三相逆变器与脉宽调制型逆变器.docx

第十三讲 教案三相逆变器与脉宽调制型逆变器教学目标：1、了解电压型三相逆变器原理。3、掌握脉冲调制型逆变电路的基本原理。教学重点：1 脉冲调制型逆变电路的基本原理。教学难点：1、脉冲调制型逆变电路的调制、控制方式。教学方法：讲授法教学时间：90分钟试讲教材：电力电子技术（第2版） 张涛等编 北京：电子工业出版社 2009教学步骤：一、导入同学们现在先回顾上一节的知识，如果将逆变电路的交流侧接到交流电网上，把直流电逆变成同频率的交流电反送到电网去。变频器中逆变电路的基本工作原理与换流方式3种：器件换流、负载换流、强迫换流。还学习了并联谐振逆变器和串联谐振逆变器的工作原理。二、新课讲授6.3 三相逆变器三相逆变器：有电压型逆变器和电压型逆变器6.3.1 三相电压型逆变电路三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路图6-1 三相电压型桥式逆变电路180导电型： 开关元件每隔60电角度按标号1、2、3、4、5、6的次序导通，每个元件导通180就关断，即同一支臂的两个元件一个导通，另一个关断，经过360完成输出电压波形的一个周期。 120导电型： 开关元件每隔60电角度按标号1、2、3、4、5、6的次序导通，每个元件导通120就关断，即上桥臂的一个元件导通，下桥臂也有一个导通，经过360完成输出电压波形的一个周期。 负载中点和电源中点间电压 负载三相对称时有uUN+uVN+uWN=0，于是 负载已知时，可由uUN波形求出iU波形。 一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。 桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每60脉动一次，直流电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，电压型逆变电路的一个特点。 防止同一相上下两桥臂的开关器件同时导通而引起直流侧电源短路，应采取“先断后通” 6.3.2 电流型逆变电路 直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。 电流型逆变电路主要特点图6-2 电流型三相桥式逆变电路(1)直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。 (2)交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。输出电压波形和相位因负载不同而不同。 (3)直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。（Ud一般由桥式整流电路提供，电流是不能反向的。） 电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。 换流方式有负载换流、强迫换流。 6.4 脉宽调制（PWM）型逆变电路理论基础：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 图1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲1.2面积等效原理：分别将如图1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。 图2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。SPWM波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。 图3 用PWM波代替正弦半波要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。PWM电流波： 电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。PWM波形可等效的各种波形：直流斩波电路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。2 SPWM逆变器的工作原理由于期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作N等分。然后把每一等分的正弦曲线与横轴弦波的负半周也可用相同的方法来等效。 这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM波形。由于各脉冲的幅值相等，所以逆变器可由恒定的直流电源供电，也就是说，这种交一直一交变频器中的整流器采用不可控的二极管整流器就可以了。逆变器输出脉冲的幅值就是整流器的输出电压。当逆变器各开关器件都是在理想状态下工作时，驱动相应开关器件的信号也应为与形状相似的一系列脉冲波形，这是很容易推断出来的。从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算方法求得，作为控制逆变器中各开关器件通断的依据。但较为实用的办法是引用通信技术中的“调制”这一概念，以所期望的波形(在这里是正弦波)作为调制波(ModulationWave )，而受它调制的信号称为载波(Carrier Wave )。在SPWM中常用等腰三角波作为载波，因为等腰所包围的面积都用个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合。这样，由N个等幅不等宽的矩形脉冲所组成的波形为正弦的半周等效。同样，正三角波是上下宽度线性对称变化的波形，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点的时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲，这正是SPWM所需要的结果图4 可控整流器调压、六拍逆变器变频3 正弦脉宽调制的调制算法 三角波变化一个周期，它与正弦波有两个交点，控制逆变器中开关元件导通和关断各一次。要准确的生成SPWM波形，就要精确的计算出这两个点的时间。开关元件导通时间是脉冲宽度，关断时间是脉冲间隙。正弦波的频率和幅值不同时，这些时间也不同，但对计算机来说，时间由软件实现，时间的控制由定时器完成，是很方便的，关键在于调制算法。调制算法主要有自然采样法、规则采样法、等面积法等。77777图7双极性正弦脉宽调制原理波形777三、 总结本次课程我们学习了本次课学习了三相逆变器和脉宽调制型逆变电路。 负载中点和电源中点间电压 负载三相对称时有uUN+uVN +uWN=0， 于是负载已知时，可由uUN波形求出iU波形。一相上下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似。期望的逆变器输出是一个正弦电压波形，可以把一个正弦半波分作N等分。然后把每一等分的正弦曲线与横轴弦波的负半周也可用相同的方法来等效。 这一系列脉冲波形就是所期望的逆变器输出SPWM波形。由于各脉冲的幅