第四講DC-AC逆變電路

現(xiàn)代功率變換技術(shù)一、DC-AC基本概念逆變的概念逆變——與整流相對應(yīng)，直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變。交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變。逆變與變頻變頻電路：分為交交變頻和交-直-交變頻兩種。交-直-交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。一、DC-AC基本概念主要應(yīng)用:各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。交流電機調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。電路構(gòu)成整流器濾波器逆變器交流輸入負(fù)載ACDCACAC-DC-AC逆變頻率可以達(dá)到幾百赫~幾兆赫無源逆變器一、DC-AC基本概念A(yù)CS1、S4S2、S3ui逆變器中的電子開關(guān)要求：既能控制開也能控制關(guān)、快速、耗能低如：GTR、GTO、MOSFET、IGBT若使用晶閘管則需要強迫換流環(huán)節(jié)負(fù)載濾波裝置S2S3S4S1DCt通過控制S1、S4和S2、S3的切換頻率，可以使負(fù)載上獲得交變的電壓和電流AC一、DC-AC基本概念S1、S4閉合，S2、S3斷開時，負(fù)載電壓uo為正。S1、S4斷開，S2、S3閉合時，負(fù)載電壓uo為負(fù)。直流電交流電一、DC-AC基本概念逆變電路最基本的工作原理

——改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負(fù)載時，負(fù)載電流io和uo的波形形狀相同，相位也相同。阻感負(fù)載時，io相位滯后于uo，波形也不同。一、DC-AC基本概念逆變器基本類型

電壓型電流型儲能元件：電壓型—電容器，（低阻抗電壓源）；電流型—電抗器（高阻抗電流源）輸出波形的特點：電壓型電壓波形為矩形波；電流型變頻器則為電流波形為矩形波。回路構(gòu)成特點，電壓型有反饋二極管，電流型無反饋二極管直流，電動機四象限運轉(zhuǎn)容易。一、DC-AC基本概念電壓型逆變電路的特點電壓型全橋逆變電路

(1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈動。

(2)輸出電壓為矩形波，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。

(3)阻感負(fù)載時需提供無功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。一、DC-AC基本概念1.三相電壓型逆變電路應(yīng)用最廣的是三相橋式逆變電路二、方波逆變電路二、方波逆變電路電壓型三相橋式逆變電路的工作波形tOtOtOtOtOtOtOtOa)b)c)d)e)f)g)h)uUN'uUNuUViUiduVN'uWN'uNN'UdUd2Ud3Ud62Ud3相位彼此相差120度，直流變成三相交流。101100110010011001101100定義單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)為二、方波逆變電路輸出線電壓諧波分析：三相電壓型逆變電路輸出線電壓有效值：二、方波逆變電路輸出相電壓諧波分析方波逆變電路特點：輸出電壓不可調(diào)；輸出電壓諧波含量高；直流電壓利用率高。重要理論基礎(chǔ)——面積等效原理沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數(shù)f(t)d(t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf(t)f(t)f(t)三、SPWM逆變概念Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>Ouωt>三、SPWM逆變概念OwtUd-Ud對于正弦波的負(fù)半周，采取同樣的方法，得到PWM波形三、SPWM逆變概念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)用場合。PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。三、SPWM逆變概念單極性PWM控制方式ur正半周，V4保持通，V3保持?jǐn)唷．?dāng)ur>uc時使V1通，V2斷，uo=Ud

。當(dāng)ur<uc時使V1斷，VvD2通，uo=0。單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷。四、SPWM逆變控制原理全橋逆變電路四、SPWM逆變控制原理單極性PWM控制方式Ur負(fù)半周，V3保持通，V4保持?jǐn)?。?dāng)ur>uc時使V2通，V1斷，uo=Ud

。當(dāng)ur<uc時使V2斷，VvD1通，uo=0。全橋逆變電路四、SPWM逆變控制原理單極性PWM控制方式在一個載波周期的平均值雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）在ur的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得PWM波也有正有負(fù)，其幅值只有±Ud兩種電平。同樣在調(diào)制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制器件的通斷。ur正負(fù)半周，對各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷。四、SPWM逆變控制原理雙極性調(diào)制方式的特點是4個功率管都工作在較高頻率(載波頻率)，雖然能得到正弦輸出電壓波形，與單極性調(diào)制相比是產(chǎn)生了較大的開關(guān)損耗，但控制簡單。雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud對照上述兩圖可以看出，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，由于對開關(guān)器件通斷控制的規(guī)律不同，它們的輸出波形也有較大的差別。四、SPWM逆變控制原理雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）

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urU、urV和urW依次相差120°四、SPWM逆變控制原理ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud四、SPWM逆變控制原理000001101111101000101111100000100111在K>>1，m<1的條件下，三相SPWM逆變電路輸出電壓四、SPWM逆變控制原理電壓利用率與方波比低諧波角頻率為:式中，n=1,3,5,…時，k=0,2,4,…；

n=2,4,6,…時，k=1,3,5,…輸出線電壓中的諧波角頻率為式中，n=1,3,5,…時，k=3(2m－1)±1，m=1,2,…；

n=2,4,6,…時，單相SPWM逆變電路諧波三相SPWM逆變電路諧波五、SPWM控制諧波分析三相和單相比較，共同點是都不含低次諧波，一個較顯著的區(qū)別是載波角頻率wc整數(shù)倍的諧波沒有了，諧波中幅值較高的是wc±2wr和2wc±wr。SPWM波中諧波主要是角頻率為wc、2wc及其附近的諧波，很容易濾除。諧波分析小結(jié)五、SPWM控制諧波分析提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)

在調(diào)制度為最大值1時，輸出相電壓的基波幅值為/2，輸出線電壓的基波幅值為(/2)，即直流電壓利用率僅為0.866。比較低的。五、SPWM控制諧波分析提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)

五、SPWM控制諧波分析

用正弦信號波對三角波載波進(jìn)行調(diào)制時，只要載波比足夠高，所得到的PWM波中不含低次諧波，只含和載波頻率有關(guān)的高次諧波。提高直流電壓利用率可以提高逆變器的輸出能力，減少功率器件的開關(guān)次數(shù)可以降低開關(guān)損耗。

提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)

1）不用正弦波，而采用梯形波作為調(diào)制信號，可以有效地提高直流電壓利用率

五、SPWM控制諧波分析

左右時諧波含量最少，但直流電壓利用率也較低。當(dāng)時，諧波含量也較少，約為3.6%，而直流電壓利用率為1.03，是正弦波調(diào)制時的1.19倍。

五、SPWM控制諧波分析用梯形波調(diào)制時，輸出波形中含有5次、7次等低次諧波。實際使用時，可以考慮當(dāng)輸出電壓較低時用正弦波作為調(diào)制信號，使輸出電壓不含低次諧波；當(dāng)正弦波調(diào)制不能滿足輸出電壓的要求時，改用梯形波調(diào)制，以提高直流電壓利用率。五、SPWM控制諧波分析五、SPWM控制諧波分析2）線電壓控制方式目標(biāo)是線電壓變形中不含低次諧波線電壓控制方式的目標(biāo)是使輸出的線電壓波形中不含低次諧波，同時盡可能提高直流電壓利用率，也應(yīng)盡量減少功率器件的開關(guān)次數(shù)。線電壓控制方式的直接控制手段仍是對相電壓進(jìn)行控制，但其控制目標(biāo)卻是線電壓。

正正調(diào)制疊加三次諧波法

如果在相電壓正弦波調(diào)制信號中疊加適當(dāng)大小的3次諧波，使之成為鞍形波，則經(jīng)過PWM調(diào)制后逆變電路輸出的相電壓中也必然包含3次諧波，且三相的三次諧波相位相同。在合成線電壓時，各相電壓的3次諧波相互抵消，線電壓為正弦波。五、SPWM控制諧波分析除可以在正弦調(diào)制信號中疊加3次諧波外，還可以疊加其他3倍頻于正弦波的信號，也可以再疊加直流分量，這些都不會影響線電壓。五、SPWM控制諧波分析可以看出，在這1／3周期中，并不對調(diào)制信號值為-1的一相進(jìn)行控制，而只對其他兩相進(jìn)行PWM控制，因此，這種控制方式也稱為兩相控制方式。

3）疊加直流分量法五、SPWM控制諧波分析1)在信號波的1/3周期內(nèi)開關(guān)器件不動作，可使功率器件的開關(guān)損耗減少1/3。2)最大輸出線電壓基波幅值為，和相電壓控制方法相比，直流電壓利用率提高了15%。3)輸出線電壓中不含低次諧波，這是因為相電壓中相應(yīng)于的諧波分量相互抵消的緣故。兩相控制方式特點：

跟蹤控制方法這種方法不是用信號波對載波進(jìn)行調(diào)制，而是把希望輸出的電流或電壓波形作為指令信號，把實際電流或電壓波形作為反饋信號，通過兩者的瞬時值比較來決定逆變電路各功率開關(guān)器件的通斷．使實際的輸出跟蹤指令信號變化。因此，這種控制方法稱為跟蹤控制法。跟蹤控制法中常用的有滯環(huán)比較方式和固定開關(guān)頻率方式。六、PWM跟蹤控制技術(shù)六、PWM跟蹤控制技術(shù)滯環(huán)比較方式

六、PWM跟蹤控制技術(shù)滯環(huán)比較方式

特點：1)硬件電路簡單；2)屬于實時控制方式，電流響應(yīng)快；3)不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波分量；4)和計算法及調(diào)制法相比，相同開關(guān)頻率時輸出電流中高次諧波含量較多；5)屬于閉環(huán)控制，這是各種跟蹤型PWM變流電路的共同特點。七、空間矢量PWM控制（SVPWM）(一)SVPWM概念空間矢量的概念矢量兩相靜止坐標(biāo)系七、空間矢量PWM控制（SVPWM）(一)SVPWM概念空間矢量的概念=

=

旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系七、空間矢量PWM控制（SVPWM）前面介紹的PWM控制都是使逆變器的輸出電壓盡量接近正弦波，以減少諧波，電流滯環(huán)跟蹤控制則直接控制輸出電流，使之在正弦波附近變化，這樣比只要求正弦電壓前進(jìn)了一步。在交流電動機的驅(qū)動中，最終目的并非使輸出電壓為正弦波，而是使電動機的磁鏈成為圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，從而使電動機產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)把逆變器和交流電動機視為一體，按照跟蹤圓形旋轉(zhuǎn)磁場來控制逆變器的工作，這種方法便稱為磁鏈跟蹤控制。(一)SVPWM概念

電動機的三相定子繞組可以定義一個三相平面靜止坐標(biāo)系，這是一個特殊的坐標(biāo)系，它有三個軸，互相間隔120°，分別代表三相。三相定子電壓分別施加在三相繞組上，形成三個相電壓空間矢量。它們的方向始終在各相的軸線上，大小則隨時間按正弦規(guī)律變化。因此，三個相電壓空間矢量相加所形成的一個合成電壓空間矢量是一個以電源角頻率速度旋轉(zhuǎn)的空間矢量。七、空間矢量PWM控制（SVPWM）(一)SVPWM概念七、空間矢量PWM控制（SVPWM）(一)SVPWM概念當(dāng)頻率幅值一定時，電壓的大小與磁鏈成正比，其方向是磁鏈圓軌跡的切線方向。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動弧度，其運動軌跡與磁鏈圓重合。電動機旋轉(zhuǎn)磁場的形狀問題就可以轉(zhuǎn)化為電壓空間矢量運動軌跡的形狀問題來討論。電壓、電流和磁鏈關(guān)系當(dāng)轉(zhuǎn)速不是很低時，定子電阻的壓降相對比較小

七、空間矢量PWM控制（SVPWM）(一)SVPWM概念首先定義單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)七、空間矢量PWM控制（SVPWM）(一)SVPWM概念三相逆變電路的數(shù)學(xué)模型七、空間矢量PWM控制（SVPWM）(一)SVPWM概念三相靜止坐標(biāo)系：兩相靜止坐標(biāo)系：在兩相靜止坐標(biāo)系上衣恒定幅值和頻率按逆時針方向旋轉(zhuǎn)七、空間矢量PWM控制（SVPWM）七、空間矢量PWM控制（SVPWM）三相電壓型整流器六個開關(guān)，共有八個可能的運行狀態(tài)即(000)、(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)、(111)。由這8個開關(guān)向量得到8個基本空間矢量。七、空間矢量PWM控制（SVPWM）(一)SVPWM概念按照這樣得到的供電方式只能得到一個正六邊形的旋轉(zhuǎn)磁場，而不是所希望的圓形旋轉(zhuǎn)磁場。如果在定子里形成的旋轉(zhuǎn)磁場不是正六邊形，而是正多邊形，且邊數(shù)無數(shù)的多，這樣就可以近似的得到一個圓形旋轉(zhuǎn)磁場。正多邊形的邊越多，近似程度就越好。七、空間矢量PWM控制（SVPWM）(一)SVPWM概念然而非零向量只有六個，如果想獲得盡可能多的多邊形旋轉(zhuǎn)磁場，就必須有更多的逆變器開關(guān)狀態(tài)。其中有一種方法是利用六個非零的基本電壓空間矢量的線性時間組合來得到更多的開關(guān)狀態(tài)。七、空間矢量PWM控制（SVPWM）(一)SVPWM概念空間矢量調(diào)制就是利用三相橋所能輸出的六個非零電壓矢量和二個零電壓矢量來合成矢量圓，與此對應(yīng)的三相開關(guān)時序即為矢量調(diào)制的脈寬調(diào)制信號，這八個基本矢量可以合成任意角度和模長的等效合成矢量。七、空間矢量PWM控制（SVPWM）(一)SVPWM概念七、空間矢量PWM控制（SVPWM）(一)SVPWM概念這八個電壓矢量是斷續(xù)的，而指令電壓矢量卻是連續(xù)的，但如果開關(guān)頻率足夠高則可以用一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等效，這也正是矢量調(diào)制的基本思路。使用電壓空間矢量技術(shù)的目的就是將指令電壓矢量瞬態(tài)由相應(yīng)的基本空間矢量合成，在脈沖周期時間內(nèi)使整流器的輸入端電壓的平均值等于指令電壓。七、空間矢量PWM控制（SVPWM）(一)SVPWM概念(二)矢量的合成矢量調(diào)制就是利用三相橋所能輸出的六個非零電壓矢量和二個零電壓矢量來合成矢量圓，這八個基本矢量可以合成任意角度和模長的等效合成矢量如果開關(guān)頻率足夠高則可以用一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行等效，這也正是矢量調(diào)制的基本思路。七、空間矢量PWM控制（SVPWM）(二)矢量的合成七、空間矢量PWM控制（SVPWM）(二)矢量的合成七、空間矢量PWM控制（SVPWM）方法一：該方法將零矢量均勻地分布在矢量的起、終點上，然后依次由、按三角形方法合成，一個開關(guān)周期中，VSR上橋臂功率開關(guān)管共開關(guān)4次，由于開關(guān)函數(shù)波形不對稱，因此PWM諧波分量主要集中在開關(guān)頻率及2倍上，在頻率處的諧波幅值最大，但該算法最簡單。(二)矢量的合成七、空間矢量PWM控制（SVPWM）方法二：該方法的矢量合成仍然是零矢量均勻地分布在矢量的起、終點上。除零矢量外，一個開關(guān)周期中VSR上橋臂功率開關(guān)管共開關(guān)也為4次，且波形對稱，因而其PWM諧波分量主要分布在開關(guān)頻率的整數(shù)倍附近。(二)矢量的合成七、空間矢量PWM控制（SVPWM）該調(diào)制方法在一個開關(guān)周期中，C相功率管沒有動作，從以后分析中可以看出每相開關(guān)在一個周期里分別有120°時間不動作，所以有效開關(guān)次數(shù)可減少1/3，開關(guān)損耗降低33%。每一個采樣周期里選擇矢量的原則是遵循開關(guān)次數(shù)最小，保證每次轉(zhuǎn)換只有一個開關(guān)動作，因而也就降低了整流器的開關(guān)損耗。(二)矢量的合成七、空間矢量PWM控制（SVPWM）方法三：該方法將零矢量在一周期內(nèi)分成三段，其中矢量的起、終點上均勻地分布矢量，而在矢量中點處分布矢量，且作用時間與相同。除零矢量外，依次由合成，在一個PWM開關(guān)周期，該方法使VSR橋臂功率管開關(guān)6次，且波形對稱，其PWM諧波主要分布在開關(guān)頻率的整數(shù)倍頻率附近。在頻率附近處的諧波幅值降低十分明顯，但此時功率管開關(guān)次數(shù)多，開關(guān)管損耗較大。七、空間矢量PWM控制

矢量的合成

以第一象限為例，在一個PWM周期中

因PWM頻率遠(yuǎn)大于工頻故可認(rèn)為在一個PWM周期中大小近似不變空間矢量調(diào)制技術(shù)實為一平均法

七、空間矢量PWM控制

矢量的合成時，剩下的時間就加在零矢量上。七、空間矢量PWM控制

以第一象限為例，依據(jù)平行四邊形法則令間的夾角為

設(shè)調(diào)制度為m又則則七、空間矢量PWM控制