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SPWM逆变电路原理
SPWM逆变电路原理
对于大多数应用场合需要的是工频电源,例如我们的电冰箱,洗衣机,电风扇等都需要正弦波的220伏、50赫兹电源,各种动力设备,远距离输电也都需要正弦波的交流电。
更多的太阳能光伏发电装置输出的是正弦波交流电,目前生成正弦波仍采用前面介绍的全桥电路,只是对开关晶体管的控制采用PWM脉宽调制或移相控制或调频控制等方式。
这里仅介绍最常用的PWM脉宽调制方式。
面积等效原理转换
把直流电转换成正弦波交流电是根据根据面积等效原理,在图1上图中的正弦半波(红线)分成n等份,把正弦半波看成是由n个彼此相连的矩形脉冲组成的波形,为简单清晰,划分为7等份。
7个脉冲的幅值按正弦规律变化,每个脉冲面积与相对应的正弦波部分面积相同,这一连续脉冲就等效正弦波。
图3上部分是SPWM波形控制信号生成的原理图,下部分是生成的SPWM波形。
在调制法中,把所希望输出的波形称为调制波ur,把接受调制的信号称为载波uc,通常采用等腰三角波作为载波,正弦波作为调制信号。
在两波交点时对电路中的开关器件进行通断控制,就可得到宽度正比于调制信号幅值的脉冲。
在ur正半周时,T2与T3保持关断,在ur和uc的交点时刻控制开关晶体管T1与T4开通与关断:
当ur>uc时控制T1与T4导通,R上的电压为Ud,当ur<uc时控制T1与T4关断,R上的电压为0。
在ur负半周时,T1与T4保持关断,当uc>ur时控制T3与T2导通,R上的电压为-Ud,当uc<ur时控制T1与T4关断,R上的电压为0。
这样在R上产生宽度按正弦波规律变化的SPWM波形,见图2下图,其中红线uof表示输出等效的正弦波交流电电压。
SPWM逆变器输出的正弦波交流电电压uof的峰值uofm小于输入的直流电压ud,把uofm/ud称为直流电压利用率,对于单相SPWM电路直流电压利用率的理论值最大为1,实际上由于种种原因,直流电压利用率要小于1。
对于输出相电压(有效值)为220V单相交流电的逆变电路输入直流电压要高于310V。
SPWM逆变器输出电压与ur/uc成正比,保持载波uc不变,改变调制波ur的大小即可控制输出交流电压的大小。
当然,调制波ur峰值要小于载波uc峰值。
图3单极性PWM波形生成原理
过去采用模拟电路产生调制信号,精密而高速的电压比较器对ur和uc进行比较,当两电压相同时及时控制开关晶体管进行通断切换,但模拟电路结构复杂,也难以实现精确的控制。
采用微处理器直接计算出控制点称为计算法,但计算法较繁琐,计算量大,较少使用。
现在已有专用的集成电路用来产生SPWM调制信号,微处理器仅对其发出输出频率、电压等参数就可产生高精度控制信号,输出完好的正弦波,微处理器就有很多时间对整个逆变器进行检测、保护等控制。
这种方式电路简单、效果好、可靠性高,是目前广泛使用的控制方法,有关内容请另找专业书籍或资料。
下面是SPWM逆变器开关管通断切换与波形动画,动画左面是开关管通断切换动画,右面上部分是调制信号动画,右面下部分是输出电压波形动画。
SPWM逆变器波形动画
以上介绍的是单相的逆变过程,使用最多的是三相逆变器,三相逆变电路则需三套SPWM调制电路,同步进行控制。
图4是三相逆变器的主电路图,开关管T1至T6组成桥式逆变电路,通过三相SPWM调制控制,输出三相交流电,RA、RB、RC是三相负荷,按星形接法,中性线接点为N。
电阻R1与R2大小相同、电容C1与C2大小相同,它们在直流输入侧建立中性点N,该点电位为Ud/2,两个N点都是中性点,当三相负荷RA、RB、RC相同时,两个N点电位相同,两个N点可以连接。
实际应用中多数不连接N点,输入端R1、R2、C1、C2只需一个滤波电容即可。
有关SPWM调制三相逆变电路较复杂,具体内容请另找专业书籍或资料。
图4三相逆变电器主路
对于三相SPWM逆变器的直流电压利用率是输出的正弦波线电压(峰值)与输入的直流电压之比,理论值最大为0.866,实际上由于种种原因,直流电压利用率要小于0.866。
对于输出线电压(有效值)为380V三相交流电的逆变电路输入直流电压要高于620V。
从理论上讲,三角波(载波)频率越高,输出波形越接近正弦波。
实际上,开关管的通断变化虽然很快,但仍需要一定的时间,在这个时间段里,开关管要承受高电压,大电流的冲击,功耗很大,高频率切换不但加大损耗降低电源效率,还可能使管子发热烧毁。
一般逆变器的载波频率约几千赫兹,小功率的频率高些,大功率逆变器的频率低些。
SPWM波形由方波组成,含有较多谐波成分,必须采用输出滤波器使输出波形正弦化。
图5是滤波器常用的4种类型,要根据用户电路的特性选用,最常用的还是(b)图所示的LC滤波器。
要选择合适的L值与C值,如果设计不当,反过来会降低系统的动态性能,甚至使系统不稳定。
图5常用滤波器
逆变器的图形符号见图6。
图6整流器逆变器的图形符号
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