电力电子技术第5章直流交流变换器课件

1、第5章 交-直-交变换器 5.1 引 言 交-直-交变换器就是把工频交流电通过整流器变换成直流电，再通过逆变器将直流电逆变成为频率可调的交流电。交-直-交变换器由交-直变换器和直-交变换器两部分组成，交-直变换器属整流器；直-交变换器就是把直流电变成交流电，称为逆变器，也称变频器。逆变的概念，交流侧接电网，为有源逆变。交流侧接负载，为无源逆变。交直交变频, 由交直变换（整流）和直交变换两部分组成，后一部分就是变频器。主要应用各种直流电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是变频器。5.2 逆变器的基本原理S1、S4闭合，S2

2、、S3断开时，负载电压uo为正。S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。(1) 电阻性负载 io与uo形状相同，相位也相同(2) 电感性负载 io与uo形状如由图所示5.3 电压型逆变器 逆变器的分类 根据输出相数的不同单相逆变器三相逆变器根据直流侧电源性质的不同电压型逆变器：直流侧并联电容，具有电压源的特性电流型逆变器：直流侧串联电感，具有电流源的特性5.3.1 单相电压型逆变器 1半桥逆变器 2.全桥逆变器电压型逆变器的特点是直流电源接有很大的滤波电容，从逆变器向直流电源看过去电源内阻为很小的电压源，保证直流电压稳定。 半桥电压型逆变器 全桥电压型逆变器 全桥电压型逆变器工作原

3、理它和直流PWM逆变器具有相同的电路结构。把VT1和桥臂VT4作为一对，VT2和VT3作为另一对，成对的两个开关管同时导通，两对交替各导通180，右下图开关管的驱动信号波形。输出电压波形t1t2： VT1 、VT4通态，VT2 、VT3断态，uo=Ud，iot2t3：关断VT1、VT4，开通VT2、VT3 ，io0，VD2 、VD3 续流，uo=Ud，iot3： io=0t3t4：VT2、VT3通态，uo=Ud，io反向t4： 关断VT2、VT3 ，开通VT1、VT4。t4t5：iouc时，使VT2、VT3断，VT1、VT4通，uo=Ud当uruc时，使VT3断，VT4通，uo=Ud当uruc

4、时，使VT3断，VT4通，uo=0当uruc时，使VT4断，VT3通，uo=Ud 图中，uo1表示uo的基波分量 基波输出电压为正、输出电流为正时的工作过程 (a ） (b) 基波在输出电压为负、输出电流为正时的工作过程(c) (d)(2) 工作过程基波输出电压为负、输出电流为负时的工作过程(e) (f) 基波输出电压为正、输出电流为负时的工作过程 (g) (h) 调制度a：将正弦参考波ur的幅值与三角载波uc的峰值之比定义为调制度a，亦称调制比或调制系数。一般来说，0a fr，所以SPWM波中所含的主要谐波的频率要比基波频率高得多，是很容易滤除的。载波频率越高，SPWM波中谐波频率就越高，所

5、需滤波器的体积就越小。单相桥式SPWM逆变器采用单极性控制和双极性控制时，输出电压中不含低次谐波，其谐波主要分布在载波角频率c整数倍附近，并以载波角频率c附近的谐波幅值为最大。单极性控制方式比双极性控制方式的谐波小。 单极性调制时的谐波 双极性调制时的谐波3. 两种控制方式比较采用单极性控制方式时，在参考波的半个周期内，有一个开关管是始终关断的；在每个主电路开关周期内，输出电压只在正和零(或负和零)间跳变，正、负两种电平不会同时出现在同一开关周期内；逆变器采用双极性控制方式时，同一相上下桥臂的两个开关管交替通断，处于互补工作方式；在每个主电路开关周期内，输出电压波形都会出现正和负两种极性的电平

6、；在双极性SPWM控制方式中，同一相上、下两个臂的驱动信号都是互补的。但实际上为了防止上、下两个臂直通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，再延迟时间，才给另一个臂施加导通信号。延迟时间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定。这个延迟时间将会给输出的SPWM波形带来影响，使正弦波发生畸变。在SPWM逆变器中，载波频率fc与参考波频率fr 之比N = fc /fr 称为载波比。根据载波和参考波是否同步及载波比的变化情况，SPWM逆变器分为异步调制、同步调制和分段同步调制方式。1. 异步调制方式载波信号和调制信号不同步的调制方式。通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的。2. 同步调制

7、方式 在同步调制方式中，参考信号频率变化时载波比N不变，参考信号一个周期内输出的脉冲数是固定的。5.5.3 SPWM的调制方式异步调制的缺点：在信号波的半周期内，SPWM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，N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，N减小，一周期内的脉冲数减少，脉冲不对称的影响就变大。同步调制的缺点：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. 分段同步调制方式为了克服上述缺点，通常都采用分段同步调制的方法，即把

8、逆变器的输出频率范围划分成若干频段，每个频段内都保持载波比N为恒定，在输出频率的高频段采用较低的载波比，以使载波频率不致过高。在输出频率的低频段采用较高的载波比，使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。各频段的载波比应该都取3的整数倍且为奇数。提高载波频率可以使输出波形更接近正弦波。但载波频率的提高受到功率开关器件允许最高频率的限制。为防止N在切换点附近跳动，采用回滞切换的方法。实线表示fr增高时的切换频率，虚线表示 fr 降低时的 切换频率。5.5.4 三相桥式SPWM逆变器 工作原理 如何调压、变频、改相序5.5.5 SPWM的一般问题1SPWM的优点调压和调频同时在逆变器的控制中完成，不

9、再需要调控直流电源，因此电压型SPWM逆变器都采用不可控整流器作为直流输入电源。，仅有一个可控功率级，从而简化了主电路和控制电路的结构，使装置的体积小、重量轻、造价低、可靠性高。 直流电压可由二极管整流获得，交流电网的输入功率因数与逆变器输出电压的大小和频率无关而接近1；如有数台装置，可由同一台不可控整流器输出作直流公共母线供电。 输出频率和电压都在逆变器内控制和调节，其响应的速度取决于控制回路，而与直流回路的滤波参数无关，所以调节速度快，并且可使调节过程中频率和电压的配合同步，以获得好的动态性能。 输出电压或电流波形接近正弦，从而减少谐波分量。2SPWM的开关频率SPWM是经过调制的幅值相等

10、、宽度不等的脉冲信号。SPWM调制后的信号中除了含有参考信号外，还含有频率很高的载波频率及载波倍频附近的频率分量，但几乎不含其他谐波，特别是几乎不含接近基波的低次谐波。因此，载波频率也即SPWM的开关频率愈高，谐波对系统的影响越小，谐波越容易滤除，SPWM波就越接近期望的正弦波。但是，SPWM的载波频率除了受功率器件的允许开关频率制约外，SPWM的开关频率也不宜过高，这是因为开关器件工作频率提高，开关损耗和换流损耗会随之增加。另外，开关瞬间电压或电流的急剧变化形成很大的du/dt或di/dt，会产生强的电磁干扰，还会在线路和器件的分布电容和电感上引起冲击电流和尖峰电压。5.5.6 SPWM波的

11、生成方法 SPWM波形的生成主要有3种方式：模拟电路（包括模拟/数字混合电路）、微型计算机（包括单片机、数字信号处理器等）、专用集成电路。根据SPWM逆变器的基本原理和控制方法，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。在交点时刻对功率开关器件的通断进行控制，这样就可得到SPWM波形。但这种模拟电路的缺点是结构复杂，难以实现精确的控制。SPWM波可以用微机来完成。在用微机软件生成SPWM脉冲时，通常有查表法和实时计算法。查表法适用于计算量较大、在线计算困难的场合，但所需要的内存容量往往较大。实时计算法是在运行时进行在线计算求得所需的开关时刻的方法，它适用于计算

12、量不大的场合。专用集成电路有很好的性能价格比，可简化控制电路和软件设计，降低成本，提高可靠性。专用集成电路的使用一般都较为方便，既可与单片机接口，也可单独使用。1. 规则采样法 实际应用较多的是计算量比自然采样法小得多的规则采样法。在三角波的负峰时刻tD对正弦调制波采样而得到D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A点和B点，在A点的时刻tA和B点的时刻tB控制功率开关器件的通断。可以看出，用这种规则采样法所得到的脉冲宽度和用自然采样法所得到的脉冲宽度非常接近。 2低次谐波消去法以消去SPWM波形中某些主要的低次谐波为目的，通过计算确定各脉冲的开关时刻这种方法称为低次谐波消去法。在这种方法中，

13、已经不再比较载波和正弦调制波，但目的仍是使输出波形尽可能接近正弦波，因此也算是生成SPWM波形的一种方法。应当指出，低次谐波消去法可以很好地消除指定的低次谐波，但是剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大。不过，因为其次数已比所消去的谐波次数高，因而较容易滤除。这种波形可用傅里叶级数表示为在半个周期内的6个开关时刻中，能独立控制的只有1、2、3三个时刻。该波形的an为: 根据需要确定基波分量a1的值，再令两个不同的an=0，就可以建立三个方程，联立求解可得1、2、3这样就消去了两种特定频率的谐波。通常在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互抵消，因此可以考虑消去5次和7次谐波，列方程

14、为 :3跟踪控制法跟踪型SPWM也不是用载波对正弦波进行调制，而是把希望输出的电流或电压作给定信号，与实际电流或电压信号进行比较，由此来决定逆变器电路功率开关器件的通断，使实际输出跟踪给定信号。采用滞环比较方式的电流跟踪型SPWM逆变器如下图所示。当io(io*+I)时，VT1或VD1导通，io增大当io(io*+I)时，VT2或VD2导通，io减小通过滞环比较器的控制，io就在(io*+I)和(io*I)的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流io*。当io*是正弦波时，输出电流io也十分接近正弦波。环宽I过宽时，开关频率低，跟踪误差大；环宽I过窄时，跟踪误差小，但开关频率过高，开关损耗增大。L大时，io的变化率小，跟踪慢；L小时，io的变化率大，开关频率过高。4专用集成电路采用专门产生SPWM波形的大规模集成电路芯片可简化控制电路和软件设计，降低成本，提高可靠性。应用得较多的SPWM芯片有HEF4752、SLE4520、MA818、8XC196MC。HEF4752芯片可提供三组互差120的互补输出SPWM控制脉冲，以供驱动逆变器六个功率开关器件产生对称的三相输出，可适用于晶闸管或功率晶体管。该芯片有8段载波比(15、21、30、42、60、84、120、168)自动切换，调制频率范围为0200Hz，开关频率一般不超过2kHz。总之，