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SPWM逆變電路原理

 共同成長888 2014-01-07
SPWM逆變電路原理
SPWM Inverter Principle

對于大多數(shù)應(yīng)用場合需要的是工頻電源,例如我們的電冰箱,洗衣機(jī),電風(fēng)扇等都需要正弦波的220伏、50赫茲電源,各種動力設(shè)備,遠(yuǎn)距離輸電也都需要正弦波的交流電。更多的太陽能光伏發(fā)電裝置輸出的是正弦波交流電,目前生成正弦波仍采用前面介紹的全橋電路,只是對開關(guān)晶體管的控制采用PWM脈寬調(diào)制或移相控制或調(diào)頻控制等方式。這里僅介紹最常用的PWM脈寬調(diào)制方式。

   面積等效原理轉(zhuǎn)換

把直流電轉(zhuǎn)換成正弦波交流電是根據(jù)根據(jù)面積等效原理,在圖1上圖中的正弦半波(紅線)分成n等份,把正弦半波看成是由n個彼此相連的矩形脈沖組成的波形,為簡單清晰,劃分為7等份。7個脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化,每個脈沖面積與相對應(yīng)的正弦波部分面積相同,這一連續(xù)脈沖就等效正弦波。

用面積等效原理轉(zhuǎn)換為SPWM波形

圖1  用面積等效原理轉(zhuǎn)換為SPWM波形

如果把上述脈沖序列改為相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖(圖1下圖),脈沖中心位置不變,并且使該矩形脈沖面積和上圖對應(yīng)的矩形脈沖相同,得到圖1下圖所示的脈沖序列,脈沖寬度按正弦波規(guī)律變化,這就是PWM波形。根據(jù)面積等效原理,PWM波形和正弦半波是等效的,圖中紅線就是該序列波形的平均值。

對于正弦波的負(fù)半周,也可以用同樣的方法得到PWM 波形。這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形,也稱SPWM波形。要改變等效輸出的正弦波的幅值時,只需按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。

   SPWM波形的生成
輸出SPWM波形仍需全橋逆變電路,在“光伏用DC-DC變換器”課件中已介紹過這種電路,通過控制開關(guān)晶體管的通與斷在負(fù)載上產(chǎn)生交變電壓,見圖2。

圖2 全橋逆變電路的工作狀態(tài)

輸出SPWM波形的矩形波必須生成序列的控制信號來控制橋式電路中開關(guān)晶體管的通與斷,普遍使用的是調(diào)制法來生成控制信號,可采取單極性調(diào)制也可采用雙極性調(diào)制來生成控制信號,下面介紹常用的單極性調(diào)制方式。

圖3上部分是SPWM波形控制信號生成的原理圖,下部分是生成的SPWM波形。在調(diào)制法中,把所希望輸出的波形稱為調(diào)制波ur,把接受調(diào)制的信號稱為載波uc,通常采用等腰三角波作為載波,正弦波作為調(diào)制信號。在兩波交點(diǎn)時對電路中的開關(guān)器件進(jìn)行通斷控制,就可得到寬度正比于調(diào)制信號幅值的脈沖。

在ur正半周時,T2與T3保持關(guān)斷,在ur和uc的交點(diǎn)時刻控制開關(guān)晶體管T1與T4開通與關(guān)斷:當(dāng)ur>uc時控制T1與T4導(dǎo)通,R上的電壓為Ud,當(dāng)ur<uc時控制T1與T4關(guān)斷,R上的電壓為0。在ur負(fù)半周時,T1與T4保持關(guān)斷,當(dāng)uc>ur時控制T3與T2導(dǎo)通,R上的電壓為-Ud,當(dāng)uc<ur時控制T1與T4關(guān)斷,R上的電壓為0。這樣在R上產(chǎn)生寬度按正弦波規(guī)律變化的SPWM波形,見圖2下圖,其中紅線uof表示輸出等效的正弦波交流電電壓。

SPWM逆變器輸出的正弦波交流電電壓uof的峰值uofm小于輸入的直流電壓ud,把uofm/ud稱為直流電壓利用率,對于單相SPWM電路直流電壓利用率的理論值最大為1,實(shí)際上由于種種原因,直流電壓利用率要小于1。對于輸出相電壓(有效值)為220V單相交流電的逆變電路輸入直流電壓要高于310V。

SPWM逆變器輸出電壓與ur/uc成正比,保持載波uc不變,改變調(diào)制波ur的大小即可控制輸出交流電壓的大小。當(dāng)然,調(diào)制波ur峰值要小于載波uc峰值。

 

單極性PWM波形生成原理

圖3  單極性PWM波形生成原理

過去采用模擬電路產(chǎn)生調(diào)制信號,精密而高速的電壓比較器對ur和uc進(jìn)行比較,當(dāng)兩電壓相同時及時控制開關(guān)晶體管進(jìn)行通斷切換,但模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,也難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。

采用微處理器直接計(jì)算出控制點(diǎn)稱為計(jì)算法,但計(jì)算法較繁瑣,計(jì)算量大,較少使用。

現(xiàn)在已有專用的集成電路用來產(chǎn)生SPWM調(diào)制信號,微處理器僅對其發(fā)出輸出頻率、電壓等參數(shù)就可產(chǎn)生高精度控制信號,輸出完好的正弦波,微處理器就有很多時間對整個逆變器進(jìn)行檢測、保護(hù)等控制。這種方式電路簡單、效果好、可靠性高,是目前廣泛使用的控制方法,有關(guān)內(nèi)容請另找專業(yè)書籍或資料。

下面是SPWM逆變器開關(guān)管通斷切換與波形動畫,動畫左面是開關(guān)管通斷切換動畫,右面上部分是調(diào)制信號動畫,右面下部分是輸出電壓波形動畫。

SPWM逆變器波形動畫

以上介紹的是單相的逆變過程,使用最多的是三相逆變器,三相逆變電路則需三套SPWM調(diào)制電路,同步進(jìn)行控制。圖4是三相逆變器的主電路圖,開關(guān)管T1至T6組成橋式逆變電路,通過三相SPWM調(diào)制控制,輸出三相交流電,RA、RB、RC是三相負(fù)荷,按星形接法,中性線接點(diǎn)為N。電阻R1與R2大小相同、電容C1與C2大小相同,它們在直流輸入側(cè)建立中性點(diǎn)N,該點(diǎn)電位為Ud/2,兩個N點(diǎn)都是中性點(diǎn),當(dāng)三相負(fù)荷RA、RB、RC相同時,兩個N點(diǎn)電位相同,兩個N點(diǎn)可以連接。實(shí)際應(yīng)用中多數(shù)不連接N點(diǎn),輸入端R1、R2、 C1、C2只需一個濾波電容即可。

有關(guān)SPWM調(diào)制三相逆變電路較復(fù)雜,具體內(nèi)容請另找專業(yè)書籍或資料。

圖4  三相逆變電器主路

對于三相SPWM逆變器的直流電壓利用率是輸出的正弦波線電壓(峰值)與輸入的直流電壓之比,理論值最大為0.866,實(shí)際上由于種種原因,直流電壓利用率要小于0.866。對于輸出線電壓(有效值)為380V三相交流電的逆變電路輸入直流電壓要高于620V。

從理論上講,三角波(載波)頻率越高,輸出波形越接近正弦波。實(shí)際上,開關(guān)管的通斷變化雖然很快,但仍需要一定的時間,在這個時間段里,開關(guān)管要承受高電壓,大電流的沖擊,功耗很大,高頻率切換不但加大損耗降低電源效率,還可能使管子發(fā)熱燒毀。一般逆變器的載波頻率約幾千赫茲,小功率的頻率高些,大功率逆變器的頻率低些。

SPWM波形由方波組成,含有較多諧波成分,必須采用輸出濾波器使輸出波形正弦化。圖5是濾波器常用的4種類型,要根據(jù)用戶電路的特性選用,最常用的還是(b)圖所示的LC濾波器。要選擇合適的L值與C值,如果設(shè)計(jì)不當(dāng),反過來會降低系統(tǒng)的動態(tài)性能,甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。

圖5 常用濾波器

逆變器的圖形符號見圖6。

整流器逆變器的圖形符號

圖6 整流器逆變器的圖形符號

圖7是兩臺網(wǎng)絡(luò)上的小型光伏逆變器(約幾個千瓦)的圖片。

兩臺小型光伏逆變器

圖7 兩臺小型光伏逆變器

 
 

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