第三章：逆變電路(2)-張老師5

1、1 逆變電路輸出電壓波形的改善目標(biāo):輸出一個(gè)近似理想的正弦波-抑制輸出電壓的高次諧波一、多重化技術(shù)二、PWM技術(shù)的優(yōu)化三、多電平逆變換器-采用新型主電路結(jié)構(gòu)2一、多重化技術(shù)1、方波的富立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)：E)5sin513sin31(sin4)(0tttEtu方波中含有很多高次諧波。希望輸出中只含有基波2、衡量諧波大小的兩個(gè)重要參數(shù)：諧波系數(shù)HFn2,3,n, 1UUHFnn總諧波失真THDUn為第n次諧波的有效值2,3,n, U12nUTHD方波:45. 0 U12nUTHD（一）基本概念及基本知識(shí)33、幾種典型的階梯波及其諧波分析圖a-四電平波形的復(fù)立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)：圖b-六電平波形的復(fù)立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)

2、：除基波以外，最低次諧波為5次。除基波以外，最低次諧波為11次)13sin13111sin111(sin6)(0tttEtu4)13sin13111sin111(sin6)(0tttEtu4、結(jié)論電平數(shù)目愈多，諧波含量愈?。粚⑸鲜鼋Y(jié)論推廣到SPWM。在SPWM調(diào)制中，電平數(shù)正比于載波頻率。載波頻率愈高，諧波分量愈小5（二)、單相逆變電路的多重化連接逆變器的輸出電壓uo1; 逆變器的輸出電壓uo2逆變器與逆變器的結(jié)構(gòu)相同，則輸出電壓波形的形狀相同，為方波,但是uo1 相位不同?？傒敵鲭妷?： u=uo1 +uo2輸出電壓有可能為梯形波,達(dá)到消除諧波的目的。6 uo1和uo2的脈寬為2/3， uo

3、2滯后 uo1角為 /5，則得到一個(gè)四電平的輸出電壓波形。消除了三次諧波。思考題：畫(huà)出六電平電路和輸出波形及其調(diào)壓方式7（三）、三相逆變電路（三）、三相逆變電路的多重化結(jié)構(gòu)的多重化結(jié)構(gòu)(不講）不講） 書(shū)上例 圖4-28 輸出電壓的幅值相等 U = V = W Xa=Xb=Ya=Yb=Za=Zb 只研究uRouRO = U + Xa - Yb電壓波形， 基波和諧波，輸出電壓的調(diào)節(jié) aXU38U、Xa、和-Yb的脈寬為2/3， Xa 滯后 U角為 /6， -Yb超前U /6，則得到一個(gè)六電平的輸出電壓波形。消除了3、5、7、9次諧波。9二、PWM技術(shù)的優(yōu)化提高開(kāi)關(guān)頻率是抑制諧波的有效手段。存在的問(wèn)

4、題是效率下降。（一）、倍頻技術(shù)（一）、倍頻技術(shù)與普通單極性SPWM（p.173圖4-10）控制信號(hào)的差別是，有兩個(gè)載波信號(hào)：uc2 （虛線） -uc1(實(shí)線）ug, uc1 T1, T4；ug, uc2 T3, T2Uguc1（uc2）,ug1（ ug2 ）= 1，控制上管 Uguc2, ug3= 1Uguc2, ug2= 1101、在輸出電壓的正半周：Ug1和ug3同時(shí)為高電平時(shí)，輸出正脈沖。2、Tc是每個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的周期,在Tc里有兩個(gè)輸出脈沖,所以實(shí)際載波的頻率是開(kāi)關(guān)頻率的兩倍，實(shí)現(xiàn)了倍頻技術(shù)。11(二二) 有選擇消除諧波的有選擇消除諧波的PWM技術(shù)技術(shù)-直接選擇開(kāi)關(guān)角法 (固定開(kāi)關(guān)角法)

5、12消除了5、7、11和13次諧波。13三, 加輸出濾波器附加輸出濾波器L1/C1 串聯(lián)諧振于基波L2/C2 并聯(lián)諧振于基波在高頻時(shí)，濾波方法非常有效。14三、多電平逆變換器-采用新型主電路結(jié)構(gòu)多電平多電平PWM逆變器逆變器的應(yīng)用范圍：高壓大功率逆變的應(yīng)用范圍：高壓大功率逆變多電平多電平PWM逆變器逆變器的基本思想：的基本思想：利用電解電容串聯(lián)分壓取得的多電平電源，合成出階梯波使得輸利用電解電容串聯(lián)分壓取得的多電平電源，合成出階梯波使得輸出波形逼近正弦波出波形逼近正弦波.以往在高壓大容量逆變器時(shí)采用以往在高壓大容量逆變器時(shí)采用多重疊加法多重疊加法缺點(diǎn)：逆變器的體積重量增加，效率明顯降低缺點(diǎn)：逆

6、變器的體積重量增加，效率明顯降低高壓大功率逆變器高壓大功率逆變器的特點(diǎn)：的特點(diǎn)：1)承受很高的電壓和電流應(yīng)力承受很高的電壓和電流應(yīng)力2)不宜使用高開(kāi)關(guān)頻率的不宜使用高開(kāi)關(guān)頻率的PWM控制方式使輸出波形正弦化控制方式使輸出波形正弦化15（一）、單相多電平逆變換電路參考文獻(xiàn)：電力電子學(xué)，陳建，高等教育出版社，2002年第一版電路的結(jié)構(gòu)：直流分壓電路：C1C4;各點(diǎn)的電位:V1=VD/2,V5=- VD/2,V2=VD/4,V4=-VD/4,V3=0S2S1S2S4S4S5工作原理及其輸出波形16（二）、三相多電平逆變換電路1、電路的結(jié)構(gòu)（只關(guān)心A相）：直流分壓電路：C1C2;ud1=ud2=ud/

7、2，參考點(diǎn)O。T1m和T4m為主控管/傳輸能量。在主控管關(guān)斷期間，T1A和T4A為輔助管/與D1和D4鉗位二極管一起將A點(diǎn)的電位鉗制到參考點(diǎn)O。D1和D4鉗位二極管；為輔助開(kāi)關(guān)提供電流通路,同時(shí)防止主控開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，將分壓電容短路。例如， T1A/on, A點(diǎn)的電位等于參考點(diǎn)O的電位，如果D1用段路線替代，當(dāng)T1m/on, 則C1短路.172、控制性好的分布：T1m/T4m的信號(hào)安排可以消除5、7次諧波T1m/T4A互為反相； T4m/T1A互為反相負(fù)載是CCM工作。在正半周時(shí)，T1A恒導(dǎo)通;當(dāng)T1m/ON時(shí)，A點(diǎn)的電位為Ud/2;當(dāng)T1m/OFF時(shí),假定電流方向與參考方向相同，D1/ON,

8、A點(diǎn)的電位為O;當(dāng)T1m/OFF時(shí),假定電流方向與參考方向相反，T4A/ON, D4/ON , A點(diǎn)的電位為O;所以在正半周，當(dāng)所以在正半周，當(dāng)T1m/OFF時(shí)時(shí),A點(diǎn)的點(diǎn)的電位始終被鉗到電位始終被鉗到O。uA0在正半周內(nèi)為在正半周內(nèi)為多電平輸出。多電平輸出。在普通逆變器中，相當(dāng)于在普通逆變器中，相當(dāng)于T1A和和T4aA短路，當(dāng)短路，當(dāng)T1m/OFF時(shí)時(shí),A點(diǎn)的電位等于點(diǎn)的電位等于+Ud/2或或-Ud/2。uA0在正半周內(nèi)為單電在正半周內(nèi)為單電平輸出。平輸出。1122183結(jié)論1）T1m/ON,導(dǎo)電回路如紅實(shí)線所示；T1m/OFF,導(dǎo)電回路如棕點(diǎn)畫(huà)線所示。2）uAo是兩電平3） uAB是多電平

9、所以線電壓的THD要好一些19A相三電平輔助諧振極逆變器相三電平輔助諧振極逆變器20A相五電平輔助諧振極逆變器相五電平輔助諧振極逆變器21七電平輔助諧振極逆變器七電平輔助諧振極逆變器22逆變器的控制技術(shù)一, SPWM集成芯片（略） (一),專用集成芯片 HEF4752VD, SLE4520 等 (二), MCU, DSP 等電機(jī)控制專用芯片 例如， intel 公司單片機(jī)80C196MC 為例二, 電壓瞬時(shí)值單環(huán)反饋控制 (一) 電壓平均值反饋控制 原理圖原理圖 1、輸出電壓平均值檢測(cè)電路; 2、直流值設(shè)定電路; 3、 PI調(diào)節(jié)器/ 4、恒幅正弦信號(hào)/調(diào)制信號(hào)/5、乘法器/6、三角形載波信號(hào)/

10、7、比較器/8、驅(qū)動(dòng)電路。23工作原理：工作原理：當(dāng)輸出電壓降低時(shí)，電路1，求和器3的輸出；乘法器5的輸出電壓比較器7輸出的占空比，通過(guò)主電路后輸出電壓的幅值增加。達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。存在的問(wèn)題存在的問(wèn)題: 響應(yīng)速度慢平均值控制, 波形控制開(kāi)環(huán)主要原因：輸出電壓的瞬主要原因：輸出電壓的瞬時(shí)值沒(méi)有參與反饋。時(shí)值沒(méi)有參與反饋。求和器24（二）電壓瞬時(shí)值單環(huán)反饋控制原理 特點(diǎn):增加了一個(gè)求和器2/輸出電壓的瞬時(shí)值參與了反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的實(shí)時(shí)控制?？刂圃恚杭俣ㄆ骄惦娐?有較大的時(shí)間常數(shù)，乘法器5的輸出電壓基本保持不變；當(dāng)輸出電壓的瞬時(shí)幅度降低時(shí)，求和器2的輸出電壓；比較器7輸出的占空比，通過(guò)主電

11、路后輸出電壓的幅值增加。達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓瞬時(shí)值的目的。求和器1求和器2存在問(wèn)題：存在問(wèn)題：系統(tǒng)特性與負(fù)載有關(guān)/輕載動(dòng)態(tài)特性差。當(dāng)輸入電壓突變時(shí)，只有等到輸出電壓發(fā)生變換是控制系統(tǒng)才能開(kāi)始調(diào)節(jié)25三、 電流瞬時(shí)值單環(huán)反饋控制(一) 電流滯環(huán)跟蹤控制電路結(jié)構(gòu)：電路結(jié)構(gòu)：電路1： 給定正弦波電流 iR if, 電感電流(檢測(cè)實(shí)際值)電路2、 滯環(huán)比較器 電路3、鎖存器，記憶電路2的輸出的狀態(tài)。電路4：驅(qū)動(dòng)電路工作原理：工作原理：1、表達(dá)式 參考電壓： ur=iRRr采樣電流轉(zhuǎn)換為采樣電壓:uf=ifRf電路2的輸入電壓：ui= uf - ur = ifRf- iRRr電壓求和器26工作原理：工作原理

12、：1、表達(dá)式、表達(dá)式電路2的輸入電壓：ui= uf - ur = ifRf- iRRr2、滯環(huán)比較器的原理、滯環(huán)比較器的原理輸入電壓的工作區(qū)域：uh1 uh2當(dāng)輸入電壓ui由uh1增加到uh2時(shí)，比較器的輸出電壓 uy 由高電平變?yōu)榈碗娖?；?dāng)ui由uh2減小到uh1時(shí)，比較器的輸出電壓 uy 由低電平變?yōu)楦唠娖健?、主電路的等效電路、主電路的等效電路在正半周時(shí)，當(dāng)電路3輸出為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)S位于a端，T1/on,電感電流增加；當(dāng)電路3輸出為低電平時(shí),T2/on開(kāi)關(guān)S位于b端，電感電流減小；274、工作過(guò)程、工作過(guò)程設(shè)初態(tài)為電路3輸出高電平且T1/on, iLif ui , 當(dāng)當(dāng)ui增加到uh2

13、時(shí)，比較器的輸出電壓 uy 由高電平變?yōu)榈碗娖? T2/on 當(dāng)當(dāng)T2/on ,iLif ui ,當(dāng)當(dāng) ui減小到uh1時(shí),比較器的輸出電壓 uy 由低電平變?yōu)楦唠娖?電感電流電感電流iL具有跟蹤參考電流具有跟蹤參考電流iR的能力。的能力。即跟蹤控制技術(shù)。即跟蹤控制技術(shù)。28電流滯環(huán)跟蹤控制的特點(diǎn)電流滯環(huán)跟蹤控制的特點(diǎn); (1) 電壓(輸入)前饋控制功能, 響應(yīng)快 (2)由二階系統(tǒng)下降為 一階系統(tǒng), 穩(wěn)定性好 /電感不再是一個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)變量 (3)防止磁偏(推挽, 全橋), (4)半橋電路可能電容電壓不平衡 (5)開(kāi)關(guān)頻率不固定, (諧波不固定, 電路參數(shù), 濾波器難設(shè)計(jì)) 當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，

14、開(kāi)關(guān)頻率也隨之降低。29(二)恒開(kāi)關(guān)頻率的電流控制增加了電路增加了電路3：提供一個(gè)的固定頻率信號(hào)，作為鎖存器的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)確定開(kāi)關(guān)切換時(shí)間。工作原理不是很清楚波形失真度會(huì)大一些。30四、電壓電流雙環(huán)反饋控制電路電路1：低頻電壓給定電路；電壓求和器電壓求和器1，將輸出電壓的瞬時(shí)值與低頻電壓給定的瞬時(shí)值相減得到其誤差信號(hào)；電路電路2，PI電壓調(diào)節(jié)器，使得電壓環(huán)能夠穩(wěn)定的工作。同時(shí)輸出一個(gè)與主電路輸出電壓成反比的一個(gè)參考電流信號(hào)；電壓求和器1電流求和器2電流求和器電流求和器2，將電路2的輸出電流與電感電流的反饋信號(hào)相減形成電流誤差信號(hào)。電流誤差信號(hào)與電路2的輸出電流成正比、與電感電流的反饋信號(hào)成反比；電路電路3、電流調(diào)節(jié)器，輸出電壓與電流誤差信號(hào)成正比，且使電流環(huán)能夠穩(wěn)定工作；電路電路4、三角形載波信號(hào)；電路電路5、SPWM比較器；電路電路6、驅(qū)動(dòng)電路31電壓求和器1電流求和器2電流環(huán)電壓環(huán)電流控制環(huán)為內(nèi)環(huán)，電壓控制環(huán)為外環(huán)。相對(duì)穩(wěn)態(tài)的控制原理：相對(duì)穩(wěn)態(tài)的控制原理：當(dāng)負(fù)載突然加重，輸出電壓電壓求和器1的輸出電壓 電流控制環(huán)開(kāi)始調(diào)節(jié)，使得輸出電流 使得輸出電流增加。當(dāng)輸入電壓突然增加時(shí)，電感電流的瞬時(shí)值將增加，但由于電壓環(huán)的輸出沒(méi)有改變，所以電流環(huán)開(kāi)始調(diào)節(jié)，使得電感上的電流下降，從而保證了其平均值保持不變。瞬態(tài)控制原理見(jiàn)圖瞬態(tài)控制原理見(jiàn)圖4-43(b).略當(dāng)電