第2章电力电子器件与变换电路.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,电力电子与现代生活,Power Electronics,Technology and Modern Life,1,电力电子与现代生活,第 2 章,电力电子器件与变换电路,第2章 电力电子器件与变换电路,2.8 整流电路,2.9 直流-直流变流电路,2.10 交流-交流变流电路,2.11 逆变电路,2.12 PWM控制技术,第二部分 电力电子变换电路,3,2.8 整流电路,整流电路,：将,交流电,变换为固定或可调的,直流电,的电路。,交流电,（英语简写,AC,）是指大小和方向都发生周期性变化的电流，因为周期电流在,一个周期内的平均值为零,，称为交变电流或简称交流电。,交流电可以有效传输电力。通常波形为,正弦曲线,。市电就是正弦交流电。一般频率是50Hz(或60Hz)。,实际上还有应用其他的波形，例如,三角形波,、,正方形波,。,家庭用电一般均为,单相交流电,，工业用电一般,三相交流电,。,w,t,0,w,t,1,p,2,p,u,4,2.8 整流电路,直流电,：（简称DC），是指方向不随时间发生改变的电流。但电流大小可能不固定。,恒定直流,是直流电的一种，是大小和方向都不变的直流电。,脉动直流电,是指方向不变，但大小随时间变化，比如：把交流电经过晶闸管整流后得到的就是典型脉动直流电。,脉动直流电，只有经过,滤波,（电感或电容）后，才变成平滑的直流电。,w,t,0,u,w,t,0,u,5,2.8.1 单相整流电路,1、单相半波不可控整流电路,输出,电压,8,2.8.1 单相整流电路,2、单相桥式不可控整流电路,输出,电压,9,2.8.1 单相整流电路,2、单相桥式不可控整流电路（电容滤波）,+,R,C,u,1,u,2,i,2,VD,1,VD,3,VD,2,VD,4,i,d,i,C,i,R,u,d,基本工作过程,：,在,u,2,正半周过零点至,w,t,=0,期间，因,u,2,0；,大小与控制角,a,有关；,a,增加，,输出电压减小。,输出电流,：波形平滑，对负载有利。,2,O,w,t,O,w,t,O,w,t,u,d,i,d,I,d,u,电感滤波后，输出电流很平滑,输出,电压,14,三个二极管分别接入,a,、,b,、,c,三相电源，其阴极连接在一起,共阴极接法,。,二极管换相时刻为,自然换相点,，将其作为计算各晶闸管触发角,a,的起点，即,a,=0,。,2.8.2 三相整流电路,1、三相半波不可控整流电路,共阴极的二极管，,阳极电位高的导通。,阳极电位低的承受反压。,R,i,d,D,D,D,变压器，三相交流电，二极管,输出,电压,15,2.8.2 三相整流电路,2、三相半波可控整流电路,将二极管更换为晶闸管。,不同的控制角，输出电压波形不同，大小也不同。,电阻负载：,输出电压,：为直流；,大小与控制角,a,有关；,a,增加，输出电压减小。,输出电流,：波形与输出电压相同，不平滑，对负载不利。,输出,电压,16,2.8.2 三相整流电路,三相半波可控整流电路：,a,=30,工作模态：3个,SCR导通角：120,VT,1,起、止相位：,移相范围：,150,输出,电压,17,2.8.2 三相整流电路,三相半波可控整流电路：,a,=60,输出,电压,18,2.8.2 三相整流电路,3、三相桥式全控整流电路,三相桥是应用最为广泛的整流电路,共阳极组,阳极连接在一起的3个晶闸管,（VT,4,，VT,6,，VT,2,）,图2-17 三相桥式,全控整流电路原理图,导通顺序：,VT,1,VT,2,VT,3,VT,4,VT,5,VT,6,共阴极组,阴极连接在一起的3个晶闸管（VT,1,，VT,3,，VT,5,）,19,2.8.2 三相整流电路,w,w,u,2,u,d1,u,d2,u,2L,u,d,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,a,u,c,u,b,w,t,1,O,t,O,t,a,=0,三相桥式全控整流电路带电阻负载,a,=0,时的波形,输出,电压,20,2.8.2 三相整流电路,三相桥式全控整流电路带电阻负载,a,=30,时的波形,w,w,u,d1,u,d2,a,=30,O,t,O,t,u,d,u,a,u,b,u,c,w,t,1,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,输出,电压,21,2.8.2 三相整流电路,三相桥式全控整流电路带电阻负载,a,=60,时的波形,w,w,a,=60,u,d1,u,d2,u,d,u,ab,u,ac,u,bc,u,ba,u,ca,u,cb,u,ab,u,ac,u,a,u,b,u,c,O,t,w,t,1,O,t,输出,电压,22,2.8.3 整流电路的有源逆变工作状态,什么是逆变？,逆变,（,Invertion,）,把直流电转变成交流电，,整流的逆过程,。,逆变电路,把直流电逆变成交流电的电路。,有源逆变电路,交流侧和电网连结。,应用：直流可逆调速系统、交流绕线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等。,无源逆变电路,变流电路的交流侧不与电网联接，而直接接到负载，将在后面介绍。,对于,可控整流电路,，满足一定条件就可工作于有源逆变，其电路形式未变，只是电路工作条件转变。既工作在整流状态又工作在逆变状态，称为,变流电路,。,23,2.8.3 整流电路的有源逆变工作状态,直流发电机电动机系统电能的双向流转:,条件,图2-44 直流发电机电动机之间电能的流转,a）两电动势同极性,E,G,E,M,b）两电动势同极性,E,M,E,G,两个电动势同极性相接时，电流总是从电动势高的流向低的，电动势高的电源输出功率。调节电动势，可实现电能双向传递。,+,+,+,+,-,-,-,-,同样，晶闸管,电动机系统，满足一定条件，也可实现电能双向传递。,24,2.8.3 整流电路的有源逆变工作状态,产生逆变的条件有二,：,有,直流电动势,，其,极性,和晶闸管导通方向一致，其,值,大于变流器直流侧平均电压。,晶闸管的控制角,90,，,使,U,d,为负值。,M,L,R,E,M,U,d,+,-,+,-,I,d,三相桥整流电路的有源逆变:,25,2.8.3 整流电路的有源逆变工作状态,三相桥式电路工作于有源逆变状态，不同逆变角时的输出电压波形及晶闸管两端电压波形如图所,示。,图,三相桥式整流电路工作于有源逆变状态时的电压波形,26,2.9 直流-直流变流电路,直流-直流变换,：,将一个直流电压变换成为另一个可控的直流输出电压，称之为DC-DC变换。,直流-直流变流器，它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点。,现广泛应用于,直流牵引,变速拖动中，如由直流电网供电的地铁车辆、城市无轨电车和电动汽车等；,还广泛应用于,直流开关电源,和电池供电的设备中，如通信电源、电子笔记本、计算机、家用电器、远程控制器和手提电话等。,27,2.9 直流-直流变流电路,若已知一个直流电压，怎样获得另一数值的直流电压？,两种直流变换调节模式及比较：,线性调节器模式:,如图3-1a所示，在这种模式中晶体管工作在线性工作区。晶体管模型可以用可调电阻R,T,等效，,晶体管功率损耗较大,。,开关调节模式:,如图3-2a所示。假设：晶体管为理想开关，则该晶体管关断时，阻抗极大；晶体管导通时，内阻为零；在理想开关情况下，,晶体管损耗为零,。,28,2.9 直流-直流变流电路,图3-1 a 线性调节器模式 b 等效电路,两种直流变换调节模式及比较：,线性调节器模式,线性调节模式，晶体管工作在线性状态，,相当于一个可调电阻,。,当负载变化、或电源电压变化时，调节晶体管内阻，即可保证输出电压不变。,缺点,：晶体管功率损耗大，电路效率低，调节范围小。,29,2.9 直流-直流变流电路,a 开关调节模式图 b 等效电路图 c 输出电压,开关调节模式，晶体管工作在开关状态，,相当于一个电气开关,。,当负载变化、或电源电压变化时，调节晶体管闭合,-,断开时间的比例，即可保证输出电压不变。,缺点,：晶体管功率损耗小，电路效率高、调节范围大,。,两种直流变换调节模式及比较：,开关调节模式,30,2.9 直流-直流变流电路,直流-直流变流（DC/DC Converter）,分类,：包括,直接直流变流电路,和,间接直流变流电路,。,2.9.1,直接直流变流电路,也称,斩波电路（DC Chopper）,。,一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间,不隔离,。,2.9.2 间接直流变流电路,在直流变流电路中增加了,交流环节,。,在交流环节中通常采用,变压器,实现输入输出间的,隔离,，因此也称为直交直电路。,31,2.9 直流-直流变流电路,2.9.1 直接直流变流电路直流斩波电路,几种常用变换电路：,1、,降压斩波电路,2、升压斩波电路,3,、,升降压斩波电路,直流,斩波电路的主要元器件：,开关器件、电感、二极管、电容,32,2.9 直流-直流变流电路,1、,降压斩波电路,（Buck Chopper),电路结构,负载反电动势,典型用途之一是,拖动直流电动机,，也可带,蓄电池负载,。,开关,续流二极管,滤波电感,33,2.9 直流-直流变流电路,降压斩波电路,工作原理,:,E,V,+,-,M,R,L,VD,i,o,E,M,u,o,i,G,t,t,t,O,O,O,波形,T,E,i,G,t,on,t,off,i,o,i,1,i,2,I,10,I,20,t,1,u,o,a),电路图,t,=0,时,驱动,V,导通，电源,E,向负载供电，负载电压,u,o,=,E,，负载电流,i,o,上升。,t,=,t,1,时,控制,V,关断，二极管,VD,续流，负载电压,u,o,为零，负载电流下降。,通常串接较大电感,L,使负载电流连续且脉动小。,负载平均电压,U,o,34,2.9 直流-直流变流电路,降压斩波电路：,E,V,+,-,M,R,L,VD,i,o,E,M,u,o,i,G,t,t,t,O,O,O,电流连续时的波形,T,E,i,G,t,on,t,off,i,o,i,1,i,2,I,10,I,20,t,1,u,o,负载电压平均值：,t,on,V通的时间,t,off,V断的时间,-,导通占空比,由公式可见，输出电压低于输入电压。,T,=,t,on,+,t,off,U,o,35,2.9 直流-直流变流电路,2、升压斩波电路（Boost Chopper）,滤波电容,保持输出电压稳定,储能电感,电路结构,开关,隔离二极管,36,2.9 直流-直流变流电路,升压斩波电路,工作原理：,假设,L,和,C,值很大。,V,处于,通态,时，电源,E,向电感,L,充电，电流恒定,I,1,，电容,C,向负载,R,供电，输出电压,U,o,恒定。,V,处于,断态,时，电源,E,和电感,L,同时向电容,C,充电，并向负载提供能量。,0,u,GE,0,i,o,I,1,图5-2 升压斩波电路及工组波形,b),波形,t,on,t,off,u,0,i,1,37,2.9 直流-直流变流电路,升压斩波,输出电压：,T/t,off,1,，输出电压高于电源电压，故为,升压,斩波电路,。,升压斩波电路典型应用：,一是用于直流电动机传动（回馈电能）；,二是用作,单相功率因数校正（,PFC,）,电路；,三是用于其他交直流电源中，如手机电源管理等。,T,=,t,on,+,t,off,38,2.9 直流-直流变流电路,3.升降压斩波电路,(buck-boost Chopper),电路结构,+,-,储存电能,开关,续流二极管,39,2.9 直流-直流变流电路,升降压斩波电路的,工作原理,V,通时，电源,E,经,V,向,L,供电使其贮能，此时电流为,i,1,。同时，,C,维持输出电压恒定并向负载,R,供电。,V,断时，,L,的能量向负载释放，电流为,i,2,。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。,+,o,t,b),o,t,i,1,i,2,t,on,t,off,I,L,I,L,40,2.9 直流-直流变流电路,升降压斩波电路的,输出电压为,：,当,t,on,t,off,，即,0,a,1,/,2,时，,U,o,t,off,，即,1,/,2,a,E,，为升压；,故称作,升降压,斩波电路，或,buck-boost,变换器。,41,2.9 直流-直流变流电路,2.9.2 间接直流变流电路,图 5-10 间接直流变流电路的结构,同直流斩波电路相比，电路中增加了交流环节，因此也称为,直交直电路,。,采用这种结构较为复杂的电路来完成直流的变换有以下原因:,输出端与输入端需要,隔离,。,某些应用中需要相互隔离的,多路输出,。,输出电压与输入电压的,比例,远小于1或远大于1。,交流环节采用,较高的工作频率,，可以减小,变压器,和滤波电感、滤波电容的体积和重量。,42,2.9.2 间接直流-直流变流电路,间接直流变流电路,主要包括：正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路和推挽电路。,主要介绍以下几种：,1、正激电路,2、推挽电路,3、半桥电路,4、全桥电路,间接直流变流电路,主要元器件,开关管、变压器、整流滤波器,（二极管、电感、电容）,43,2.9.2 间接直流-直流变流电路,1.,正激电路,这是一种当开关器件S接通时向二次线圈供能的方式。,S接通时,，变压器一次线圈N1外加输入电压，同时，由二次线圈N2感应的电压通过二极管VD1加以整流；,在,S断开时,，利用电感L的储能通过续流二极管VD2再由输出滤波器LC加以平波供给负载。,Vin,Vo,L,S,D1,D2,基本正激型变换器,N1,N2,正激电路比较简单，适用于中小容量输出。缺点是变压器只能加单向电压，利用率较低，输出滤波器容量较大。,44,Vin,Vo,L,S,D1,D2,基本正激型变换器,需要复位电路（略）,2.9.2 间接直流-直流变流电路,正激电路的原理及工作波形：,电流连续时的波形,t,O,V,0,滤波前的输出电压,滤波后的输出电压,变压器原、付边电压,整流后的输出电压,开关器件驱动波形,45,2.9.2 间接直流-直流变流电路,2.推挽电路,一种适合中容量至大容量的方式，其基本电路和波形。,Vin,Vo,L,S1,D1,D2,S2,推挽变换器,t,O,V,0,滤波后的输出电压,整流后的输出电压,开关器件驱动波形,46,2.9.2 间接直流-直流变流电路,3、半桥电路,Vin,Vo,L,S2,D1,D2,S1,半桥变换器,u,N1,适合中容量至大容量的方式，其基本电路和波形。,t,O,V,0,V,0,滤波后的输出电压,整流后的输出电压,变压器原、付边电压,开关器件驱动波形,47,2.9.2 间接直流-直流变流电路,4、全桥电路,一种中容量至大容量常用的方式，其基本电路和波形：,全桥变换器,Vin,Vo,L,S4,D1,D2,S3,S1,S2,N1,u,N1,S1,S4,S2,S3,t,O,V,0,V,0,滤波后的输出电压,整流后的输出电压,变压器原、付边电压,开关器件驱动波形,48,2.9 直流-直流变流电路,表 5-1 各种不同的间接直流变流电路的比较,电路,优点,缺点,功率范围,应用领域,正激,电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单,变压器单向激磁，利用率低,几百W几kW,各种中、小功率电源,反激,电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单,难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低,几W几十W,小功率电子设备、计算机设备、消费电子设备电源。,全桥,变压器双向励磁，容易达到大功率,结构复杂，成本高，有直通问题，需要复杂的多组隔离驱动电路,几百W几百kW,大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等,半桥,变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低,有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路,几百W几kW,各种工业用电源，计算机电源等,推挽,变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单,有偏磁问题,几百W几kW,低输入电压的电源,49,2.10 交流-交流变流电路,引言,交流-交流变流电路,：把一种形式的,交流,变成另一种形式,交流,的电路。,包括以下两种：,交流电力控制电路,：只改变电压、电流或对电路的通断进行控制，而不改变频率的电路。,变频电路,：改变频率的电路。(不常用),交流电力控制电路,交流调压电路,相位控制,交流调功电路,通断控制,交流电力电子开关,50,2.10 交流-交流变流电路-引言,交流电力控制电路,的结构,结构：,两个晶闸管反并联,后串联在交流电路中，控制晶闸管的导通情况就可控制交流电力。,电路图：,两个晶闸管,反并联,双向晶闸管,51,2.10 交流-交流变流电路-引言,交流电力控制电路类型：,交流调压电路,每半个周波控制晶闸管开通相位，调节输出电压有效值。,（相位控制，导通角）,交流调功电路,以交流电的周期为单位控制晶闸管通断，改变通、断周期数的比，调节输出功率的平均值。,（通断控制，过零触发，整周期导通）,交流电力电子开关,并不着意调节输出平均功率，而只是根据需要接通或断开电路。,52,应用,1,灯光控制（如调光台灯和舞台灯光控制,),。,2,异步电动机软起动。,3,异步电动机调速。,4,供用电系统对无功功率的连续调节。,5,电热负载功率调节。,2.10 交流-交流变流电路-引言,53,2.10 交流-交流变流电路,2.10.1 单相交流调压电路,1、基本原理：,电路图a用两只晶闸管反并联，或一只双向晶闸管与电阻负载组成主电路。以反并联电路进行分析，正半周时刻触发VT1管，负半周时刻触发VT2管，输出电压波形为正负半周缺角相同的正弦波图b所示。,54,2.10 交流-交流变流电路,2.单相交流调压电路实例,EL,RP,C,1,VD,VT,220V,U,I,U,B,-U,B,o,双向晶闸管简易调光电路,RP 250 k C,1,1F,VT BCR1AM VD DB3,1)台灯调光电路-,触发二级管交流调压电路图,55,2.10 交流-交流变流电路,单向交流调压用于小功率调压，广泛用于民用电气控制。,2)简单双向晶闸管调压电路，图,为简单有级交流调压电路。,56,2.10 交流-交流变流电路,3、斩控式交流调压电路,正半周：,V1、V3 交替导通,负半周：,V2、V4 交替导通,57,2.10 交流-交流变流电路,4.几种三相交流调压电路图,星形带中性线的三相交流调压,连接成内三角形的三相交流调压,三相三线交流调压,58,2.10 交流-交流变流电路,2.10.2 交流调功电路,-常用于电热负载,图,过零触发,输出波形,以交流电的周期为单位，控制晶闸管通断，改变通、断周期数的比，调节输出功率的平均值。,（通断控制，过零触发）,电路图,59,2.10 交流-交流变流电路,2.10.3 交流电力电子开关,不着意调节输出平均功率，只是根据需要接通或断开电路。,晶闸管交流开关是一种快速、较理想的交流开关。,a、为普通晶闸管反并联的交流开关。,60,2.10 交流-交流变流电路,b、采用双向晶闸管反并联的交流开关。,c、只用一只普通晶闸管，管子不受反压。,61,2.10 交流-交流变流电路,双向晶闸管控制三相自动控温电热炉的电路如图。,62,2.11 逆变电路,逆变的概念,逆变,与整流相对应，把直流电变成交流电。,交流侧接电网，为,有源逆变,，,晶闸管构成,。,交流侧接负载，为,无源逆变,，IGBT、MOSFET等构成,。,逆变与变频,变频电路：分为交,-,交变频和交,-,直,-,交变频两种。,交,-,直,-,交变频由交,-,直变换（整流）和直,-,交变换两部分组成，后一部分就是逆变。,主要应用,各种直流电源如蓄电池、太阳能电池等的逆变。,交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源、节能灯等电力电子装置的核心部分都是逆变电路,。,63,不可能,直接,逆变成正弦交流电。,可以,逆变成交流方波电压：,可以,逆变成交流脉冲列电压：,w,t,0,p,2,p,u,t,u,o,O,w,t,U,d,-U,d,2.11.1 逆变电路的基本原理,64,2.11.1 逆变电路的基本原理,2.11.1 逆变电路的基本原理,以,单相桥式逆变电路,为例来说明。,S1S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。,负载,a),b),t,S,1,S,2,S,3,S,4,i,o,u,o,U,d,u,o,i,o,t,1,t,2,图5-1 逆变电路及其波形举例,65,2.11.1 逆变电路的基本原理,直流电,交流电,S 能流过,双向电流,S,1,、,S,4,闭合,，,S,2,、,S,3,断开,时，负载,电压,u,o,为,正,。,S,1,、,S,4,断开,，,S,2,、,S,3,闭合,时，,负载电压,u,o,为,负,。,66,2.11.1 逆变电路的基本原理,逆变电路最基本的工作原理,改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。,(,方波逆变,),b),t,u,o,i,o,t,1,t,2,电阻负载,时，负载电流,i,o,和,u,o,的波形相同，相位也相同。,阻感负载,时，,i,o,相位滞后于,u,o,，,波形也不同。,c),t,u,o,i,o,67,2.11.2 单相全桥逆变电路,2.11.2 全桥逆变电路,（180导电方式）,t,t,O,O,b),u,o,U,m,-,U,m,i,o,t,1,t,2,t,3,t,4,t,5,t,6,V,14,V,23,V,14,V,23,VD,14,VD,23,VD,14,VD,23,共四个桥臂，可看成,两个半桥电路组合,而成。,两对桥臂交替导通,180,。,输出电压和电流波形,可以改变,输出交流电压,频率,，,不能改变,输出,交流电压的,幅值。,68,2.11.2 单相全桥逆变电路,单相逆变器的输出电压控制,：,（1）移相控制,不改变逆变器输入直流电压的大小，而是通过改变逆变器中开关器件的导通时间的相位，以控制输出脉冲的宽度，来改变逆变器输出电压，此方法称,移相控制,。,若使移相角从,0,变到,180,，可使输出电压从最大值变到零。,输出波形仍为矩形波，不理想。,移相控制,69,2.11.2 单相全桥逆变电路,（2）脉冲宽度调制（PWM）,如果使V1与V4，V2与V3通过,高频调制,控制，能在半个周期内,重复导通和关断N次,，则其输出电压波形为一系列被调制的矩形脉冲，如图所示（这时N=5）。,调节脉冲宽度,，可以改变输出电压。,输出波形可调制为,正弦波,，理想！,70,其它形式的逆变电路：,其它形式的逆变电路：,推挽逆变器,Vo,Vin,S1,S2,推挽逆变器,71,其它形式的逆变电路：,半桥逆变器,Vo,Vin,S2,S1,半桥逆变器,u,N1,72,其它形式的逆变电路：,全桥逆变器,（带变压器）,Vin,S4,S3,S1,S2,N1,Vo,全桥逆变器,u,N1,S1,S4,S2,S3,73,2.11.3 三相桥式逆变电路,2.11.3 三相桥式逆变电路,应用最广的是,三相桥式逆变电路,基本工作方式,180,导电方式,每桥臂导电,180,，同一相上下两臂交替导电。,各相开始导电的角度差,120,。,任一瞬间有,三个桥臂同时导通,。,74,2.11.3 三相全桥逆变电路,t,O,t,O,t,O,t,O,u,UN,u,UV,u,VN,u,WN,U,d,U,d,2,三相桥式逆变电路的工作波形：,这个电路很常用，以后会经常见到,三相桥式逆变电路输出的交流,方波,工作波形,75,2.11.3 三相全桥逆变电路,u,c,u,rU,u,rV,u,rW,u,u,UN,u,VN,u,WN,u,UN,u,UV,U,d,-,U,d,O,?,t,O,O,O,O,O,?,t,?,t,?,t,?,t,?,t,2,U,d,?,2,U,d,2,U,d,?,2,U,d,2,U,d,3,U,d,3,2,U,d,三相桥式逆变电路,输出的交流,PWM,波形,76,2.11.3 三相全桥逆变电路-,仿真波形,77,2.12 PWM控制技术,PWM,(Pulse Width Modulation),控制（,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。,PWM技术的,应用十分广泛,，它使电力电子装置的,性能,大大提高，它在电力电子技术的发展史上,占有十分重要的地位,。,PWM控制技术的,最成功应用,，是在,逆变电路,。此外，在整流电路、直流变换电路、斩控式交流调压电路都得到应用。,78,2.12 PWM控制技术,2.12.1 PWM控制的理论基础,面积等效原理,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,，这就是,面积等效原理。,冲量,窄脉冲的面积,效果基本相同,环节的输出响应波形基本相同,形状不同而冲量相同的各种窄脉冲,是等效的,d),单位脉冲函数,f,(,t,),d,(,t,),t,O,a),矩形脉冲,b),三角形脉冲,c),正弦半波脉冲,t,O,t,O,t,O,f,(,t,),f,(,t,),f,(,t,),79,2.12 PWM控制技术,b),图,冲量相等的各种窄脉冲的响应波形,具体的实例说明“,面积等效原理,”,a）,u,(t),电压窄脉冲，是电路的输入 。,i,(t),输出电流，是电路的响应。,80,O,u,t,SPWM,波,2.12 PWM控制技术,O,u,t,O,u,t,2.12.2 PWM控制的基本思想,用,等幅不等宽的脉冲,列,代替 正弦半波,81,2.12 PWM控制技术,O,u,t,SPWM波,O,u,t,2.12.2 PWM控制的基本思想,用,等幅不等宽的脉冲,列,代替 正弦半波,O,u,t,不等幅,等宽,等幅,不等宽,等效,82,2.12 PWM控制技术,用,PWM,波代替正弦半波,等分,：,将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲，宽度为,/N,，但幅值顶部是,曲线，,且高度按,正弦规律变化,的脉冲序列组成的。,替代,：,把上述脉冲序列，用相同数量的,等幅而不等宽,的矩形脉冲代替，对应脉冲的中点重合，且面积（冲量）相等，这就是,PWM波形,。,SPWM波形,：脉冲的宽度按正弦规律变化，,和正弦波等效的PWM波形。,83,2.12 PWM控制技术,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中,应用更为广泛,。,O,w,t,U,d,-U,d,O,w,t,U,d,-,U,d,84,2.12 PWM控制技术,2.12.3 PWM波生成方法,调制法,希望输出的正弦波形(低频)，与三角载波(高频)进行调制，得到期望的PWM波,正弦波与三角波相交，在交点处控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求,u,r,u,c,，,PWM为高电平,u,r,u,c,，,PWM为高电平,u,r,u,c,，,PWM为高电平,u,r,u,c,，,PWM为低电平,87,2.12 PWM控制技术,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 改变S,PWM输出电压时的波形,a),u,r,幅值较低时的SPWM波形 b),u,r,幅值较低时的SPWM波形,u,o,o,u,o,u,of,t,t,u,c,u,r,a),u,o,o,u,o,u,of,t,t,u,c,u,r,b),88,2.12 PWM控制技术,三相桥式逆变电路的,PWM,方式工作波形：,t,O,t,O,t,O,t,O,u,UN,u,U,V,u,VN,u,WN,U,d,U,d,2,u,U,u,V,u,UV,u,UN,三相桥式逆变电路：,方波方式,与,PWM方式,波形比较,89,2.12 PWM控制技术,PWM控制方式的优点,：,1）可以方便的调节输出交流电压的大小和频率。,2）输出电压波形非常接近正弦波，谐波含量很低。,且开关频率越高，谐波含量越低。,3）,控制简单、灵活，动态响应好。,4）生成PWM波形的方法多（包括硬件生成、软件生成），可 以满足不同的要求。,90,2.12.4 多电平逆变器,1、三电平逆变器,也称,中点钳位型,逆变电路,每桥臂由两个全控器件串联构成，两者中点通过钳位二极管和直流侧中点相连。,91,2.12.4 多电平逆变器,三电平逆变器输出电压波形,92,2.12.4多电平逆变器,实例：ABB,公司,ACS1000,系列变频器,图,6 ACS1000 12,脉冲整流三电平电压源变频器主电路结构,93,2.12.4 多电平逆变器,ABB,公司,ACS1000,系列变频器,外形图,ACS1000 12脉冲整流三电平电压源变频器,94,(a)电压叠加原理,(b)主电路结构,(c)功率单元结构,图,11,单元串联多电平变换器,S1,S3,S4,S2,T1,T2,2 单元串联多电平高压变频器,95,2 单元串联多电平高压变频器,电路结构,这种结构的电压源型变频器系由美国,罗宾康公司,发明并,申请专利,，取名为,完美无谐波变频器,。,96,2 单元串联多电平高压变频器-,输出波形,97,2 单元串联多电平高压变频器-,外形,完美无谐波变频器,98,99,