第5章 交-直-交变换器 主要内容：电压型和电流型变换器原理；SPWM型变换器。 5.1 简 介 交-直-交变换器就是把工频交流电先通过整流器整流成 直流，而后再通过变换器，把直流电逆变成为频率可 调的交流电。交-直-交变换器可分为电压型和电流型。SPWM型变换 器是给逆变器固定的直流电压，通过开关元件有规律 的导通和关断，得到由宽度不同的脉冲组成的电压波 形，削弱和消除某些高次谐波，得到具有较大基波分 量的正弦输出电压。 5.2 电压型与电流型变换器 5.2.1 电压型变换器 1电路结构 电压型变换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。 2. 输出电压波形开关元件每隔60电角度按标号1、2、3、4、 5、6的次序导通，每个元件导通180就关断 ，即同一支臂的两个元件一个导通，另一个关 断，经过360完成输出电压波形的一个周期 。 图 5- 3 三 相 变 换 器 输 出 电 压 波形 三相线电压为120宽交变方波。图5-3(a)、(b)、(c)中 电压波形幅值为Ud/2的矩形波。 线电压的有效值：(5-4)线电压基波分量有效值：(5-5)这种变换器向对称的星形连接的负载供电，输出线对 中点的电压即相电压波形，在每个周期中有六个不同 状态，故称六阶梯波，如图5-4所示。 图5-4 三相变换器相电压波形和在每周期的六个状态 状态1，060期间，开关元件5、6、1导通，相当于5、6 、1开关闭合。输出端U、W接到电源正极，V端接电源负极 ，线电压UUV=Ud，UVW= -Ud，UWU=0，UUN=UWN=+Ud/3， UVN= -Ud/3。依次类推其他5个状态内UUN。UVN和UWN波形与 UUN一样，只是时间上滞后120和240。综上所述，交-直-交变频原理为频率不变的交流电源经整流 器变为直流电，再经逆变器，在其开关元件有规律的导通和 关断，即每隔60导通一个，导通180后关断，一个周期 中变换器输出的线电压为方形波，相电压为六阶梯波的交流 电。改变元件导通与关断的频率快和慢，就能改变输出交流 电频率高和低，改变直流环节电压高和低，就能调节交流输 出电压幅值大与小。 3. 输出电流波形 图5-6 三相变换器接阻抗负载电压电流波形 5.2.2 电流型变换器 1. 电路结构电流型变换器的电路原理图如图5-7所示，电流型变换 器的特点是直流电源接有很大的电感，从逆变器向直 流电源看过去电源内阻为很大的电流源，保证直流电 流基本无脉动。 2工作原理电流型变换器的基本工作方式是120 导通方式，即每 个开关管导通120，按VT1到VT6的顺序每隔60依次 导通。其变换器输出电流波形如图5-8所示。在电流型变换器中，为吸收换相时负载电感中的能量 ，如图5-7所示，在交流输出侧加入了电容器。在换相 时，由于负载电感中的能量给电容充电，从而变换器 的输出电压出现电压尖峰。 图5-8 电流型变换器输出电流波形由电压型变换器的波形分析可类推得电流型变换器的 输出基波电流有效值为(5-6) 5.3 电压型变换器与电流型 变换器的比较 5.4 脉宽调制(SPWM)变换器 功率晶体管、功率场效应晶体管和绝缘栅双极 型晶体管(BJT、MOSFET、IGBT)是自关断器件 。用它们作开关元件构成的SPWM变换器，可 使装置的体积小、斩波频率高、控制灵活、调 节性能好、成本低。SPWM变换器，简单地说 ，是控制逆变器开关器件的通断顺序和时间分 配规律，在变换器输出端获得等幅、宽度可调 的矩形波。这样的波形可以有多种方法获得。 5.4.1 正弦脉宽调制原理及其优点 1SPWM原理根据采样控制理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲作 用于惯性系统上时，其输出响应基本相同，且脉冲越 窄，输出的差异越小。它表明，惯性系统的输出响应 主要取决于系统的冲量，即窄脉冲的面积，而与窄脉 冲的形状无关. 图5-11给出了几种典型的形状不同而冲量相同的窄脉 冲。他们的面积(冲量)均相同。当它们分别作用在同一 个的惯性系统上时，其输出响应波形基本相同。当窄 脉冲变为图5-11 (d)所示的单位脉冲函数时，系统的响 应则变为脉冲过渡函数。 图5-11 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 图5-12画出了一正弦波的正半波，并将其划分为k等分 (图中k7)。将每一等分中的正弦曲线与横轴所包围 的面积都用一个与此面积相等的等高矩形波所替代， 从而得到一组等效于正弦波的一组等幅不等宽的矩形 脉冲的方法称为逆变器的正弦脉宽调制(SPWM)。 2单极性调制3双极性调制 一般将正弦调制波的幅值与三角载波的峰值之 比定义为调制度M(亦称调制比或调制系数。在SPWM变换器中，使用最多的是三相桥式逆 变器。三相桥式逆变器一般都采用双极性控制 方式。U、V和W三相的SPWM的控制通常公用 一个三角波载波信号，用三个相位互差120 的正弦波作为调制信号，以获得三相对称输出 。U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同 。 三相桥式逆变器 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，使其偏离正弦波 。 图 5- 1 5 三 相 S P W M 波 形 3SPWM的优点(1) 在一个可控功率级内调频、调压，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。(2) 直流电压可由二极管整流获得，交流电网的输入功率 因数接近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。(3) 输出频率和电压都在逆变器内控制和调节，其响应的 速度取决于电子控制回路，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 相配合，以获得好的动态性能。（4）输出电压或电流波形接近正弦，从而减少谐波分量 。 4关于SPWM的开关频率SPWM调制后的信号中除了含有调制信号和频率很高 的载波频率及载波倍频附近的频率分量之外，几乎不 含其它谐波，特别是接近基波的低次谐波。因此， SPWM的开关频率愈高，谐波含量愈少。当载波频率 越高时，SPWM的基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，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 剧变化形成很大的或，会产生强的电磁干扰；高、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 5.4.2 同步调制和异步调制 在SPWM变换器中，载波频率与调制信号频率 之比称为载波比。根据载波和信号波是否同步 及载波比的变化情况，SPWM变换器可以有异 步调制和同步调制两种控制方式。 1. 异步调制在异步调制方式中，调制信号频率变化时，通常保持 载波频率固定不变，因而载波比m是变化的。在调制 信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相 位也不固定，正负半周期的脉冲不对称。 当调制信号频率较低时，载波比m较大，半周期内的 脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后 1/4周期脉冲不对称的影响都较小，输出波形接近正弦 波。当调制信号频率增高时，载波比m就减小，半周 期内的脉冲数减少，输出脉冲的不对称性影响就变大 ，还会出现脉冲的跳动。对于三相SPWM型变换器来 说，三相输出的对称性也变差。因此，在采用异步调 制方式时的高频段，希望尽量提高载波频率。 2. 同步调制在变频时使载波信号和调制信号的载波比m等于常数 的调制方式称为同步调制。调制信号半个周期内输出 的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。为了使一 相的波形正、负半周镜对称，同时使三相输出波形严 格对称，m应取载波比m为3的整数倍的奇数。 当变换器输出频率很低时，因为在半周期内输出脉冲 的数目是固定的，所以由SPWM调制而产生的谐波频 率也相应降低。这种频率较低的谐波通常不易滤除， 如果负载为电动机，就会产生较大的转矩脉动和噪声 。因此，在采用同步调制方式时的低频段，希望尽量 提高载波比。 3. 分段同步调制 为了克服上述缺点，通常都采用分段同步调制的方 法，即把变换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M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，以使载波频率不致 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 。 5.4.3 SPWM波形的生成 根据SPWM变换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。 目前SPWM的产生和控制可以用微机来完成，这里主要介绍几种用软件产生SPWM波形的基本算法。 1. 自然采样法 求取开关时刻的方 程式是超越方程， 求解时需要花费较 多的计算时间，因 而难以在实时控制 中在线计算。 2. 规则采样法规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，它的效 果接近自然采样法，但计算量却比自然采样法小得多 。实际应用较多的还是采用三角波作为载波的规则采样 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。 图 5- 19 采 用 三 角 波 载 波 的 规 则 采 样法 3低次谐波消除法以消去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 波捎去法。在这种方法中，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。 4跟踪型SPWM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。跟踪型SPWM变换器中，电流跟踪控制应用较多。主要的有电流滞环控制型和固定开关频率型。 5.4.4 微机控制和专用集成电路 1微机软件生成SPWM 在用微机软件生成SPWM时，通常有查表法和实时计算 法。查表法是根据不同的调制度M和正弦调制信号的角 频率，先离线计算出各开关器件的通断时刻，把计算结 果存于EPROM中，运行时查表读出需要的数据进行实 时控制，该方法所需要的内存容量往往较大。实时计算 法是在运行时，根据控制变量进行在线计算求得所需的 数据。这种方法适用于计算量不大的场合。实际所用的 方法往往是上述两种方法的结合。 2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。 目前应用得较多的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