第4章 逆變電路(4)

1、1濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 第四章直流/ /交流逆變器 復(fù)習(xí)上節(jié)內(nèi)容復(fù)習(xí)上節(jié)內(nèi)容 一、一、PWM逆變電路及其控制方法逆變電路及其控制方法 1. 計(jì)算法計(jì)算法2. 調(diào)制法調(diào)制法 把希望把希望輸出輸出的波形作為的波形作為調(diào)制信號調(diào)制信號，把接受調(diào)制的，把接受調(diào)制的 信號作為信號作為載波載波，通過信號波的調(diào)制得到所期望的，通過信號波的調(diào)制得到所期望的 PWM波形。波形。 2濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 1）單極性）單極性PWM控制方式控制方式 單極性單極性PWMPWM控制方式波形控制方式波形 在在ur和和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制的交點(diǎn)時(shí)刻控制 IGBT的通斷的通斷 3濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物

2、理學(xué)院 在在ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波的半個(gè)周期內(nèi)，三角波 載波有正有負(fù)，所得載波有正有負(fù)，所得PWM 波也有正有負(fù)，其幅值只有波也有正有負(fù)，其幅值只有 Ud 兩種電平。兩種電平。 雙極性雙極性PWMPWM控制方式波形控制方式波形 oof d 2） 雙極性雙極性PWM控制方式控制方式 4濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 3. 雙極性雙極性PWM控制方式控制方式（三相橋逆變）（三相橋逆變） 三相橋式三相橋式PWM型逆變電路型逆變電路 4. 特定諧波消去法特定諧波消去法 二、異步調(diào)制和同步調(diào)制二、異步調(diào)制和同步調(diào)制 5濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 三、三、規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 按照按照SPWM控

3、制的基本原控制的基本原 理理 產(chǎn)生的產(chǎn)生的PWM波的方法，其波的方法，其 求解復(fù)雜，難以在實(shí)時(shí)控制中求解復(fù)雜，難以在實(shí)時(shí)控制中 在線計(jì)算，工程應(yīng)用不多。在線計(jì)算，工程應(yīng)用不多。 u u O t u AD B Ot 22 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 4-30 1. 自然采樣法：自然采樣法： 在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)在正弦波和三角波的自然交點(diǎn) 時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷，時(shí)刻控制功率開關(guān)器件的通斷， 這種生成這種生成SPWM波形的方法波形的方法 稱為稱為自然采樣法自然采樣法。 6濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 2. 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 工程實(shí)用方法，效果接近自工程實(shí)用方法，效果接近自 然采樣法，計(jì)

4、算量小得多。然采樣法，計(jì)算量小得多。 u u O t u AD B Ot 22 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 方法說明：方法說明： 取三角波兩個(gè)正峰值之間為取三角波兩個(gè)正峰值之間為 一個(gè)采樣周期一個(gè)采樣周期Tc 。使每使每 個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的 三角波中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）三角波中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)） 為對稱。為對稱。 7濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 在三角波的負(fù)峰時(shí)刻在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對對 正弦信號波采樣而得到正弦信號波采樣而得到D點(diǎn)，過點(diǎn)，過 D點(diǎn)作一水平直線和三角波分別點(diǎn)作一水平直線和三角波分別 交于交于A點(diǎn)和點(diǎn)和B點(diǎn)，在點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻點(diǎn)時(shí)刻tA和和 B點(diǎn)時(shí)刻點(diǎn)時(shí)刻tB控制功

5、率開關(guān)器件的控制功率開關(guān)器件的 通斷。通斷。 可以看出，用這種規(guī)則可以看出，用這種規(guī)則 采樣法得到的采樣法得到的脈沖寬度脈沖寬度 和用自和用自 然采樣法得到的脈沖寬度非常然采樣法得到的脈沖寬度非常 接近。接近。 u O t AD B Ot 22 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 4-7 8濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 3. 規(guī)則采樣法計(jì)算公式推導(dǎo)規(guī)則采樣法計(jì)算公式推導(dǎo) 正弦調(diào)制信號波正弦調(diào)制信號波 ur a sin rt 三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度 a稱為稱為調(diào)制度調(diào)制度，0a1； r為信號波角頻率為信號波角頻率 從圖從圖可可得得： u O t AD B Ot u

6、 ttt 22 規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 2/ 2 2/ sin1 c Dr T ta )sin1 ( 2 Dr c ta T )sin1 ( 4 )( 2 1 Dr c c ta T T 9濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 三角波載波公用，三相正弦調(diào)制波三角波載波公用，三相正弦調(diào)制波 相位依次差相位依次差120 利用以上兩式可簡化三相利用以上兩式可簡化三相SPWM波的計(jì)算波的計(jì)算 4. 三相橋逆變電路三相橋逆變電路 同一三角波周期內(nèi)三相的脈寬分別為同一三角波周期內(nèi)三相的脈寬分別為U、V和和 W，脈沖兩邊的間隙寬度分別為，脈沖兩邊的間隙寬度分別為 U、 V和和 W，同一時(shí)刻三相調(diào)制波電壓之和為零，

7、由式，同一時(shí)刻三相調(diào)制波電壓之和為零，由式可可 得：得： 2 3 c WVU T 4 3 c WVU T 10濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 5. PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析 使用載波對正弦信號波調(diào)制，會(huì)產(chǎn)生和載波有關(guān)使用載波對正弦信號波調(diào)制，會(huì)產(chǎn)生和載波有關(guān) 的諧波分量。的諧波分量。 諧波諧波頻率和幅值頻率和幅值是衡量是衡量PWM逆變電路性能的重要逆變電路性能的重要 指標(biāo)之一。指標(biāo)之一。 雙極性雙極性PWMPWM控制方式波控制方式波 形形 o 單極性單極性PWMPWM控制方式波形控制方式波形 u O O u o U d 11濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 分析以分析以雙極

8、性雙極性SPWM波形為準(zhǔn)。波形為準(zhǔn)。 同步調(diào)制可看成同步調(diào)制可看成 異步調(diào)制的異步調(diào)制的特殊特殊情況，只分析異步調(diào)制方式。情況，只分析異步調(diào)制方式。 分析方法：分析方法： 以載波周期為基礎(chǔ)，再利用以載波周期為基礎(chǔ)，再利用貝塞爾函數(shù)貝塞爾函數(shù)推導(dǎo)出推導(dǎo)出 PWM波的波的傅里葉級數(shù)傅里葉級數(shù)表達(dá)式。表達(dá)式。 盡管分析過程復(fù)雜，但結(jié)論簡單而直觀。盡管分析過程復(fù)雜，但結(jié)論簡單而直觀。 12濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 1）單相的分析結(jié)果）單相的分析結(jié)果 圖圖中中，不同，不同a時(shí)單相橋時(shí)單相橋 式式PWM逆變電路輸出逆變電路輸出 電壓頻譜圖。電壓頻譜圖。 諧波角頻率為諧波角頻率為: nc kr (6

9、 -10) 式中，n=1,3,5,時(shí)，k=0,2,4, ； n=2,4,6,時(shí)，k=1,3,5, PWM波中不含低次諧波，只含波中不含低次諧波，只含 c及其附近的諧波以及及其附近的諧波以及2 c、 3 c等及其附近的諧波。等及其附近的諧波。 +k)角頻率 (n 1 0 02+ - 123 4+ - 02+ - 4+ - 01+ - 3+ - 5+ - 諧波振幅 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 k n a=1.0 a=0.8 a=0.5 a=0 13濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 2）三相的分析結(jié)果）三相的分析結(jié)果 公用載波信號時(shí)的情況公用載波信號時(shí)的情況 圖圖示示，不

10、同，不同a時(shí)三相橋式時(shí)三相橋式 PWM逆變電路輸出電逆變電路輸出電 壓壓頻譜圖頻譜圖。 公用載波信號時(shí)的情公用載波信號時(shí)的情 況。況。 輸出線電壓中的輸出線電壓中的諧波諧波 角頻率角頻率為為 nc kr式中，n=1,3,5,時(shí)，k=3(2m1)1， m=1,2,； n=2,4,6,時(shí)，k 1 0 02+ - 123 4+ - 02+ - 4+ - 01+ - 3+ - 5+ - 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 k n a=1.0 a=0.8 a=0.5 a=0 角頻率 (n c +kr) 諧波振幅 14濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 u三相和單相比較，共同點(diǎn)是都三相和單相比較

11、，共同點(diǎn)是都不含低次諧波不含低次諧波，一個(gè)，一個(gè) 較顯著的區(qū)別是載波角頻率較顯著的區(qū)別是載波角頻率 c整數(shù)倍的諧波沒有了，整數(shù)倍的諧波沒有了， 諧波中幅值較高的是諧波中幅值較高的是 c2 r和和2 c r。 諧波分析小結(jié)諧波分析小結(jié) uSPWM波中諧波主要是角頻率為波中諧波主要是角頻率為 c、2 c及其附近及其附近 的諧波，很的諧波，很容易濾除容易濾除。 u當(dāng)調(diào)制信號波當(dāng)調(diào)制信號波不是正弦波不是正弦波時(shí)，諧波由時(shí)，諧波由兩部分兩部分組成：組成： 一部分是對一部分是對信號波本身信號波本身進(jìn)行諧波分析所得的結(jié)果，另進(jìn)行諧波分析所得的結(jié)果，另 一部分是由于一部分是由于信號波信號波對對載波載波的的調(diào)制

12、調(diào)制而產(chǎn)生的諧波。后而產(chǎn)生的諧波。后 者的諧波分布情況和者的諧波分布情況和SPWM波的諧波分析一致。波的諧波分析一致。 15濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 4.5 PWM跟蹤控制技術(shù)跟蹤控制技術(shù) PWM波形生成的第三種方法波形生成的第三種方法跟蹤控制方法跟蹤控制方法。 把希望輸出的波形作為把希望輸出的波形作為指令信號指令信號，把實(shí)際波，把實(shí)際波 形作為形作為反饋信號反饋信號，通過兩者的瞬時(shí)值，通過兩者的瞬時(shí)值比較比較來決定來決定 逆變電路各開關(guān)器件的逆變電路各開關(guān)器件的通斷通斷，使實(shí)際的輸出跟蹤，使實(shí)際的輸出跟蹤 指令信號變化。指令信號變化。 常用的有常用的有滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式和和三角

13、波比較方式三角波比較方式。 16濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 4.5.1 滯環(huán)比較方式滯環(huán)比較方式 滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例 tO i ii* +D Ii* -D Ii* 滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流 在滯環(huán)比較方式中，在滯環(huán)比較方式中，電流跟蹤電流跟蹤 控制控制應(yīng)用最多。應(yīng)用最多。 PWM電流跟蹤控制單相半電流跟蹤控制單相半 橋式逆變電路為例討論橋式逆變電路為例討論 把把指令電流指令電流i*和和實(shí)際輸出電實(shí)際輸出電 流流i的偏差的偏差i*-i作為帶有滯環(huán)特作為帶有滯環(huán)特 性的比較器的輸入，通過其輸性的比較器的輸入，通過其

14、輸 出來控制功率器件出來控制功率器件V1和和V2的通的通 斷。斷。 17濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 控制規(guī)律控制規(guī)律 當(dāng)當(dāng)V1（或（或VD1）導(dǎo)通）導(dǎo)通 時(shí)，時(shí)，i 增大。增大。 當(dāng)當(dāng)V2（或（或VD2）導(dǎo)通）導(dǎo)通 時(shí)，時(shí)，i 減小。減小。 通過通過環(huán)寬環(huán)寬為為2I 的滯的滯 環(huán)比較器的控制，環(huán)比較器的控制，i就就 在在i*+I和和i*-I的范圍的范圍 內(nèi)，呈內(nèi)，呈鋸齒狀鋸齒狀地跟蹤地跟蹤 指令電流指令電流i*。 圖圖7-24 滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例 tO i ii* +D Ii* -D Ii* 圖圖7-25 滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流滯環(huán)比較方式

15、的指令電流和輸出電流 18濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 環(huán)寬過寬環(huán)寬過寬時(shí)，開關(guān)頻時(shí)，開關(guān)頻 率低，跟蹤誤差大；率低，跟蹤誤差大； 環(huán)寬過窄環(huán)寬過窄時(shí)，跟蹤誤時(shí)，跟蹤誤 差小，但開關(guān)頻率過差小，但開關(guān)頻率過 高，開關(guān)損耗增大。高，開關(guān)損耗增大。 L大時(shí)，大時(shí)，i 的變化率小，的變化率小， 跟蹤慢；跟蹤慢；L小時(shí)，小時(shí)，i 的的 變化率大，開關(guān)頻率變化率大，開關(guān)頻率 過高。過高。 圖圖7-24 滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例 tO i ii* +D Ii* -D Ii* 圖圖7-25 滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流 19濟(jì)南大學(xué)物理

16、學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 三相電流跟蹤型三相電流跟蹤型PWM逆變電路逆變電路 滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流 三相電流跟蹤型三相電流跟蹤型PWM逆變電路逆變電路 由三個(gè)單相半橋電路組成，由三個(gè)單相半橋電路組成， 三相電流指令信號三相電流指令信號i*U、i*V和和 i*W依次相差依次相差120。 在線電壓的正半周和負(fù)半在線電壓的正半周和負(fù)半 周內(nèi)，都有極性相反的脈沖周內(nèi)，都有極性相反的脈沖 輸出，這將使輸出，這將使輸出電壓中的輸出電壓中的 諧波分量諧波分量增大，也使增大，也使負(fù)載的負(fù)載的 諧波損耗諧波損耗增加。增加。 20濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 采用滯環(huán)比

17、較方式的采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型電流跟蹤型 PWM變流電路有如下特點(diǎn)變流電路有如下特點(diǎn) 硬件電路簡單。硬件電路簡單。 實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快。實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快。 不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻 率的諧波。率的諧波。 和計(jì)算法及調(diào)制法相比，相同開關(guān)頻率和計(jì)算法及調(diào)制法相比，相同開關(guān)頻率 時(shí)輸出電流中時(shí)輸出電流中高次諧波高次諧波含量含量多多。 屬于屬于閉環(huán)控制閉環(huán)控制，是各種跟蹤型，是各種跟蹤型PWM變流變流 電路的共同特點(diǎn)。電路的共同特點(diǎn)。 21濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 電壓跟蹤控制電路舉例電壓跟蹤控制電路舉例 電壓電壓跟蹤控制跟蹤控制 把把指

18、令電壓指令電壓u*和和輸出電壓輸出電壓u進(jìn)行比較，濾除偏差進(jìn)行比較，濾除偏差 信號中的諧波，濾波器的輸出送入滯環(huán)比較器，信號中的諧波，濾波器的輸出送入滯環(huán)比較器， 由比較器輸出控制開關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電由比較器輸出控制開關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電 壓跟蹤控制。壓跟蹤控制。 22濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 輸出電壓輸出電壓PWM波形中含波形中含大量大量高次諧波高次諧波，必須，必須 用適當(dāng)?shù)臑V波器濾除。用適當(dāng)?shù)臑V波器濾除。 u*=0時(shí)，輸出電壓時(shí)，輸出電壓u為為頻率較高頻率較高的的矩形波矩形波，相，相 當(dāng)于一個(gè)自勵(lì)振蕩電路。當(dāng)于一個(gè)自勵(lì)振蕩電路。 u*為直流信號為直流信號時(shí)，時(shí)，u產(chǎn)生直流

19、偏移，變?yōu)檎?fù)產(chǎn)生直流偏移，變?yōu)檎?fù) 脈沖寬度不等，正寬負(fù)窄或正窄負(fù)寬的矩形波。脈沖寬度不等，正寬負(fù)窄或正窄負(fù)寬的矩形波。 u*為交流信號為交流信號時(shí)，只要其時(shí)，只要其頻率頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低低于上述于上述自自 勵(lì)振蕩頻率勵(lì)振蕩頻率，從，從u中濾除由器件通斷產(chǎn)生的高次諧中濾除由器件通斷產(chǎn)生的高次諧 波后，所得的波形就幾乎和波后，所得的波形就幾乎和u* 相同，從而實(shí)現(xiàn)電相同，從而實(shí)現(xiàn)電 壓跟蹤控制。壓跟蹤控制。 電壓跟蹤控制的特點(diǎn)電壓跟蹤控制的特點(diǎn) 23濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 4.5.2 三角波比較方式三角波比較方式 三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路 把把指令電流

20、指令電流i*U、i*V和和 i*W和逆變電路實(shí)際輸出的和逆變電路實(shí)際輸出的 電流電流iU、iV、iW進(jìn)行比較，進(jìn)行比較， 求出偏差電流，通過求出偏差電流，通過放大器放大器 A放大后，再去和三角波進(jìn)放大后，再去和三角波進(jìn) 行比較，產(chǎn)生行比較，產(chǎn)生PWM波形。波形。 放大器放大器A通常具有通常具有比例比例 積分特性或比例特性積分特性或比例特性，其系，其系 數(shù)直接影響著逆變電路的電數(shù)直接影響著逆變電路的電 流跟蹤特性。流跟蹤特性。 24濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 三角波比較方式三角波比較方式的特點(diǎn)的特點(diǎn) 圖圖7-29 三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路 開關(guān)頻率固

21、定，等于開關(guān)頻率固定，等于 載波頻率，高頻濾波器設(shè)載波頻率，高頻濾波器設(shè) 計(jì)方便。計(jì)方便。 為改善輸出電壓波為改善輸出電壓波 形，三角波載波常用形，三角波載波常用三相三相 三角波三角波載波。載波。 和滯環(huán)比較控制方和滯環(huán)比較控制方 式相比，這種控制方式輸式相比，這種控制方式輸 出電流所含的出電流所含的諧波少諧波少。 25濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 4.5.3 定時(shí)比較方式定時(shí)比較方式 不用滯環(huán)比較器，而是設(shè)置一個(gè)不用滯環(huán)比較器，而是設(shè)置一個(gè)固定的時(shí)鐘固定的時(shí)鐘。 以以固定的采樣周期固定的采樣周期對指令信號和被控制變量進(jìn)對指令信號和被控制變量進(jìn) 行采樣，并根據(jù)二者偏差的極性來控制變流電路行

22、采樣，并根據(jù)二者偏差的極性來控制變流電路 開關(guān)器件的通斷，使被控制量跟蹤指令信號。開關(guān)器件的通斷，使被控制量跟蹤指令信號。 26濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 以單相半橋逆變電路為例，在時(shí)鐘信號到來的采以單相半橋逆變電路為例，在時(shí)鐘信號到來的采 樣時(shí)刻樣時(shí)刻 如如ii*，V1關(guān)斷，關(guān)斷，V2導(dǎo)通，使導(dǎo)通，使i減小。減小。 每個(gè)采樣時(shí)刻的控制作用都使實(shí)際電流與指令每個(gè)采樣時(shí)刻的控制作用都使實(shí)際電流與指令 電流的誤差減小。電流的誤差減小。 采用定時(shí)比較方式時(shí)，器件的最高開關(guān)頻率為采用定時(shí)比較方式時(shí)，器件的最高開關(guān)頻率為 時(shí)鐘頻率的時(shí)鐘頻率的1/2。 和滯環(huán)比較方式相比，電流控制誤差沒有一定和滯環(huán)

23、比較方式相比，電流控制誤差沒有一定 的環(huán)寬，控制的精度低一些。的環(huán)寬，控制的精度低一些。 27濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 4.6 PWM整流電路及其控制方法整流電路及其控制方法 實(shí)際應(yīng)用的整流電路幾乎都是晶閘管相控整流電實(shí)際應(yīng)用的整流電路幾乎都是晶閘管相控整流電 路或二極管整流電路。路或二極管整流電路。 隨著觸發(fā)延遲角隨著觸發(fā)延遲角 的增大，的增大，位移因數(shù)位移因數(shù)降低。降低。 輸入電流中諧波分量相當(dāng)大，功率因數(shù)很低。輸入電流中諧波分量相當(dāng)大，功率因數(shù)很低。 把逆變電路中的把逆變電路中的SPWM控制技術(shù)用于整流電路，控制技術(shù)用于整流電路， 就形成了就形成了PWM整流電路整流電路。 通過對

24、通過對PWM整流電路的適當(dāng)控制，可以使其輸整流電路的適當(dāng)控制，可以使其輸 入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位， 功率因數(shù)近似為功率因數(shù)近似為1。 也稱為單位功率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整也稱為單位功率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整 流器。流器。 28濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 4.6.1 PWM整流電路的工作原理整流電路的工作原理 圖圖7-30 單相單相PWM整流電路整流電路 a)單相半橋電路單相半橋電路 b)單相全橋電路單相全橋電路 可分為可分為電壓型電壓型和和電流型電流型兩兩 大類，目前研究和應(yīng)用較多大類，目前研究和應(yīng)用較多 的是電壓型的是

25、電壓型PWM整流電路。整流電路。 單相單相PWM整流電路整流電路 對于半橋電路來說，直對于半橋電路來說，直 流側(cè)電容必須由流側(cè)電容必須由兩個(gè)電容兩個(gè)電容串串 聯(lián)，其中點(diǎn)和交流電源連接，聯(lián)，其中點(diǎn)和交流電源連接， 對于全橋電路來說，直流側(cè)對于全橋電路來說，直流側(cè) 電容只要電容只要一個(gè)一個(gè)就可以了。就可以了。 29濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 4.6.1 PWM整流電路的工作原理整流電路的工作原理 圖圖7-30 單相單相PWM整流電路整流電路 a)單相半橋電路單相半橋電路 b)單相全橋電路單相全橋電路 工作原理（以全橋電路工作原理（以全橋電路 為例）為例） 按照正弦信號波和按照正弦信號波和 三

26、角波相比較的方法對圖三角波相比較的方法對圖 7-30b中的中的V1V4進(jìn)行進(jìn)行 SPWM控制，就可以在控制，就可以在 橋的交流輸入端橋的交流輸入端AB產(chǎn)生產(chǎn)生 一個(gè)一個(gè)SPWM波波uAB。 包括外接電抗器包括外接電抗器 的電感和交流電的電感和交流電 源內(nèi)部電感，是源內(nèi)部電感，是 電路正常工作所電路正常工作所 必須的。必須的。 30濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 圖圖7-30 單相單相PWM整流電路整流電路 單相全橋電路單相全橋電路 uAB中含有和正弦信號波中含有和正弦信號波 同頻率且幅值成比例的同頻率且幅值成比例的基波基波 分量分量，以及和三角波載波有，以及和三角波載波有 關(guān)的頻率很高的關(guān)的

27、頻率很高的諧波諧波，而不，而不 含有含有低次諧波低次諧波。 由于由于Ls的濾波作用，的濾波作用， is脈動(dòng)很小脈動(dòng)很小，可以忽略，所，可以忽略，所 以當(dāng)正弦信號波的頻率和電以當(dāng)正弦信號波的頻率和電 源頻率相同時(shí)，源頻率相同時(shí)，is也為與電也為與電 源頻率相同的正弦波。源頻率相同的正弦波。 31濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 圖圖7-31 PWM整流電路的運(yùn)整流電路的運(yùn) 行方式相量圖行方式相量圖 a) 整流運(yùn)行整流運(yùn)行 b) 逆變運(yùn)行逆變運(yùn)行 c) 無功補(bǔ)償運(yùn)行無功補(bǔ)償運(yùn)行 d) 超前角為超前角為 在在us一定的情況下，一定的情況下，is 的的幅值幅值和和相位相位僅由僅由uAB中中 基波分量基

28、波分量uABf的幅值的幅值及其及其 與與us的相位差的相位差來決定，來決定， 改變改變uABf的幅值和相位，的幅值和相位， 就可以使就可以使is和和us同相位、同相位、 反相位，反相位，is比比us超前超前90, 或使或使is與與us的相位差為所的相位差為所 需要的角度。需要的角度。 32濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 b) 逆變運(yùn)行逆變運(yùn)行 a) 整流運(yùn)行整流運(yùn)行 圖圖a中，中，UAB滯后滯后US的的 相角為相角為 ，IS和和US完全同完全同 相位，電路工作在相位，電路工作在整流整流 狀態(tài)狀態(tài)，且功率因數(shù)為，且功率因數(shù)為1， 是是PWM整流電路最基本整流電路最基本 的工作狀態(tài)。的工作狀態(tài)。

29、 圖圖b中中UAB超前超前US的相的相 角為角為 ，IS和和US的相位正的相位正 好相反，電路工作在好相反，電路工作在逆逆 變狀態(tài)變狀態(tài)，說明，說明PWM整流整流 電路可以實(shí)現(xiàn)能量正反電路可以實(shí)現(xiàn)能量正反 兩個(gè)方向的流動(dòng)兩個(gè)方向的流動(dòng) 。 33濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 圖圖c中中UAB滯后滯后US的相角的相角 為為 ，IS超前超前US90， 電路在向交流電源送出電路在向交流電源送出 無功功率，這時(shí)的電路無功功率，這時(shí)的電路 被稱為被稱為靜止無功功率發(fā)靜止無功功率發(fā) 生器（生器（Static Var GeneratorSVG）。 在圖在圖d的情況下，通過的情況下，通過 對對UAB幅值和相

30、位的控幅值和相位的控 制，可以使制，可以使IS比比US 超前超前 或滯后任一角度或滯后任一角度 。 c) 無功補(bǔ)償運(yùn)行無功補(bǔ)償運(yùn)行 d) 超前角為超前角為 34濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 圖圖7-30 b)單相全橋電路單相全橋電路 整流運(yùn)行狀態(tài)整流運(yùn)行狀態(tài) 當(dāng)當(dāng)us0時(shí)，由時(shí)，由V2、VD4、VD1、Ls和和V3、VD1、 VD4、Ls分別組成了兩個(gè)分別組成了兩個(gè)升壓斬波電路升壓斬波電路。 以包含以包含V2的升壓斬波電路為例，當(dāng)?shù)纳龎簲夭娐窞槔?，?dāng)V2導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)， us通過通過V2、VD4向向Ls儲(chǔ)能，當(dāng)儲(chǔ)能，當(dāng)V2關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷時(shí)，Ls中儲(chǔ)存中儲(chǔ)存 的能量通過的能量通過VD1、VD

31、4向直流側(cè)電容向直流側(cè)電容C充電。充電。 當(dāng)當(dāng)us0時(shí)類似。時(shí)類似。 35濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 圖圖7-30 b)單相全橋電路單相全橋電路 電壓型電壓型PWM整流電路是整流電路是升壓型整流電路升壓型整流電路，其，其 輸出直流電壓可以從交流電源電壓峰值附近向高調(diào)輸出直流電壓可以從交流電源電壓峰值附近向高調(diào) 節(jié)，使用時(shí)要注意電力半導(dǎo)體器件的保護(hù)；同時(shí)也節(jié)，使用時(shí)要注意電力半導(dǎo)體器件的保護(hù)；同時(shí)也 要注意，向低調(diào)節(jié)就會(huì)使電路性能惡化，以至不能要注意，向低調(diào)節(jié)就會(huì)使電路性能惡化，以至不能 工作。工作。 36濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 4.6.2 PWM整流電路的控制方法整流電路的控制

32、方法 為了使為了使PWM整流電路工作在功率因數(shù)近似為整流電路工作在功率因數(shù)近似為1， 即要求輸入即要求輸入電流電流為正弦波且與為正弦波且與電壓同相位電壓同相位，可以，可以 有多種方法。有多種方法。 根據(jù)有沒有引入根據(jù)有沒有引入電流反饋電流反饋可以將這些控制方法可以將這些控制方法 分為兩種，沒有引入交流電流反饋的稱為分為兩種，沒有引入交流電流反饋的稱為間接電間接電 流控制流控制，引入交流電流反饋的稱為，引入交流電流反饋的稱為直接電流控制直接電流控制。 a) 整流運(yùn)行整流運(yùn)行 37濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 間接電流控制間接電流控制 ： 也稱為也稱為相位和幅值控制相位和幅值控制，按照圖，按照

33、圖7-31a的相量的相量 關(guān)系來控制整流橋交流輸入端電壓，使得輸入電關(guān)系來控制整流橋交流輸入端電壓，使得輸入電 流和電壓同相位，從而得到功率因數(shù)為流和電壓同相位，從而得到功率因數(shù)為1的控制效的控制效 果。果。 1. 間接電流控制間接電流控制 a) 整流運(yùn)行整流運(yùn)行 38濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 控制系統(tǒng)的閉環(huán)是整流器直流側(cè)控制系統(tǒng)的閉環(huán)是整流器直流側(cè)電壓控制環(huán)電壓控制環(huán)。 間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 控制原理控制原理 和實(shí)際的直流電壓和實(shí)際的直流電壓ud比較后送入比較后送入PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器， PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)器的輸出輸出為一為一直流電流信號直流電流信號id，id的大小和的

34、大小和 整流器交流輸入電流幅值成正比。整流器交流輸入電流幅值成正比。 * d u 39濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 穩(wěn)態(tài)時(shí)，穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud= u*d ，PI調(diào)節(jié)器輸入為零，調(diào)節(jié)器輸入為零，PI 調(diào)節(jié)器的輸出調(diào)節(jié)器的輸出id和和負(fù)載電流大小對應(yīng)負(fù)載電流大小對應(yīng)，也和交流輸，也和交流輸 入電流幅值相對應(yīng)。入電流幅值相對應(yīng)。 間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 40濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 負(fù)載電流增大時(shí)，負(fù)載電流增大時(shí)，C放電而使放電而使ud下降，下降，PI的輸?shù)妮?入端出現(xiàn)正偏差，使其輸出入端出現(xiàn)正偏差，使其輸出id增大，進(jìn)而使交流輸增大，進(jìn)而使交流輸 入電流增大，也使入電流增大

35、，也使ud回升；達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，回升；達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時(shí)，ud和和 u*d 相等，相等，PI調(diào)節(jié)器輸入仍恢復(fù)到零，而調(diào)節(jié)器輸入仍恢復(fù)到零，而id則穩(wěn)定為則穩(wěn)定為 新的較大的值，與較大的負(fù)載電流和較大的交流輸新的較大的值，與較大的負(fù)載電流和較大的交流輸 入電流對應(yīng)。入電流對應(yīng)。 負(fù)載電流減小時(shí)，調(diào)節(jié)過程和上述過程相反。負(fù)載電流減小時(shí)，調(diào)節(jié)過程和上述過程相反。 間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 41濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 圖圖7-33 間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 控制系統(tǒng)中其余部分的工作原理控制系統(tǒng)中其余部分的工作原理 圖中圖中上面的乘法器上面的乘法器是是id分別乘以和

36、分別乘以和a、b、c三相相電壓三相相電壓 同相位的正弦信號，再乘以電阻同相位的正弦信號，再乘以電阻R，得到各相電流在，得到各相電流在Rs上上 的壓降的壓降uRa、uRb和和uRc。 圖中圖中下面的乘法器下面的乘法器是是id分別乘以比分別乘以比a、b、c三相相電壓三相相電壓 相位超前相位超前 /2的余弦信號，再乘以電感的余弦信號，再乘以電感L的感抗，得到各相的感抗，得到各相 電流在電感電流在電感Ls上的壓降上的壓降uLa、uLb和和uLc。 42濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 各相電源相電壓各相電源相電壓ua、ub、uc分別減去前面求得分別減去前面求得 的輸入電流在電阻的輸入電流在電阻R和電感和電感L上的壓降，就可得到上的壓降，就可得到 所需要的交流輸入端各相的相電壓所需要的交流輸入端各相的相電壓uA、uB和和uC的的 信號，用該信號對信號，用該信號對三角波載波三角波載波進(jìn)行調(diào)制，得到進(jìn)行調(diào)制，得到 PWM開關(guān)信號去控制整流橋，就可以得到需要的開關(guān)信號去控制整流橋，就可以得到需要的 控制效果?？刂菩Ч?圖圖7-33 間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)間接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 43濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院濟(jì)南大學(xué)物理學(xué)院 圖圖7-34 直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖直接電流控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 通過運(yùn)算