DCAC变换电路

1、14.2 4.2 电压型逆变电路电压型逆变电路4.2.1 单相电压型逆变电路4.2.2 三相电压型逆变电路4.2.3 SPWM控制技术4.2.4 电压型逆变电路的应用2SPWMSPWM法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的PWM法。它有如下主要优点： PWM实现起来比较方便，可以模拟或用数字来实现； 可以大大降低输出谐波含量，尤其是低频纹波，它的谐波主要集中在载波频率的K倍的位置，谐波频率较高，因此滤波器设计容易，实现成本较低； 对于多电平变换器，调制比可以在所有的工作范围内变化； 在载波中注入合适零序列，可以较好地平衡中点电位。3采样控制理论中一个重要结论冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性

2、的环节上时，其效果基本相同冲量 窄脉冲的面积效果基本相同 环节的输出响应波形基本相同u如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异4u将图4-10a）的正弦波分成N个比此相连的脉冲序列所组成的波形，这些脉冲宽度相等，为/N，但幅值不等，各脉冲幅值按正弦规律变化图4-10 用PWM波代替正弦半波u如将脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应的正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，得图4-10b）脉冲序列，即PWM波形5脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形SPWM波形SPWM波形等幅PWM（直流电源产生）

3、不等幅PWM（交流电源产生） 直流斩波电路得到的PWM波是等效直流波形，SPWM波得到的是等效正弦波uotOut6正弦脉宽调制方法的分类正弦脉宽调制的方法很多，但没有统一的分类方法。比较常见的分类方法如下:v根据载波信号和调制信号的频率之间的关系：v根椐调制脉冲的极性：71) 异步调制和同步调制载波比载波频率f fc c与调制信号频率fr之比，NN= = fc / fr载波和信号波是否同步及载波比的变化情况异步调制PWM调制方式分为同步调制81. 异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式控制相对简单保持fc fc固定不变固定不变，当fr变化时，载波比载波比NN变化变化在信号波的半周期内，PW

4、M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载波比N愈大，则半周期内调制的SPWM波形脉冲数愈多，正负半周期脉冲不对称和半周内前后1/4周期脉冲不对称的影响愈小，输出波形愈接近正弦波92. 同步调制载波比载波比NN等于常数等于常数，在变频时使载波与信号波保持同步的调制方式同步调制方式中，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数是固定，脉冲相位也是固定的正负半周的脉冲对称，没有偶次谐波，而且半个周期脉冲排列其左右也是对称的，输出波形等效正弦波。同步调制方式效果比异步调制方式好，在实际中较多应用同步调制方式载波比N等于常数，多大合适？10l当逆

5、变电路输出频率很低时，fc也很低， fc过低时由调制带来的谐波不易滤除l当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc会过高，使开关器件难以承受当逆变器输出频率范围很宽时，如何确定载波比？113. 分段同步调制同步式调制和异步式调制的结合把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高，能在功率开关器件所允许的频率范围内在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低而对负载产生不利影响122)单极性与双极性正弦脉宽调制在调制信号的正半周或负半周内，对应的SPWM波形也只有相应的正极性或负极性脉冲在调制信号的正半周

6、或负半周内，对应的SPWM波形有正负两种极性的脉冲图6-6urucuOtOtuouofuoUd- UdQ:若增大SPWM逆变器的输出电压基波频率，改变fr或fc的频率？表示uo的基波分量13图4-11 单相桥式PWM逆变电路t u0正半周，正半周，V1通，通，V2断：断： 当当V4通，通，V3断，断，uo=Ud 当当V4断，断，VD3通，通，uo=0 tu0负半周，负半周，V1断，断，V2通：通： 当当V3通，通，V4断，断，uo=Ud当当V3断，断，VD4通，通， uo=0先讨论单极性调制方法的实现先讨论单极性调制方法的实现（单相桥式（单相桥式SPWM电压型逆变电路）电压型逆变电路）如何控制

7、如何控制4个开关管在个开关管在输出端得到输出端得到SPWM波形波形?14图4-12 单极性PWM控制方式波形t 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，在负半周为负正极性的三角波,在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断.tur正半周，V1通，V2断 当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud当uruc时使V4断，VD3通，uo=0 t Ur负半周，V1断，V2通 当uruc时使V3断，VD4通， uo=0表示uo的基波分量单极性单极性PWM控制方式控制方式（单相桥逆变）（单相桥逆变）信号波信号波载波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRL

8、uruc+ +- -如何产生开关管的控制信号如何产生开关管的控制信号?V1和和V2按照正弦信号极性控制按照正弦信号极性控制,V3和和V4按照按照SPWM方式交替通断方式交替通断.15图4-13 双极性PWM控制方式波形双极性双极性PWM控制方式控制方式（单相桥逆变）（单相桥逆变）l 在ur的一个周期内，输出的PWM波有Ud两种电平l 同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断信号波信号波载波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc16图4-13 双极性PWM控制方式波形l 当当ur uc时，控制时，控制V1和和V4通，通，V2和和V

9、3断断 如io0，则V1和V4通， 如io0，VD1和VD4通， 不管哪种情况uo=Ud信号波信号波载波载波图6-4调制电路Ud+V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoRLuruc+ +- -双极性双极性PWM控制方式控制方式电流流向电流流向l当当uruc时，控制时，控制V2和和V3通，通，V1和和V4断断 如io0，VD2和VD3通， 不管哪种情况uo=-Ud172 2 三相桥式三相桥式SPWMSPWM逆变电路逆变电路 双极性双极性PWMPWM控制方式控制方式（三相桥逆变）（三相桥逆变）图4-14 三相桥式PWM型逆变电路 lU、V和W三相的PWM控制通常共用三角波载波uc，三相的调制

10、信号urU、urV和urW依次相差120l 当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，则uUN=Ud/2l 当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，则uUN=-Ud/218图4-15 三相桥式PWM逆变电路波形 l 逆变器输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成l 负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组成 195 SPWM5 SPWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析PWM逆变电路使输出电压输出电流接近正弦波使用载波对正弦信号波调制，也产生和载波有关的谐波分量谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一20图4-22 单相PWM桥式逆变电路输

11、出电压频谱图w包含的谐波角频率为式中n=1,3,5,时，k=0,2,4, n=2,4,6,时，k=1,3,5, w PWM波中不含低次谐波，只含c及其附近的谐波以及 2c、3c等及其附近的谐波21实现SPWM的方法主要：v硬件调制法v软件生成法v特定谐波消去法221） 硬件调制法l其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻控制开关器件的通断，以生成SPWM波。l模拟电路难以实现精确的控制232） 软件生成法v软件生成法直接根据面积等效原理或模拟硬件调制法生成SPWM波形v主要算法有面积等效法、自然采样法和规则采样法,特定谐波消去法.2

12、4 根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形.l优点：此方法可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，其所得的波形很接近正弦波l缺点：计算繁琐，占用内存大25 按照SPWM控制的基本原理， 在正弦波和三角波的自然交点时刻 控制功率开关的通断 正弦调制信号波式中，正弦调制信号波式中， M M称为称为调制系数调制系数，0M1；tMurrsinl 优点：所得SPWM波形接近正弦波l 缺点：脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐；难以在实时控制中在线计算，工程应用不多 则第n个脉冲宽度为 26规则采样法工程实用方法，是对自然采

13、样法的改进，效果接近自然采样法，计算量比自然采样法小得多l 取三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tcl 使脉冲中点 和三角波一周期的中点（即负峰点）重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化l 优点：计算简单，便于在线实时运算27图4-16 特定谐波消去法的输出PWM波形 在输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和），共6个开关时刻可控首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即(4-30)又称低次谐波消去法，是一种较有代表性的计算方法。l优点: 可以很好地消除所指定的低次谐波。l缺点: 剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大；计算复杂。 28目前，实现产生S

14、PWM波形的电路有：（1）分立元件和集成运放构成的模拟控制电路；（2）专用模拟集成脉宽调制器如SG3524、SG3526、TL494 等；（3）与八位或十六位单片微机配套使用的专用SPWM数字信号发生器，如英国的HEF4752、荷兰的MKII、日本的MB63H110 以及西门子公司的SLE4520 等；（4）用单片机、数字信号处理器等微处理器产生的数字SPWM电路。 微处理器的速度和精度不断提高，数字化SPWM方法发展迅速。294.2.4 电压型逆变电路的应用30 电压型逆变电路的应用十分广泛，本节介绍两个电压型逆变电路的应用实例:开关电源开关电源原理与设计原理与设计变频器变频器31优点：精度高，性能稳定，电压纹波小优点：精度高，性能稳定，电压纹波小缺点：效率低，功耗大，体积大，大功率时需散热片缺点：效率低，功耗大，体积大，大功率时需散热片 调整管工作在线性放大状态 调整管损耗大 工频变压器体积大,重量大32优点：效率高，功耗小，体积小，重量轻优点：效率高，功耗小，体积小，重量轻缺点：电