5.1 可控整流電路工作在有源逆變狀態
- 有源指的是輸出側有交流電源。
- 調整導通角(\(\alpha>90^\circ\))使原整流電路的輸出為負壓。
- 逆變電路輸入直流電壓的絕對值大於原整流電路輸出直流電壓的絕對值,以保證逆變電路中的能量是由直流輸入側流向交流輸出側。
- 丟失觸發脈沖或逆變角太小會導致逆變失敗,造成短路(不懂???)。
5.2 單相方波逆變電路
推挽式單相方波
假設一次繞組匝數\(N_{11}=N_{12}=N_1\),則純電感負載時的輸出電流峰值為
半橋式單相方波
-
穩態時近似有兩個電容充滿,其中點處\(u_N=\frac{U_d}{2}\),故導通\(\mathrm{VT_1}\)時\(Z\)兩端為\(+\frac{U_d}{2}\),導通\(\mathrm{VT_1}\)時\(Z\)兩端為\(-\frac{U_d}{2}\)。
-
原理同推挽式方波,可計算純電感負載時的輸出峰值電流為
\[i_M=\frac{U_dT}{8L} \]
全橋式單相方波
三種調制方法,用的都是同樣的全控橋。
脈沖幅值調制
-
\(\mathrm{VT_1}\)、\(\mathrm{VT_4}\),和\(\mathrm{VT_2}\)、\(\mathrm{VT_3}\)各工作在\(180^\circ\)互補導通模式,該模式無法控制輸出方波電壓所含基波的幅值。
-
原理同上,輸出電流幅值為
\[i_M=\frac{U_dT}{4L} \]
對稱單脈沖調制
- 相比脈沖幅值調制,對稱單脈沖調制可通過調整占空比改變輸出波形所含基波的幅值。
- 但是該方法無法接感性負載,因為部分時間內所有開關管都關斷,若接感性負載,因為電感的續流作用此時輸出會直接與電源相連,輸出電壓取決於電感電流的流向,難以控制。
移相單脈沖調制
- 上下管互補導通,互補的兩組管分別成為超前橋臂和滯后橋臂,兩者的導通信號相差\(\theta\)。此方法插入了同在上或同在下的兩管同時導通的過程,該過程負載兩端短路,電流變化緩慢,憑此調整了輸出電流波形。
- 沒有前兩種方法的缺點,同時諧波特性較前兩種更好。
5.3 單相正弦波逆變電路
使用的仍然是全控橋。相比第一章介紹過的內容,此處介紹了控制信號的具體生成方法。
單極性SPWM
- \(u_c\)的c指carry,即載波;\(u_r\)的r指refer,即參考波。
- \(VT_3\)和\(VT_4\)的開關頻率較\(VT_1\)和\(VT_2\)慢,前者的頻率與參考波相同。不過想讓\(VT_1\)和\(VT_2\)慢點、\(VT_3\)和\(VT_4\)快點也是可以的。
雙極性SPWM
5.4 三相方波逆變電路
\(180^\circ\)導通型三相方波逆變電路
- 輸出相電壓幅值只有輸入電壓的2/3。
- 輸出端中性點相對地面有一個三倍頻的方波。
\(120^\circ\)導通型三相方波逆變電路
- 輸出相電壓幅值只有輸入電壓的1/2。
- 輸出端中性點相當於接地。
- 橋臂上上下兩個管子不互補,有可能導通一個,也有可能兩個都不導通。
- 常用於控制無刷電機,且為了通過控制輸出電壓的幅值控制電機的轉速,一般還會在持續導通的\(120^\circ\)內使用PWM。
5.5 三相正弦逆變電路
單相SPWM
普通的SPWM*3
SVPWM
空間矢量脈寬調制(Space Vector Pulse Width Modulation)。
這個筆記內容不全面且不深入,更多記錄的是自己上課時的認識,想具體了解SVPWM還得看其它詳細資料。
使用的電路同“\(180^\circ\)導通型三相方波逆變電路”。該方法的中心思想和一般的PWM是一樣的,即借助沖量等效原理,用一些易於直接獲得的信號合成出難以直接獲得的信號(此處討論的是三相正弦信號)。SVPWM為了獲得這個具體的合成方式,把三相的瞬時值映射成了一個平面矢量,在這個新的平面上三相正弦信號隨時間變化的過程非常簡潔,【基本信號映射出的的基本矢量】與【三項正弦信號對應的矢量】之間的關系也十分直觀,於是便找到了這個合成方法。
此處是在負載對稱(比如說電機)的條件下進行的討論。具體過程沒按書上的來。
1. 三相正弦瞬時值映射為一個平面矢量
如果把三相正弦輸出的瞬時值相對時間的變化一維圖像間隔120度的畫在平面上,並把它們映射為該平面上的向量,則有以下關系(為方便計算而使用復數代替了向量)
該式建立了三相交流電瞬時值到一個平面向量的映射。
-
在一個周期內,一個\((\tilde U+\tilde V+\tilde W)\)對應唯一的一個時間,一個時間又對應唯一個的一個三相瞬時值,所以在一個周期內,這個映射還是一個一一映射。
-
三相正弦交流電幅值一定時,隨着時間變化該向量會以一定的模長做角速度為\(\omega\)的旋轉,方向為從相位超前相轉到相位滯后相。用一個動圖來更好地理解一下
圖片來源於網絡,其相位與前邊的推導略有不同,且圖右側的電壓還是下正上負。前邊的推導是\(\varphi_V-\varphi_U=\varphi_U-\varphi_W=\frac{2\pi}{3}\),此處則是\(\varphi_W-\varphi_U=\varphi_U-\varphi_V=\frac{2\pi}{3}\),即如果按前邊的來,得到的電壓矢量應該按順時針方向轉。
-
用於表示三相交流電這個矢量稱為電壓矢量,以下討論的矢量都是這個矢量。
2. 基本電壓矢量
觀察一般的橋式逆變電路,假設同一橋臂上的開關管必須互補,則該電路共有八種工作狀態,分別是180°導通型三相方波逆變電路
里展示的六種和1、3、5開關全開或全斷兩種。
-
前六種工作狀態恰好可以作為某個三相正弦信號的瞬時值,所以它們雖然不按三相正弦規律變化,但仍然可以映射到上述矢量平面上。以第一個基本矢量為例,前6個基本電壓矢量的幅值都是:
\[|\boldsymbol{u_1}|=\frac{2}{3}U_d+\frac{1}{3}U_d\cos(60^\circ)+\frac{2}{3}U_d\cos(-60^\circ)=U_d \] -
1、3、5全開或全斷時三相輸出都為0,可以近似認為是某個幅值為0的三相正弦信號的瞬時值,所以它們也可以映射到矢量平面上,只不過都是零向量。
這8個矢量構成了用於之后調制三相正弦信號的基本矢量。
3. 為什么可以用基本電壓矢量進行矢量加和運算
這一塊沒搞清楚,書上大概講的是電壓矢量的沖量又可以通過某種神秘的方式編程為磁鏈的變化量,然后就可以矢量加和了(我是感覺書也沒說清楚)。
4. 調制方法簡述
1中得到了三相正弦信號瞬時值在這個向量平面的位置以及變化方式,2中得到了易於獲得的信號所對應的基本電壓矢量,3中說明了可以由基本電壓矢量做一定范圍內的線性組合得到任意的三相正弦信號瞬時值,現在介紹如何由基本矢量組成三項正弦信號瞬時值對應的矢量。
按理說一個平面上的任意矢量只要由兩個不共線的矢量做為基就可以組合出來,那為什么這里需要6各基本矢量?原因大概有兩個
- 此處各基本矢量的做線性組合時系數只能取正數,所以至少都得用互相相差\(120^\circ\)的3個。
- 用互相相差\(120^\circ\)的3個應該是可以的,但是合成出的三項正弦信號的幅值不如6個的大。
-
合成一個三相正弦瞬時值
由正弦定理
\[\frac{u_sT}{\sin\frac{2\pi}{3}}=\frac{u_1t_1}{\sin(\frac{\pi}{3}-\theta)}=\frac{u_2t_2}{\sin\theta}\\ \Rightarrow \left\{ \begin{aligned} t_1&=\frac{u_sT\sin(\frac{\pi}{3}-\theta)}{u_1\sin\frac{2\pi}{3}}\\ t_2&=\frac{u_sT\sin\theta}{u_2\sin\frac{2\pi}{3}} \end{aligned} \right. \]在滿足\(t_1+t_2\le T\)的條件下(否則隨着時間變化合成不了完整的三相正弦信號),該時刻的三相正弦瞬時值即可如下合成:
\[\boldsymbol u_s=\frac{t_1}{T}\boldsymbol u_1+\frac{t_2}{T}\boldsymbol u_2 \] -
按七段法輸出:減少開關損耗,增強系統穩定性。
-
循環第1、2兩步,則合成出的矢量的末端會做勻速圓周運動,再由1中推導的矢量與三相正弦瞬時值是一一映射關系,即可獲得近似的三相正弦輸出。
說是“近似”是因為合成出的矢量的末端並不是真正在做勻速圓周運動,而是在一個多邊形的定點上跳變。故合成的頻率越高,則這個多邊形的邊就越多,整體上就越接近一個圓,得到的三相輸出也就越接近理想的三相正弦輸出。