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:輸出一個近似理想的正弦波-抑制輸出電壓的高次諧波一、多重化技術二、PWM技術的優(yōu)化三、多電平逆變換器-采用新型主電路結構2一、多重化技術1、方波的富立葉級數(shù)展開：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33、幾種典型的階梯波及其諧波分析圖a-四電平波形的復立葉級數(shù)展開：圖b-六電平波形的復立葉級數(shù)展開

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、結論電平數(shù)目愈多，諧波含量愈?。粚⑸鲜鼋Y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構相同，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，則得到一個四電平的輸出電壓波形。消除了三次諧波。思考題：畫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構的多重化結構(不講）不講） 書上例 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技術的優(yōu)化提高開關頻率是抑制諧波的有效手段。存在的問

4、題是效率下降。（一）、倍頻技術（一）、倍頻技術與普通單極性SPWM（p.173圖4-10）控制信號的差別是，有兩個載波信號：uc2 （虛線） -uc1(實線）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同時為高電平時，輸出正脈沖。2、Tc是每個開關導通的周期,在Tc里有兩個輸出脈沖,所以實際載波的頻率是開關頻率的兩倍，實現(xiàn)了倍頻技術。11(二二) 有選擇消除諧波的有選擇消除諧波的PWM技術技術-直接選擇開關角法 (固定開關角法)

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，濾波方法非常有效。14三、多電平逆變換器-采用新型主電路結構多電平多電平PWM逆變器逆變器的應用范圍：高壓大功率逆變的應用范圍：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采用以往在高壓大容量逆變器時采用多重疊加法多重疊加法缺點：逆變器的體積重量增加，效率明顯降低缺點：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：的特點：1)承受很高的電壓和電流應力承受很高的電壓和電流應力2)不宜使用高開關頻率的不宜使用高開關頻率的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：電力電子學，陳建，高等教育出版社，2002年第一版電路的結構：直流分壓電路：C1C4;各點的電位: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、電路的結構（只關心A相）：直流分壓電路：C1C2;ud1=ud2=ud/

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

8、A點的電位為O;當T1m/OFF時,假定電流方向與參考方向相反，T4A/ON, D4/ON , A點的電位為O;所以在正半周，當所以在正半周，當T1m/OFF時時,A點的點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，相當于在普通逆變器中，相當于T1A和和T4aA短路，當短路，當T1m/OFF時時,A點的電位等于點的電位等于+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結論1）T1m/ON,導電回路如紅實線所示；T1m/OFF,導電回路如棕點畫線所示。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逆變器的控制技術一, SPWM集成芯片（略） (一),專用集成芯片 HEF4752VD, SLE4520 等 (二), MCU, DSP 等電機控制專用芯片 例如， intel 公司單片機80C196MC 為例二, 電壓瞬時值單環(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電路; 2、直流值設定電路; 3、 PI調(diào)節(jié)器/ 4、恒幅正弦信號/調(diào)制信號/5、乘法器/6、三角形載波信號/

10、7、比較器/8、驅(qū)動電路。23工作原理：工作原理：當輸出電壓降低時，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，通過主電路后輸出電壓的幅值增加。達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。存在的問題存在的問題: 響應速度慢平均值控制, 波形控制開環(huán)主要原因：輸出電壓的瞬主要原因：輸出電壓的瞬時值沒有參與反饋。時值沒有參與反饋。求和器24（二）電壓瞬時值單環(huán)反饋控制原理 特點:增加了一個求和器2/輸出電壓的瞬時值參與了反饋實現(xiàn)對波形的實時控制?？刂圃恚杭俣ㄆ骄惦娐?有較大的時間常數(shù)，乘法器5的輸出電壓基本保持不變；當輸出電壓的瞬時幅度降低時，求和器2的輸出電壓；比較器7輸出的占空比，通過主電

11、路后輸出電壓的幅值增加。達到調(diào)節(jié)輸出電壓瞬時值的目的。求和器1求和器2存在問題：存在問題：系統(tǒng)特性與負載有關/輕載動態(tài)特性差。當輸入電壓突變時，只有等到輸出電壓發(fā)生變換是控制系統(tǒng)才能開始調(diào)節(jié)25三、 電流瞬時值單環(huán)反饋控制(一) 電流滯環(huán)跟蹤控制電路結構：電路結構：電路1： 給定正弦波電流 iR if, 電感電流(檢測實際值)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)動電路工作原理：工作原理：1、表達式 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、表達式、表達式電路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當輸入電壓ui由uh1增加到uh2時，比較器的輸出電壓 uy 由高電平變?yōu)榈碗娖?；當ui由uh2減小到uh1時，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，當電路3輸出為高電平時，開關S位于a端，T1/on,電感電流增加；當電路3輸出為低電平時,T2/on開關S位于b端，電感電流減??；274、工作過程、工作過程設初態(tài)為電路3輸出高電平且T1/on, iLif ui , 當當ui增加到uh2

13、時，比較器的輸出電壓 uy 由高電平變?yōu)榈碗娖? T2/on 當當T2/on ,iLif ui ,當當 ui減小到uh1時,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。即跟蹤控制技術。28電流滯環(huán)跟蹤控制的特點電流滯環(huán)跟蹤控制的特點; (1) 電壓(輸入)前饋控制功能, 響應快 (2)由二階系統(tǒng)下降為 一階系統(tǒng), 穩(wěn)定性好 /電感不再是一個獨立的狀態(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)開關頻率不固定, (諧波不固定, 電路參數(shù), 濾波器難設計) 當輸入電壓降低時，

14、開關頻率也隨之降低。29(二)恒開關頻率的電流控制增加了電路增加了電路3：提供一個的固定頻率信號，作為鎖存器的時鐘信號來確定開關切換時間。工作原理不是很清楚波形失真度會大一些。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，將輸出電壓的瞬時值與低頻電壓給定的瞬時值相減得到其誤差信號；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。同時輸出一個與主電路輸出電壓成反比的一個參考電流信號；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相減形成電流誤差信號。電流誤差信號與電路2的輸出電流成正比、與電感電流的反饋信號成反比；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；電路電路5、SPWM比較器；電路電路6、驅(qū)動電路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)。相對穩(wěn)態(tài)的控制原理：相對穩(wěn)態(tài)的控制原理：當負載突然加重，輸出電壓電壓求和器1的輸出電壓 電流控制環(huán)開始調(diào)節(jié)，使得輸出電流 使得輸出電流增加。當輸入電壓突然增加時，電感電流的瞬時值將增加，但由于電壓環(huán)的輸出沒有改變，所以電流環(huán)開始調(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)控制原理見圖瞬態(tài)控制原理見圖4-43(b).略當電