第4章無(wú)源逆變電路

1、第第4 4章章 無(wú)源逆變電路無(wú)源逆變電路 把把直流電直流電變換成變換成交流電交流電稱為逆變。完成逆變功能的電路稱為逆變。完成逆變功能的電路叫叫逆變電路逆變電路，實(shí)現(xiàn)逆變過(guò)程的裝置稱為，實(shí)現(xiàn)逆變過(guò)程的裝置稱為逆變器逆變器。有源逆變有源逆變 交流側(cè)接在交流側(cè)接在交流電網(wǎng)交流電網(wǎng)上上無(wú)源逆變無(wú)源逆變 交流側(cè)直接和交流用電交流側(cè)直接和交流用電負(fù)載負(fù)載相接相接 教學(xué)要求教學(xué)要求: :(1)(1)掌握逆變電路的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和特點(diǎn)，掌握逆變電路的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和特點(diǎn)，PWMPWM控制方控制方法的理論基礎(chǔ)、波形生成方法，法的理論基礎(chǔ)、波形生成方法，SPWMSPWM逆變電路的控制方式；逆變電路的控制方

2、式；(2)(2)了解逆變電路的多電平化和多重化；了解逆變電路的多電平化和多重化；(3)(3)學(xué)會(huì)無(wú)源逆變電路的設(shè)計(jì)方法。學(xué)會(huì)無(wú)源逆變電路的設(shè)計(jì)方法。4.1 4.1 概概 述述 絕大多數(shù)逆變電路都采用絕大多數(shù)逆變電路都采用全控型器件全控型器件，小功率多用，小功率多用MOSFET,MOSFET,中功率多用中功率多用IGBTIGBT，大功率則用，大功率則用GTOGTO。4.1.1 4.1.1 逆變電路的類型逆變電路的類型（1 1）根據(jù)輸入直流電源的類型可分為電壓源型逆變電路）根據(jù)輸入直流電源的類型可分為電壓源型逆變電路(VSI)(VSI)和電流源型逆變電路（和電流源型逆變電路（CSICSI）u電壓源

3、型的輸入端并接有電壓源型的輸入端并接有大電容大電容，是為了保證電壓穩(wěn)定，是為了保證電壓穩(wěn)定，形成平穩(wěn)的直流電壓，同時(shí)為交流側(cè)無(wú)功電流提供通路；形成平穩(wěn)的直流電壓，同時(shí)為交流側(cè)無(wú)功電流提供通路；u電流源型的輸入端串接有電流源型的輸入端串接有大電感大電感，是為了保證電流穩(wěn)定，是為了保證電流穩(wěn)定，形成平穩(wěn)的直流電流。同時(shí)也為來(lái)自逆變側(cè)的無(wú)功電壓分量形成平穩(wěn)的直流電流。同時(shí)也為來(lái)自逆變側(cè)的無(wú)功電壓分量提供支撐，維持電路電壓平衡，保證無(wú)功功率流傳。提供支撐，維持電路電壓平衡，保證無(wú)功功率流傳。 （2 2）根據(jù)輸出）根據(jù)輸出交流電壓交流電壓的性質(zhì)可分為恒頻恒壓正弦波逆變電路的性質(zhì)可分為恒頻恒壓正弦波逆變電

4、路和方波逆變電路，變頻變壓逆變電路，高頻脈沖電壓（電流）和方波逆變電路，變頻變壓逆變電路，高頻脈沖電壓（電流）逆變電路。逆變電路。（3 3）根據(jù)逆變）根據(jù)逆變電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)的不同可分為半橋式、全橋式和推挽式的不同可分為半橋式、全橋式和推挽式逆變電路。逆變電路。（4 4）根據(jù)所用電力電子）根據(jù)所用電力電子器件器件的換流方式不同，可分為自關(guān)斷、的換流方式不同，可分為自關(guān)斷、強(qiáng)迫關(guān)斷、電網(wǎng)換流（有源逆變電路）、負(fù)載諧振換流逆變電強(qiáng)迫關(guān)斷、電網(wǎng)換流（有源逆變電路）、負(fù)載諧振換流逆變電路等。路等。 實(shí)際應(yīng)用中大都是采用實(shí)際應(yīng)用中大都是采用單相或三相單相或三相，單相逆變電路適用小，單相逆變電路適用小功率

5、，三相逆變電路適用于中、大功率。功率，三相逆變電路適用于中、大功率。4.1.2 4.1.2 逆變電路的基本工作原理逆變電路的基本工作原理 當(dāng)開(kāi)關(guān)當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S4閉合，閉合，S2、S3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓u0為正；當(dāng)為正；當(dāng)開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)S1、S4斷開(kāi)，斷開(kāi)，S2、S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓閉合時(shí)，負(fù)載電壓u0為負(fù)。為負(fù)。 4.1.3 4.1.3 逆變電路的基本構(gòu)成逆變電路的基本構(gòu)成 1 1逆變主電路：由開(kāi)關(guān)器件等組成，是逆變主電路：由開(kāi)關(guān)器件等組成，是能量變換能量變換的主體。的主體。 2 2驅(qū)動(dòng)與控制電路：按照要求產(chǎn)生一系列的驅(qū)動(dòng)與控制電路：按照要求產(chǎn)生一系列的控制信號(hào)控制信號(hào)，對(duì)，對(duì)主電路實(shí)

6、現(xiàn)逆變控制，完成逆變電路的調(diào)壓、調(diào)頻或穩(wěn)壓、穩(wěn)主電路實(shí)現(xiàn)逆變控制，完成逆變電路的調(diào)壓、調(diào)頻或穩(wěn)壓、穩(wěn)頻等功能。頻等功能。 3 3輸入、輸出電路輸入、輸出電路 輸入電路輸入電路是為了保證直流電源為是為了保證直流電源為恒壓源恒壓源或或恒流源恒流源，必須設(shè)，必須設(shè)置置儲(chǔ)能元件儲(chǔ)能元件。電容元件能保證電壓穩(wěn)定，電感元件可保證電流。電容元件能保證電壓穩(wěn)定，電感元件可保證電流穩(wěn)定。穩(wěn)定。 輸出電路輸出電路主要是主要是濾波電路濾波電路；對(duì)于隔離式逆變電路，還應(yīng)包；對(duì)于隔離式逆變電路，還應(yīng)包含含逆變變壓器逆變變壓器；對(duì)于閉環(huán)控制的逆變電路還應(yīng)包括輸出量；對(duì)于閉環(huán)控制的逆變電路還應(yīng)包括輸出量檢測(cè)檢測(cè)電路電路，使

7、輸出量反饋到控制電路。，使輸出量反饋到控制電路。 4 4輔助電路輔助電路 包括輔助電源和保護(hù)電路等。包括輔助電源和保護(hù)電路等。 輔助電源輔助電源是為電路中各個(gè)部分提供直流工作電壓。是為電路中各個(gè)部分提供直流工作電壓。 保護(hù)電路保護(hù)電路是防止在故障或非正常情況下電路受到破壞。是防止在故障或非正常情況下電路受到破壞。4.1.4 逆變電路輸出波形性能指標(biāo)逆變電路輸出波形性能指標(biāo)逆變電路輸出交流電波形除逆變電路輸出交流電波形除基波基波外總含有外總含有諧波諧波。1諧波系數(shù)諧波系數(shù)HF（Harmonic factor）1nnUHFU2總諧波系數(shù)總諧波系數(shù)THD（Total harmonic distort

8、ion factor）1222,3,4,11()nnTHDUU3畸變系數(shù)畸變系數(shù)DF（Distortion factor）22111nnLnUUUn CnLCn Ln C1 n Cn L 當(dāng)當(dāng) ，則諧振頻率，則諧振頻率 01LCn2222200nnnLnUUUUnLCnn 為了表征經(jīng)為了表征經(jīng)LC濾波濾波后負(fù)載電壓波形還存在后負(fù)載電壓波形還存在畸變畸變的程度引的程度引入畸變系數(shù)入畸變系數(shù)1222,3,4,11nnUDFUn2 對(duì)于第對(duì)于第n次諧波的畸變系數(shù)次諧波的畸變系數(shù) 21nnUDFU n4最低次諧波最低次諧波LOH（Lowest order harmonic）其它性能指標(biāo)：其它性能指標(biāo)：

9、（1 1）逆變效率；）逆變效率；（2 2）單位重量（或體積）輸出功率；）單位重量（或體積）輸出功率；（3 3）可靠性指標(biāo)；）可靠性指標(biāo)；（4 4）逆變電路輸入電流交流分量的數(shù)值和脈動(dòng)頻率；）逆變電路輸入電流交流分量的數(shù)值和脈動(dòng)頻率；（5 5）電磁干抗）電磁干抗EMIEMI及電磁兼容性及電磁兼容性EMCEMC。4.2 4.2 電壓源單相方波逆變電路電壓源單相方波逆變電路4.2.1 4.2.1 半橋逆變電路半橋逆變電路假定：假定：（1 1）電力電子開(kāi)關(guān)器件）電力電子開(kāi)關(guān)器件無(wú)損耗無(wú)損耗、無(wú)時(shí)延無(wú)時(shí)延，開(kāi)關(guān)狀態(tài)的切換在，開(kāi)關(guān)狀態(tài)的切換在瞬間完成；瞬間完成；（2 2）給逆變電路供電的為）給逆變電路供電

10、的為理想直流電壓源理想直流電壓源，直流側(cè)電壓無(wú)脈，直流側(cè)電壓無(wú)脈動(dòng)且不受負(fù)載影響；動(dòng)且不受負(fù)載影響；（3）負(fù)載為）負(fù)載為理想負(fù)載理想負(fù)載，變壓器和電抗器無(wú)直流變壓器和電抗器無(wú)直流內(nèi)阻、鐵心不飽和。內(nèi)阻、鐵心不飽和。直流側(cè)大電容分壓，且直流側(cè)大電容分壓，且CO1=CO2 ，控制信號(hào)互，控制信號(hào)互補(bǔ)，即補(bǔ)，即ug10時(shí)時(shí),ug2=0 ；ug20時(shí)，時(shí)， ug1=0 。 1輸出電壓分析輸出電壓分析當(dāng)當(dāng) 期間，期間，VT2導(dǎo)通，導(dǎo)通，VT1關(guān)斷，這時(shí)關(guān)斷，這時(shí)002tT 02duU 01,3,5,2sinnUun tn式中，式中， 為輸出電壓基波為輸出電壓基波角頻率；角頻率； 為輸出電壓基為輸出電壓基

11、波頻率。波頻率。02f001fT120.452ddUUU02duU 002TtT 當(dāng)當(dāng) 期間，期間，VT1導(dǎo)通，導(dǎo)通，VT2關(guān)斷，這時(shí)關(guān)斷，這時(shí)輸出電壓的基波有效值輸出電壓的基波有效值注意：注意：先斷后通先斷后通 （1 1）電阻負(fù)載）電阻負(fù)載 ( (電流電壓波形一致）電流電壓波形一致） 2負(fù)載電流分析負(fù)載電流分析（2）電感性負(fù)載）電感性負(fù)載缺點(diǎn)缺點(diǎn)：輸出交流電壓的幅值低，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容器串：輸出交流電壓的幅值低，且直流側(cè)需要兩個(gè)電容器串 聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)電容器電壓的均衡。聯(lián)，工作時(shí)還要控制兩個(gè)電容器電壓的均衡。 可見(jiàn)，可見(jiàn)，當(dāng)當(dāng)VT1或或VT2通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓同方向通態(tài)時(shí)，負(fù)

12、載電流和電壓同方向，直流側(cè)電源向負(fù)載提供能量。而直流側(cè)電源向負(fù)載提供能量。而當(dāng)當(dāng)VD1或或VD2通態(tài)時(shí)，負(fù)載通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓反向電流和電壓反向，負(fù)載電流也在減小，電感中儲(chǔ)存的無(wú)功能，負(fù)載電流也在減小，電感中儲(chǔ)存的無(wú)功能量向直流側(cè)反饋，并暫存在電容中，直流側(cè)的量向直流側(cè)反饋，并暫存在電容中，直流側(cè)的電容器起著緩電容器起著緩沖無(wú)功能量沖無(wú)功能量的作用。的作用。二極管稱為二極管稱為反饋二極管反饋二極管或或續(xù)流二極管續(xù)流二極管。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、使用器件少；：簡(jiǎn)單、使用器件少；半橋半橋逆變電路只適用于逆變電路只適用于小功率小功率逆變電路。逆變電路。4.2.2 全橋逆變電路全橋逆變電路 當(dāng)當(dāng) 期間，

13、期間，VT1、4導(dǎo)通，導(dǎo)通，VT2、3關(guān)斷，這時(shí)關(guān)斷，這時(shí)002tT 0duU 當(dāng)當(dāng) 期間，期間，VT2、3導(dǎo)通，導(dǎo)通，VT1、4關(guān)斷，這時(shí)關(guān)斷，這時(shí)002TtT 0duU 01,3,5,4sinnUun tn基波電壓有效值基波電壓有效值140.92ddUUU特點(diǎn)：特點(diǎn)：變換的容量較大，在變換的容量較大，在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用。 4.2.3 推挽式逆變電路推挽式逆變電路VT1導(dǎo)通，導(dǎo)通，VT2關(guān)斷，關(guān)斷， ，uo為正值方波；為正值方波； VT2導(dǎo)通，導(dǎo)通，VT1關(guān)斷，關(guān)斷， ，uo為負(fù)值方波。為負(fù)值方波。OAduU0BduU若輸出變壓器的變比為若輸出變壓器的變比為K，

14、則輸出方波電壓的幅值為，則輸出方波電壓的幅值為Ud/K。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量較少數(shù)量較少，但是當(dāng)開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)承受的，但是當(dāng)開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)承受的電壓比全橋逆變電路高一倍；而且還必須有一個(gè)帶中心抽頭電壓比全橋逆變電路高一倍；而且還必須有一個(gè)帶中心抽頭的變壓器。的變壓器。 這種逆變電路只適用于這種逆變電路只適用于低壓、小功率低壓、小功率，且必須要求負(fù)載，且必須要求負(fù)載與電源有與電源有電氣隔離電氣隔離的場(chǎng)合。的場(chǎng)合。 1 1工作過(guò)程分析工作過(guò)程分析第一模式第一模式:全橋電路的對(duì)角開(kāi)關(guān)器全橋電路的對(duì)角開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通，輸出電壓和電流同相位，件導(dǎo)通，輸出電壓和電流同相位，表示直流電源向負(fù)載

15、輸送能量；表示直流電源向負(fù)載輸送能量；第二模式第二模式: :全橋電路的對(duì)角二極管全橋電路的對(duì)角二極管導(dǎo)通，輸出電壓和電流相位相反，導(dǎo)通，輸出電壓和電流相位相反，表示負(fù)載通過(guò)逆變電路向直流電源表示負(fù)載通過(guò)逆變電路向直流電源反饋能量；反饋能量；第三模式第三模式:上側(cè)（或下側(cè)）一個(gè)橋上側(cè)（或下側(cè)）一個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)器件和另一個(gè)橋臂二極管臂的開(kāi)關(guān)器件和另一個(gè)橋臂二極管短接，使輸出電壓為零，直流電源短接，使輸出電壓為零，直流電源與負(fù)載無(wú)能量的傳遞。與負(fù)載無(wú)能量的傳遞。 4.2.4 相移式逆變電路相移式逆變電路2 2輸出電壓分析輸出電壓分析 00dUu(0)2()22tt傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)式01,

16、3,5,cosnuAn t式中，式中，為輸出電壓基波角頻率。為輸出電壓基波角頻率。 0042cos()sin2dnUnAun tdtn01,3,5,4sincos2dnUnun tn基波有效值基波有效值:142 2sinsin222ddUUU其中：其中： 若以若以 為基準(zhǔn)值，各次諧波的相對(duì)幅值與脈寬的為基準(zhǔn)值，各次諧波的相對(duì)幅值與脈寬的關(guān)系關(guān)系 4dU1sin2nnCn3 3相移逆變電路的特點(diǎn)相移逆變電路的特點(diǎn)（1 1）在不改變電路結(jié)構(gòu)的條件下，）在不改變電路結(jié)構(gòu)的條件下，利用控制信號(hào)相位的變化實(shí)現(xiàn)了輸利用控制信號(hào)相位的變化實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的調(diào)節(jié)。出電壓的調(diào)節(jié)。（2 2）輸出電壓的諧波含量隨脈寬

17、）輸出電壓的諧波含量隨脈寬的變化而變化。的變化而變化。方波逆變電路的特點(diǎn)方波逆變電路的特點(diǎn) （1 1）受直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出的方波電壓與負(fù)）受直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出的方波電壓與負(fù)載性質(zhì)無(wú)關(guān)。在電路、參數(shù)確定的情況下，輸出電壓的形狀和載性質(zhì)無(wú)關(guān)。在電路、參數(shù)確定的情況下，輸出電壓的形狀和幅值都不可調(diào)。而交流側(cè)輸出電流的波形和相位與負(fù)載的性質(zhì)幅值都不可調(diào)。而交流側(cè)輸出電流的波形和相位與負(fù)載的性質(zhì)有關(guān)。若要對(duì)輸出電壓在不同范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可采取措施：有關(guān)。若要對(duì)輸出電壓在不同范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可采取措施：（3）直流電壓利用率較高。）直流電壓利用率較高。調(diào)節(jié)直流電壓調(diào)節(jié)直流電壓逆變

18、橋間移相調(diào)壓逆變橋間移相調(diào)壓相移式方波逆變電路相移式方波逆變電路（2）輸出電壓的）輸出電壓的諧波含量大諧波含量大；4.3 4.3 三相方波逆變電路三相方波逆變電路180180導(dǎo)電方式：每個(gè)橋臂導(dǎo)通角為導(dǎo)電方式：每個(gè)橋臂導(dǎo)通角為180180，同一相（即同一，同一相（即同一半橋）上下兩個(gè)橋臂交替導(dǎo)通，各相開(kāi)始導(dǎo)通的角度依次相半橋）上下兩個(gè)橋臂交替導(dǎo)通，各相開(kāi)始導(dǎo)通的角度依次相差差120120。這樣在任何時(shí)刻將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)通的順。這樣在任何時(shí)刻將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)通的順序?yàn)樾驗(yàn)?23234345456561612123234345456561612?？v向換流縱向換流: :每次換流都是在

19、同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行。每次換流都是在同一相上下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行。 4.3.1 電壓源三相方波逆變電路電壓源三相方波逆變電路4.3 4.3 三相方波逆變電路三相方波逆變電路1 1輸出電壓分析輸出電壓分析 uAO、uBO、Uco的波形是幅值為的波形是幅值為Ud/2的方波，的方波，相位依次相差相位依次相差120120。輸出的線電壓為。輸出的線電壓為: : ABAOBOBCBOCOCACOAOuuuuuuuuu負(fù)載為三角形聯(lián)接時(shí)，負(fù)載相線電壓相等。負(fù)載為三角形聯(lián)接時(shí)，負(fù)載相線電壓相等。負(fù)載為星形聯(lián)接時(shí)負(fù)載為星形聯(lián)接時(shí)模式模式1（03t） VT5、6、1導(dǎo)通導(dǎo)通ACBRRRPQdU323dAOCO

20、dBOUuuUu 模式模式2（323t） VT6、1、2導(dǎo)通導(dǎo)通ACBRRRPQdU233dAOdBOCOUuUuu ACBRRRPQdU323dAOBOdCOUuuUu 2111sinsin5sin7sin115711dAOUutttt基波幅值基波幅值120.637AOdUUU模式模式3（23t） 輸出相電壓輸出相電壓基波有效值基波有效值120.452AOdUUU負(fù)載相電壓的有效值負(fù)載相電壓的有效值 2201()0.4722AOAOdUudtUVT1、2、3導(dǎo)通導(dǎo)通線電壓基波幅值線電壓基波幅值1131.1AB mAO mdUUU線電壓基波有效值線電壓基波有效值 110.782AB mABdU

21、UU負(fù)載線電壓有效值負(fù)載線電壓有效值2201()0.8172ABABdUudtU2 2輸出和輸入電流分析輸出和輸入電流分析 直流側(cè)電流為脈動(dòng)，說(shuō)明逆變橋除了從直流電源吸取直直流側(cè)電流為脈動(dòng)，說(shuō)明逆變橋除了從直流電源吸取直流電流外，還要與直流電源交換無(wú)功電流。流電流外，還要與直流電源交換無(wú)功電流。 4.3.2 4.3.2 電流源三相方波逆變電路電流源三相方波逆變電路 直流側(cè)串聯(lián)直流側(cè)串聯(lián)大電感大電感實(shí)現(xiàn)近似直流電流源。實(shí)現(xiàn)近似直流電流源。 反饋無(wú)功能量時(shí)，直流電流并不反向，不必給開(kāi)關(guān)器反饋無(wú)功能量時(shí)，直流電流并不反向，不必給開(kāi)關(guān)器件并聯(lián)二極管。件并聯(lián)二極管。 三相負(fù)載按星形聯(lián)接，按圖示開(kāi)關(guān)器件的

22、標(biāo)號(hào)，控制三相負(fù)載按星形聯(lián)接，按圖示開(kāi)關(guān)器件的標(biāo)號(hào)，控制信號(hào)彼此相隔信號(hào)彼此相隔6060，各橋臂導(dǎo)通，各橋臂導(dǎo)通120120，則任何時(shí)刻只有兩，則任何時(shí)刻只有兩個(gè)橋臂導(dǎo)通，導(dǎo)通的順序?yàn)閭€(gè)橋臂導(dǎo)通，導(dǎo)通的順序?yàn)?22334455661122334455661。 負(fù)載為三角形負(fù)載為三角形聯(lián)接時(shí)聯(lián)接時(shí)橫向換流橫向換流 換流時(shí)換流時(shí)在上橋臂組或下橋在上橋臂組或下橋臂組的組內(nèi)進(jìn)行。臂組的組內(nèi)進(jìn)行。模式模式1（03t） VT6、1導(dǎo)通導(dǎo)通CABdIABi2233ABDDRiIIR模式模式2（323t） VT1、2導(dǎo)通導(dǎo)通CABdIABiCABdIABi133ABDDRiIIR133ABDDRiIIR 電流

23、源逆變電路交流側(cè)電流源逆變電路交流側(cè)輸出電流輸出電流的波形與負(fù)載的性質(zhì)的波形與負(fù)載的性質(zhì)無(wú)關(guān)無(wú)關(guān)，但交流側(cè)，但交流側(cè)輸出電壓輸出電壓的波形和相位與負(fù)載性質(zhì)的波形和相位與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)有關(guān)。 模式模式3（23t） VT2、3導(dǎo)通導(dǎo)通4.4 4.4 脈寬調(diào)制型（脈寬調(diào)制型（PWMPWM）逆變電路）逆變電路PWMPWM控制技術(shù)：控制技術(shù)：對(duì)脈沖寬度進(jìn)行對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制調(diào)制的技術(shù)，用一系列等幅的技術(shù)，用一系列等幅不等寬的脈沖，等效代替所需的輸出電壓或電流波形不等寬的脈沖，等效代替所需的輸出電壓或電流波形 。特點(diǎn)：特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制靈活、調(diào)節(jié)性能好、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制靈活、

24、調(diào)節(jié)性能好、成本低。成本低。4.4.1 4.4.1 正弦脈寬調(diào)制（正弦脈寬調(diào)制（SPWMSPWM）的基本原理）的基本原理采樣控制理論：采樣控制理論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖作用于慣性環(huán)沖量相等而形狀不同的窄脈沖作用于慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出的響應(yīng)基本相同。脈沖越窄，輸出響應(yīng)的差節(jié)上時(shí)，其輸出的響應(yīng)基本相同。脈沖越窄，輸出響應(yīng)的差異越小。異越小。 SPWMSPWM（Sinusoidal PWMSinusoidal PWM）波）波形：各脈沖的形：各脈沖的幅值相等幅值相等，而，而寬度按正弦規(guī)律變化寬度按正弦規(guī)律變化，且和，且和正弦波等效的正弦波等效的PWMPWM波形。波形。 可見(jiàn)，電路可見(jiàn)，電路響應(yīng)響

25、應(yīng)大大致相同，僅在高頻段略致相同，僅在高頻段略有差異。有差異。 改變正弦波的幅值時(shí)，改變正弦波的幅值時(shí)，可按可按同一比例同一比例改變脈沖的寬改變脈沖的寬度。度。 4.4.2 4.4.2 單相單相SPWMSPWM逆變電路逆變電路 計(jì)算法：計(jì)算法：根據(jù)正弦波的頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，可根據(jù)正弦波的頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，可以準(zhǔn)確計(jì)算出以準(zhǔn)確計(jì)算出PWM波形中各脈沖的寬度和間隔。波形中各脈沖的寬度和間隔。1 1單極性正弦脈寬調(diào)制單極性正弦脈寬調(diào)制 urVT1VT2VT3VT4uo正半正半周周uruc通通斷斷斷斷通通Uduruc通通斷斷0正半正半周周uruc斷斷通通0調(diào)制法：調(diào)制法：把

26、希望輸出的波形作為把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)（調(diào)制波）；把接（調(diào)制波）；把接受調(diào)制的信號(hào)作為受調(diào)制的信號(hào)作為載波載波（通常采用（通常采用等腰三角波等腰三角波）；通過(guò)對(duì)載）；通過(guò)對(duì)載波的調(diào)制得到所期望的波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。波形。當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是當(dāng)調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形。波形。在半個(gè)周期內(nèi)具有在半個(gè)周期內(nèi)具有單一極性單一極性SPWM波形的控制方式。波形的控制方式。調(diào)制比調(diào)制比（亦稱調(diào)制度或調(diào)制系數(shù)）（亦稱調(diào)制度或調(diào)制系數(shù)）rmcmUMU（U Urmrm正弦調(diào)制波幅值，正弦調(diào)制波幅值，U Ucmcm三角載波的幅值）三角載波的幅值） 載

27、波比載波比（亦稱頻率調(diào)制比）（亦稱頻率調(diào)制比） crfKf（fc三角載波頻率，三角載波頻率，fr正弦調(diào)制波頻率正弦調(diào)制波頻率) ) （1 1）輸出電壓調(diào)節(jié)原理）輸出電壓調(diào)節(jié)原理 輸出電壓的基波頻率等于正弦調(diào)制波的頻率。輸出電壓的基波頻率等于正弦調(diào)制波的頻率。 01,3,5,sinnnuBn t002sinnBun tdt123413142coscoscoscoscoscosdUnnnnnnn+基波有效值基波有效值1123413142coscoscoscoscoscosdOUU+n次諧波有效值次諧波有效值123413142coscoscoscoscoscosdOnUUnnnnnnn+1 1141

28、4次為脈沖的起始角和終止角。次為脈沖的起始角和終止角。由上述表達(dá)式可計(jì)算出輸出電壓基波和各次諧波的有效值。由上述表達(dá)式可計(jì)算出輸出電壓基波和各次諧波的有效值。但載波比但載波比K很大，調(diào)制比很大，調(diào)制比M變動(dòng)時(shí)，計(jì)算量很大。變動(dòng)時(shí)，計(jì)算量很大。工程上常用工程上常用平均值模型法平均值模型法。平均值模型分析法：平均值模型分析法：是指在載波頻率遠(yuǎn)高于輸出基波頻率時(shí)，是指在載波頻率遠(yuǎn)高于輸出基波頻率時(shí)，輸出電壓在一個(gè)載波周期中的平均值可近似看成輸出電壓基波輸出電壓在一個(gè)載波周期中的平均值可近似看成輸出電壓基波分量的瞬時(shí)值，即分量的瞬時(shí)值，即10()01cAVffUu 由于脈沖數(shù)很多，在一個(gè)載由于脈沖數(shù)很

29、多，在一個(gè)載波周期中正弦波調(diào)制信號(hào)變化很波周期中正弦波調(diào)制信號(hào)變化很小，可近似認(rèn)為恒值。小，可近似認(rèn)為恒值。 sin22rmKrccmcmUuEDFDTEBABUU任意第任意第K K個(gè)脈沖電壓的平均值個(gè)脈沖電壓的平均值 sinrmddKccmUUUTU輸出電壓基波分量的瞬時(shí)值輸出電壓基波分量的瞬時(shí)值 01sinsinrmddKdccmUuUUU MtTU輸出電壓的基波有效值輸出電壓的基波有效值 012dMUU（2 2）輸出電壓諧波分析）輸出電壓諧波分析 如圖為調(diào)制比如圖為調(diào)制比 時(shí)，單極性時(shí)，單極性SPWMSPWM逆變輸出電壓的頻譜逆變輸出電壓的頻譜圖。諧波電壓的分布規(guī)律是圖。諧波電壓的分布規(guī)

30、律是: :0.8M bjkn逆變電路輸出電壓的頻率、相位和幅值是由正弦波調(diào)制逆變電路輸出電壓的頻率、相位和幅值是由正弦波調(diào)制信號(hào)來(lái)調(diào)控的。信號(hào)來(lái)調(diào)控的。 由頻譜圖由頻譜圖可見(jiàn)，輸出可見(jiàn)，輸出電壓的最低諧波群和最低電壓的最低諧波群和最低次諧波均取決于次諧波均取決于K的值，的值，K值越高，諧波含量越小。值越高，諧波含量越小。 （3）電路的特點(diǎn)）電路的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓可調(diào)，輸出電壓可調(diào)，諧波含量低。諧波含量低。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：直流電壓利用率直流電壓利用率低低,開(kāi)關(guān)損耗高。開(kāi)關(guān)損耗高。2 2雙極性正弦脈寬調(diào)制雙極性正弦脈寬調(diào)制 三角載波在正負(fù)兩個(gè)方向變化，所得到的三角載波在正負(fù)兩個(gè)方向變化，所得到

31、的PWM波形也是波形也是在兩個(gè)方向變化的。在兩個(gè)方向變化的。 仍然在交點(diǎn)時(shí)刻控仍然在交點(diǎn)時(shí)刻控制開(kāi)關(guān)器件的通斷。制開(kāi)關(guān)器件的通斷。uruc uo=+Ud io0，VT1、4導(dǎo)通導(dǎo)通 VT2、3關(guān)斷關(guān)斷io0，VD1、4導(dǎo)通導(dǎo)通 VT2、3關(guān)斷關(guān)斷Ur0，VD2、3導(dǎo)通導(dǎo)通 VT1、4關(guān)斷關(guān)斷 從頻譜圖從頻譜圖可以看到，可以看到，就基波性能而言，兩種就基波性能而言，兩種完全一致，但它的諧波完全一致，但它的諧波特性雙特性雙極性極性比單極性差。比單極性差。io0 VT1、VDA導(dǎo)通，導(dǎo)通，io0 VT4、VDA導(dǎo)通，導(dǎo)通，dU2dU 同理可得同理可得UBo、UCo。由。由相電壓可得線電壓，即有三相電

32、壓可得線電壓，即有三種電平：種電平：0、 、 。 每個(gè)開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)承受的電壓僅為直流電源電壓的一半。每個(gè)開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)承受的電壓僅為直流電源電壓的一半。 用類似的方法還可構(gòu)成五電平、七電平等更多電平的電路，用類似的方法還可構(gòu)成五電平、七電平等更多電平的電路，統(tǒng)稱為多電平逆變電路。統(tǒng)稱為多電平逆變電路。4.10 4.10 多重逆變電路多重逆變電路多重化：多重化：將幾個(gè)結(jié)構(gòu)相同的方波逆變電路輸出依次錯(cuò)開(kāi)一定將幾個(gè)結(jié)構(gòu)相同的方波逆變電路輸出依次錯(cuò)開(kāi)一定的相位角，使之獲得盡可能接近正弦波的階梯波輸出。從而的相位角，使之獲得盡可能接近正弦波的階梯波輸出。從而達(dá)到擴(kuò)容和抑制諧波的目的。達(dá)到擴(kuò)容和抑制諧波

33、的目的。 兩個(gè)單相逆變電路均為兩個(gè)單相逆變電路均為180180導(dǎo)通型，它們的輸出電壓都導(dǎo)通型，它們的輸出電壓都是是180180矩形波，包含所有的奇次諧波。若工作時(shí)橋矩形波，包含所有的奇次諧波。若工作時(shí)橋與橋與橋的相位相差的相位相差6060。則可消除。則可消除3及其倍數(shù)次諧波。及其倍數(shù)次諧波。 串聯(lián)多重：串聯(lián)多重：將幾個(gè)逆變電路的輸出串聯(lián)起來(lái)，多用于電壓源將幾個(gè)逆變電路的輸出串聯(lián)起來(lái)，多用于電壓源 型逆變電路；型逆變電路；并聯(lián)多重：并聯(lián)多重：將幾個(gè)逆變電路的輸出并聯(lián)起來(lái)，多用于電流源將幾個(gè)逆變電路的輸出并聯(lián)起來(lái)，多用于電流源 型逆變電路。型逆變電路。4.10.1 串聯(lián)多重化逆變電路串聯(lián)多重化逆變

34、電路 整體上可使裝置的功率等級(jí)提高，諧波減小。整體上可使裝置的功率等級(jí)提高，諧波減小。裝置的功率等級(jí)提高，諧波減小。裝置的功率等級(jí)提高，諧波減小。12060180tOtOtO三次諧波三次諧波u1u2uo二重逆變電路的工作波形二重逆變電路的工作波形 4.10.1 串聯(lián)多重化逆變電路串聯(lián)多重化逆變電路4.10.1 串聯(lián)多重化逆變電路串聯(lián)多重化逆變電路三相電壓型二重逆變電路三相電壓型二重逆變電路 三相電壓型二重逆變電路三相電壓型二重逆變電路 電路分析電路分析 由兩個(gè)三相橋式逆變電路構(gòu)成，輸出由兩個(gè)三相橋式逆變電路構(gòu)成，輸出通過(guò)通過(guò)變壓器串聯(lián)變壓器串聯(lián)合成。合成。 兩個(gè)逆變電路均為兩個(gè)逆變電路均為18

35、0導(dǎo)通方式導(dǎo)通方式。 工作時(shí)，逆變橋工作時(shí)，逆變橋II的相位比逆變橋的相位比逆變橋I滯滯后后30。 T1為為/ Y聯(lián)結(jié)，線電壓變比為聯(lián)結(jié)，線電壓變比為 ，T2一次側(cè)一次側(cè)聯(lián)結(jié)，二次側(cè)兩繞組聯(lián)結(jié)，二次側(cè)兩繞組曲折星形接曲折星形接法法，其二次電壓相對(duì)于一次電壓而言，比，其二次電壓相對(duì)于一次電壓而言，比T1的接法超前的接法超前30，以抵消逆變橋，以抵消逆變橋II比逆變橋比逆變橋I滯后的滯后的30，這樣，這樣uU2和和uU1的的基波相位就相基波相位就相同同。 如果如果T2和和T1一次側(cè)匝數(shù)相同，為了使一次側(cè)匝數(shù)相同，為了使uU2和和uU1基波幅值相同基波幅值相同，T2和和T1二次側(cè)間的二次側(cè)間的匝比就

36、應(yīng)為匝比就應(yīng)為 。 3:13/1UA21UUNUU2-UB22UU1(UA1)tOtOtOtOtO3131)(1+)UU1UA21-UB22UU2UUN(UA1)UdUd32Ud31Ud32Ud(1+Ud31Ud二次側(cè)基波電壓合成相量圖二次側(cè)基波電壓合成相量圖 圖圖4-24 三相電壓型二重逆變電路波形圖三相電壓型二重逆變電路波形圖 工作波形工作波形 T1、T2二次側(cè)基波電壓合成情二次側(cè)基波電壓合成情況的相量圖如圖所示，圖中況的相量圖如圖所示，圖中UA1、UA21、UB22分別是變壓器繞組分別是變壓器繞組A1、A21、B22上的基波電壓相量。上的基波電壓相量。 由圖可以看出，由圖可以看出，uUN

37、比比uU1接近接近正弦波。正弦波。4.10.1 串聯(lián)多重化逆變電路串聯(lián)多重化逆變電路輸出相電壓輸出相電壓uUN的基波電壓有效值為的基波電壓有效值為 ddUN156.162UUU其其n次諧波有效值為次諧波有效值為UN1dUNn162UnnUU式中，式中，n=12k1，k為自然數(shù)，在為自然數(shù)，在uUN中已不含中已不含5次、次、7次等諧波。次等諧波。該三相電壓型二重逆變電路的直流側(cè)電流每周期脈動(dòng)該三相電壓型二重逆變電路的直流側(cè)電流每周期脈動(dòng)12次，稱為次，稱為12脈脈波逆變電路波逆變電路，一般來(lái)說(shuō)，使，一般來(lái)說(shuō)，使m個(gè)三相橋式逆變電路的相位依次錯(cuò)開(kāi)個(gè)三相橋式逆變電路的相位依次錯(cuò)開(kāi) 運(yùn)行，連同使它們輸出電壓合成并抵消上述相位差的變壓器，運(yùn)行，連同使它們輸出電壓合成并抵消上述相位差的變壓器，就可以構(gòu)成就可以構(gòu)成脈波數(shù)為脈波數(shù)為6m的逆變電路的逆變電路。 )3/( m4.10.1 串聯(lián)多重化逆變電路串聯(lián)多重化逆變電路4.10.2 并聯(lián)多重化逆變電路并聯(lián)多重化逆變電路用