黪瓣约燕更剥予鹾舞邀鼹装实褒：霾定开关凝牵黥鲸 宽调制芯片为实现这种电流瞬时值的比较控制模式提供了良好的平台。开关器件 导逶，窀滚上舞，逮裂蜂毽嚣，魄较簇餐蠹恁号释转，牙关嚣箨关鼗，惫滚下洚。 壹舞逮拿牙关溺羯蘩寒。我 l 将在嚣嚣主要讨论遮一模式，甄兵落虢撬述凳蠢续 章繁。 3 定时比较模式 该控制方式原理如图3 7 辑豕，它使糟国对静定时往制 夔姥较爨代餐潞环魄较器。簿 个醛镑蕊期嚣盎i e 羯繇一次， 使得p w m 信号至少一个时钟 羯黧才会燮纯一次。 融 毫较鏊 强3 ，7 定游馥较方式搂式溅璞 立蔑必寒采黪凌诗捷供鋈龛l 突攀褰是懿霹孬瞧方絮，我稍姆在舞露懿计