电力电子技术73.ppt

电流型逆变电路主要特点1直流侧串大电感，电流基本无脉动，相当于电流源。交流侧电容是为吸收换流时负载电感中储存的能量而设置的。,7.3电流型逆变电路,直流电源为电流源的逆变电路称为电流型逆变电路。,2开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，所以交流输出电流为矩形波，与负载阻抗角无关。输出电压波形和相位因负载不同而不同。3直流侧电感起缓冲无功能量的作用，不必给开关器件反并联二极管。电流型逆变电路中，采用半控型器件的电路仍应用较多。换流方式有负载换流、强迫换流。,7.3.1单相全桥电流型逆变电路对于电流型逆变电路来说，往往是在直流侧串联一个大电感，使电流波动减小，把直流电源近似看作恒流源。输出电流为恒值，输出电压取决于负载的性质。,图1电流型逆变电路及其工作波形,当开关T1、T4闭合，T2、T3断开时，直流电流由x流向y，负载电流io为正；当T2、T3闭合，T1、T4断开时，直流电流由y流向x，io为负。io为宽度为180的方波交流电流。当负载为电阻时，uo的波形与io相同；当负载为感性时，在负载两端需要并联电容C，以便在换流时为感性负载电流提供流通路径、吸收负载电感的储能，输出电压近似为正弦波。,i0基波频率接近谐振频率，故负载对基波呈现高阻抗，因此负载电压的波形接近正弦波。,7.3.2电流型三相桥式逆变电路,图2电流型三相桥式逆变电路,1电路分析电路基本工作方式是120导电方式即每个臂一周期内导电120，按1到6每隔60依次导通，每个时刻上下桥臂组各有一个臂导通，换流时是在各桥臂组内依次换流的，这种换流方式称为横向换流。,图3电流型三相桥式逆变电路工作波形,2波形分析输出电流波形和负载性质无关，为正负脉冲各120的矩形波。输出线电压波形和负载性质有关，大体为正弦波，但叠加了脉冲。,PWMPulseWidthModulation控制技术就是脉宽调制技术即通过对输出电压或电流的一系列脉冲的宽度进行调制，来获得所需要的电压或电流的波形含形状和幅值的技术。直流斩波电路中采用的就是PWM技术；斩控式调压电路涉及到了。,7.4PWM控制技术,PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术，因此，PWM技术与逆变电路相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。,根据负载的特性的不同，除要求频率可控外，还要求逆变器的输出电压电流、功率能够根据需要进行控制，VVVF逆变器输出电压控制原理如图所示。abc仅改变频率，无电压调节PWMPulseWidthModulation控制技术，就是脉冲宽度调制技术。它是通过对输出电压或输出电流的一系列脉冲的宽度进行调制，来获得所需电压或电流的大小和形状的一项技术。,a交流调压不控整流方式b可控整流调压方式c斩波调压方式dPWM方式图逆变器输出电压控制方式,1.PWM控制的基本原理,重要理论基础面积等效原理,冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。,例如图示的三个窄脉冲形状不同，但它们的面积（即冲量）都等于1，当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为单位脉冲函数时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。,b,具体的实例说明“面积等效原理”,a）,ut－电压窄脉冲，是电路的输入。it－输出电流，是电路的响应。,RL惯性环节,上升段,脉冲形状不同时,输出电流的形状也不同,但下降段则几乎完全相同,若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。,,SPWM波,,如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波,,,等宽脉冲列,幅值相等,宽度按正弦规律变化,,对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为,根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。,,这两种PWM波都是基于面积等效原理来进行控制的，因此其本质是相同的。,2、PWM波的获取方法,1计算法,根据逆变电路输出的正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此来控制逆变电路中各开关器件的通断，就可得到所需的PWM波形。这种方法称为计算法。本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。所以此法在实际中少用。,有计算法和调制法两种,2调制法把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过调制信号对载波的调制得到所希望的PWM波形。这种方法称为调制法。实际中应用的主要就是调制法。通常采用等腰三角波作为载波，因为此波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲。这正好符合PWM控制的要求。在调制信号为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。当调制信号不是正弦波，而是其他所需要的波形时，也能得到与之等效的PWM波。,三角波调制的PWM波原理图,工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。在输出电压uo的正半周，让V1通，V2断，V3和V4交替通断。由于负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。在负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud。,单相桥式PWM逆变电路图,下面结合IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明负载为阻感负载,三角波,,正弦波,,V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo0,单相桥式PWM逆变电路图,在负载电流为负的区间，V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uoUd。V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo0。所以uo总可得到Ud和零两种电平。在uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。,3、PWM逆变电路的控制方式a.单极性PWM控制方式（单相桥逆变）,在ur正半周，V1保持通，V2保持断。当uruc时使V4通，V3断，uoUd。当uruc时使V4通，V3断，uo0。这样就得到了SPWM波形。,图9单极性PWM控制方式波形,调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur负半周为负极性的三角波。在ur和uc的交点时刻控制器件通断。,图10单极性PWM控制方式波形,这种在ur的半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范围内变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。,b.双极性PWM控制方式（单相桥逆变）,在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有Ud两种电平。同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断。ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。,当uruc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如io0，V1和V4通，如io0，VD2和VD3通，uo-Ud。,图11双极性PWM控制方式波形,在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。,对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。,c.双极性PWM控制方式（三相桥逆变）,三相桥式PWM型逆变电路图,4.PWM主要参数1调制比MUrm正弦调制波电压幅值；Ucm三角载波电压幅值2载波比Kfr正弦调制波频率；fc三角载波频率,,5、PWM的异步调制和同步调制,根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。,通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比K是变化的在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称当fr较低时，K较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小当fr增高时，K减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大,2）同步调制,载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即K等于常数。,基本同步调制方式，fr变化时K不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。三相电路中公用一个三角波载波，且取K为3的整数倍，使三相输出对称。为使一相的PWM波正负半周镜对称，K应取奇数。fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。,3）分段同步调制异步调制和同步调制的综合应用。,把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持K恒定，不同频段的K不同。在fr高的频段采用较低的K，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的K，使载波频率不致过低。,为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。,图13分段同步调制方式举例,图14带有切换频率滞环的分段同步调制,载波比,,滞后切换的方法,切换点处的实线表示输出频率增高时的切换频率，虚线表示输出频率降低时的切换频率，前者略高于后者而形成滞后切换。,同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。,6、SPWM生成方法,1）自然采样法就是按照SPWM控制的基本原理来产生PWM波的方法，其求解复杂，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多。,2）规则采样法工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多。,三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc。自然采样法中，脉冲中点不和三角波负峰点重合。规则采样法使两者重合，使计算大为减化。如图所示确定A、B点，在tA和tB时刻控制开关器件的通断。脉冲宽度d和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。,规则采样法原理,规则采样法计算公式推导,正弦调制信号波,PWM控制技术小结,PWM控制技术的地位PWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。器件与PWM技术的关系IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础。PWM控制技术用于直流斩波电路直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，是PWM控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电动机调速系统就构成广泛应用的直流脉宽调速系统。,PWM控制技术用于交流交流变流电路斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是PWM控制技术在这类电路中应用的代表。目前其应用都还不多。但矩阵式变频电路因其容易实现集成化，可望有良好的发展前景。,PWM控制技术用于逆变电路PWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用，才奠定了PWM控制技术在电力电子技术中的突出地位。除功率很大的逆变装置外，不用PWM控制的逆变电路已十分少见。,PWM控制技术用于整流电路PWM控制技术用于整流电路即构成PWM整流电路。可看成逆变电路中的PWM技术向整流电路的延伸。PWM整流电路已获得了一些应用，并有良好的应用前景。PWM整流电路作为对整流电路的补充，可使我们对整流电路有更全面的认识。,