PWM逆變器-修訂版

脈寬調(diào)制型（PWM）逆變器PulseWidthModulation講課目錄邱浩：帶電流滯環(huán)跟蹤的ＰＷＭ逆變器控制曾快：SPWM單雙極性調(diào)制李杰：SPWM波的調(diào)制條件和同步、異步、分段調(diào)制比較沈子乂：基礎(chǔ)概念準(zhǔn)備回璇：PWM調(diào)制在交-直-交系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)趙曉陽(yáng)：電壓型和電流型PWM調(diào)制比較卿怡：SPWM波的計(jì)算法梁達(dá)：三相橋式PWM調(diào)制

基礎(chǔ)概念準(zhǔn)備（１）PWM的定義：用直流斬波的方法，將逆變器的輸出相電壓調(diào)制成幅值相等的若干個(gè)矩形電壓脈沖，通過調(diào)節(jié)占空比改變脈沖寬度，即可改變輸出電壓的大小，而調(diào)節(jié)一個(gè)周期的循環(huán)開斷時(shí)間可改變輸出電壓的頻率，從而在逆變器上實(shí)現(xiàn)VVVF的綜合控制。（２）核心依據(jù)：在具有慣性環(huán)節(jié)（電容、電感儲(chǔ)能元件）的電路中，能用等面積的等幅不等寬的脈沖序列等效正弦波。（3）ＰＷＭ脈沖序列：用來控制逆變器功率開關(guān)元件ＶＴ１～ｖＴ６的通斷，以使逆變器輸出ＰＷＭ電壓波。（通過載波、調(diào)制波、比較器獲得）

基礎(chǔ)概念準(zhǔn)備（4）ＩＧＢＴ全控器件的等效電路與開關(guān)特性IGBT的等效電路如左圖所示。由圖可知,若在IGBT的柵極（G）和發(fā)射極(E)之間加上驅(qū)動(dòng)正電壓,則MOSFET導(dǎo)通,這樣PNP晶體管的集電極與基極之間成低阻狀態(tài)而使得晶體管導(dǎo)通;若IGBT的柵極和發(fā)射極之間電壓為0V或負(fù)電壓,則MOSFET截止,切斷PNP晶體管基極電流的供給,使得晶體管截止。SPWM單極性和雙極性調(diào)制以等腰三角形載波ut和參考正弦波ur的相交關(guān)系，可以產(chǎn)生SPWM調(diào)制波。當(dāng)參考電壓ur在正半波時(shí)，若，則調(diào)制波up=0;若，則up為寬度不等的矩形脈沖波，矩形面積所表示的輸出電壓的有效值大小符合正弦分布規(guī)律，稱這種脈沖序列為SPWM序列。當(dāng)ur在負(fù)半周期時(shí)，需要把ur正半波的SPWM序列反響，得到一個(gè)周期的、幅值在0~up變化的脈沖序列，稱為單極性SPWM調(diào)制模式，如下圖所示：SPWM單極性和雙極性調(diào)制如果在每個(gè)焦點(diǎn)ur=ut處同時(shí)產(chǎn)生正、負(fù)觸發(fā)脈沖，在一個(gè)半周內(nèi)既有up又有-up脈沖序列。這種調(diào)制稱為雙極性SPWM調(diào)制模式，如下圖所示：SPWM單極性和雙極性調(diào)制在兩電平電路中，雙極性控制能夠控制同一個(gè)橋臂上的功率器件互補(bǔ)通斷，前提是遵循先斷后通原則。雖然矩形脈沖組成有正有負(fù)，但在逆變器輸出端只能是電壓平均值，顯然在正半周期+Ud/2脈沖合成面積大于-Ud/2的面積，電壓平均值為正，且電壓脈沖寬度任然符合正弦分布，因此近似于正弦電壓。同理，負(fù)半周期逆變器輸出負(fù)值正弦。三相橋式PWM逆變電路

電路用途：三相橋式PWM變頻電路是PWM變頻電路中使用最多的，它被廣泛應(yīng)用在異步電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速中，其控制方式為雙極性方式。

電路組成：不控整流環(huán)節(jié)，采用6個(gè)二極管VD1~VD6整流；逆變環(huán)節(jié)，6個(gè)快速功率開關(guān)器件IGBT和6個(gè)快速續(xù)流二極管DF1~DF6組成;三相對(duì)稱負(fù)載，大多為感性；調(diào)制電路，用于控制IGBT通斷。開關(guān)脈沖的產(chǎn)生載波信號(hào)參考信號(hào)參考信號(hào)載波信號(hào)參考信號(hào)載波信號(hào)

三相參考信號(hào)ura、urb、urc分別為三相正弦波信號(hào)，其幅值和頻率均相等，相位依次差120度。

A、B、C三相的PWM控制共用一個(gè)三角波信號(hào)ut,其PWM控制規(guī)律相同。

現(xiàn)在以A相為例，當(dāng)ura>ut時(shí)，使VT1導(dǎo)通，VT4關(guān)斷；當(dāng)ura<ut時(shí)，使VT1關(guān)斷，VT4導(dǎo)通。VT1、VT4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終互補(bǔ)。

調(diào)制電路內(nèi)部的本質(zhì)是若干比較電路。將參考信號(hào)和載波信號(hào)進(jìn)行比較來控制IGBT通斷。此波形可以看作是IGBT的開關(guān)脈沖，正脈沖時(shí)VT1導(dǎo)通，VT4關(guān)斷；負(fù)脈沖時(shí)VT4導(dǎo)通，VT1關(guān)斷。三相正弦PWM波形

由圖可以看出，任何時(shí)刻始終都有兩相調(diào)制信號(hào)電壓大于載波信號(hào)電壓，即總有兩個(gè)IGBT處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以負(fù)載上的電壓是連續(xù)的正弦波。其余兩相的控制規(guī)律與A相相同。

在雙極性控制方式中，同一相上下兩橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都是互補(bǔ)的。但為了防止上下兩橋臂直通而造成短路，要遵循“先斷后通”的原則，在給一個(gè)橋臂加關(guān)斷信號(hào)后，再延遲一小段時(shí)間，才給另一個(gè)橋臂加導(dǎo)通信號(hào)。延遲時(shí)間主要由功率開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間決定。三相橋式PWM變頻器也是靠同時(shí)改變?nèi)鄥⒖夹盘?hào)（調(diào)制信號(hào)）ura、urb、urc的調(diào)制周期來改變輸出電壓頻率的，靠改變?nèi)鄥⒖夹盘?hào)的幅度即可改變輸出電壓的大小。PWM變頻器用于異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速時(shí)，為了維持電動(dòng)機(jī)氣隙磁通恒定，輸出頻率和電壓大小必須進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，即改變?nèi)鄥⒖夹盘?hào)調(diào)制周期同時(shí)必須相應(yīng)改變其幅值。仿真從邏輯的角度講解其原理：開關(guān)脈沖電路逆變電路負(fù)載仿真—脈沖開關(guān)電路仿真—逆變電路相當(dāng)于兩個(gè)電容串聯(lián)支路。仿真

ＳＰＷＭ波的計(jì)算法為簡(jiǎn)化算法難度，常采用對(duì)稱規(guī)則采樣法，原理圖如下：由模擬電路過度道微機(jī)數(shù)字計(jì)算

在相鄰的兩個(gè)三角波的中點(diǎn)（也即是相反三角波的頂點(diǎn)）引一垂線，與參考電壓ur交于E點(diǎn)，該點(diǎn)參考波ur的相角所對(duì)應(yīng)的時(shí)間te也即為已知。從交點(diǎn)E作平行直線與相鄰的三角波交于A、B兩點(diǎn)，則對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔t2便為ur在te時(shí)刻的SPWM波的脈寬。由圖解法可推導(dǎo)出：式中：Tc——三角載波周期（s）；Tr——正弦參考波周期（s）；Urm——正弦參考波電壓幅值（V）；Utm——三角載波電壓幅值（V）。

使用規(guī)則采樣法計(jì)算得到的脈寬t2和準(zhǔn)確值在起始點(diǎn)和終了時(shí)間點(diǎn)上有很小的誤差，一般對(duì)控制不會(huì)產(chǎn)生影響。

ＳＰＷＭ波的計(jì)算法不對(duì)稱規(guī)則采樣法：采用在每個(gè)載波周期采樣兩次，即在三角波的頂點(diǎn)位置采樣，又在三角波的底點(diǎn)位置采樣，這樣形成的階梯波與正弦波的逼近程度會(huì)大大提高。不對(duì)稱規(guī)則采樣法生成SPWM的原理圖如下所示。ABTct20tUd1

等效面積法:在采樣控制理論有中一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。正弦脈寬調(diào)制的基本原理就是按面積相等的原則構(gòu)成與正弦等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形。等效面積法就是根據(jù)已知數(shù)據(jù)和正弦數(shù)值依次算出每個(gè)脈沖的寬度，通過查表的方式實(shí)時(shí)控制。其原理圖如下：Sk10aＳＰＷＭ波的調(diào)制條件

SPWM波實(shí)質(zhì)上是功率器件的驅(qū)動(dòng)脈沖，所以與電壓型逆變器輸出電壓波形抑制。因此受到對(duì)逆變器的性能要求特別是功率元件允許的工作條件的限制。（1）調(diào)制比的限制。調(diào)制比定義為：在雙極性SPWM波中，最小脈寬出現(xiàn)在ur接近載波ut峰值的兩交點(diǎn)間，此處的最小脈寬時(shí)間必須保證大于功率元件的關(guān)斷時(shí)間toff使其可靠關(guān)斷后，互補(bǔ)元件再導(dǎo)通，因此一般M不大于0.9。ＳＰＷＭ波的調(diào)制條件（2）載波比的限制。在波比定義為：式中：ft表示三角波頻率（Hz）fr表示正弦參考波頻率（Hz）

載波比是一個(gè)周期參考正弦波內(nèi)三角載波的周期數(shù)，在fr一定的情況下，顯然載波比N越大，逆變器輸出電壓波形越接近理想正弦波；但同時(shí)開關(guān)元件的開、斷頻率也就越高，因此載波比受到元件的開、斷頻率允許值的限制。同步、異步、分段調(diào)制

載波比N=常數(shù)，一個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的，當(dāng)逆變電路頻率低時(shí)，載波頻率低。當(dāng)其過低時(shí)，調(diào)制帶來的諧波不易濾除。而過高時(shí)會(huì)使開關(guān)元件難以承受，并且同步比異步復(fù)雜。

這種方式通常保持載波頻率fc不變，所以當(dāng)信號(hào)波頻變化時(shí)也會(huì)變化，載波比也會(huì)變化。在信號(hào)波半個(gè)周期內(nèi)脈沖數(shù)、相位是不固定的。當(dāng)頻率較低時(shí)，載波比較大，一個(gè)周期產(chǎn)生的脈沖數(shù)過多，使PWM波形更接近正弦波。而當(dāng)信號(hào)波頻較高時(shí)，N減小，脈沖數(shù)減小，PWM脈沖不對(duì)稱影響大，信號(hào)波可能隨PWM脈沖跳動(dòng)，這使輸出PWM波和正弦波差異較大。

把逆變電路的輸出頻率分成若干段，每個(gè)頻段的載波比一定，不同頻段采用不同的載波比。它可以在高頻段采用較低的載波比，使載波比不致于過高，可限制在功率器件允許的范圍內(nèi)。而再低頻段采用較高的載波比，以使載波頻率不至于過低而對(duì)負(fù)載產(chǎn)生不利影響。異步調(diào)制：分段同步調(diào)制：同步調(diào)制：PWM調(diào)制在交-直-交系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)變頻器是一種能提供頻率及電壓同時(shí)變化的電力電子裝置。間接變頻器：（交——直——交變頻器）

整流（調(diào)壓）逆變（調(diào)頻）

交流—————直流—————交流特點(diǎn)：調(diào)頻范圍寬，應(yīng)用廣泛。直接變頻器：（交——交變頻器）（變頻）交流—————————————————交流特點(diǎn)：一次功率變換控制效率高但是輸出頻率低，最高輸出頻率一般為輸入頻率的1/3～1/2，而且控制復(fù)雜，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大的無功和諧波污染，通常用于低頻場(chǎng)合可控整流器調(diào)壓，逆變器調(diào)頻調(diào)壓和調(diào)頻功能分別在兩個(gè)環(huán)節(jié)上實(shí)現(xiàn)，有控制電路進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。裝置輸入環(huán)節(jié)采用可控整流。當(dāng)?shù)皖l低壓運(yùn)行時(shí)，移向觸發(fā)角很大，致使裝置功率因數(shù)低下，此外逆變器多用晶閘管型逆變器，開關(guān)頻率低輸出諧波成分大。不控整流器整流，斬波器調(diào)壓，逆變器調(diào)頻采用二極管整流輸入，功率因數(shù)提高。由于輸出逆變環(huán)節(jié)功率器件采用晶閘管，輸出諧波成分依然較大。不控整流器整流，PWM逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)壓是變頻調(diào)速系統(tǒng)可以只有一個(gè)控制功率級(jí)，從而簡(jiǎn)化了主回路，其輸入端可以采用二極管整流，使電網(wǎng)的功率系數(shù)較高，系統(tǒng)有較高的效率。輸出電壓僅由逆變器本身控制，電壓調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好。采用較高頻率調(diào)制時(shí)可以得到高質(zhì)量的輸出電壓波形，抑制了較低次數(shù)的高次諧波，降低諧波損耗，擴(kuò)大了調(diào)速范圍。電壓型和電流型PWM調(diào)制比較

逆變電路根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可以分為兩種，直流側(cè)為電壓源的為電壓型逆變電路，直流側(cè)為電流源的為電流型逆變電路。

直流側(cè)接有大電容，相當(dāng)于電壓源，直流電壓基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)低阻抗；

由于直流電壓源的箝位作用，逆變交流輸出的電壓波形為矩形波，與負(fù)載阻抗角無關(guān)，而交流側(cè)的電流波形和相位因負(fù)載的阻抗角不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。

當(dāng)交流側(cè)位感性負(fù)載時(shí)需提供無功功率，直流側(cè)電容起緩沖無功能量的作用，為給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的能量提供通道，各橋臂都反并聯(lián)了二極管，逆變電路從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動(dòng)的，因直流電壓無脈動(dòng)，故傳送功率的脈動(dòng)是由直流電流的脈動(dòng)體現(xiàn)出來的，電壓型逆變器不能進(jìn)行四象限運(yùn)行，當(dāng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)需要制動(dòng)時(shí)，需要另行安裝制動(dòng)系統(tǒng)。電壓型逆變器的主要特點(diǎn)：電壓型和電流型PWM調(diào)制比較電流型逆變器的主要特點(diǎn)：

直流側(cè)接有大電感，相當(dāng)于電流源，直流電流基本無脈動(dòng)，直流回路呈現(xiàn)高阻抗，因?yàn)楦鏖_關(guān)器件主要起改交直流電流流通路徑的作用。

交流側(cè)電流為矩形波，與負(fù)載性質(zhì)無關(guān)，而交流側(cè)的電壓波形和相位因負(fù)載的阻抗角不同而不同，其波形接近三角波或正弦波。

直流側(cè)電感起緩沖無功能量的作用，因電流不能反向，故可控器件不必反并聯(lián)二極管；逆變電路從直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動(dòng)的，因直流電流無脈動(dòng)，故傳送功率的的脈動(dòng)是由直流電壓的脈動(dòng)體現(xiàn)出來的。

變頻器的設(shè)計(jì)根據(jù)配套系統(tǒng)容量的大小以及一些具體的要求來選擇適當(dāng)?shù)闹麟娐吠負(fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于電流型變頻器來說，其優(yōu)點(diǎn)是有四象限運(yùn)行能力，能很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的制動(dòng)功能，缺點(diǎn)是需要對(duì)逆變橋進(jìn)行強(qiáng)迫換流，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整較為困難，另外由于電網(wǎng)側(cè)采用可控硅移相整流，故輸入電流諧波較大，容量大時(shí)對(duì)電網(wǎng)會(huì)有一定影響，因而多選用電壓型逆變器。帶電流滯環(huán)跟蹤的ＰＷＭ逆變器控制1、在前述SPWM電壓型逆變器，可以使輸出電壓接近正弦，但是由不同寬度的方波脈沖組成，不可避免含有諧波。2、以逆變器為電源的三相異步電動(dòng)機(jī)，不僅要求端電壓接近正弦，而且從降