機(jī)車電力電子技術(shù) 課件 第五章 逆變技術(shù)

第五章逆變技術(shù)5.1無源逆變原理5.2正弦脈沖寬度調(diào)制(SPWM)5.3電壓空間矢量(SVPWM)控制技術(shù)5.4三電平逆變器5.1無源逆變原理把直流電能變換成交流電能的技術(shù)稱為逆變技術(shù)。逆變分為有源逆變和無源逆變。二者區(qū)別在于：交流側(cè)是否與交流電源連接。根據(jù)逆變器直流環(huán)節(jié)的電源性質(zhì)，可分為電壓型逆變器和電流型逆變器。5.1無源逆變原理

5.1.1逆變電路的基本工作原理◆當(dāng)開關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負(fù)載電壓uo為正；當(dāng)開關(guān)S1、S4斷開，S2、S3閉合時，uo為負(fù)，這樣就把直流電變成了交流電。

◆改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。

◆電阻負(fù)載時，負(fù)載電流io和uo的波形相同，相位也相同。5.1.2單相電壓型逆變電路1.單相橋式逆變電路四個橋臂，把橋臂T1和T4作為一對，橋臂T2和T3作為另一對，成對的兩個橋臂同時導(dǎo)通，且兩對交替各導(dǎo)通180°單相橋式逆變電路

單相橋式逆變電路

單相半橋逆變電路

推挽式逆變電路

5.1.3三相電壓型逆變電路為了分析方便，畫成串聯(lián)的兩個電容器，并標(biāo)出了假想中點(diǎn)O，在大部分應(yīng)用中并不需要該中點(diǎn)。5.1.3三相電壓型逆變電路為得到大小相等、相位互差120°的三相正弦交流電流，首先需要得到相應(yīng)的三相交流正弦電壓。三相的上橋臂T1、T3、T5的驅(qū)動信號依次相差120°，三相的下橋臂T4、T6、T2的驅(qū)動信號依次相差120°。每相的上、下橋臂的驅(qū)動信號互補(bǔ)，相位相差180°，T1～T6之間依次相差60°。這種控制方式稱為180°導(dǎo)通型。5.1.3三相電壓型逆變電路◆負(fù)載線電壓◆對于a相輸出來說，當(dāng)T1導(dǎo)通時，uao=Ud/2，當(dāng)T4導(dǎo)通時，uao=-Ud/2，uao的波形是幅值為Ud/2的矩形波，b、c兩相的情況和a相類似。5.1.3三相電壓型逆變電路◆負(fù)載相電壓三式相加可得由于可得5.1.3三相電壓型逆變電路

◆

id

=ia+ib

+ic可得到直流側(cè)電流id的波形，如圖h所示，可以看出id每隔60°脈動一次。5.1.3三相電壓型逆變電路相電壓在每個周期中每60°發(fā)生一次電平變化，形成相電壓的六階梯波，也稱為六拍階梯波逆變器。5.2正弦脈沖寬度調(diào)制(SPWM)由于脈寬調(diào)制逆變器輸出量中的諧波成分減少，改善了轉(zhuǎn)矩脈動情況，消除電傳動系統(tǒng)在低速運(yùn)行時的齒槽效應(yīng)，而且也使電動機(jī)的損耗減少、效率提高。5.2.1SPWM調(diào)制理論基礎(chǔ)脈寬調(diào)制技術(shù)(PulseWidthModulation，PWM)調(diào)制的理論基礎(chǔ)是面積等效原理，即大小、形狀不相同的窄脈沖變量作用于慣性環(huán)節(jié)上時，只要它們的沖量(即變量對時間的積分)相等，其作用效果基本相同。5.2.1SPWM調(diào)制理論基礎(chǔ)例：當(dāng)大小、形狀不同的四種窄脈沖電壓u(t)作用于R-L電路構(gòu)成的一階慣性環(huán)節(jié)時，只要四個窄脈沖電壓的沖量相等，輸出電流響應(yīng)i(t)就基本相同。5.2.1SPWM調(diào)制理論基礎(chǔ)在正弦脈沖寬度調(diào)制(SPWM)中，由于逆變器的期望輸出是一正弦電壓波形，可以把一個正弦半波在時間軸上作N等分，把正弦曲線每一等分所包圍的面積都用一個與其面積相等的等幅矩形脈沖來代替，由N個等幅而不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦的半波等效，而另外一個負(fù)半波也可用相同的方法等效代替。5.2.2SPWM的調(diào)制方法

單極性正弦脈寬調(diào)制?工作時T1和T2通斷互補(bǔ)，T3和T4通斷也互補(bǔ)。

?當(dāng)為電感性負(fù)載時，負(fù)載電流比電壓滯后。單極性正弦脈寬調(diào)制

單極性正弦脈寬調(diào)制

單極性正弦脈寬調(diào)制在一個周期內(nèi)，PWM波形就由±

Ud和零三種電平構(gòu)成。缺點(diǎn)：控制邏輯復(fù)雜雙極性正弦脈寬調(diào)制

雙極性正弦脈寬調(diào)制

三相橋式SPWM逆變工作原理◆采用雙極性控制方式。

◆三相SPWM的調(diào)制特點(diǎn)是：a、b和c三相的PWM控制通常公用一個三角波載波uc，三相的調(diào)制信號ura、urb和urc依次相差120°。三相橋式SPWM逆變工作原理◆電路工作過程（a相為例）?當(dāng)ura>uc時，上橋臂T1導(dǎo)通，下橋臂T4關(guān)斷，則a相相對于直流電源中點(diǎn)o的輸出電壓uao=Ud/2。?當(dāng)ura<uc時，T4導(dǎo)通，T1關(guān)斷，則uao=-Ud/2。?T1和T4的驅(qū)動信號始終是互補(bǔ)的。?當(dāng)給T1(T4)加導(dǎo)通信號時，可能是T1(T4)導(dǎo)通，也可能是二極管D1(D4)續(xù)流導(dǎo)通，這要由阻感負(fù)載中電流的方向來決定。5.2.3載波比和調(diào)制度

5.2.4SPWM調(diào)制方式

1.異步調(diào)制5.2.4SPWM調(diào)制方式

5.2.4SPWM調(diào)制方式3.分段同步調(diào)制在實(shí)際的PWM逆變器調(diào)速中，將同步調(diào)制和異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，常采用分段同步調(diào)制方式，即把逆變電路的輸出頻率范圍劃分成若干頻段，每個頻段內(nèi)都保持載波比N恒定，始終為3的倍數(shù)和奇數(shù)，以保持輸出波形對稱，吸取了同步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)。低速時吸取了異步調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，采用異步調(diào)制，而在中高速段時，使N分段有級地減小，并將載波頻率限制在開關(guān)管允許的頻率范圍內(nèi)。5.2.5SPWM波生成方法自然采樣法

2.規(guī)則采樣法

5.3電壓空間矢量(SVPWM)控制技術(shù)

交流電動機(jī)繞組的電壓、電流、磁鏈等物理量都是隨時間變化的，分析時常用時間相量來表示，但如果考慮到它們所在繞組的空間位置，也可以如圖所示，定義為空間矢量uA0，uB0，uC0

。5.3電壓空間矢量(SVPWM)控制技術(shù)

A、B、C分別表示電機(jī)定子三相繞組在空間的軸線，它們在空間位置互差120°。三相定子相電壓

分別加在三相繞組上，可以定義三個電壓空間矢量

5.3.1空間矢量的定義

三相的電壓平衡方程式相加，即得用合成空間矢量表示的定子電壓方程式為式中

us—

定子三相電壓合成空間矢量；

Is—

定子三相電流合成空間矢量；Ψs—

定子三相磁鏈合成空間矢量。

5.3.2電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系

當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速不是很低時，定子電阻壓降很小，可忽略不計(jì)，則定子合成電壓與合成磁鏈空間矢量的近似關(guān)系為5.3.2電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系

當(dāng)磁鏈?zhǔn)噶吭诳臻g旋轉(zhuǎn)一周時，電壓矢量也連續(xù)地按磁鏈圓的切線方向運(yùn)動2

弧度，其軌跡與磁鏈圓重合。這樣，電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的軌跡問題就可轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量的運(yùn)動軌跡問題。5.3.2電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系5.3.2電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系

5.3.2電壓與磁鏈空間矢量的關(guān)系

5.3.3SVPWM逆變器基本輸出電壓空間矢量

5.3.3SVPWM逆變器基本輸出電壓空間矢量5.3.3SVPWM逆變器基本輸出電壓空間矢量

5.3.3SVPWM逆變器基本輸出電壓空間矢量

5.3.3SVPWM逆變器基本輸出電壓空間矢量對于111與000這兩個工作狀態(tài)，稱之為零矢量，它們的幅值為0，也無相位，可認(rèn)為它們坐落在六邊形的中心點(diǎn)上。六邊形合成電壓矢量常用其輻射形式，如圖5-29所示，各個矢量之間可分為6個扇區(qū)(Ⅰ～Ⅵ)。5.3.4期望電壓空間矢量的合成與實(shí)現(xiàn)一個正十八邊形旋轉(zhuǎn)磁場比正六邊形磁場更加逼近圓形磁場，正多邊形的邊數(shù)越多，越逼近圓，從而使磁鏈幅值恒定。這時三相逆變器的輸出一系列等幅不等寬的脈沖波，形成了電壓空間矢量控制的PWM逆變器，由于它間接控制了電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場，所以也稱磁鏈跟蹤控制的PWM逆變器。5.3.4期望電壓空間矢量的合成與實(shí)現(xiàn)

5.3.4期望電壓空間矢量的合成與實(shí)現(xiàn)

5.3.5基本電壓空間矢量的作用順序?yàn)闇p少開關(guān)損耗，將基本電壓空間矢量作用順序的分配原則選定為：在每次開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，只改變逆變器其中一相的開關(guān)狀態(tài)。并且對零矢量在時間上進(jìn)行了平均分配，使產(chǎn)生的PWM對稱，從而有效地降低了PWM的諧波分量。5.3.6SVPWM的實(shí)施算法

5.4三電平逆變器采用12只IGBT器件(IPM，智能功率模塊)及6只鉗位二極管組成的帶中性點(diǎn)鉗位的電路，Ta1、Tb1、Tc1、Ta4、Tb4、Tc4為主管，Ta2、Ta3、Tb2、Tb3、Tc2、Tc3為輔管，輔管與DaP、DaN、DbP、DbN、DcP、DcN等6只鉗位二極管結(jié)合，可使輸出鉗位在0電平。5.4.1三電平的產(chǎn)生

5.4.2三電平空間電壓矢量

5.4.2三電平空間電壓矢量

5.4.2三電平空間電壓矢量由此看出，盡管有27個電壓空間矢量，但除去冗余的8個，還有19個，也就是圖中的19個點(diǎn)。27個電壓空間矢量分布在Ⅰ～Ⅵ6個扇區(qū)中，根據(jù)角度可判斷電壓矢量所在扇區(qū)。5.4.3傳統(tǒng)的三電平SVPWM控制算法1.三電平空間矢量的分解以大矢量(PNN)為起始沿逆時針每60°依次定義為扇區(qū)Ⅰ～Ⅵ，再將每個扇區(qū)正三角形區(qū)域劃分為4個小三角形5.4.3傳統(tǒng)的三電平SVPWM控制算法2.確定參考電壓矢量位置與輸出電壓矢量

5.4.