交-直-交變換器課件

第5章

交-直-交變換器

主要內(nèi)容：電壓型和電流型變換器原理；SPWM型變換器。

5.1簡

介

交-直-交變換器就是把工頻交流電先通過整流器整流成直流，而后再通過變換器，把直流電逆變成為頻率可調(diào)的交流電。交-直-交變換器可分為電壓型和電流型。SPWM型變換器是給逆變器固定的直流電壓，通過開關(guān)元件有規(guī)律的導(dǎo)通和關(guān)斷，得到由寬度不同的脈沖組成的電壓波形，削弱和消除某些高次諧波，得到具有較大基波分量的正弦輸出電壓。

5.2.1電壓型變換器

1．電路結(jié)構(gòu)

電壓型變換器的特點(diǎn)是直流電源接有很大的濾波電容，從逆變器向直流電源看過去電源內(nèi)阻為很小的電壓源，保證直流電壓穩(wěn)定。

2.輸出電壓波形開關(guān)元件每隔60°電角度按標(biāo)號1、2、3、4、5、6的次序?qū)?，每個(gè)元件導(dǎo)通180°就關(guān)斷，即同一支臂的兩個(gè)元件一個(gè)導(dǎo)通，另一個(gè)關(guān)斷，經(jīng)過360°完成輸出電壓波形的一個(gè)周期。

三相線電壓為120°寬交變方波。圖5-3(a)、(b)、(c)中電壓波形幅值為Ud/2的矩形波。線電壓的有效值：

(5-4)線電壓基波分量有效值：(5-5)

這種變換器向?qū)ΨQ的星形連接的負(fù)載供電，輸出線對中點(diǎn)的電壓即相電壓波形，在每個(gè)周期中有六個(gè)不同狀態(tài)，故稱六階梯波，如圖5-4所示。

圖5-4三相變換器相電壓波形和在每周期的六個(gè)狀態(tài)

狀態(tài)1，0°~60°期間，開關(guān)元件5、6、1導(dǎo)通，相當(dāng)于5、6、1開關(guān)閉合。輸出端U、W接到電源正極，V端接電源負(fù)極，線電壓UUV=Ud，UVW=-Ud，UWU=0，UUN=UWN=+Ud/3，UVN=-Ud/3。依次類推其他5個(gè)狀態(tài)內(nèi)UUN。UVN和UWN波形與UUN一樣，只是時(shí)間上滯后120°和240°。綜上所述，交-直-交變頻原理為頻率不變的交流電源經(jīng)整流器變?yōu)橹绷麟姡俳?jīng)逆變器，在其開關(guān)元件有規(guī)律的導(dǎo)通和關(guān)斷，即每隔60°導(dǎo)通一個(gè)，導(dǎo)通180°后關(guān)斷，一個(gè)周期中變換器輸出的線電壓為方形波，相電壓為六階梯波的交流電。改變元件導(dǎo)通與關(guān)斷的頻率快和慢，就能改變輸出交流電頻率高和低，改變直流環(huán)節(jié)電壓高和低，就能調(diào)節(jié)交流輸出電壓幅值大與小。

5.2.2電流型變換器

1.電路結(jié)構(gòu)電流型變換器的電路原理圖如圖5-7所示，電流型變換器的特點(diǎn)是直流電源接有很大的電感，從逆變器向直流電源看過去電源內(nèi)阻為很大的電流源，保證直流電流基本無脈動。

2．工作原理電流型變換器的基本工作方式是120o

導(dǎo)通方式，即每個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通120o，按VT1到VT6的順序每隔60o依次導(dǎo)通。其變換器輸出電流波形如圖5-8所示。在電流型變換器中，為吸收換相時(shí)負(fù)載電感中的能量，如圖5-7所示，在交流輸出側(cè)加入了電容器。在換相時(shí)，由于負(fù)載電感中的能量給電容充電，從而變換器的輸出電壓出現(xiàn)電壓尖峰。

圖5-8電流型變換器輸出電流波形由電壓型變換器的波形分析可類推得電流型變換器的輸出基波電流有效值為(5-6)5.4脈寬調(diào)制(SPWM)變換器

5.4.1正弦脈寬調(diào)制原理及其優(yōu)點(diǎn)

1．SPWM原理根據(jù)采樣控制理論，沖量相等而形狀不同的窄脈沖作用于慣性系統(tǒng)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同，且脈沖越窄，輸出的差異越小。它表明，慣性系統(tǒng)的輸出響應(yīng)主要取決于系統(tǒng)的沖量，即窄脈沖的面積，而與窄脈沖的形狀無關(guān).圖5-11給出了幾種典型的形狀不同而沖量相同的窄脈沖。他們的面積(沖量)均相同。當(dāng)它們分別作用在同一個(gè)的慣性系統(tǒng)上時(shí)，其輸出響應(yīng)波形基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D5-11(d)所示的單位脈沖函數(shù)時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)則變?yōu)槊}沖過渡函數(shù)。

圖5-11形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖

圖5-12畫出了一正弦波的正半波，并將其劃分為k等分(圖中k＝7)。將每一等分中的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個(gè)與此面積相等的等高矩形波所替代，從而得到一組等效于正弦波的一組等幅不等寬的矩形脈沖的方法稱為逆變器的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)。

3．雙極性調(diào)制

一般將正弦調(diào)制波的幅值與三角載波的峰值之比定義為調(diào)制度M(亦稱調(diào)制比或調(diào)制系數(shù)。

在SPWM變換器中，使用最多的是三相橋式逆變器。三相橋式逆變器一般都采用雙極性控制方式。U、V和W三相的SPWM的控制通常公用一個(gè)三角波載波信號，用三個(gè)相位互差120°的正弦波作為調(diào)制信號，以獲得三相對稱輸出。U、V和W各相功率開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。

三相橋式逆變器

圖5-15三相SPWM波形

3．SPWM的優(yōu)點(diǎn)(1)在一個(gè)可控功率級內(nèi)調(diào)頻、調(diào)壓，簡化了主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)，使裝置的體積小、重量輕、造價(jià)低。(2)直流電壓可由二極管整流獲得，交流電網(wǎng)的輸入功率因數(shù)接近1；如有數(shù)臺裝置，可由同一臺不可控整流器輸出作直流公共母線供電。(3)輸出頻率和電壓都在逆變器內(nèi)控制和調(diào)節(jié)，其響應(yīng)的速度取決于電子控制回路，而與直流回路的濾波參數(shù)無關(guān)，所以調(diào)節(jié)速度快，并且可使調(diào)節(jié)過程中頻率和電壓相配合，以獲得好的動態(tài)性能。（4）輸出電壓或電流波形接近正弦，從而減少諧波分量。

4．關(guān)于SPWM的開關(guān)頻率SPWM調(diào)制后的信號中除了含有調(diào)制信號和頻率很高的載波頻率及載波倍頻附近的頻率分量之外，幾乎不含其它諧波，特別是接近基波的低次諧波。因此，SPWM的開關(guān)頻率愈高，諧波含量愈少。當(dāng)載波頻率越高時(shí)，SPWM的基波就越接近期望的正弦波。但是，SPWM的載波頻率除了受功率器件的允許開關(guān)頻率制約外，開關(guān)器件工作頻率提高，開關(guān)損耗和換流損耗會隨之增加。另外，開關(guān)瞬間電壓或電流的急劇變化形成很大的或，會產(chǎn)生強(qiáng)的電磁干擾；高、還會在線路和器件的分布電容和電感上引起沖擊電流和尖峰電壓

5.4.2同步調(diào)制和異步調(diào)制

在SPWM變換器中，載波頻率與調(diào)制信號頻率之比稱為載波比。根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，SPWM變換器可以有異步調(diào)制和同步調(diào)制兩種控制方式。

1.異步調(diào)制在異步調(diào)制方式中，調(diào)制信號頻率變化時(shí)，通常保持載波頻率固定不變，因而載波比m是變化的。在調(diào)制信號的半個(gè)周期內(nèi)，輸出脈沖的個(gè)數(shù)不固定，脈沖相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對稱。當(dāng)調(diào)制信號頻率較低時(shí)，載波比m較大，半周期內(nèi)的脈沖數(shù)較多，正負(fù)半周期脈沖不對稱和半周期內(nèi)前后1/4周期脈沖不對稱的影響都較小，輸出波形接近正弦波。當(dāng)調(diào)制信號頻率增高時(shí)，載波比m就減小，半周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，輸出脈沖的不對稱性影響就變大，還會出現(xiàn)脈沖的跳動。對于三相SPWM型變換器來說，三相輸出的對稱性也變差。因此，在采用異步調(diào)制方式時(shí)的高頻段，希望盡量提高載波頻率。

2.同步調(diào)制在變頻時(shí)使載波信號和調(diào)制信號的載波比m等于常數(shù)的調(diào)制方式稱為同步調(diào)制。調(diào)制信號半個(gè)周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。為了使一相的波形正、負(fù)半周鏡對稱，同時(shí)使三相輸出波形嚴(yán)格對稱，m應(yīng)取載波比m為3的整數(shù)倍的奇數(shù)。當(dāng)變換器輸出頻率很低時(shí)，因?yàn)樵诎胫芷趦?nèi)輸出脈沖的數(shù)目是固定的，所以由SPWM調(diào)制而產(chǎn)生的諧波頻率也相應(yīng)降低。這種頻率較低的諧波通常不易濾除，如果負(fù)載為電動機(jī)，就會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲。因此，在采用同步調(diào)制方式時(shí)的低頻段，希望盡量提高載波比。

3.分段同步調(diào)制

為了克服上述缺點(diǎn)，通常都采用分段同步調(diào)制的方法，即把變換器的輸出頻率范圍劃分成若干頻段，每個(gè)頻段內(nèi)都保持載波比M為恒定，在輸出頻率的高頻段采用較低的載波比，以使載波頻率不致過高。在輸出頻率的低頻段采用較高的載波比，以使載波頻率不致過低而對負(fù)載產(chǎn)生不利影響。各頻段的載波比應(yīng)該都取3的整數(shù)倍且為奇數(shù)。

提高載波頻率可以使輸出波形更接近正弦波．但載波頻率的提高受到功率開關(guān)器件允許最高頻率的限制。

5.4.3SPWM波形的生成

根據(jù)SPWM變換器的基本原理和控制方法，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點(diǎn)。在交點(diǎn)時(shí)刻對功率開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，這樣就可得到SPWM波形。但這種模擬電路的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。目前SPWM的產(chǎn)生和控制可以用微機(jī)來完成，這里主要介紹幾種用軟件產(chǎn)生SPWM波形的基本算法。

1.自然采樣法

求取開關(guān)時(shí)刻的方程式是超越方程，求解時(shí)需要花費(fèi)較多的計(jì)算時(shí)間，因而難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算。

2.規(guī)則采樣法

規(guī)則采樣法是一種應(yīng)用較廣的工程實(shí)用方法，它的效果接近自然采樣法，但計(jì)算量卻比自然采樣法小得多。實(shí)際應(yīng)用較多的還是采用三角波作為載波的規(guī)則采樣法。在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對正弦調(diào)制波采樣而得到D點(diǎn)，過D點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交于A點(diǎn)和B點(diǎn)，在A點(diǎn)的時(shí)刻tA和B點(diǎn)的時(shí)刻tB控制功率開關(guān)器件的通斷。可以看出，用這種規(guī)則采樣法所得到的脈沖寬度和用自然采樣法所得到的脈沖寬度非常接近。

圖5-19采用三角波載波的規(guī)則采樣法

3．低次諧波消除法以消去SPWM波形中某些主要的低次諧波為目的，通過計(jì)算確定各脈沖的開關(guān)時(shí)刻．這種方法稱為低次諧波捎去法。在這種方法中，已經(jīng)不再比較載波和正弦調(diào)制波，但目的仍是使輸出波形盡可能接近正弦波，因此也算是生成SPWM波形的一種方法。應(yīng)當(dāng)指出，低次諧波消去法可以很好地消除指定的低次諧波，但是剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會相當(dāng)大。不過，因?yàn)槠浯螖?shù)已比所消去的諧波次數(shù)高，因而較容易濾除。

4．跟蹤型SPWM跟蹤型SPWM也不是用載波對正弦波進(jìn)行調(diào)制，而是把希望輸出的電流或電壓作給定信號，與實(shí)際電流或電壓信號進(jìn)行比較，由此來決定逆變器電路功率開關(guān)器件的通斷，使實(shí)際輸出跟蹤給定信號。跟蹤型SPWM變換器中，電流跟蹤控制應(yīng)用較多。主要的有電流滯環(huán)控制型和固定開關(guān)頻率型。

5.4.4微機(jī)控制和專用集成電路

1．微機(jī)軟件生成SPWM在用微機(jī)軟件生成SPWM時(shí)，通常有查表法和實(shí)時(shí)計(jì)算法。查表法是根據(jù)不同的調(diào)制度M和正弦調(diào)制信號的角頻率，先離線計(jì)算出各開關(guān)器件的通斷時(shí)刻，把計(jì)算結(jié)果存于EPROM中，運(yùn)行時(shí)查表讀出需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，該方法所需要的內(nèi)存容量往往較大。實(shí)時(shí)計(jì)算法是在運(yùn)行時(shí)，根據(jù)控制變量進(jìn)行在線計(jì)算求得所需的數(shù)據(jù)。這種方法適用于計(jì)算量不大的場合。實(shí)際所用的方法往往是上述兩種方法的結(jié)合。

2．專用集成電路采用專門產(chǎn)生SPWM波形的大規(guī)模集成電路芯片可簡化控制電路和軟件設(shè)計(jì)，降低成本，提高可靠性。

目前應(yīng)用得較多的SPWM芯片有HEF4752、SLE4520、MA818、8XC196MC。HEF4752芯片可提供三組互差120°的互補(bǔ)輸出SPWM控制脈沖，以供驅(qū)動逆變器六個(gè)功率開關(guān)器件產(chǎn)生對稱的三相輸出，可適用于晶閘管或功率晶體管。該芯片有8段載波比(15、21、30、42、60、84、120、168)自動切換，調(diào)制頻率范圍為0~200Hz，開關(guān)頻率一般不超過2kHz。總之，SPWM控制是變換