现代电力电子技术3

第3章PWM逆变电路3.1概述3.2单相方波逆变电路3.3单相SPWM逆变电路3.4三相方波逆变电路3.4.4三相方波逆变电路的特点3.5三相SPWM逆变电路3.6逆变电路输出电压波形改善3.7逆变电路的控制3.1概述3.1.1特殊交流电源的分类3.1.2逆变电路的基本用途3.1.3逆变电路的分类3.1.1特殊交流电源的分类1.感应加热电源2.交流调速电源(变频变压电源，VVVF电源)3.恒频恒压电源(CVCF电源)4.有源逆变电源3.1.2逆变电路的基本用途1.直接变换直接将太阳能或化学能电池等直流能源转换为负载所需要的交流电能称为直接变换。2.间接变换前述几种特殊电源均采用AC-DC-AC的多级转换方式(在很多文献中称之为含直流环节的交流变换电路)，显然在这类电源中逆变电路承担DC-AC转换的任务。3.1.3逆变电路的分类迄今已发展了多种逆变电路并可分类如下：逆变电路分为有源逆变电路、无源逆变电路、功率器件半控型电路、全控型电路、直流电源电压源电路、电流源电路电路、结构桥式电路、半桥电路全桥电路、非桥式电路、双极性电路等。3.2单相方波逆变电路3.2.1基本假定3.2.2方波逆变电路3.2.3相移式方波逆变电路3.2单相方波逆变电路图3-1电压源单相桥式方波逆变电路a)全桥式电路结构b)半桥式电路结构c)全桥式电路电量波形d)全桥移相式电路电量波形3.2.1基本假定1)构成逆变电路的功率器件均具有理想特性：无惯性；无内耗，开关状态的更迭可在瞬间完成。2)向逆变电路供电的直流电源无内阻，直流侧并联电容Cd值很大，直流电压ud无纹波且不受负载影响。3)逆变电路具有理想负载，变压器和电抗器无直流内阻、铁心不饱和；电路无分布电感和寄生电容；负载电容器无内耗。3.2.2方波逆变电路1.输出电压分析：出电压u0的波形与负载无关，恒为交变方波，这是所有电压源逆变电路的共同特点。2.换流方式：变电路具有以下两种不同的换流方式臂内换流和臂间换流。3.输出功率：逆变电路基波平均功率与其瞬时值的直流分量相等。4.方波逆变电路的特点：(1)输出电压不可调；(2)输出电压谐波含量高。3.2.3相移式方波逆变电路图3-2输出电压谐波含量与ωτ的关系曲线3.3单相SPWM逆变电路3.3.1双极性SPWM逆变电路3.3.2单极性SPWM逆变电路3.3.3单相PWM逆变电路用例3.3.1双极性SPWM逆变电路图3-3双极性SPWM单相逆变电路的电量波形g)主电路功率器件的开关时序(阴影时区表示器件导通)3.3.1双极性SPWM逆变电路图3-4双极性SPWM中的近似关系1.SPWM逆变电路的调压原理3.3.1双极性SPWM逆变电路图3-5SPWM逆变电路的调压特性Ⅰ—线性调制区Ⅱ—过调制区Ⅲ—方波区3.3.1双极性SPWM逆变电路图3-6包含3次谐波的调制信号3.3.1双极性SPWM逆变电路图3-7输出电压的频谱2.SPWM技术抑制谐波的原理3.3.1双极性SPWM逆变电路图3-8双极性SPWMINV的谐波特性3.3.1双极性SPWM逆变电路表3-1双极性SPWM数据表3-1双极性SPWM数据3.3.1双极性SPWM逆变电路3.逆变电路入端电流iβ的分析3.3.2单极性SPWM逆变电路图3-9单极性SPWM单相逆变电路电量波形3.3.2单极性SPWM逆变电路图3-10单极性SPWM逆变电路输出电压的谐波特性3.3.2单极性SPWM逆变电路图3-11K≫1时的近似关系(单极性SPWM)3.3.2单极性SPWM逆变电路图3-12带钳位式缓冲电路的单极性SPWM逆变电路a)电路结构b)～d)理想条件下电路的电量波形3.3.2单极性SPWM逆变电路图3-13图3-12a电路的电量波形3.3.2单极性SPWM逆变电路图3-14图3-13中各时区的等效电路3.3.3单相PWM逆变电路用例图3-15车载IGBT-SPWM单相高频链逆变电路1—交流反馈电压检测2—电压调节器3—晶振电路4—分频电路5—正弦波调制信号形成6，12—PWM芯片7—分相器8，13—IGBT驱动电路9，11—过电流保护电路10—直流反馈电压采样电路3.3.3单相PWM逆变电路用例表3-2车载高频链逆变电源性能指标3.4三相方波逆变电路3.4.1纯阻负载的工作情况分析3.4.2无源感性负载的工作情况分析3.4.3有源负载的工作情况分析3.4.1纯阻负载的工作情况分析图3-16三相半桥式电压源逆变电路a)主电路结构b)～e)等效电路f)～k)纯阻负载下电量波形3.4.2无源感性负载的工作情况分析图3-17无源感性负载下逆变电路的电量波形E—负载反电动势3.4.2无源感性负载的工作情况分析图3-18三相方波电压源逆变电路的工作模式a)第一模式(3T0D)b)、d)第二模式(2T1D)c)第三模式(1T2D)3.4.3有源负载的工作情况分析笼型异步电动机的简化等效电路图3-19笼型异步电动机的等效电路a)简化等效电路b)电动势源等效电路c)等效子电路3.4.3有源负载的工作情况分析图3-20电动机负载下相电流波形3.4.3有源负载的工作情况分析图3-21电动机负载下三相逆变电路的电量波形3.4.4三相方波逆变电路的特点1.输出电压谐波含量高2.输出电压不可调3.直流电压利用率较低1.输出电压谐波含量高三相电压源逆变电路输出相电压总谐波失真度THD=26%，该值虽比单相电路低，但仍然高于诸如CVCF一类电源的要求。2.输出电压不可调图3-22三相全桥式逆变电路2.输出电压不可调图3-23三相桥式逆变电路的负载端电压矢量图a)半桥式电路b)全桥式电路3.直流电压利用率较低三相电路直流电压利用率Av为Av=UA01mUd式中，UA01m为相电压基波幅值。估算Av=0.637，三相逆变电路的直流电压利用率并不高。3.5三相SPWM逆变电路3.5.1控制极信号的时序分布3.5.2纯阻负载下的电路工作情况3.5.3感性负载下的电路工作情况3.5.1控制极信号的时序分布1)各相上下桥臂控制信号在相位上互补。2)为提高器件的关断速度和可靠性，关断期中加上负电压。3)和图3-16f相比较，已调制的控制信号实际上可视为在方脉冲的正负半周各挖去一处缺口而成(由于K值很低，因而比较直观)。4)任何时刻，有三个控制信号处于高位，其余的处于低位。5)已调制控制信号的脉宽随时间按正弦规律变化；但在同一时间内其脉宽则随调制比m值而变。3.5.1控制极信号的时序分布图3-24三相电压源SPWM逆变电路的电量波形3.5.2纯阻负载下的电路工作情况1)由于各相上下桥臂控制信号在相位上互补，因而上下臂功率器件也以互补方式轮流导通。2)由于任何时刻电路中有三个控制信号处于高位，相应地主电路中有三支器件处于通态，其他器件关断，在纯阻负载下，各导电臂中只有可控器件参与导通，其开关时序如图3-24f。3)输出电压分析：按图3-24e所选时间坐标，输出线电压uAB(uAB=uA0′-uB0′，uB0′波形与uA0′相仿，但相位滞后2π/3rad)为奇函数，其傅里叶级数展开式为3.5.2纯阻负载下的电路工作情况图3-25三相SPWM逆变电路的调压特性Ⅰ—线性区Ⅱ—过调制区Ⅲ—方波区3.5.3感性负载下的电路工作情况电路为第四模式工作，该模式不同于图3-18所示的各种模式，导通的器件集中于桥的三个上臂(或下臂)，由于VD1、VD3和VT5同处通态，三相暂时处于短路，这种情况直至ω=α+3(即时区5)，电路中有ug1，ug5和ug6处高位，相应地有VD3向VT6瞬间换流，电路中改为VT1、VT5和VT6导通(3T0D)，满足iA1＞0，iB1＜0和iC1＞0。其他时区类推。3.6逆变电路输出电压波形改善3.6.1附加输出滤波器3.6.2PWM技术的优化3.6.1附加输出滤波器图3-26电感输入型低通滤波器a)电路结构b)电抗幅频特性3.6.2PWM技术的优化图3-27倍频式SPWM逆变电路a)主电路结构b)电量波形3.7逆变电路的控制3.7.1电压瞬时值单环反馈控制3.7.2电流瞬时值单环反馈控制3.7.3电压电流双环反馈控制3.7.4电压空间矢量控制3.7.5PWM逆变电路的控制手段3.7.1电压瞬时值单环反馈控制图3-28单相电压源半桥式逆变电路的控制电路框图a)电压平均值反馈方式b)电压瞬时值反馈方式1—平均值检测电路2—电压给定3—PI电压调节器4—恒幅正弦波调制信号发生器5—乘法器6—三角形载波发生器7—SPWM比较器8—驱动电路1.电压平均值反馈控制方式存在的问题3.7.1电压瞬时值单环反馈控制2.电压瞬时值反馈控制图3-29具有电压瞬时值反馈环的逆变电路结构图3.7.2电流瞬时值单环反馈控制图3-30采用电流滞环跟踪控制方式的逆变电路a)电路结构b)等效电路c)普通比较器的控制特性d)滞环比较器的控制特性1—正弦电流给定2—滞环比较器3—锁存器4—驱动电路1.电流滞环跟踪控制3.7.2电流瞬时值单环反馈控制图3-31具有准固定开关频率的滞环控制1—正弦电流给定2—滞环比较器3—频率给定4—频率检测电路5—频率调节器6—驱动电路3.7.2电流瞬时值单环反馈控制2.准固定频率的滞环跟踪控制针对常规滞环跟踪开关频率变化的弱点，文献［10］提出一种在滞环控制中引入频率反馈的方法，解决滞环控制的上述问题，而且不影响原有的系统快速性、稳定性和稳态精度。3.7.3电压电流双环反馈控制图3-32具有电压电流双反馈环的逆变电路a)电路结构图b)电量波形图1—正弦电压给定2—电压调节器3—电流调节器4—三角形载波发生器5—SPWM信号比较器6—驱动电路3.7.4电压空间矢量控制图3-33三相电压源逆变电路a)主电路b)电量波形S—导通桥臂M—工作模式—合成空间矢量t—时间区域1.电动机定子电压的空间矢量3.7.4电压空间矢量控制图3-34由三相方波逆变电路供电的空间矢量分布3.7.4电压空间矢量控制图3-35三相SPWM逆变电路的电压波形3.7.4电压空间矢量控制图3-36线电压空间矢量在复平面上的分布3.7.4电压空间矢量控制图3-37SVPWM信号图解生成法a)Δ轨迹作图b)开关状态及空间电压矢量序列c)输出电压波形2.电压空间矢量PWM信号生成方法