北京交通大學(xué)電力電子技術(shù)第六章無源逆變

1、無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-1無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-2 無源逆變無源逆變直流直流 交流（向負載直接供電）交流（向負載直接供電） 無源逆變電路簡稱無源逆變電路簡稱逆變電路逆變電路 逆變與變頻逆變與變頻逆變電路經(jīng)常與變頻的概念聯(lián)系在一起逆變電路經(jīng)常與變頻的概念聯(lián)系在一起變頻電路：交交變頻和交直交變頻兩種變頻電路：交交變頻和交直交變頻兩種交直交變頻由交直變換和直交變換兩部交直交變頻由交直變換和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變分組成，后一部分就是逆變無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-3 無源逆變技術(shù)的應(yīng)用無源逆變技術(shù)的應(yīng)

2、用逆變電路交流負載供電交流負載供電無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-4交流電源：交流電源：如列車照明、感應(yīng)加熱電源、如列車照明、感應(yīng)加熱電源、電解電鍍電源、不停電電源（電解電鍍電源、不停電電源（UPS）、高頻）、高頻焊機、高頻電子鎮(zhèn)流器和航空電源等焊機、高頻電子鎮(zhèn)流器和航空電源等 。 無源逆變技術(shù)的應(yīng)用無源逆變技術(shù)的應(yīng)用交流調(diào)速系統(tǒng)：交流調(diào)速系統(tǒng)：如鐵道如鐵道牽引、大型工礦機車、牽引、大型工礦機車、城市有軌交通（地鐵和城市有軌交通（地鐵和輕軌車）、重型電傳動輕軌車）、重型電傳動汽車和礦井提升設(shè)備等。汽車和礦井提升設(shè)備等。RO1 Brake Control+24VBrake

3、Resistor無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-5 按電路結(jié)構(gòu)分類按電路結(jié)構(gòu)分類橋式橋式零式零式 按輸出相數(shù)分類按輸出相數(shù)分類單相單相多相多相 按器件分類按器件分類半控型半控型全控型全控型 按調(diào)制方法分類按調(diào)制方法分類PWMPAM方波、階梯波方波、階梯波 按導(dǎo)通的角度分類按導(dǎo)通的角度分類180 120 按強迫換流的特點按強迫換流的特點諧振型諧振型并聯(lián)電容型等并聯(lián)電容型等無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-6 按直流側(cè)電源的性質(zhì)分類（常用此分類）按直流側(cè)電源的性質(zhì)分類（常用此分類）電壓型逆變器電壓型逆變器 電流型逆變器電流型逆變器直流側(cè)電源為直流側(cè)電源為準

4、恒壓源準恒壓源直流側(cè)電源為直流側(cè)電源為準恒流源準恒流源無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-76 . 3 三相逆變器工作原理三相逆變器工作原理6.46.4 PWM技術(shù)技術(shù)6.56.5其它其它PWMPWM控制方法控制方法6.66.6多重化技術(shù)多重化技術(shù)6.76.7三電平逆變器的原理三電平逆變器的原理無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-8一、一、 單相半橋逆變電路單相半橋逆變電路1、電路結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)2、工作原理、工作原理/波形分析波形分析T1導(dǎo)通、導(dǎo)通、T2截止：截止：Uan=Ud /2T1截止、截止、T2導(dǎo)通：導(dǎo)通： Uan=-Ud /2Z+nC01C02T1

5、T2iZD1D2(a)電路OO驅(qū)動T1驅(qū)動T1驅(qū)動T2T023T02T0驅(qū)動T23T04T04T0OvanD1T1D2T2iZmiZm=18VDf0L12VDiZiZOD1T1D2T2iZR-L(b)電壓波形(c)電阻負載電流波形(d)電感負載電流波形(e)R-L負載電流波形圖6.1單相半橋逆變電路及電壓電流波形aVDT1、T2輪流導(dǎo)通，使輪流導(dǎo)通，使直流直流交流交流改變改變T1、T2的切換頻率，便可改變的切換頻率，便可改變輸出交流電的頻率。輸出交流電的頻率。無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-93、基本關(guān)系、基本關(guān)系輸出電壓有效值輸出電壓有效值輸出電壓表達式輸出電壓表達式基

6、波電壓有效值基波電壓有效值電感負載電流峰值電感負載電流峰值R-L負載電流基波負載電流基波分量分量5 , 3 , 1sin2ndantnnUuddUUU45. 0221)sin()(2)(12211tLRUtioLfUidom08/2422/12/02dTodoanUdtUTU無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-101、電路結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)2、工作原理、工作原理/波形分析波形分析與全橋逆變電路相同與全橋逆變電路相同T1 、T4導(dǎo)通、導(dǎo)通、T2 、T3截止：截止：Uan=Ud T1 、T4截止、截止、T2 、T3導(dǎo)通：導(dǎo)通： Uan=-Ud ZT3T4iZD3D4(a)電路O驅(qū)動T

7、2van圖6.2單相全橋逆變電路及電壓、電流波形bT1T2D1D2aVD驅(qū)動T1、 T4O、 T3驅(qū)動T1、 T4(b)負載電壓(c)電阻負載電流波形iZO(d)電感負載電流波形iZT0/4T /20T0/43T0L負載R負載D1D4T1T4D2T2D3T3OiZT1T4D1D4D2D3T2T32RL負載(e)R-L負載電流波形無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-113、基本關(guān)系、基本關(guān)系輸出電壓表達式輸出電壓表達式基波電壓有效值基波電壓有效值電感負載電流峰值電感負載電流峰值R-L負載電流負載電流 其中其中5 , 3 , 1sin4)(nDabtnnUtuDDUUU9 . 0

8、241LfUiDom04/5 , 3 , 11)sin(nnnmotnnZUi22)(LnRZnRLnnarctan無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-121、電路結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)2、工作原理、工作原理T1 導(dǎo)通、導(dǎo)通、T2 截止：截止：Uo=-Ud/KT1 截止、截止、T2 導(dǎo)通：導(dǎo)通： Uo=Ud/K 3、基本關(guān)系、基本關(guān)系與橋式電路相同與橋式電路相同Z+-R+-OVT1OVT2OVT2(b)(a)圖6.3 推挽式單相逆變電路及其波形（a）簡化原理圖；（b）波形圖6.4 帶感性負載的推挽式單相逆變電路T1T2VD2VD2VDVD/KT2D2D1T1VDttt無源逆變2022

9、-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-131、單相全橋逆變電路、單相全橋逆變電路在單相逆變電路中，全橋逆變電路應(yīng)用最多。在單相逆變電路中，全橋逆變電路應(yīng)用最多。2、單相半橋逆變電路、單相半橋逆變電路結(jié)構(gòu)簡單，所用器件比全橋電路少一半。結(jié)構(gòu)簡單，所用器件比全橋電路少一半。 但輸出交但輸出交流電壓幅值低，且直流側(cè)需要兩個電容串聯(lián)，工作流電壓幅值低，且直流側(cè)需要兩個電容串聯(lián)，工作時需要控制兩個電容器電壓的均衡。時需要控制兩個電容器電壓的均衡。應(yīng)用場合：常用于幾應(yīng)用場合：常用于幾KW以下的小功率逆變電源。以下的小功率逆變電源。3、單相推挽式逆變電路、單相推挽式逆變電路所用器件比全橋電路少一半，但器件承

10、受的電壓比所用器件比全橋電路少一半，但器件承受的電壓比全橋電路高出一倍，而且必須有變壓器，低頻使用全橋電路高出一倍，而且必須有變壓器，低頻使用受限制。受限制。無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-146.16.1 無源逆變電路的原理無源逆變電路的原理6.46.4 PWM技術(shù)技術(shù)6.56.5其它其它PWMPWM控制方法控制方法6.66.6多重化技術(shù)多重化技術(shù)6.76.7三電平逆變器的原理三電平逆變器的原理無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-15一、一、 三相電壓型逆變器工作原理三相電壓型逆變器工作原理 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)圖6.7電壓型三相橋式逆變器電路原理圖Z Z

11、a aZ Zb bZ Zc cD D1 1D D3 3D D5 5D D4 4D D6 6D D2 2T T1 1T T3 3T T5 5T T4 4T T6 6T T2 2n nV VD Da ab bc c 根據(jù)各管導(dǎo)通根據(jù)各管導(dǎo)通時間分：時間分： 180 導(dǎo)通型導(dǎo)通型 120 導(dǎo)通型導(dǎo)通型 負載連接方式負載連接方式 型連接型連接 Y型連接型連接無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-161、電壓波形、電壓波形 相電壓波形相電壓波形 線電壓波形線電壓波形無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-172、各階段的等值電路及電壓值、各階段的等值電路及電壓值無源逆變20

12、22-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-183、電壓表達式、電壓表達式相電壓表達式相電壓表達式線電壓表達式線電壓表達式.)11sin1117sin715sin51(sin2ttttUudan.)11sin1117sin715sin51(sin32ttttUudab無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-193、電壓表達式、電壓表達式（續(xù)）（續(xù)）相電壓有效值相電壓有效值線電壓有效值線電壓有效值dddanUUUU471. 033223342122ddabUUU816. 0)3(242無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-204、感性負載電流、感性負載電流負載電流滯后

13、角小于負載電流滯后角小于60 （a）A相電壓波形相電壓波形U Uanan（b b）A A相電流波形相電流波形i ia a（c c）T T1 1的電流波形的電流波形i iT1T1（d d）D D4 4的電流波形的電流波形i iD4D4（e e）直流輸入電流）直流輸入電流i id d無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-214、感性負載情況、感性負載情況（續(xù)）（續(xù)）負載電流滯后角負載電流滯后角大于大于60 無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-22 感性負載下逆變器中可能有三種電流：感性負載下逆變器中可能有三種電流：功率電流功率電流 它通過兩個或三個逆變管，將能量從

14、直流電源送到它通過兩個或三個逆變管，將能量從直流電源送到負載。負載。環(huán)路電流環(huán)路電流 它在逆變器內(nèi)部經(jīng)過一個逆變管和一個反饋二極管，它在逆變器內(nèi)部經(jīng)過一個逆變管和一個反饋二極管，形成環(huán)流，但此環(huán)流不經(jīng)過電源。形成環(huán)流，但此環(huán)流不經(jīng)過電源。反饋電流反饋電流 它通過兩個反饋二極管將負載的能量反饋到直流電它通過兩個反饋二極管將負載的能量反饋到直流電源中去。源中去。無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-231、電壓波形、電壓波形 相電壓波形相電壓波形 線電壓波形線電壓波形無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-24 電動機負載工作在發(fā)電機狀態(tài)時，其發(fā)出的電電動機負載工作在

15、發(fā)電機狀態(tài)時，其發(fā)出的電能通過逆變器電路中的反饋二極管能通過逆變器電路中的反饋二極管D1D6回饋回饋到直流側(cè)，使直流側(cè)電壓到直流側(cè)，使直流側(cè)電壓Ud升高升高 為限制為限制Ud ，必需將回饋的電能消耗掉或回饋，必需將回饋的電能消耗掉或回饋到電網(wǎng)，具體方案有：到電網(wǎng)，具體方案有：通過制動單元消耗掉通過制動單元消耗掉通過有源逆變橋回饋到電網(wǎng)（見再生方案通過有源逆變橋回饋到電網(wǎng)（見再生方案1）通過脈沖整流器回饋到電網(wǎng)（見再生方案通過脈沖整流器回饋到電網(wǎng)（見再生方案2）無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-25 再生方案再生方案1 功率因數(shù)低功率因數(shù)低 諧波電流大諧波電流大90圖6.12

16、逆變器/電機系統(tǒng)的再生方案一+-T1T3D1T4T6D4T2D6D3T5D2D5ABCM通過有源逆變器將再生能量反饋給電網(wǎng)通過有源逆變器將再生能量反饋給電網(wǎng)無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-26 再生方案再生方案2 功率因數(shù)高功率因數(shù)高（接近于（接近于1） 諧波電流小諧波電流小LALBLCABC三相脈沖整流器平波電容無源逆變電機圖6.13逆變器/電機系統(tǒng)的再生運行方案二M通過脈沖變流器將再生能量反饋給電網(wǎng)通過脈沖變流器將再生能量反饋給電網(wǎng)無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-271、電路結(jié)構(gòu)：、電路結(jié)構(gòu)：逆變器的供電電源為電流源逆變器的供電電源為電流源無源逆

17、變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-282、工作原理及主要波形、工作原理及主要波形1200導(dǎo)電方式導(dǎo)電方式線電流波形線電流波形(a)負載負載型連接時的相電型連接時的相電流波形流波形(b)無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-293、線電流表達式、線電流表達式.)11sin1117sin715sin51(sin32ttttIidA基波電流的幅值為基波電流的幅值為基波電流有效值為基波電流有效值為線電流的有效值為線電流的有效值為ddmAIII1 . 1321ddAIII78. 061ddAIII816. 043212無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-3

18、0 負載負載 型連接時的相電流表達式型連接時的相電流表達式.)11sin1117sin715sin51(sin2ttttIidAB無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-314、電流型逆變器有功功率的反饋、電流型逆變器有功功率的反饋 ： 再生方案再生方案1將交流電源端的相控整流器控制角后移到將交流電源端的相控整流器控制角后移到90 ，使整流器成為有源逆變器，工作在再生狀態(tài)。使整流器成為有源逆變器，工作在再生狀態(tài)。無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-32 再生方案再生方案2通過脈沖變流器將再生能量反饋給電網(wǎng)通過脈沖變流器將再生能量反饋給電網(wǎng)無源逆變2022-5-1

19、5北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-335、特點：、特點：由于有大電感抑流，短路的危險性也比電壓型逆由于有大電感抑流，短路的危險性也比電壓型逆變器小得多。電路對功率器件關(guān)斷時間（即功率變器小得多。電路對功率器件關(guān)斷時間（即功率器件快速性）的要求比電壓型逆變器的要求低，器件快速性）的要求比電壓型逆變器的要求低，電路相對電壓型也比較簡單，造價略低。電路相對電壓型也比較簡單，造價略低。不需要增設(shè)反并聯(lián)的再生變流裝置。不需要增設(shè)反并聯(lián)的再生變流裝置。電感重量、體積都很大電感重量、體積都很大 ，實際使用不如電壓型逆，實際使用不如電壓型逆變器廣泛。變器廣泛。 無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6

20、-346.16.1 無源逆變電路的原理無源逆變電路的原理6 . 3 三相逆變器工作原理三相逆變器工作原理6.56.5其它其它PWMPWM控制方法控制方法6.66.6多重化技術(shù)多重化技術(shù)6.76.7三電平逆變器的原理三電平逆變器的原理無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-35 方波控制逆變器的問題方波控制逆變器的問題 本身不能調(diào)節(jié)輸出量幅值本身不能調(diào)節(jié)輸出量幅值 輸出量中含有大量的輸出量中含有大量的5、7、11、13次諧波次諧波 解決方法解決方法 采用采用PWM控制技術(shù)控制技術(shù) 本課程主要討論本課程主要討論電壓型電壓型PWM逆變器逆變器的控制方法的控制方法無源逆變2022-5-1

21、5北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-36 PWMPWM控制的思想控制的思想源于通信技術(shù)源于通信技術(shù)，全控型器件，全控型器件的發(fā)展的發(fā)展 使得實現(xiàn)使得實現(xiàn)PWMPWM控制變得十分容易。控制變得十分容易。 PWMPWM技術(shù)的技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛應(yīng)用十分廣泛，它使電力電子裝，它使電力電子裝置的性置的性 能大大提高，因此它在電力電子技術(shù)能大大提高，因此它在電力電子技術(shù)的發(fā)展史上占有十分重要的地位。的發(fā)展史上占有十分重要的地位。 PWMPWM控制技術(shù)正是有賴于在控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路逆變電路中的成中的成功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位?，F(xiàn)在使用的各種逆變

22、電路都采用了地位?，F(xiàn)在使用的各種逆變電路都采用了PWMPWM技術(shù)。技術(shù)。無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-37方波窄脈沖三角波窄脈沖單位沖擊函數(shù)正弦半波窄脈沖f (t)d (t)tOa)b)c)d)tOtOtOf (t)f (t)f (t) 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖沖量沖量指窄脈沖的面積指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-38i(t )e(t) 實例實例以上實例說明了“面積等效原理”電路輸入：e(t)電路輸出：i(t)無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-391、目標涵數(shù)、目標涵數(shù)正弦電壓正弦電壓使脈沖列的

23、作用效果盡量接近正弦波的作用效果使脈沖列的作用效果盡量接近正弦波的作用效果2、基本原理、基本原理 根據(jù)沖量等效（面積等效）原理，用一組根據(jù)沖量等效（面積等效）原理，用一組幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖列來幅值相等、寬度按正弦規(guī)律變化的脈沖列來代替正弦波。代替正弦波。 按同一比例改變各脈沖的寬度即可改變等按同一比例改變各脈沖的寬度即可改變等效正弦波的幅值。效正弦波的幅值。無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-40Ou t 如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ou tOu t無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-41Ou t 如何用一系列等幅不等寬的脈

24、沖來代替一個正弦半波SPWM波若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。Ou tOu tOu t無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-423、SPWM的控制方法的控制方法離線離線計算法計算法根據(jù)輸出正弦波的頻率、幅值和半根據(jù)輸出正弦波的頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)計算個周期內(nèi)的脈沖數(shù)計算PWM波各脈沖的寬度和間波各脈沖的寬度和間隔。隔。v 缺點：計算量大，繁瑣。缺點：計算量大，繁瑣。調(diào)制法調(diào)制法將目標涵數(shù)（波形）作為調(diào)制信號，通將目標涵數(shù)（波形）作為調(diào)制信號，通過對載波的調(diào)制得到過對載波的調(diào)制得到PWM波形。波形。v 一般用等腰三角形波作為載波；一般用等腰三角

25、形波作為載波；v 根據(jù)輸出電壓波形的極性可分為單極性（或不根據(jù)輸出電壓波形的極性可分為單極性（或不對稱）調(diào)制和雙極性（或?qū)ΨQ）調(diào)制。對稱）調(diào)制和雙極性（或?qū)ΨQ）調(diào)制。無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-43 單極性調(diào)制單極性調(diào)制參照單相逆參照單相逆變器說明變器說明正半周：正半周：T1導(dǎo)通，導(dǎo)通，T4交交替通斷，替通斷，T2、T3截止截止負半周：負半周：T2導(dǎo)通，導(dǎo)通，T3交交替通斷，替通斷，T1、T4截止截止0tu圖6.21 單極性PWM控制方式原理0tcuruofuououDV12in2d1did無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-44uoD3D4bD1D

26、2UT3T4T1T2aRL? ? ?uruc? ? ? ? 6.18 ? ? ? ? PWM? ? ? ?無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-45 雙極性調(diào)制雙極性調(diào)制同一橋臂上的同一橋臂上的兩個管子處于兩個管子處于互補工作狀態(tài)互補工作狀態(tài)uruc時：時：T1 、T4導(dǎo)通，導(dǎo)通，T2、T3截止，截止，uo=VDuruc時，時，上橋臂上橋臂T1導(dǎo)通，下橋臂導(dǎo)通，下橋臂T4關(guān)關(guān)斷，斷，uao=Ud/2；當；當urauc時，時，T4導(dǎo)，導(dǎo)，T1關(guān)斷，關(guān)斷，uao=-Ud/2。 B相和相和C相的控制方式和相的控制方式和A相相同。相相同。 三相調(diào)制信號三相調(diào)制信號u urara、u u

27、rbrb和和u urcrc的相位依次相差的相位依次相差120120。無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-48 在電壓型逆變器輸出的在電壓型逆變器輸出的SPWM電壓波形中對負載有用電壓波形中對負載有用的只是基波電壓，諧波電壓在負載上產(chǎn)生諧波電流，的只是基波電壓，諧波電壓在負載上產(chǎn)生諧波電流，只會給負載帶來負面影響，如產(chǎn)生諧波損耗、噪音、只會給負載帶來負面影響，如產(chǎn)生諧波損耗、噪音、脈動轉(zhuǎn)矩。因此脈動轉(zhuǎn)矩。因此基波電壓越大越好基波電壓越大越好。 可以證明當可以證明當n 較大時，較大時，SPWM電壓波形的基波電壓與電壓波形的基波電壓與調(diào)制信號調(diào)制信號ur的幅值近視成正比，因此的幅值

28、近視成正比，因此調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)ur的幅值便的幅值便可控制基波電壓的幅值?？煽刂苹妷旱姆?。 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)ur的頻率便可控制基波電壓的頻率的頻率便可控制基波電壓的頻率。無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-491 1、定義載波頻率、定義載波頻率f fc c與調(diào)制波頻率與調(diào)制波頻率f fr r之比為載波比之比為載波比N N，定義調(diào)制波與載波的幅值之比為調(diào)制比定義調(diào)制波與載波的幅值之比為調(diào)制比M。rcffN cmrmUUM 2、對脈寬調(diào)制的制約條件、對脈寬調(diào)制的制約條件（1）器件開關(guān)頻率對）器件開關(guān)頻率對N N的限制：為了使逆變器的的限制：為了使逆變器的輸出波形盡量接近正弦波，應(yīng)盡可能增大

29、輸出波形盡量接近正弦波，應(yīng)盡可能增大N N ，但但N N必須滿足下列條件必須滿足下列條件率最高的正弦調(diào)制信號頻關(guān)頻率功率開關(guān)器件的允許開N無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-50（2）器件的導(dǎo)通時間）器件的導(dǎo)通時間ton、關(guān)斷時間、關(guān)斷時間toff對對M的限的限制（最小脈寬與最小間歇的限制）：制（最小脈寬與最小間歇的限制）： 為保證主電路開關(guān)器件的安全工作，必須使調(diào)為保證主電路開關(guān)器件的安全工作，必須使調(diào)制成的脈沖波有個最小脈寬與最小間歇的限制，制成的脈沖波有個最小脈寬與最小間歇的限制，以保證最小脈沖寬度大于開關(guān)器件的導(dǎo)通時間以保證最小脈沖寬度大于開關(guān)器件的導(dǎo)通時間ton，而

30、最小脈沖間歇大于器件的關(guān)斷時間，而最小脈沖間歇大于器件的關(guān)斷時間toff。因此對因此對M有限制有限制 ， M在在01之間，之間，實際上小于實際上小于1 1。 無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-51 根據(jù)調(diào)頻過程載波比的變化情況，根據(jù)調(diào)頻過程載波比的變化情況，PWMPWM調(diào)制方式可分為調(diào)制方式可分為異異步調(diào)制步調(diào)制和、和、同步調(diào)制同步調(diào)制和和分段同步調(diào)制分段同步調(diào)制。1、異步調(diào)制、異步調(diào)制 載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式，載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式，通常保持通常保持f fc c固定不變，當固定不變，當f fr r變化時，載波比變化時，載波比N N是變化的。是變化的

31、。特點：特點：在信號波的半周期內(nèi)，在信號波的半周期內(nèi)，PWMPWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/41/4周期的脈沖也不對稱周期的脈沖也不對稱波形對稱性差；波形對稱性差；當當f fr r較低時，較低時，N N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小稱產(chǎn)生的不利影響都較小低頻特性相對較好；低頻特性相對較好；當當f fr r增高時，增高時，N N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWMPWM脈沖脈沖不對稱的影響變大不

32、對稱的影響變大高頻特性相對較差高頻特性相對較差。無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-522、同步調(diào)制、同步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式，當變頻時載波信號和調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式，當變頻時使載波與信號波保持同步，即使載波與信號波保持同步，即N N等于常數(shù)。等于常數(shù)。圖6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud 同步調(diào)制三相PWM波形討論討論三相電路中公用一個三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)fr很低時，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除fr很高時，fc會過高，使開關(guān)器件

33、難以承受無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-5300.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321圖6-11fr /Hzfc /kHz3、分段同步調(diào)制、分段同步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用討論：把整個fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段的N不同在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高； 在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低為防止fc在切換點附近來回跳動，采用滯后切換 的方法結(jié)論：同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機控制時容 易實現(xiàn)可在低頻輸出時采用異步調(diào)制方式，

34、高頻輸出時切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點結(jié)合起來，和分段同步方式效果接近無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-54（一）模擬控制（一）模擬控制 生成方式生成方式 特點：實時性好，但控制電路復(fù)雜，可靠性差特點：實時性好，但控制電路復(fù)雜，可靠性差無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-55 數(shù)字控制數(shù)字控制 生成方式（包括用微機實時計算生成生成方式（包括用微機實時計算生成或用專用芯片生成）或用專用芯片生成）目前最常用的生成方式。目前最常用的生成方式。 特點：控制電路簡單、可靠。特點：控制電路簡單、可靠。用微機實時計算生成用微機實時計算生成SPWM控制信號時，關(guān)鍵

35、問題控制信號時，關(guān)鍵問題是如何快速、準確地計算出脈沖寬度。這主要取決是如何快速、準確地計算出脈沖寬度。這主要取決于脈沖寬度計算方法。于脈沖寬度計算方法。無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-561、基本概念、基本概念自然采樣法自然采樣法：按照正：按照正弦調(diào)制波與三角載波弦調(diào)制波與三角載波的自然交點，采集脈的自然交點，采集脈沖前、后沿時刻，生沖前、后沿時刻，生成成SPWM波形，叫做波形，叫做自然采樣法。自然采樣法。（Natural Sampling） 1t2t2t1t3TcttABtAtB圖6.25生成SPWM波形的自然采樣法M sin1tt2無源逆變2022-5-15北京交通大

36、學(xué)電氣工程學(xué)院6-57規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法：按照某種規(guī)則采集脈沖前、后沿時刻，：按照某種規(guī)則采集脈沖前、后沿時刻，生成生成SPWM波形，叫做規(guī)則采樣法（波形，叫做規(guī)則采樣法（Regular Sampling）。）。 t1t3TcttABtet2t1t3TcttABtd圖6.26生成SPWM波形的規(guī)則采樣法urdDt2E(a) 規(guī)則采樣法(b) 規(guī)則采樣法ure(a)(b)無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-582、自然采樣法脈寬計算、自然采樣法脈寬計算ActMTt1sin22121BActtMTt112sinsin212超越方程，求解困難！雖能確切反映正弦脈寬超越方程，求解困

37、難！雖能確切反映正弦脈寬調(diào)制的原始方法，卻不適于微機實時控制。調(diào)制的原始方法，卻不適于微機實時控制。1t2t2t1t3TcttABtAtB圖6.25生成SPWM波形的自然采樣法M sin1tt2BctMTt1sin22123無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-593、規(guī)則采樣法、規(guī)則采樣法II脈寬計算脈寬計算ectMTt12sin1223121tTttc規(guī)則采樣法的實質(zhì)是用階梯波來代替正弦規(guī)則采樣法的實質(zhì)是用階梯波來代替正弦波，從而簡化了算法，適合微機實時控制。波，從而簡化了算法，適合微機實時控制。 t1t3TcttABtet2t1t3TcttABtd圖6.26生成SPWM波

38、形的規(guī)則采樣法urdDt2E(a) 規(guī)則采樣法(b) 規(guī)則采樣法ure(a)(b)無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-606.16.1 無源逆變電路的原理無源逆變電路的原理6 . 3 三相逆變器工作原理三相逆變器工作原理6.46.4 PWM技術(shù)技術(shù)6.66.6多重化技術(shù)多重化技術(shù)6.76.7三電平逆變器的原理三電平逆變器的原理無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-61一、電流跟蹤控制一、電流跟蹤控制PWM 目標涵數(shù)目標涵數(shù)正弦電流正弦電流使實際輸出電流盡量接近正弦參考電流使實際輸出電流盡量接近正弦參考電流 電流跟蹤控制的方法很多，最基本的方法是電電流跟蹤控制的

39、方法很多，最基本的方法是電流流滯環(huán)滯環(huán)跟蹤控制跟蹤控制 ，其它方法都是對，其它方法都是對滯環(huán)滯環(huán)跟蹤控跟蹤控制制 的改進的改進無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-62 電流滯環(huán)跟蹤控制的原理電流滯環(huán)跟蹤控制的原理 設(shè)定參考電流設(shè)定參考電流i i* *環(huán)及環(huán)寬環(huán)及環(huán)寬2h 將實際電流將實際電流i i與參考電流與參考電流i i* *比較比較 根據(jù)比較結(jié)果控制上、下橋臂根據(jù)比較結(jié)果控制上、下橋臂 圖6.29電流滯環(huán)跟蹤控制的一相原理圖ia*2hi+-VDT1T41-iaEaAD1D4O tO t+0.5VD-0.5VDPWM電壓波形t1t2t0t1t2(b)(a)圖6.30電流滯環(huán)

40、跟蹤控制時電流波形與PWM電壓波形（a）電流滯環(huán)跟蹤控制時電流波形（b）PWM電壓波形2hia=f(t)ia=f(t)*滯環(huán)環(huán)寬滯環(huán)環(huán)寬無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-63 電流滯環(huán)跟蹤控制的特點電流滯環(huán)跟蹤控制的特點屬于閉環(huán)控制（跟蹤型屬于閉環(huán)控制（跟蹤型PWM控制的共同特點）控制的共同特點）控制電路簡單控制電路簡單電流響應(yīng)快電流響應(yīng)快不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波電流控制的精度與滯環(huán)比較器的環(huán)寬有關(guān)電流控制的精度與滯環(huán)比較器的環(huán)寬有關(guān)v 環(huán)寬大：諧波電流分量大，但開關(guān)頻率低；環(huán)寬大：諧波電流分量大，但開關(guān)頻率低；v

41、 環(huán)寬小：諧波電流分量小，但開關(guān)頻率高。環(huán)寬?。褐C波電流分量小，但開關(guān)頻率高。開關(guān)頻率開關(guān)頻率 不固定不固定無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-64 影響開關(guān)頻率的因素影響開關(guān)頻率的因素DaDchLVdtdiLEVttf24112221 開關(guān)頻率開關(guān)頻率fc與環(huán)寬與環(huán)寬2h成反比成反比; 負載電感負載電感L越大，越大， fc越小；越小； 直流側(cè)電壓直流側(cè)電壓VD值越大，值越大， fc越大越大; 參考電流參考電流i i* *的變化率越大，的變化率越大， fc越??；越?。?負載反電勢負載反電勢Ea越大，越大， fc越小。越小。無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-

42、65 最大的開關(guān)頻率發(fā)生在最大的開關(guān)頻率發(fā)生在Ea=0（電機堵轉(zhuǎn)）且參（電機堵轉(zhuǎn)）且參考電流考電流i i* *的變化率為零的時刻，此時的變化率為零的時刻，此時,32,28max0thLVfDc 為了在功率器件的允許開關(guān)頻率為了在功率器件的允許開關(guān)頻率 范圍內(nèi)得到較范圍內(nèi)得到較好的電流波形，派生出了很多種電流跟蹤控制方好的電流波形，派生出了很多種電流跟蹤控制方法，這些控制方法的實質(zhì)是：使任何時刻實際開法，這些控制方法的實質(zhì)是：使任何時刻實際開關(guān)頻率盡可能達到最大設(shè)計值。關(guān)頻率盡可能達到最大設(shè)計值。無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-66 改進方法改進方法1變環(huán)寬電流滯環(huán)跟蹤控制

43、變環(huán)寬電流滯環(huán)跟蹤控制BdiadtChmaxhminuE-A+-ia圖6.32由改變滯寬保持恒定的控制方式之一dia/dtfcia*ia*ia*D根據(jù)參考根據(jù)參考電流變化電流變化率實時調(diào)率實時調(diào)整滯環(huán)寬整滯環(huán)寬度，使開度，使開關(guān)頻率恒關(guān)頻率恒定定無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-67 改進方法改進方法2帶開關(guān)頻率閉環(huán)的電流滯環(huán)跟蹤控制帶開關(guān)頻率閉環(huán)的電流滯環(huán)跟蹤控制fc*+-+-f/VPWM輸出fc圖6.33用頻率閉環(huán)使恒定的原理電路圖fcia*ia將實際開關(guān)頻率將實際開關(guān)頻率與參考開關(guān)頻率與參考開關(guān)頻率進行比較，據(jù)此進行比較，據(jù)此結(jié)果實時調(diào)整滯結(jié)果實時調(diào)整滯環(huán)寬度，使開關(guān)

44、環(huán)寬度，使開關(guān)頻率恒定頻率恒定無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-68 目標涵數(shù)目標涵數(shù)消除特定次諧波消除特定次諧波無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-69 用脈寬調(diào)制消除指定的諧波分量用脈寬調(diào)制消除指定的諧波分量 式中式中 為了消除為了消除3次和次和5次諧波，可令次諧波，可令 U3M=0和和 U5M=0 可求得特定的可求得特定的 1和和 2nnMntnUtu.531sin)(、cos2cos21421nnnUUdnM05cos25cos2103cos23cos212121無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-70 目標涵數(shù)目標涵數(shù)圓型磁通軌

45、跡圓型磁通軌跡 SPWM控制主要著眼于使逆變器輸出電壓盡量接近正弦控制主要著眼于使逆變器輸出電壓盡量接近正弦波，至于電流波形，則還會受負載電路參數(shù)的影響波，至于電流波形，則還會受負載電路參數(shù)的影響 。 電流跟蹤控制則直接著眼地輸出電流是否按正弦變化，電流跟蹤控制則直接著眼地輸出電流是否按正弦變化，這比只考察輸出電壓波形要進了一步。這比只考察輸出電壓波形要進了一步。 異步電機需要輸入三相正弦電流的最終目的是在空間產(chǎn)異步電機需要輸入三相正弦電流的最終目的是在空間產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。電壓空間生圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。電壓空間矢量矢量PWM控制就是控制就是以圓形旋轉(zhuǎn)

46、磁場為目標來控制輸出以圓形旋轉(zhuǎn)磁場為目標來控制輸出電壓電壓 。 無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-71 三相電壓型逆變器共有三相電壓型逆變器共有8種工作狀態(tài)種工作狀態(tài) u1u2u3u4u5u6u0u7無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-72 磁鏈的運動方向與電壓空間矢量的方向一致磁鏈的運動方向與電壓空間矢量的方向一致11u1u1圖6.35旋轉(zhuǎn)磁場與電壓空間矢量運動軌跡的關(guān)系u4u3u2u1u6u5/3u8u7.圖6.37由PWM逆變器供電時三相電機的電壓空間矢量無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-73 PWM控制技術(shù)在電力電子領(lǐng)域有著廣泛

47、的應(yīng)用，它推控制技術(shù)在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，它推動了電力電子技術(shù)的發(fā)展動了電力電子技術(shù)的發(fā)展 諧波消除諧波消除PWM技術(shù)技術(shù)在晶閘管逆變器上用得較多，它較在晶閘管逆變器上用得較多，它較好地解決了在開關(guān)頻率不高的情況下消除危害最嚴重好地解決了在開關(guān)頻率不高的情況下消除危害最嚴重的諧波的問題的諧波的問題 電流跟蹤控制電流跟蹤控制PWM技術(shù)技術(shù)要求功率開關(guān)器件具有較高的要求功率開關(guān)器件具有較高的開關(guān)頻率，通常只用在開關(guān)頻率，通常只用在IGBT逆變器上。逆變器上。 SPWM技術(shù)技術(shù)和和電壓空間矢量電壓空間矢量PWM技術(shù)技術(shù)是目前最通用的是目前最通用的PWM技術(shù)，相比而言，技術(shù)，相比而言，電壓空間

48、矢量電壓空間矢量PWM技術(shù)技術(shù)更有更有發(fā)展前途。發(fā)展前途。 重點掌握重點掌握SPWM技術(shù)技術(shù)無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-746.16.1 無源逆變電路的原理無源逆變電路的原理6 . 3 三相逆變器工作原理三相逆變器工作原理6.46.4 PWM技術(shù)技術(shù)6.56.5其它其它PWMPWM控制方法控制方法6.76.7三電平逆變器的原理三電平逆變器的原理無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-75 多重化的目的多重化的目的消除或減少低次諧波，改善逆變器的輸出波形；消除或減少低次諧波，改善逆變器的輸出波形；增大裝置容量。增大裝置容量。 多重連接方法多重連接方法電流型

49、電流型逆變單元多重連接：逆變單元多重連接：N個逆變單元的輸出個逆變單元的輸出并并聯(lián)聯(lián)（直接并聯(lián)或經(jīng)過變壓器耦合后并聯(lián)），各逆變（直接并聯(lián)或經(jīng)過變壓器耦合后并聯(lián)），各逆變單元的運行相位彼此錯開單元的運行相位彼此錯開60o/N。 電壓型電壓型逆變單元多重連接：逆變單元多重連接：N個逆變單元的輸出經(jīng)個逆變單元的輸出經(jīng)過變壓器耦合后過變壓器耦合后串聯(lián)串聯(lián)，各逆變單元的運行相位彼此，各逆變單元的運行相位彼此錯開錯開60o/N。 無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-761、無輸出變壓器的電流型逆變器多重連接、無輸出變壓器的電流型逆變器多重連接 無源逆變2022-5-15北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院6-77 基本關(guān)系基本關(guān)系總輸出電流基波有效值總輸出電流基波有效值總輸出電流諧波分量有效值總輸出電流諧波分量有效值逆變單元的輸出相位彼此錯開逆變單元的輸出相位彼此錯開=30 時，直流側(cè)輸入時，直流側(cè)輸入電壓電壓 ED1=