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5.1 概述

第 5 章 DC/AC 变换技术. 5.1 概述. 5.1.1 逆变电路的分类 5.1.2 DC/AC 变换的工作原理 5.1.3 逆变电路的换流方式. 5.2 电压型逆变电路. 5.2.1 单相电压型逆变电路 5.2.2 三相电压型逆变电路. 第 5 章 DC/AC 变换技术. 5.3 逆变电路的 SPWM 控制技术. 5.3.1 PWM 控制的基本原理 5.3.2 SPWM 调制技术 5.3.3 SPWM 控制技术 5.3.4 PWM 逆变电路的谐波分析 5.3.5 PWM 逆变电路的多重化 5.3.6 PWM 跟踪控制技术.

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5.1 概述

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  1. 第5章 DC/AC变换技术 5.1概述 5.1.1 逆变电路的分类 5.1.2 DC/AC变换的工作原理 5.1.3 逆变电路的换流方式 5.2 电压型逆变电路 5.2.1 单相电压型逆变电路 5.2.2 三相电压型逆变电路

  2. 第5章 DC/AC变换技术 5.3逆变电路的SPWM控制技术 5.3.1 PWM控制的基本原理 5.3.2 SPWM调制技术 5.3.3 SPWM控制技术 5.3.4 PWM逆变电路的谐波分析 5.3.5 PWM逆变电路的多重化 5.3.6 PWM跟踪控制技术

  3. 5.1 概述 • DC/AC变换是把直流电变换成交流电，也称逆变。 • 逆变电路分有源逆变和无源逆变两种。 • 把直流电经过DC/AC变换，向交流电源反馈能量的逆变电路称之为有源逆变； • 把直流电经过DC/AC变换，直接向非电源负载供电的逆变电路称之为无源逆变。 • 有源逆变在前面章节已经分析过了，本章主要介绍无源逆变技术。

  4. 5.1.1逆变电路的分类 • 逆变电路分类方法有以下几种： ⑴ 根据输入直流电源的性质 • 电压型逆变电路（VSTI） 在直流电源侧设置储能元件。采用大电容作为储能元件，保证电压的稳定； • 电流型逆变电路（CSTI）。 采用大电感作为储能元件，是为了保证电流的稳定。 ⑵ 根据逆变电路结构： • 半桥式 • 全桥式 • 推挽式逆变电路。

  5. 5.1.1逆变电路的分类 ⑶ 根据所用的电力电子器件的换流： • 自关断（如 GTO、GTR、电力 MOSFET、IGBT 等） • 强迫换流 • 交流电源电动势换流 • 负载谐振换流 ⑷ 根据电压和频率控制方法不同可分为 • 脉冲宽度调制（PWM）逆变电路 • 脉冲幅值调制（PAM）逆变电路 • 用阶梯波调幅或用数台逆变器通过变压器实现串并联的移相调压，这类逆变器称为方波或阶梯波逆变器。

  6. 5.1.2 DC/AC变换的工作原理 ⒈ 基本工作原理 • 单相桥式无源逆变电路，开关 S1、S2、S3、S4表示电力电子开关器件的 4个桥臂，均为理想开关。 • 当开关 S1、S4闭合，S2、S3断开时， uo为正； • 当开关 S1、S4断开，S2、S3闭合时， uo为负。 • 直流电转换为交流电。

  7. 5.1.2 DC/AC变换的工作原理 • 改变两组开关切换频率，即可改变输出交流电的频率。 • 当负载为阻性负载时，负载电流io和电压 uo的波形形状相同，相位也相同。 • 当负载为感性负载时， io相位滞后于 uo，两者波形的形状也不同。

  8. 5.1.2 DC/AC变换的工作原理 ⒉逆变电路的基本结构 • 要构成一个完整的逆变器系统除了主电路之外还要有输入、输出、驱动与控制、保护等电路。

  9. 5.1.3 逆变电路的换流方式 • 逆变电路工作时，电流从一个支路向另一个支路转移的过程称为换流，也常称为换相。 • 从断态到通态时，只要门极给以适当的驱动控制信号，就可以使其开通。 • 从通态到断态，对于半控型器件的晶闸管来说，就不能通过对门极的控制使其关断，必须利用外部条件或采取相应措施才能使其关断。 • 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。

  10. 5.1.3 逆变电路的换流方式 • 换流方式可分为以下几种： ⒈ 器件换流 利用全控型器件自身的关断能力进行换流称为器件换流，在采用 IGBT、MOSFET、GTO、GTR 等全控型器件的电路中，其换流方式均为器件换流。 ⒉ 电网换流 • 由电网提供换流电压称为电网换流，也称为“自然换流”。 • 整流电路，有源逆变，都属于电网换流。 • 这种换流方式不要求器件具有门极关断能力，也不需要为换流附加任何器件，但不适用于无源逆变电路。

  11. 5.1.3 逆变电路的换流方式 • 换流方式可分为以下几种： ⒊负载换流 • 由负载提供换流电压称为负载换流。 • 凡是负载电流的相位超前于负载电压的场合，都可以实现负载换流。当负载为电容性负载时，即可实现负载换流。 ⒋ 强迫换流 • 通过附加的换流装置，给欲关断的晶闸管强迫施加反向电压换流方式称为强迫换流。强迫换流通常由电感、电容、小容量晶闸管等组成。 • 器件换流只适用于全控型器件，其余三种方式主要用于晶闸管。

  12. 5.2 电压型逆变电路 • 常用的电压型逆变电路有： • 5.2.1 单相电压型逆变 • 5.2.2 三相电压型逆变 • 主要介绍电压型逆变电路的基本构成、工作原理和特性。

  13. 5.2.1单相电压型逆变电路 ⒈ 单相半桥逆变电路 • 两个桥臂，每个桥臂由 1个可控器件和 1个反并联二极管组成。 • 两只电容的容量足够大，电容电压保持为 基本不变。 • 两个电容的连接点便成为直流电源的中点，负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。 • V1、V2是全控型开关器件，它们交替地处于通、断状态。 • 等效负载电压、电流分别用 uo、 io表示

  14. 5.2.1单相电压型逆变电路 • 工作原理 • 在0≤t＜T0/2期间， 给V1加栅极信号，即V1导通，V2截止，则输出电压uo=+Ud/2； • 在T0/2≤t＜T0期间， 给V2加栅极信号，即V2导通，V1截止，则输出电压uo=-Ud/2； • 因此uo为矩形波，其幅值为 Ud/2。

  15. 5.2.1单相电压型逆变电路 • 电流情况 • 输出电流io波形随负载情况而异。 • 当负载为阻性负载时，其电流波形与电压相同； • 当为纯感性负载时，其电流波形如图 c) • R、L负载时电流波形图 d)

  16. 5.2.1单相电压型逆变电路 • T0/2以前 V1导通，V2关断。 • t=T0/2时，给V1关断信号，给 V2开通信号 • 则V1关断，负载中的电流io不能改变方向，VD2导通续流。 • 在t2时刻io降为零，VD2截止，V2开通，io开始反向。 • 同样，在t=T0时刻给V2关断信号，给V1开通信号后，V2关断，VD1先导通续流，io=0时V1才开通。

  17. 5.2.1单相电压型逆变电路 • 当V1导通或V2导通时，电压电流同向，直流侧向负载提供能量； • 当 VD1或 VD2导通时，负载电流和电压反向，负载电感中储存的能量向直流侧反馈。 • 暂存在C中，起着缓冲的作用。 • 二极管 VD1、VD2起着使负载电流连续的作用，也是负载向直流侧反馈能量的通道，故称为续流二极管或反馈二极管。

  18. 5.2.1单相电压型逆变电路 • 逆变器输出电压 uo为 180°的方波，幅度为Ud/2。输出电压的有效值为 • 傅里叶分解得 • 输出电压uo基波分量的有效值为 • 输出电流io基波分量为

  19. 5.2.1单相电压型逆变电路 • 优点：电路简单，使用器件少。 • 缺点：输出交流电压幅值为Ud/2，且直流侧需两电容器串联，要控制两者电压均衡。 • 应用： • 用于几kW以下的小功率逆变电源。 • 半桥逆变电路是分析单相全桥、三相桥式电路分析的基础。

  20. uo Ud O t 5.2.1单相电压型逆变电路 2. 单相全桥逆变电路 • 4个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合而成。 • 两对桥臂交替各导通 180°。 • 其输出电压 uo的波形也是矩形波，Uom= Ud。 • 输出电流波形与半桥电路形状相同，幅值增加一倍。 • 电阻性负载 • 电感性负载 图5.4 电压型全桥逆变电路

  21. 5.2.1单相电压型逆变电路 • 定量分析 • 把幅值为 Ud的矩形波 uo展开成傅里叶级数得： • 其中基波的幅值 Uo1m为 • 基波有效值 Uo1为 • 基波电流 io1为 式中

  22. 5.2.2 三相电压型逆变电路 • 电路的直流侧实际只有 1 个电容 • 为了分析方便，画作串联的2个电容器并标出了假想中点N′，在应用中并不需要该中性点。 • 电压型三相桥式逆变电路的基本工作方式有两种，即180°和120°导电方式。 图5.5 三相电压型桥式逆变电路

  23. 5.2.2 三相电压型逆变电路 • 180°导电方式 • 每个桥臂的导电180°，同一相上下2个桥臂交替导电，各相开始导电角度相差 120°。 • 任一瞬间，3个桥臂同时导通，可能是上1下2个臂，也可能是上2个下1个臂同时导通。 • 每次换流（隔60º）都是在同一相上下2个桥臂之间进行的，被称为纵向换流。

  24. 5.2.2 三相电压型逆变电路 • 在0<ωt≤π/3期间 • V1、V5、V6施加驱动。负载电流经V1、V5被送到U和W相负载上，然后经V相负载和V6流回电源。 • 在ωt=π/3时刻，撤除V5的驱动，V5关断 • 由于感性负载电流不能突变，W相电流将由与V2反并联的二极管VD2提供，W相负载电压被钳位到零电平。

  25. 5.2.2 三相电压型逆变电路 • 当V5被关断时，不能立即导通V2，以防止V5、V2同时导通造成短路，必须保证有一段死区时间或互锁延迟时间。 • V2被施加正向驱动。当VD2中续续流结束时，W相电流反向经V2流回电源。 • 此时负载电流由电源送出，经V1和U相负载，然后分流到V和W相负载，分别经V6和V2流回电源。

  26. 5.2.2 三相电压型逆变电路 • 在ωt=2π/3时刻，撤除V6的驱动，V6关断，V相电流由VD3续流。 • V6经互锁延迟时间后，V3被施加驱动脉冲。 • 当续流结束时，V相电流反向经V3流入V相负载。此时电流由电源送出，经V1和V3及U、V相负载回流到W相。 • 仿此，可以分析整个周期中各管的运行情况。

  27. 5.2.2 三相电压型逆变电路 图5.7 逆变电路的工作波形

  28. 5.2.2 三相电压型逆变电路 负载相电压 负载中点和电源中点间电压 图5.7 逆变电路的工作波形

  29. 5.3 逆变电路的SPWM控制技术 • PWM (Pulse Width Modulation)控制就是 脉宽调制技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。 • 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。使得在逆变电路中的成功应用，确定了它在电力电子技术中的重要地位 • PWM控制技术在逆变电路中应用广泛，使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。 • 特点：可以得到相当接近正弦波的输出电压和电流，减少了谐波，功率因数高，动态响应快。

  30. 冲量 窄脉冲的面积 环节的输出响应波形基本相同 效果基本相同 f ( t ) f ( t ) f ( t ) f ( t ) d ( t ) t t t O O O O t c)正弦半波脉冲 a)矩形脉冲 b)三角形脉冲 d)单位脉冲函数 图3.40 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 5.3.1 PWM 控制的基本原理 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。 • 理论基础——面积等效原理

  31. f ( t ) f ( t ) f ( t ) f ( t ) d ( t ) t t t O O O O t c)正弦半波脉冲 a)矩形脉冲 b)三角形脉冲 d)单位脉冲函数 图3.40 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 5.3.1 PWM 控制的基本原理 • 一个实例 • 电路输入：e(t)，窄脉冲 • 电路输出：i(t) • 称面积等效原理 图3.41 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

  32. 5.3.1 PWM 控制的基本原理

  33. u SPWM波 u > > O ωt O ωt u > O ωt 5.3.1 PWM 控制的基本原理 • 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波

  34. u SPWM波 u > > O ωt O ωt u > O ωt 5.3.1 PWM 控制的基本原理 • 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波

  35. 5.3.1 PWM 控制的基本原理 • SPWM波形 ——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。 • 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 图3.42 用PWM波代替正弦半波

  36. U d O w t -U d U d O w t U - d 5.3.1 PWM 控制的基本原理 • 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。

  37. 5.3.1 PWM 控制的基本原理 ⒈ 单极性正弦脉宽调制 • 单相桥式 PWM 逆变电路，负载为感性。IGBT 作为开关器件，其控制方法采用单极性正弦脉宽调制

  38. 5.3.1 PWM 控制的基本原理 ⑴在正半周期 • V2、V3一直处于截止状态，V1一直保持导通，V4交替通断。 • V4导通时，负载上所加的电压为直流电源电压 Ud。 • V4关断时，负载电流将通过二极管VD3续流，负载上所加电压为0。

  39. 5.3.1 PWM 控制的基本原理 ⑴在正半周期 • V2、V3一直处于截止状态，V1一直保持导通，V4交替通断。 • V4导通时，负载上所加的电压为直流电源电压 Ud。 • V4关断时，负载电流将通过二极管VD3续流，负载上所加电压为0。 ⑵在负半周期 • V1、V4一直处于截止，V2保持导通，V3交替通断。 • V3导通时，负载电压 -Ud。 • V3关断时，VD4续流，负载电压为0。 • 因此，在负载上可得到 0和±Ud 三种电平。

  40. u u u c r O w t u o u o U u d o1 O w t U - d 5.3.1 PWM 控制的基本原理 • 控制 通断的方法 • 调制波ur，载波信号 uc。 • 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IGBT通断。 • 在ur的正半周，V1保持导通，V2保持关断，当ur>uc时，使 V4导通，V3关断，负载电压 uo= Ud；当 ur< uc时，使 V4关断，V3导通(VD3先续流)，uo=0。

  41. u u u c r O w t u o u o U u d o1 O w t U - d 表示uo中的基波分量 5.3.1 PWM 控制的基本原理 • 在ur的负半周，V1保持关断，V2保持导通。 • 当 ur< uc时使 V3导通，V4关断，uo= - Ud； • 当 ur> uc时使 V3关断，V4导通，uo=0。 • 这样，得到SPWM 波形 uo。 • 像这样，在ur的半个周期内三角波载波只在一个方向变化，所得到的输出PWM 波形也只在一个方向变化的控制方式称为单极性 SPWM 控制方式。

  42. u u u r c O w t u u u o1 o o U d O w t U - d 5.3.1 PWM 控制的基本原理 2. 双极性正弦脉宽调制 • ur的半个周期内，载波是在正、负两个方向变化的。 • 在uc的一周期内，输出的 PWM 波形只有±Ud两种电平。 • 仍然在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。 • ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。

  43. u u u r c O w t u u u o1 o o U d O w t U - d 5.3.1 PWM 控制的基本原理 2. 双极性正弦脉宽调制 • 当ur>uc时，给V1和V4开通信号，给V2、V3关断信号，输出电压 uo= Ud。 • 当ur<uc时，给V2、V3开通信号，给V1、V4关断信号，输出电压 uo= -Ud。 • 同一半桥上下两个桥臂 IGBT 的驱动信号极性相反，处于互补工作方式。 • 电流情况，感性负载。 • 负载电压+ Ud或- Ud。

  44. u u u u rU rV c rW u O ? t u UN' U d 2 O ? t U d ? 2 u VN' U d 2 O ? t U d ? 2 u WN' U d 2 O ? t u UV U d O ? t U - d u 2 U UN U d d 3 3 O ? t 5.3.1 PWM 控制的基本原理 3.三相桥式PWM逆变电路 控制方式采用双极性方式。 • 三相的PWM控制公用三角波载波uc • 三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°

  45. u u u u rU rV c rW u O ? t u UN' U d 2 O ? t U d ? 2 u VN' U d 2 O ? t U d ? 2 u WN' U d 2 O ? t u UV U d O ? t U - d u 2 U UN U d d 3 3 O ? t 5.3.1 PWM 控制的基本原理 3.三相桥式PWM逆变电路 以U相为例分析控制规律： • 当urU>uc时，给V1通信号，给V4断信号，uUN′=Ud/2。 • 当urU<uc时，给V4通信号，给V1断信号，uUN’=-Ud/2。

  46. u u u u rU rV c rW u O ? t u UN' U d 2 O ? t U d ? 2 u VN' U d 2 O ? t U d ? 2 u WN' U d 2 O ? t u UV U d O ? t U - d u 2 U UN U d d 3 3 O ? t 5.3.1 PWM 控制的基本原理 3.三相桥式PWM逆变电路 以U相为例分析控制规律： • 当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。 • uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平。

  47. u u u u rU rV c rW u O ? t u UN' U d 2 O ? t U d ? 2 u VN' U d 2 O ? t U d ? 2 u WN' U d 2 O ? t u UV U d O ? t U - d u 2 U UN U d d 3 3 O ? t 5.3.1 PWM 控制的基本原理 3.三相桥式PWM逆变电路 以U相为例分析控制规律： • 线电压uUV的波形可由uUN′-uVN′得到。 • 当1和6通时，uUV=Ud，当3和4通时，uUV=-Ud，当1和3或4和6通时，uUV=0。

  48. u u u u rU rV c rW u O ? t u UN' U d 2 O ? t U d ? 2 u VN' U d 2 O ? t U d ? 2 u WN' U d 2 O ? t u UV U d O ? t U - d u 2 U UN U d d 3 3 O ? t 5.3.1 PWM 控制的基本原理 3.三相桥式PWM逆变电路 以U相为例分析控制规律： • 输出线电压PWM波有±Ud和0三种电平构成。 • 负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成。

  49. 5.3.1 PWM 控制的基本原理 3.三相桥式PWM逆变电路 以U相为例分析控制规律： • 输出线电压PWM波有±Ud和0三种电平构成。 • 负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成。 • 防直通的死区时间 • 同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。 • 死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。 • 死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。

  50. 载波比 载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr 1. 异步调制 载波信号和调制信号不同步的调制方式 5.3.2 SPWM调制技术 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N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，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，PWM脉冲不对称的影响就变大

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