第二節(jié)逆變電路及其控制方法

第二節(jié)逆變電路及其控制方法第1頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一7．2PWM逆變電路及其控制方法●目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術(shù)；●逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場(chǎng)合；●本節(jié)內(nèi)容構(gòu)成了本章的主體；●

PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。第2頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一7.2.1計(jì)算法和調(diào)制法一．計(jì)算法●根據(jù)正弦波的頻率、幅值和半周期內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算出PWM波各脈沖的寬度和間隔，根據(jù)此計(jì)算來控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需的PWM波形●用計(jì)算法非常繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，計(jì)算的結(jié)果都要跟著變化。第3頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一7.2.1計(jì)算法和調(diào)制法二．調(diào)制法●用輸出波形作為調(diào)制信號(hào)，進(jìn)行調(diào)制控制，從而得到期望的

PWM波；●通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波信號(hào)；等腰三角波應(yīng)用最多，其任一點(diǎn)水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱；●載波信號(hào)波與任一平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交，在相交點(diǎn)來控制電力電子器件的通斷，可以得寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，符合PWM的要求；●

調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，得到的就是SPWM波；●

調(diào)制信號(hào)是其他所需波形時(shí)，也能得到等效的PWM波。第4頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一圖7－5單極性PWM控制方式波形第5頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一舉例：結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對(duì)調(diào)制法進(jìn)行說明●工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)；●

uo正半周，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷；●

uo負(fù)半周，V2通，V1斷，V3和V4交替通斷；圖7-4單相橋式PWM逆變電路第6頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一三．控制規(guī)律：?jiǎn)螛O性PWM控制方式★

uo正半周，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷●感性負(fù)載電流滯后電壓，

uo

正半周，io一段正，一段為負(fù)；●

io為正的區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時(shí)，uo＝Ud；●

V4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過V1和VD3續(xù)流，uo＝0

；圖7-4單相橋式PWM逆變電路第7頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一★

uo

負(fù)半周，V2通，V1斷，V3和V4交替通斷●io為負(fù)時(shí)V1和V4仍導(dǎo)通，io從VD1和VD4流過，uo=Ud

；●

V4

關(guān)斷V3

開通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0

；●

uo總可得到Ud和零兩種電平●

uo可得－Ud

和零兩種電平圖7-4單相橋式PWM逆變電路★

uo正半周，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷第8頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一單極性PWM控制方式●

在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷●

ur正半周，V1保持通，

V2保持?jǐn)唷癞?dāng)ur>uc

時(shí)使V4通，

V3斷，uo=Ud●

當(dāng)ur<uc

時(shí)使V4斷，

V3通，uo＝0圖7-5單極性PWM控制方式波形uc載波信號(hào)ur調(diào)制信號(hào)第9頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一單極性PWM控制方式●

ur負(fù)半周，V1保持?jǐn)啵?/p>

V2保持通；●

當(dāng)ur>uc

時(shí)使V4通，

V3斷，uo＝0●

當(dāng)ur<uc

時(shí)使V4斷，

V3通，uo＝－Ud●

虛線uof

表示uo的基波分量圖7-5單極性PWM控制方式波形uc載波信號(hào)ur調(diào)制信號(hào)第10頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一四．控制規(guī)律：雙極性PWM控制方式控制●

在調(diào)制波ur

的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波uc有正有負(fù)，得到的

PWM波也有正有負(fù)；●

在ur一周期內(nèi)，輸出PWM波只有±Ud兩種電平；●

仍在調(diào)制信號(hào)ur

和載波信號(hào)uc

的交點(diǎn)控制器件的通斷；●

ur正負(fù)半周，對(duì)各開關(guān)器件的控制規(guī)律與單極性控制相同；第11頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一四．控制規(guī)律：雙極性PWM控制方式●當(dāng)ur>uc時(shí)：給V1和V4導(dǎo)通信號(hào)，給V2和V3關(guān)斷信號(hào)●如io>0

，V1和V4通，如io<0

，VD1和VD4通，

uo=Ud●當(dāng)ur<uc時(shí)：給V2和V3導(dǎo)通信號(hào)，給V1和V4關(guān)斷信號(hào)●如io<0

，V2和V3通，如io>0

，VD2和VD3通，uo=－Ud第12頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制圖7-6雙極性PWM控制方式波形第13頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一本節(jié)習(xí)題184頁習(xí)題1、習(xí)題2第14頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）圖6-7三相橋式PWM型逆變電路●三相的PWM控制公用三角波載波uc●三相的調(diào)制信號(hào)urU、urV和urW依次相差120°第15頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一U相的控制規(guī)律●當(dāng)urU>uc時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，uUN’=Ud/2●當(dāng)urU<uc時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，uUN’=-Ud/2●當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)通第16頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一U相的控制規(guī)律●

uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2兩種電平●

uUV波形可由uUN’-uVN’得出，當(dāng)1和6通時(shí)，uUV=Ud，當(dāng)3和4通時(shí)，uUV=－Ud，當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，uUV=0圖6-8三相橋式PWM逆變電路波形第17頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一輸出PWM波形規(guī)律●

uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2兩種電平●

uUV波形可由uUN’-uVN’得出，當(dāng)1和6通時(shí)，uUV=Ud，當(dāng)3和4通時(shí)，uUV=－Ud，當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，uUV=0●輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構(gòu)成●負(fù)載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成第18頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一防直通死區(qū)時(shí)間●同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間●死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要由開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間決定●死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波圖6-8三相橋式PWM逆變電路波形第19頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一特定諧波消去法圖6-9特定諧波消去法的輸出PWM波形●這是計(jì)算法中一種較有代表性的方法，如圖6-9●輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各3次（不包括0和π），共6個(gè)開關(guān)時(shí)刻可控●為減少諧波并簡(jiǎn)化控制，要盡量使波形對(duì)稱●首先，為消除偶次諧波，使波形正負(fù)兩半周期鏡對(duì)稱，即第20頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一特定諧波消去法●其次，為消除諧波中余弦項(xiàng)，應(yīng)使波形在正半周期內(nèi)前后1/4周期以π/2為軸線對(duì)稱（6－2）（6－3）同時(shí)滿足式（6-1）、（6-2）的波形稱為四分之一周期對(duì)稱波形，用傅里葉級(jí)數(shù)表示為式中，an為第21頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一圖6-9，能獨(dú)立控制a1、a

2和a

3共3個(gè)時(shí)刻。該波形的

an為式中n=1,3,5,…

確定a1的值，再令兩個(gè)不同的an=0，就可建三個(gè)方程，求得a1、a2和a3第22頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一消去兩種特定頻率的諧波在三相對(duì)稱電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消，可考慮消去5次和7次諧波，得如下聯(lián)立方程：給定a1（即為希望輸出正弦波的幅值）

，解方程可得a1、a2和a3。a1變，a1、a2和a3也相應(yīng)改變第23頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一一般，在輸出電壓半周期內(nèi)器件通、斷各k次，考慮PWM波四分之一周期對(duì)稱，k個(gè)開關(guān)時(shí)刻可控，除用一個(gè)控制基波幅值，可消去k－1個(gè)頻率的特定諧波k越大，開關(guān)時(shí)刻的計(jì)算越復(fù)雜除計(jì)算法和調(diào)制法外，還有跟蹤控制方法，在6.3節(jié)介紹第24頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一6.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制載波比——載波頻率fc(如三角波)與調(diào)制信號(hào)頻率fr(如正弦波)之比，N=fc/fr根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制第25頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一6.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制1.異步調(diào)制異步調(diào)制—載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較小當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對(duì)稱的影響就變大第26頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一6.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制2.同步調(diào)制同步調(diào)制——N等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步基本同步調(diào)制方式，fr變化時(shí)N不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱，N應(yīng)取奇數(shù)fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除fr很高時(shí)，fc會(huì)過高，使開關(guān)器件難以承受第27頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一圖6-10同步調(diào)制三相PWM波形第28頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一分段同步調(diào)制(圖6-11）把fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段N不同在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低為防止fc在切換點(diǎn)附近來回跳動(dòng)，采用滯后切換的方法同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)可在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，和分段同步方式效果接近第29頁，共32頁，2023年，2月20日，星期一分段同