第4章逆變電路

PowerElectronics第4章DC/AC逆變電路返回4-1逆變的概念4-2電壓型逆變電路4-3電流型逆變電路4-4多重逆變電路本章小結(jié)1本章內(nèi)容本章介紹逆變電路的基本內(nèi)容。PowerElectronics主要內(nèi)容包括逆變的定義和逆變電路的分類(lèi)；各種電壓型逆變電路的基本組成、工作原理和特性；正弦脈寬調(diào)制（SPWM）控制的基本原理和控制方式；電壓型逆變電路的應(yīng)用實(shí)例（開(kāi)關(guān)電源和變頻器）；電流型逆變電路的基本組成、特點(diǎn)、工作原理和換流過(guò)程；并聯(lián)型多重逆變電路和串聯(lián)型多重逆變電路。2本章重點(diǎn)電壓型逆變電路的組成和工作原理；逆變器輸出電壓的控制。PowerElectronics3逆變把直流電變成交流電逆變電路逆變器實(shí)現(xiàn)逆變的裝置將直流電逆變成交流電的電路。一般指無(wú)源逆變電路第4章DC/AC逆變電路PowerElectronics4逆變電路應(yīng)用廣泛，在各種直流電源電池向交流負(fù)載供電時(shí)，就需要逆變電路。交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置其電路的核心部分都是逆變電路。PowerElectronics54.1逆變概念4.1.1逆變的定義4.1.2逆變電路的分類(lèi)PowerElectronics6PowerElectronics4.1.1逆變的定義負(fù)載S1S2S3S4iouoUd圖4-2阻抗性負(fù)載S1~S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1、S4

閉合，S2、S3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓uo為正；當(dāng)S1、S4斷開(kāi)，S2、S3閉合時(shí)，uo為負(fù)。直流電變成了交流電，改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。圖4-1逆變電路原理圖74.1.1逆變的定義圖4-3

阻抗性負(fù)載

當(dāng)負(fù)載為電阻時(shí)，io和uo的波形相同，相位也相同

當(dāng)負(fù)載為阻感時(shí)，io相位滯后于uo，波形也不同圖4-2阻型負(fù)載PowerElectronics84.1.2逆變電路的分類(lèi)根據(jù)輸出電能去向，分為有源逆變電路和無(wú)源逆變電路兩種。

有源逆變：其交流側(cè)接在交流電網(wǎng)上有源逆變過(guò)程為：直流電—>逆變器—>交流電—>交流電網(wǎng)。有源逆變電路常用于直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、交流饒線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速以及高壓直流輸電等方面。無(wú)源逆變：交流側(cè)直接和負(fù)載連接無(wú)源逆變也稱(chēng)為變頻電路。PowerElectronics94.1.2逆變電路的分類(lèi)根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)，分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路兩種。

電壓型逆變電路：直流側(cè)是電流源的逆變電路；電流型逆變電路：直流側(cè)是電流源的逆變電路。PowerElectronics10

4.1.2逆變電路的分類(lèi)

電流型逆變電路（CurrentSourceTypeInverter-CSTI）電壓型逆變電路（VoltageSourceTypeInverter-VSTI）直流側(cè)是電壓源直流側(cè)是電流源根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)，分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路兩種。PowerElectronics114.1.2逆變電路的分類(lèi)根據(jù)逆變電路的器件，分為由具有自關(guān)斷能力的全控型器件組成的全控型逆變電路和由無(wú)關(guān)斷能力的半控型器件（如普通晶閘管）組成的半控型逆變電路兩種。根據(jù)電流波形，分為正弦逆變電路和非正弦逆變電路。前者開(kāi)關(guān)器件中的電流為正弦波，其開(kāi)關(guān)損耗小，宜工作于較高頻率；后者開(kāi)關(guān)器件電流為非正弦波，其開(kāi)關(guān)損耗較大，工作頻率較低。根據(jù)輸出相數(shù)，分為單相逆變電路和多相逆變電路兩種。PowerElectronics124.1.2逆變電路的分類(lèi)根據(jù)逆變電路的結(jié)構(gòu)，分為半橋式、全橋式和推挽式逆變電路。根據(jù)按所用的電力電子器件的換流方式，可分為自關(guān)斷（如GTO,GTR,電力MOSFET,IGBT等）、強(qiáng)迫換流、交流電源電動(dòng)勢(shì)換流以及負(fù)載諧振換流逆變電路。PowerElectronics返回134.2電壓型逆變電路電壓型逆變電路（電壓源型逆變電路）直流側(cè)是電壓源本節(jié)介紹單相和三相電壓型逆變電路的基本組成、工作原理和特性。PowerElectronics14電壓型逆變電路的特點(diǎn)如下：1）直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，相當(dāng)于電壓源。直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)。2）輸出電壓為矩形波，交流側(cè)輸出電流波形和相位因負(fù)載阻抗的不同而不同。3）當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)需要提供無(wú)功功率，直流側(cè)電容起緩沖無(wú)功能量作用。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無(wú)功能量提供通道，逆變橋各臂都并聯(lián)反饋二極管。。

PowerElectronics154.2電壓型逆變電路4.2.1單相電壓型逆變電路4.2.2三相電壓型逆變電路4.2.3SPWM控制技術(shù)4.2.4電壓型逆變電路的應(yīng)用PowerElectronics164.2.1單相電壓型逆變電路1．半橋逆變電路+-RLa)UdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2圖4-4a)單相半橋電壓型逆變電路半橋逆變電路有兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂有一個(gè)可控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成。在直流側(cè)接有兩個(gè)相互串聯(lián)的足夠大的電容，兩個(gè)電容的聯(lián)結(jié)點(diǎn)是直流電源的中點(diǎn)。負(fù)載聯(lián)結(jié)在直流電源中點(diǎn)和兩個(gè)橋臂聯(lián)結(jié)點(diǎn)之間。PowerElectronics17ttOOONb)uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2圖4-4b)單相半橋電壓型逆變電路工作波形設(shè)開(kāi)關(guān)器件V1和V2柵極信號(hào)在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補(bǔ)。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí)，工作波形如圖4-4b所示輸出電壓uo為矩形波，幅值為Um=Ud/2

輸出電流io波形隨負(fù)載情況而異。

t2時(shí)刻以前V1通，V2斷

t2時(shí)刻給V1關(guān)斷信號(hào)，給V2開(kāi)通信號(hào)，則V1關(guān)斷，但感性負(fù)載中io不能立即改變方向，于是V2導(dǎo)通續(xù)流。

t3時(shí)刻io降為零時(shí)，VD2截止，V2開(kāi)通，io開(kāi)始反向。

t4時(shí)刻給V2關(guān)斷信號(hào)，給V1開(kāi)通信號(hào)，V2關(guān)斷，VD1先導(dǎo)通續(xù)流，t5時(shí)刻V才開(kāi)通。

V1或V2通時(shí)，負(fù)載電流io和電壓uo同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量

VD1或VD2通時(shí)，io和uo反向，負(fù)載電感中貯藏的能量向直流側(cè)反饋PowerElectronics18負(fù)載電感將其吸收的無(wú)功能量反饋回直流側(cè)，反饋回的能量暫時(shí)儲(chǔ)存在直流側(cè)電容器中，直流側(cè)電容器起著緩沖這種無(wú)功能量的作用。二極管反饋二極管續(xù)流二極管是負(fù)載向直流側(cè)反饋能量的通道使負(fù)載電流連續(xù)可控器件是不具有門(mén)極可關(guān)斷能力的晶閘管時(shí)，須附加強(qiáng)迫換流電路才能正常工作。PowerElectronics19PowerElectronics半橋逆變電路特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單，使用開(kāi)關(guān)器件少，抗電路不平衡能力強(qiáng)缺點(diǎn)輸出交流電壓幅值只有Ud/2，直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，工作時(shí)要控制兩者電壓均衡半橋逆變電路常用于幾kW以下的小功率逆變電源202．全橋逆變電路+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio圖4-5

電壓型全橋逆變電路(全橋逆變電路）電壓型全橋逆變電路可看成由兩個(gè)半橋電路組合而成，共4個(gè)橋臂，橋臂1和4為一對(duì)，橋臂2和3為另一對(duì)，成對(duì)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，兩對(duì)交替各導(dǎo)通180°PowerElectronics21ttOOONb)uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2圖4-5b)電壓型全橋逆變電路工作波形電壓型全橋逆變電路輸出電壓uo的波形和圖4-4b的半橋電路的波形uo形狀相同，也是矩型波，但幅值高出一倍，Um=Ud輸出電流io波形和圖5-6b中的io形狀相同，幅值增加一倍

VD1

、V1、VD2、V2相繼導(dǎo)通的區(qū)間，分別對(duì)應(yīng)VD1和VD4、V1和V4、VD2和VD3、V2和V3相繼導(dǎo)通的區(qū)間PowerElectronics22全橋逆變電路是單相逆變電路中應(yīng)用最多的，對(duì)電壓波形進(jìn)行定量分析將幅值為Uo的矩形波uo展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)，得其中基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為負(fù)載為RL時(shí)，輸出電流io的基波分量為當(dāng)uo為正負(fù)電壓各為180°的脈沖時(shí)，要改變輸出電壓有效值只能通過(guò)改變輸出直流電壓Ud來(lái)實(shí)現(xiàn)(4-4)(4-6)(4-5)(4-7)PowerElectronics23采用移相方式調(diào)節(jié)逆變電路的輸出電壓實(shí)際就是調(diào)節(jié)輸出電壓脈沖的寬度移相調(diào)壓+-CRLUdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4圖4-6單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式a)各IGBT柵極信號(hào)為180°正偏，180°反偏，且V1和V2柵極信號(hào)互補(bǔ)，V3和V4柵極信號(hào)互補(bǔ)

V3的基極信號(hào)不是比V1落后180°，而是只落后q

(0<q<180°)

V3、V4的柵極信號(hào)分別比V2、V1的前移180°-q

輸出電壓uo是正負(fù)各為q的脈沖PowerElectronics24tOtOtOtOtOqb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo圖4-6單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式

t1時(shí)刻前V1和V4導(dǎo)通，輸出電壓uo為ud

t1時(shí)刻V3和V4柵極信號(hào)反向，V4截止，因io不能突變，V3不能立即導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流，因V1和VD3同時(shí)導(dǎo)通，所以輸出電壓為零各IGBT柵極信號(hào)uG1~uG4及輸出電壓uo、輸出電流io的波形見(jiàn)圖4-6b）

t2時(shí)刻V1和V2柵極信號(hào)反向，V1截止，

V2不能立即導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，輸出電壓為-Ud

到負(fù)載電流過(guò)零開(kāi)始反向，VD2和VD3截止，V2和V3開(kāi)始導(dǎo)通，uo仍為-Ud

t3時(shí)刻V3和V4柵極信號(hào)再次反向，V3截止，

V4不能立刻導(dǎo)通，VD4導(dǎo)通續(xù)流，

uo再次為零輸出電壓uo的正負(fù)脈沖寬度各為θ，改變?chǔ)?/p>

，可調(diào)節(jié)輸出電壓PowerElectronics25全橋逆變電路特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)是電壓不高，輸出功率大缺點(diǎn)是使用的開(kāi)關(guān)器件多，驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜，適用于大功率的逆變器若逆變輸出功率為數(shù)千瓦到數(shù)百千瓦，可采用P-MOSFET,IGBT等高頻自關(guān)斷器件，若逆變電路輸出功率很大，其電路中的開(kāi)關(guān)器件應(yīng)采用GTO、IGCTPowerElectronics263．帶中心抽頭變壓器的逆變電路圖4-7帶中心抽頭變壓器的逆變電路負(fù)載+-iouoUdV1V2VD1VD2交替驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓兩個(gè)二極管的作用也是給負(fù)載電感中貯藏的無(wú)功能量提供反饋通道

Ud和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器一次側(cè)2個(gè)繞組和二次側(cè)繞組的匝比為1:1:1時(shí)，uo和io波形及幅值與全橋逆變電路完全相同

帶中心抽頭變壓器的逆變電路比全橋電路少用一半開(kāi)關(guān)器件，但器件承受的電壓為2Ud，比全橋電路高一倍，必須有一個(gè)變壓器PowerElectronics274.2電壓型逆變電路4.2.1單相電壓型逆變電路4.2.2三相電壓型逆變電路4.2.3SPWM控制技術(shù)4.2.4電壓型逆變電路的應(yīng)用PowerElectronics284.2.2三相電壓型逆變電路圖4-8三相電壓型橋式逆變電路

三個(gè)單相逆變電路可組合成一個(gè)三相逆變電路，但通常應(yīng)用更多的是采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的電壓型三相橋式逆變電路，它可看成由三個(gè)半橋逆變電路組成。N'N+-UVWV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2電壓型三相橋式逆變電路也是180°導(dǎo)電方式每橋臂導(dǎo)電角度180°，同一相上下兩臂交替導(dǎo)電，各相開(kāi)始導(dǎo)電的角度依次相差120°

在任一瞬間將有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通每次換流都是在同一相上下兩臂之間進(jìn)行，也稱(chēng)為縱向換流PowerElectronics29圖4-9電壓型三相橋式逆變電路180°導(dǎo)電模式工作波形U相輸出當(dāng)橋臂1導(dǎo)通時(shí)，

uUN’

=Ud

/2

當(dāng)橋臂4導(dǎo)通時(shí)，

uUN’=－Ud

/2

uUN’的波形幅值是為Ud/2

的矩形波

V、W兩相情況和U相類(lèi)似uVN’

、uWN’的波形形狀與uUN’相同，只是依次相差120°PowerElectronics30負(fù)載線電壓負(fù)載相電壓其中負(fù)載中點(diǎn)N與直流電源假想中點(diǎn)N’之間的電壓為uNN’(4-9)(4-12)(4-5)PowerElectronics31(4-11)負(fù)載為三相對(duì)稱(chēng)負(fù)載，則有uUN+uVN+uWN=0，可得

uNN’的也是矩形波，但其頻率為uUN’頻率的3倍，幅值為其1/3,即為Ud

/6負(fù)載參數(shù)已知時(shí)，可由uUN波形求出U相電流iU波形，負(fù)載的阻抗角j不同，iu的波形形狀和相位都有所不同圖4-9電壓型三相橋式逆變電路180°導(dǎo)電模式工作波形PowerElectronics32圖4-9電壓型三相橋式逆變電路180°導(dǎo)電模式工作波形橋臂1和橋臂4之間的換流過(guò)程和半橋電路相似。上橋臂1中的V1從通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)時(shí)，因負(fù)載電感中的電流不能突變，下橋臂4中的VD4先導(dǎo)通續(xù)流，待負(fù)載電流降為零，橋臂4中電流反向時(shí)，V4才開(kāi)始導(dǎo)通。負(fù)載的阻抗角j越大，VD4

導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)。

iu的上升段為橋臂1導(dǎo)電的區(qū)間，其中iu<0時(shí)為VD1導(dǎo)通，iu>0時(shí)為V1導(dǎo)通。

iu的下降段為橋臂4導(dǎo)電的區(qū)間，其中iu>0時(shí)為VD4導(dǎo)通，iu<0時(shí)為V4導(dǎo)通。

iv、iw的波形和iu形狀相同，相位依次相差120°。橋臂1、3、5的電流相加可得直流側(cè)電流id的波形，id每隔60°脈動(dòng)一次，直流側(cè)電壓基本無(wú)脈動(dòng)，因此逆變器從交流側(cè)向直流側(cè)傳送的功率是脈動(dòng)的，這也是電壓型逆變電路的一個(gè)特點(diǎn)PowerElectronics33三相橋式逆變電路輸出相電壓uUN展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得式中，n=6k±1,k為自然數(shù)輸出相電壓有效值UUN為基波幅值為(4-13)(4-14)(4-15)PowerElectronics34基波有效值為三相橋式逆變電路負(fù)載線電壓uUN展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)得式中，n=6k±1,k為自然數(shù)負(fù)載線電壓有效值UUN為(4-16)(4-17)(4-18)PowerElectronics35基波幅值為基波有效值為(4-19)(4-20)PowerElectronics36在180°導(dǎo)電方式逆變電路中，為了防止同一相上下兩橋臂開(kāi)關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起的直流側(cè)電源短路，要采取“先斷后通”的方法。即先給應(yīng)關(guān)斷的器件關(guān)斷信號(hào)，待其關(guān)斷后留短暫的時(shí)間（稱(chēng)為死區(qū)時(shí)間），然后再給應(yīng)導(dǎo)通的器件發(fā)出開(kāi)通信號(hào)。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短視器件的開(kāi)關(guān)速度而定，器件的開(kāi)關(guān)速度越快，所留的死區(qū)時(shí)間越短。PowerElectronics374.2電壓型逆變電路4.2.1單相電壓型逆變電路4.2.2三相電壓型逆變電路4.2.3SPWM控制技術(shù)4.2.4電壓型逆變電路的應(yīng)用PowerElectronics384.2.3SPWM控制技術(shù)SPWM法是一種比較成熟的、目前使用較廣泛的PWM法。它有如下主要優(yōu)點(diǎn)：

PWM實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便，可以模擬或用數(shù)字來(lái)實(shí)現(xiàn)；可以大大降低輸出諧波含量，尤其是低頻紋波，它的諧波主要集中在載波頻率的K倍的位置，諧波頻率較高，因此濾波器設(shè)計(jì)容易，實(shí)現(xiàn)成本較低；對(duì)于多電平變換器，調(diào)制比可以在所有的工作范圍內(nèi)變化；在載波中注入合適零序列，可以較好地平衡中點(diǎn)電位。PowerElectronics391SPWM的基本原理采樣控制理論中一個(gè)重要結(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窄脈沖的面積效果基本相同

環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異PowerElectronics40將圖4-10a）的正弦波分成N個(gè)比此相連的脈沖序列所組成的波形，這些脈沖寬度相等，為π/N，但幅值不等，各脈沖幅值按正弦規(guī)律變化A）Ouωt>B）圖4-10用PWM波代替正弦半波如將脈沖序列用相同數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的重點(diǎn)和相應(yīng)的正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積相等，得圖4-10b）脈沖序列，即PWM波形PowerElectronics41脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形SPWM波形SPWM波形等幅PWM（直流電源產(chǎn)生）不等幅PWM（交流電源產(chǎn)生）直流斬波電路得到的PWM波是等效直流波形，SPWM波得到的是等效正弦波PowerElectronics42正弦脈寬調(diào)制方法的分類(lèi)正弦脈寬調(diào)制的方法很多，但沒(méi)有統(tǒng)一的分類(lèi)方法。比較常見(jiàn)的分類(lèi)方法如下:根據(jù)載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)的頻率之間的關(guān)系，分為同步調(diào)制和異步調(diào)制兩種

根椐調(diào)制脈沖的極性，分為單極性和雙極性?xún)煞NPowerElectronics431)異步調(diào)制和同步調(diào)制載波比載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比，N=fc

/fr載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況異步調(diào)制PWM調(diào)制方式分為同步調(diào)制PowerElectronics441.異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式控制相對(duì)簡(jiǎn)單通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱(chēng)，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱(chēng)載波比N愈大，則半周期內(nèi)調(diào)制的SPWM波形脈沖數(shù)愈多，正負(fù)半周期脈沖不對(duì)稱(chēng)和半周內(nèi)前后1/4周期脈沖不對(duì)稱(chēng)的影響愈小，輸出波形愈接近正弦波PowerElectronics452.同步調(diào)制載波比N等于常數(shù)，在變頻時(shí)使載波與信號(hào)波保持同步的調(diào)制方式，在基本同步調(diào)制方式中，fr變化時(shí)N不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)是固定，脈沖相位也是固定的三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出波形嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱(chēng)，N應(yīng)取奇數(shù)PowerElectronics462.同步調(diào)制載波比N等于常數(shù)，在變頻時(shí)使載波與信號(hào)波保持同步的調(diào)制方式，正負(fù)半周的脈沖對(duì)稱(chēng)，沒(méi)有偶次諧波，而且半個(gè)周期脈沖排列其左右也是對(duì)稱(chēng)的，輸出波形等效正弦波?？刂葡鄬?duì)較復(fù)雜，通常采用微機(jī)控制同步調(diào)試方式效果比異步調(diào)制方式好，在實(shí)際中較多應(yīng)用同步調(diào)試方式PowerElectronics47附圖同步調(diào)制三相PWM波形當(dāng)逆變電路輸出頻率很低時(shí)，fc也很低，

fc過(guò)低時(shí)由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除當(dāng)逆變電路輸出頻率很高時(shí)，同步調(diào)制時(shí)的載波頻率fc會(huì)過(guò)高，使開(kāi)關(guān)器件難以承受PowerElectronics483.分段同步調(diào)制同步式調(diào)制和異步式調(diào)制的結(jié)合把逆變電路的輸出頻率范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)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(guò)高，能在功率開(kāi)關(guān)器件所允許的頻率范圍內(nèi)在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過(guò)低而對(duì)負(fù)載產(chǎn)生不利影響PowerElectronics492)單極性與雙極性正弦脈寬調(diào)制單極性調(diào)制在調(diào)制信號(hào)的正半周或負(fù)半周內(nèi)，對(duì)應(yīng)的SPWM波形也只有相應(yīng)的正極性或負(fù)極性脈沖雙極性調(diào)制在調(diào)制信號(hào)的正半周或負(fù)半周內(nèi)，對(duì)應(yīng)的SPWM波形有正負(fù)兩種極性的脈沖PowerElectronics50圖4-11單相橋式PWM逆變電路

V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)

uo正半周時(shí)，V1導(dǎo)通，V2關(guān)斷，V3和V4交替通斷負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)先討論單極性調(diào)制方法的實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流為正的區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時(shí)，uo等于Ud

V4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)V1和VD3續(xù)流，uo=0

負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間，V1和V4仍導(dǎo)通，io為負(fù)，實(shí)際上io從VD1和VD4流過(guò)，仍有uo=Ud

V4關(guān)斷，V3開(kāi)通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0

uo總可得到Ud和零兩種電平

uo負(fù)半周，讓V2保持通，V1保持?jǐn)啵琕3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平PowerElectronics51PowerElectronics圖4-12單極性PWM控制方式波形調(diào)制信號(hào)ur為正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在負(fù)半周為負(fù)正極性的三角波在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷

ur正半周，V1保持通，V2保持?jǐn)喈?dāng)ur>uc時(shí)使V4通，V3斷，uo=Ud當(dāng)ur<uc時(shí)使V4斷，V3通，uo=0

表示uo的基波分量單極性PWM控制方式（單相橋逆變）

Ur負(fù)半周，V1保持?jǐn)?，V2保持通當(dāng)ur<uc時(shí)使V3通，V4斷，uo=－Ud當(dāng)ur>uc時(shí)使V3斷，V4通，

uo=0單極性PWM控制方式Ur半個(gè)周期內(nèi)三角波載波只在正極性或負(fù)極性一種極性范圍內(nèi)變化，所得PWM波形的控制方法52圖4-13雙極性PWM控制方式波形雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）雙極性PWM控制方式在ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波有正有負(fù)，所得PWM波也有正有負(fù)在ur的一個(gè)周期內(nèi)，輸出的PWM波只有±Ud兩種電平同樣在調(diào)制信號(hào)ur和載波信號(hào)uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制哥開(kāi)關(guān)器件的通斷

ur正負(fù)半周，對(duì)各開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同當(dāng)ur

>uc時(shí)，給V1和V4導(dǎo)通信號(hào)，給V2和V3關(guān)斷信號(hào)如io>0，則V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

不管哪種情況uo=Ud當(dāng)ur<uc時(shí)，給V2和V3導(dǎo)通信號(hào)，給V1和V4關(guān)斷信號(hào)如io<0，V2和V3通如io>0，VD2和VD3通，

不管哪種情況uo=-UdPowerElectronics532三相橋式SPWM逆變電路

雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）圖4-14三相橋式PWM型逆變電路U、V和W三相的PWM控制通常公用三角波載波uc，三相的調(diào)制信號(hào)urU、urV和urW依次相差120°U、V和W各相功率開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同當(dāng)urU>uc時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，則uUN’=Ud/2

當(dāng)urU<uc時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，則uUN’=-Ud/2

當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是二極管VD1(VD4)續(xù)流導(dǎo)通PowerElectronics54圖4-15三相橋式PWM逆變電路波形

uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2兩種電平線電壓波形uUV的波形可由uUN’-uVN’得出當(dāng)1和6通時(shí)，uUV=Ud當(dāng)3和4通時(shí)，uUV=－Ud當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，uUV=0逆變器輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構(gòu)成負(fù)載向電壓uUN可由下式求得負(fù)載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成55同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，為防止上下臂直通而造成短路，在給一個(gè)臂施加關(guān)斷信號(hào)后，延遲一小段時(shí)間，才給另一個(gè)臂施加導(dǎo)通信號(hào)延遲時(shí)間（死區(qū)時(shí)間）的長(zhǎng)短主要取決于功率開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出的PWM波帶來(lái)影響，使其稍稍偏離正弦波PowerElectronics563SPWM的實(shí)現(xiàn)方法SPWM技術(shù)用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的PWM波形控制逆變電路中開(kāi)關(guān)器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應(yīng)區(qū)間內(nèi)的面積相等，通過(guò)改變調(diào)制信號(hào)的頻率和幅值來(lái)調(diào)節(jié)逆變電路輸出電壓的頻率和幅值。實(shí)現(xiàn)SPWM的方法主要有硬件調(diào)制法、軟件生成法、特定諧波消去法等。PowerElectronics571）硬件調(diào)制法

硬件調(diào)制法是為解決等面積法計(jì)算繁瑣的缺點(diǎn)而提出的其實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)單，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來(lái)確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波。其模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。PowerElectronics582）軟件生成法

軟件生成法直接根據(jù)面積等效原理或模擬硬件調(diào)制法生成SPWM波形，主要算法有面積等效法、自然采樣法和規(guī)則采樣法PowerElectronics59（1）面積等效法面積等效法這種方法實(shí)際上是SPWM法原理的直接闡釋。Ouωt>由N個(gè)等幅而不等寬的矩形脈沖所構(gòu)成的波形與正弦半波等效，這一系列脈沖波形的寬度或開(kāi)關(guān)時(shí)刻可嚴(yán)格地用數(shù)學(xué)方法計(jì)算，據(jù)此控制逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形PowerElectronics60（1）面積等效法此方法可以準(zhǔn)確地計(jì)算出各開(kāi)關(guān)器件的通斷時(shí)刻，其所得的波形很接近正弦波計(jì)算繁瑣，數(shù)據(jù)占用內(nèi)存大，不能實(shí)時(shí)控制的缺點(diǎn)。PowerElectronics61（2）自然采樣法自然采樣法按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交點(diǎn)時(shí)刻控制功率開(kāi)關(guān)的通斷，這種生成SPWM波形的方法PowerElectronics62圖4-11自然采樣法取三角波相鄰兩個(gè)峰值之間為一個(gè)周期Tc，在三角波的一個(gè)周期內(nèi)，其上升段和下降段與正弦調(diào)制各有一個(gè)交點(diǎn)A和B。把正弦波上升段的過(guò)零點(diǎn)定為時(shí)間起始點(diǎn)，并設(shè)A和B點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻分別為tA和tB。在同步調(diào)制方式中，使正弦調(diào)制波上升段的過(guò)零點(diǎn)和三角波下降過(guò)零點(diǎn)重合，并把該時(shí)刻作為坐標(biāo)原點(diǎn)。在三角波的一個(gè)周期內(nèi)，其上升段和下降段與正弦調(diào)制各有一個(gè)交點(diǎn)A和B。把該點(diǎn)所在的三角波周期作為正弦調(diào)制波的第一個(gè)三角波周期PowerElectronics63（2）自然采樣法自然采樣法計(jì)算公式推導(dǎo)

正弦調(diào)制信號(hào)波式中，M稱(chēng)為調(diào)制系數(shù)，0≤M<1；wr為信號(hào)波角頻率把A點(diǎn)。

所在的三角波周期作為正弦調(diào)制波的第一個(gè)三角波周期，則第n個(gè)周期內(nèi)三角波方程可表示如下:

(4-22)PowerElectronics64（2）自然采樣法

在A、B處，uc=ur，一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)第n個(gè)三角波與正弦波的交點(diǎn)時(shí)刻tA和tB，可按下式計(jì)算：

（4-23）由此，第n個(gè)脈沖寬度為

PowerElectronics65（2）自然采樣法自然采樣法的優(yōu)點(diǎn)是所得SPWM波形最接近正弦波，自然采樣法的缺點(diǎn)是脈寬表達(dá)式是一個(gè)超越方程，計(jì)算繁瑣；難以在實(shí)時(shí)控制中在線計(jì)算，工程應(yīng)用不多

PowerElectronics66（3）規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法工程實(shí)用方法，是對(duì)自然采樣法的改進(jìn)，效果接近自然采樣法，計(jì)算量比自然采樣法小得多PowerElectronics67圖4-17規(guī)則采樣法取三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc

使脈沖中點(diǎn)和三角波一周期的中點(diǎn)（即負(fù)峰點(diǎn)）重合，每個(gè)脈沖的中點(diǎn)都以相應(yīng)的三角波中點(diǎn)為對(duì)稱(chēng)，使計(jì)算大為簡(jiǎn)化在三角波的負(fù)峰時(shí)刻tD對(duì)正弦信號(hào)波采樣得D點(diǎn)，過(guò)D點(diǎn)作一水平直線和三角波分別交于A、B點(diǎn)，在A點(diǎn)時(shí)刻tA和B點(diǎn)時(shí)刻tB控制功率開(kāi)關(guān)器件的通斷這種規(guī)則采樣法得到的脈沖寬度和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近PowerElectronics68（3）規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法計(jì)算公式推導(dǎo)

設(shè)正弦調(diào)制信號(hào)波為式中，M稱(chēng)為調(diào)制系數(shù)，0≤M<1；wr為信號(hào)波角頻率。從圖4-17得

(4-25)

因此可得

(4-26)

三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度

(4-27)PowerElectronics69（3）規(guī)則采樣法三相橋逆變電路的情況三角波載波公用，三相正弦調(diào)制波相位依次差120°同一三角波周期內(nèi)三相的脈寬分別為δU、δV和δW，脈沖兩邊的間隙寬度分別為δ’U、δ’V和δ’W，同一時(shí)刻三相調(diào)制波電壓之和為零，由式(4-26)得

(4-28)

PowerElectronics70由式(4-27)

（4-29）利用以上兩式可簡(jiǎn)化三相SPWM波的計(jì)算。

71（3）規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法的主要優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，便于在線實(shí)時(shí)運(yùn)算，其中非對(duì)稱(chēng)規(guī)則采樣法因階數(shù)多而更接近正弦。規(guī)則采樣法的缺點(diǎn)是直流電壓利用率較低；線性控制范圍較小。自然采樣法和規(guī)則采樣法都只能采用同步調(diào)制方式。PowerElectronics723）特定諧波消去法

特定諧波消去法又稱(chēng)低次諧波消去法，是一種較有代表性的計(jì)算方法。

PowerElectronics73圖4-16特定諧波消去法的輸出PWM波形在輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各3次（不包括0和π），共6個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)刻可控首先，為消除偶次諧波，使波形正負(fù)兩半周期鏡對(duì)稱(chēng)，即(4-30)3）

特定諧波消去法

PowerElectronics74其次，為消除諧波中余弦項(xiàng)，應(yīng)使波形在正半周期內(nèi)前后1/4周期以π/2為軸線對(duì)稱(chēng)，即

同時(shí)滿(mǎn)足式（6-1）、（6-2）的波形稱(chēng)為四分之一周期對(duì)稱(chēng)波形，用傅里葉級(jí)數(shù)表示為

式中，an為(4-31)(4-32)PowerElectronics75

圖6-9中，能獨(dú)立控制的只有a1、a2和a3共3個(gè)時(shí)刻。該波形的an為

式中n=1,3,5,…確定a1的值，再令兩個(gè)不同的an=0，就可建三個(gè)方程，聯(lián)立可求得a1、a2和a3，這樣可消去兩種特定頻率的諧波(4-33)PowerElectronics76在三相對(duì)稱(chēng)電路的線電壓中，相電壓所含的3次諧波相互抵消，可考慮消去5次和7次諧波，得如下聯(lián)立方程

給定a1，解方程可得a1、a2和a3。a1改變時(shí)，a1、a2和a3也相應(yīng)改變。

(4-34)PowerElectronics773）

特定諧波消去法特定諧波消去法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以很好地消除所指定的低次諧波。其缺點(diǎn)是剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會(huì)相當(dāng)大；計(jì)算復(fù)雜。

特定諧波消去法也只能采用同步調(diào)制方式。PowerElectronics784SPWM的數(shù)字控制目前，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生SPWM波形的電路有：（1）分立元件和集成運(yùn)放構(gòu)成的模擬控制電路；（2）專(zhuān)用模擬集成脈寬調(diào)制器，如SG3524、SG3526、TL494等；（3）與八位或十六位單片微機(jī)配套使用的專(zhuān)用SPWM數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，如英國(guó)的HEF4752、荷蘭的MKII、日本的MB63H110以及西門(mén)子公司的SLE4520等；（4）用單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器等微處理器產(chǎn)生的數(shù)字SPWM電路。其中，數(shù)字控制電路的抗干擾能力明顯優(yōu)于模擬控制電路；但專(zhuān)用的集成電路芯片控制信號(hào)載波頻率較低，且頻率固定。微處理器的速度和精度不斷提高，數(shù)字化SPWM方法發(fā)展迅速。本節(jié)介紹一種專(zhuān)用SPWM數(shù)字信號(hào)發(fā)生器。PowerElectronics79SPWM專(zhuān)用芯片主要有英國(guó)的HEF4752、荷蘭的MKII、日本的MB63H110以及西門(mén)子公司的SLE4520、MA818、MA828,MA838及THP-4752等，還有MITEL公司研制的三相、單相SA828、SA838系列、IXYS公司的IXDP631。這里介紹典型的SLE4520基本原理及應(yīng)用。PowerElectronics80SLE4520是德國(guó)SIEMENS(西門(mén)子)公司生產(chǎn)的一種常用的三相脈寬調(diào)制器。應(yīng)用CMOS技術(shù)制作的低功耗高頻大規(guī)模集成電路；一種可編程器件能把三個(gè)8位數(shù)字量同時(shí)轉(zhuǎn)換成三路相應(yīng)脈寬的矩形波信號(hào)與8位或16位微機(jī)聯(lián)合使用，可用簡(jiǎn)單的方式產(chǎn)生三相變頻器所需的六路控制信號(hào)適用于IGBT變頻器或其它中頻電源變頻器。由于軟件編制的靈活性,幾乎可以實(shí)現(xiàn)任意形狀的曲線調(diào)制(正弦波、三角波等)和任意的相位關(guān)系。PowerElectronics81SLE4520引腳說(shuō)明圖4-19SLE4520外形及引腳圖1）Udd:+5V電源接入端；

2）XTAL1:晶體振蕩器接入端；

3）XTAL2:晶體振蕩器接入端；

4）P7:數(shù)據(jù)總線接口（輸入）；

5）P6:數(shù)據(jù)總線接口（輸入）；

6）P5:數(shù)據(jù)總線接口（輸入）；

7）P4:數(shù)據(jù)總線接口（輸入）；

8）P3:數(shù)據(jù)總線接口（輸入）；

9）P2:數(shù)據(jù)總線接口（輸入）；

10）P1:數(shù)據(jù)總線接口（輸入）；

11）P0:數(shù)據(jù)總線接口（輸入）；

PowerElectronics82SLE4520引腳說(shuō)明圖4-19SLE4520外形及引腳圖12）PH3/2:第三相的反信號(hào)輸出，低電平有效；

13）PH3/1:第三相的原信號(hào)輸出；

14）PH2/2:第二相的反信號(hào)輸出；

15）Vss:地線接入端；

16）PH2/1:第二相的原信號(hào)輸出；

17）PH1/2:第一相的反信號(hào)輸出；18）PH1/1:第一相的原信號(hào)輸出；

19）INHIBIT:禁止信號(hào)輸入端，高電平有效；

20）STATUS:狀態(tài)觸發(fā)器的狀態(tài)輸出；

PowerElectronics83SLE4520引腳說(shuō)明圖4-19SLE4520外形及引腳圖21）CLEAR-STATUS：狀態(tài)觸發(fā)器的復(fù)位輸入；

22）SET-STATUS：狀態(tài)觸發(fā)器置位輸入；

23)RES:芯片復(fù)位信號(hào)輸入端；24)/WR：微處理器/WR信號(hào)引入端；

25)ALE:微處理器ALE信號(hào)引入端；26)CLE:片選信號(hào)；

27)SYNC:接收數(shù)據(jù)命令輸入端；28)CLK-OUT:時(shí)鐘頻率輸出端。

PowerElectronics84圖4-21SLE4520應(yīng)用實(shí)例PowerElectronics855SPWM逆變電路的諧波分析PWM逆變電路使輸出電壓輸出電流接近正弦波使用載波對(duì)正弦信號(hào)波調(diào)制，也產(chǎn)生和載波有關(guān)的諧波分量諧波頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標(biāo)之一同步調(diào)制可看成異步調(diào)制的特殊情況PowerElectronics86圖4-22單相PWM橋式逆變電路輸出電壓頻譜圖包含的諧波角頻率為式中n=1,3,5,…時(shí)，k=0,2,4,…n=2,4,6,…時(shí)，k=1,3,5,…PWM波中不含低次諧波，只含wc及其附近的諧波以及2wc、3wc等及其附近的諧波PowerElectronics87圖4-23單相PWM橋式逆變電路輸出電壓頻譜圖包含的諧波角頻率為式中n=1,3,5,…時(shí)，k=0,2,4,…n=2,4,6,…時(shí)，k=1,3,5,…PWM波中不含低次諧波，只含wc及其附近的諧波以及2wc、3wc等及其附近的諧波PowerElectronics88三相橋式逆變電路和單相橋式逆變電路比較都不含低次諧波載波角頻率wc整數(shù)倍的諧波沒(méi)有了，諧波中幅值較高的是wc±2wr和2wc±wr共同區(qū)別SPWM波中諧波主要是角頻率為wc、2wc及其附近的諧波調(diào)制信號(hào)波不是正弦波時(shí)，諧波由兩部分組成對(duì)信號(hào)波本身進(jìn)行諧波分析所得的結(jié)果由于信號(hào)波對(duì)載波的調(diào)制而產(chǎn)生的諧波PowerElectronics894.2電壓型逆變電路4.2.1單相電壓型逆變電路4.2.2三相電壓型逆變電路4.2.3SPWM控制技術(shù)4.2.4電壓型逆變電路的應(yīng)用PowerElectronics904.2.4電壓型逆變電路的應(yīng)用

電壓型逆變電路的應(yīng)用十分廣泛，本節(jié)介紹兩個(gè)電壓型逆變電路的應(yīng)用實(shí)例:開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)變頻器PowerElectronics911．開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源通常是指利用自關(guān)斷器件和PWM控制技術(shù)制成的高頻開(kāi)關(guān)式直流穩(wěn)壓電源，在用電設(shè)備中得到了普遍應(yīng)用。開(kāi)關(guān)電源具有如下優(yōu)點(diǎn)：體積小重量輕用材少效率高下面討論以逆變?yōu)楹诵?、采用整?逆變-整流結(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)電源原理與設(shè)計(jì)。PowerElectronics92１）開(kāi)關(guān)電源的性能指標(biāo)

主要的電氣性能指標(biāo)：輸入電源的相數(shù)、頻率：根據(jù)輸出功率的不同，可采用單相或三相電源供電。輸出功率高于5kW時(shí)通常采用三相電源供電，以使三相負(fù)荷均衡。工頻電源頻率為50Hz。額定輸入電壓、容許電壓波動(dòng)范圍：我國(guó)工頻電源額定相電壓為220V，線電壓為380V。在容許的輸入電壓波動(dòng)范圍內(nèi)都要保證額定輸出功率。額定輸入電流：在額定輸入電壓、額定輸出功率時(shí)的輸入電流。最大輸入電流：在容許的下限輸入電壓、額定輸出功率時(shí)的輸入電流。輸入功率因數(shù)：輸入有功功率與視在功率的比值。PowerElectronics93１）開(kāi)關(guān)電源的性能指標(biāo)

主要的電氣性能指標(biāo)：

額定輸出直流電壓：標(biāo)稱(chēng)輸出直流電壓，指在額定輸出電流、滿(mǎn)足規(guī)定的穩(wěn)壓精度及紋波等指標(biāo)時(shí)的最大輸出直流電壓。穩(wěn)壓精度：指在容許的工作條件范圍內(nèi)，實(shí)際輸出直流電壓與額定工作條件時(shí)理想輸出直流電壓的比值。它反映了電源的控制精度。輸出電壓紋波與噪聲：紋波指輸出中與輸入電源頻率同步的交流成分，用峰值表示。噪聲指輸出中除了紋波外的交流成分，也用峰值表示。額定輸出電流：額定輸出電壓時(shí)供給負(fù)載的最大平均電流。PowerElectronics94１）開(kāi)關(guān)電源的性能指標(biāo)

主要的電氣性能指標(biāo)：效率：指輸出有功功率與輸入有功功率的比值。此外，還有反映系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的指標(biāo)以及開(kāi)關(guān)電源的電磁干擾與射頻干擾指標(biāo)等。PowerElectronics95圖4-24

開(kāi)關(guān)電源原理框圖開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)包括主電路設(shè)計(jì)與控制電路設(shè)計(jì)

整機(jī)電路包含主電路與控制電路兩部分

主電路由輸入整流濾波、功率因數(shù)校正、逆變電路、輸出整流濾波等組成其主要作用是將電網(wǎng)的能量傳遞給負(fù)載。

主電路以外的電路統(tǒng)稱(chēng)為控制電路它保證主電路正常工作，并獲得設(shè)計(jì)期望的技術(shù)指標(biāo)。

主電路設(shè)計(jì)包括主電路形式的選擇，開(kāi)關(guān)工作頻率，功率器件選型與額定參數(shù)的確定，變壓器與電感參數(shù)的計(jì)算等。控制電路設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是根據(jù)主電路形式確定合適的控制方法及其實(shí)現(xiàn)，此外應(yīng)考慮必要的故障檢測(cè)與保護(hù)電路。２）．開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理PowerElectronics96１）開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理

這里僅討論采用PWM控制方案的電路設(shè)計(jì)問(wèn)題。

（1）主電路形式選擇

（2）開(kāi)關(guān)工作頻率

開(kāi)關(guān)頻率越高，所需要的濾波電感、電容容量越小，脈沖變壓器體積也越小，然而開(kāi)關(guān)器件的損耗也越大，對(duì)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)速度要求也越高，干擾頻率抑制等問(wèn)題也更復(fù)雜。此外，不同類(lèi)型的功率器件有不同的適宜開(kāi)關(guān)頻率。開(kāi)關(guān)工作頻率應(yīng)根據(jù)輸出功率要求與市場(chǎng)器件供應(yīng)情況等多種因素綜合選擇確定。

(3)功率器件的確定

根據(jù)輸出功率要求與主電路開(kāi)關(guān)工作頻率，可基本選定功率器件類(lèi)型。一旦選定器件類(lèi)型，則容易根據(jù)器件特點(diǎn)、主電路形式與輸入輸出指標(biāo)確定功率器件的額定參數(shù)。

PowerElectronics97磁性元件包括變壓器、電感等。磁性元件設(shè)計(jì)是主電路設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。電感設(shè)計(jì)首先根據(jù)電路工作要求確定流過(guò)電感的平均電流及允許電流紋波的大小，同時(shí)還應(yīng)給定允許的電感銅耗大小。根據(jù)電路形式與允許紋波大小可確定所需要的電感量大小。對(duì)于電感溫升的限制決定允許的電感銅耗大小。銅耗的限制確定線圈截面積或線圈電流密度的選擇范圍。在電感平均電流I、電感量L、線圈電流密度J確定后，還應(yīng)選擇磁芯并計(jì)算電感繞組匝數(shù)、氣隙長(zhǎng)度等，如圖4.25所示。(4)磁性元件設(shè)計(jì)①電感器的設(shè)計(jì)圖4-25電感示意圖PowerElectronics98圖4-25電感示意圖設(shè)所選磁性材料的最大直流磁通密度為Bm，繞組匝數(shù)N為（4.35）磁芯窗口面積應(yīng)滿(mǎn)足（4.36）k為窗口面積利用系數(shù)，通常在0.3～0.6之間。（4.37）根據(jù)上式可選擇或制作電感磁芯，使其窗口面積與截面積之積稍大于計(jì)算值，匝數(shù)由式（4.35）計(jì)算，導(dǎo)線截面積為I/J，設(shè)磁路氣隙為lg，為防止磁芯飽和，根據(jù)安培環(huán)路定律有

（4.38）PowerElectronics99變壓器的設(shè)計(jì)包括變比確定、磁芯材料及磁芯形式選擇、繞組匝數(shù)及導(dǎo)線規(guī)格等。

變壓器設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：a)變比的選擇應(yīng)使得輸入電壓降到允許的最低值時(shí)，仍能得到必要的最大輸出電壓；b)當(dāng)輸入電壓和占空比為最大值時(shí)，磁芯不會(huì)飽和；c)盡可能提高變壓器的利用效率：如使原、副邊線圈損耗相等，銅耗與鐵損相等；d)溫升不超過(guò)允許的范圍；e)原、副邊線圈漏感要小；f)符合必要的安全規(guī)范等。變壓器設(shè)計(jì)過(guò)程為：選擇或制作一磁芯，使其實(shí)際窗口面積與磁芯截面積之積略大于計(jì)算值，確定原、副邊繞組匝數(shù)，原、副邊導(dǎo)線截面積。最后，對(duì)變壓器的功耗、溫升、勵(lì)磁電流等進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合乎要求。設(shè)變壓器最大的磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bm，磁芯截面積為S，繞線用窗口面積為W。變壓器原邊由方波電壓激勵(lì)，頻率為f，原邊電壓最大幅值為U1max，最小幅值為U1min，最大電流為I1，匝數(shù)為N1，原、副邊繞組電流密度為J，副邊繞組最小電壓幅值為U2min，最大電流為I2，匝數(shù)為N2，變壓器如圖4.26所示。②變壓器的設(shè)計(jì)圖4-26變壓器示意圖PowerElectronics100圖4-26變壓器示意圖

為保證最大占空比Dmax下輸出額定電壓Uo，要求副邊最小電壓滿(mǎn)足：

其中UDF為副邊整流二極管及線路壓降之和。變比n為

為保證最大輸入電壓與最大占空比下磁芯不會(huì)飽和，根據(jù)法拉第定律有

假定窗口面積被充分利用，則有

式中k為窗口利用系數(shù)。

有關(guān)設(shè)計(jì)和計(jì)算公式PowerElectronics4.394.404.414.42101圖4-26變壓器示意圖

式中，P為變壓器輸出最大功率。

PowerElectronics4.424.43

變壓器設(shè)計(jì)過(guò)程為：選擇或制作一磁芯，使其實(shí)際窗口面積與磁芯截面積之積略大于計(jì)算值，確定原、副邊繞組匝數(shù)，原、副邊導(dǎo)線截面積。最后，對(duì)變壓器的功耗、溫升、勵(lì)磁電流等進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合乎要求。102１）開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理(5)控制電路設(shè)計(jì)控制電路的核心是根據(jù)反饋控制原理，將期望輸出電壓信號(hào)與實(shí)際輸出電壓信號(hào)進(jìn)行比較，利用誤差信號(hào)對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)際輸出電壓維持在期望電壓附近的目標(biāo)。目前，能實(shí)現(xiàn)PWM控制的集成芯片很多，也可利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM控制。PowerElectronics103例4-1

設(shè)某設(shè)備需要一直流穩(wěn)壓電源，輸出電壓Uo=24V，最大輸出電流Io=20A，輸出電壓紋波峰峰值不超過(guò)0.24V，輸出電流5A時(shí)副邊電感電流仍然連續(xù)。采用PWM控制方案，最大占空比Dmax=0.9。設(shè)輸入直流電壓變化范圍為245～350V，且采用隔離變壓器的橋式逆變+二極管整流電路結(jié)構(gòu)。試設(shè)計(jì)滿(mǎn)足上述要求的電路主要參數(shù)。

設(shè)計(jì)過(guò)程請(qǐng)參看教材。PowerElectronics1042．變頻器變頻器是把工頻電源變換成各種頻率的交流電源以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。

作為電動(dòng)機(jī)的電源裝置，目前在國(guó)內(nèi)外使用廣泛可以節(jié)能、提高產(chǎn)品和勞動(dòng)生產(chǎn)率等變頻器通常由主電路、控制電路和保護(hù)電路組成PowerElectronics105主電路整流電逆變電路

中間直流環(huán)節(jié)整流電路將交流電變換成直流電；直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波；逆變電路將中間環(huán)節(jié)輸出的直流電轉(zhuǎn)換為頻率和電壓都任意可調(diào)的交流電。2．變頻器PowerElectronics106控制電路主控制電路

信號(hào)檢測(cè)電路

基極驅(qū)動(dòng)電路

外部接口電路

保護(hù)電路其功能是將檢測(cè)電路得到的各種信號(hào)送到運(yùn)算電路，使運(yùn)算電路能夠根據(jù)驅(qū)動(dòng)要求為變頻器主電路提供必要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并對(duì)變頻器以及異步電動(dòng)機(jī)提供必要的保護(hù)。2．變頻器PowerElectronics107整流電路逆變電路控制電路M~圖5-44變頻器基本結(jié)構(gòu)～AC中間環(huán)節(jié)DCAC運(yùn)行指令PowerElectronics1081）交-直-交變頻器的基本原理

交-直-交變頻器是一種目前被廣泛應(yīng)用在交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速中的變頻器。它是先將恒壓恒頻（CVCF:ConstantVoltageConstantFrequency）的交流電通過(guò)整流器變成直流電，再通過(guò)逆變器將直流電變換成可控交流電的間接型變頻電路。按照不同的控制方式，交-直-交變頻器可分為以下四種形式。PowerElectronics109可控整流

逆變圖4-29可控整流器調(diào)壓、六拍逆變器結(jié)構(gòu)框圖1)采用可控整流器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控制方式。調(diào)壓和調(diào)頻在兩個(gè)環(huán)節(jié)上分別完成，器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便。工作模式為三相六拍，每周換相六次，其主要缺點(diǎn)是電網(wǎng)端功率因數(shù)較低；輸出的諧波較大。這類(lèi)控制方式現(xiàn)在采用較少AC~50Hz調(diào)壓調(diào)頻DCACVVVFPowerElectronics110圖4-30不可控整流器整流、斬波器調(diào)壓、逆變器結(jié)構(gòu)框圖2）采用不可控整流器整流、斬波器調(diào)壓、逆變器調(diào)頻的控制方式。它有三個(gè)環(huán)節(jié)，整流器由二極管組成，只整流不調(diào)壓；調(diào)壓環(huán)節(jié)由斬波器單獨(dú)進(jìn)行，用脈寬調(diào)壓，該方法克服了功率因數(shù)較低的缺點(diǎn)。但由于輸出逆變環(huán)節(jié)不變，所以仍有較大諧波的缺點(diǎn)。AC~50Hz調(diào)壓調(diào)頻DCACVVVF不控整流斬波器逆變DCPowerElectronics111圖4-31不控整流器整流、脈寬調(diào)制逆變器結(jié)構(gòu)框圖3）采用不控整流器整流、PWM逆變器同時(shí)調(diào)壓調(diào)頻的控制方式。該方法較好地解決輸入功率因數(shù)較低和輸出諧波大的問(wèn)題。PWM逆變器采用了全控式電力電子開(kāi)關(guān)器件，因此輸出的諧波大小取決于PWM的開(kāi)關(guān)頻率以及PWM的控制方式AC~50Hz調(diào)壓調(diào)頻DCACVVVF不控整流

PWM

逆變器PowerElectronics112圖4-32PWM整流器整流、PWM逆變器調(diào)壓調(diào)頻結(jié)構(gòu)框圖4)

采用PWM可控整流、PWM逆變器調(diào)壓調(diào)頻的控制方式。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的諧波污染可以控制得很低，同時(shí)具有較高的功率因數(shù)。而且通過(guò)PWM控制可使系統(tǒng)進(jìn)行再生制動(dòng)，即可以使異步電機(jī)在四象限上運(yùn)行。AC~50Hz調(diào)壓調(diào)頻DCACVVVFPWM可控整流PWM逆變器中間環(huán)節(jié)PowerElectronics113(b)電流型變頻器在交-直-交變頻器中，當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)采用大電容濾波時(shí)，直流電壓波形比較平直，在理想情況下是一個(gè)內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，這類(lèi)變頻器稱(chēng)為電壓型逆變器，如圖4-33（a）所示；當(dāng)中間直流環(huán)節(jié)采用大電感濾波時(shí)，直流電流波形比較平直，因而電源內(nèi)阻抗很大，對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)基本上是一個(gè)恒流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，這類(lèi)變頻器稱(chēng)為電流型逆變器，如圖4-33（b）所示。逆變器（a）電壓型變頻器+○-

○UdCd逆變器+○-

○LdUdId圖4-33變頻器結(jié)構(gòu)框圖PowerElectronics1142）交-直-交電壓型變頻電路

圖4-34所示為一種常用的交-直-交電壓型PWM變頻電路。該電路采用二極管構(gòu)成整流器，其輸出直流電壓Ud是不可控的，它和電容器之間的直流電壓和直流電流極性不變，只能由電源向直流電源輸送能量。圖中逆變電路的能量是可以雙向流動(dòng)的，在負(fù)載能量反饋到中間直流電路時(shí)，將導(dǎo)致電容電壓升高，稱(chēng)為泵升電壓。如果能量無(wú)法反饋回交流電源，泵升電壓會(huì)危及整個(gè)電路的安全。圖4-34不能再生反饋的電壓型變頻電路PowerElectronics1152）交-直-交電壓型變頻電路

為了限制泵升電壓，可采用帶有泵升電壓限制電路的電壓型變頻電路：泵升電壓限制電路由開(kāi)關(guān)器件V0和能耗電阻R0組成，與直流側(cè)電容并聯(lián)。當(dāng)泵升電壓超過(guò)一定數(shù)值時(shí)，使V0導(dǎo)通，把從負(fù)載反饋的能量消耗在R0上。這種電路可運(yùn)用于對(duì)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)間有一定要求的調(diào)速系統(tǒng)中。圖4-35帶有泵升電壓限制電路的電壓型變頻電路PowerElectronics1162）交-直-交電壓型變頻電路

利用可控變流器實(shí)現(xiàn)再生反饋的電壓型變頻電路：當(dāng)負(fù)載回饋能量時(shí)，中間直流電壓上升，使不可控整流電路停止工作，可控變流器工作于有源逆變狀態(tài)，將電能反饋回電網(wǎng)。圖4-36利用可控變流器實(shí)現(xiàn)再生反饋的電壓型變頻電路PowerElectronics1172）交-直-交電壓型變頻電路

整流和逆變均為PWM控制的電壓型變頻電路（可簡(jiǎn)稱(chēng)為雙PWM電路）整流和逆變電路的構(gòu)成完全相同，均采用PWM控制，能量可雙向流動(dòng)。輸入輸出電流均為正弦波，輸入功率因數(shù)高，且可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行。圖4-37整流和逆變均為PWM控制的電壓型變頻電路PowerElectronics1183）變頻器的主要參數(shù)計(jì)算

對(duì)采用二極管整流、IGBT作為主開(kāi)關(guān)的交—直—交型變頻器(圖4-34)中二極管、IGBT及中間環(huán)節(jié)濾波電容的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。假設(shè)電機(jī)繞組采用星形聯(lián)接方式、額定負(fù)載時(shí)的相電壓Ue、相電流Ie、功率因數(shù)角為，變頻器采用三相輸入，電網(wǎng)相電壓U1，頻率f。PowerElectronics119

（1）中間環(huán)節(jié)濾波電容的參數(shù)計(jì)算為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮器件損耗，則直流側(cè)輸出額定功率為，二極管整流環(huán)節(jié)輸出的平均直流電壓為Ud，因此根據(jù)功率平衡原則，直流脈動(dòng)電流平均分量Id為

（4-45）等效負(fù)載電阻Rd為

（4-46）通常濾波電容C的選擇應(yīng)滿(mǎn)足：

（4-47）PowerElectronics120（2）二極管的參數(shù)計(jì)算

二極管的額定電壓根據(jù)輸入相數(shù)、相電壓確定。對(duì)三相輸入、電網(wǎng)相電壓U1情形，二極管的額定電壓可選為

（4-48）二極管的額定電壓可選為

（4-49）式中kv為考慮諧波成分影響的系數(shù)。（3）IGBT的參數(shù)計(jì)算

二極管整流環(huán)節(jié)輸出的平均直流電壓為Ud，考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)為±a%，關(guān)斷時(shí)等效電感引起的直流環(huán)節(jié)電壓尖峰為△U，則直流環(huán)節(jié)最高電壓Udmax=（1+a%）Ud+△U。IGBT的額定電壓可選為

(4-50)PowerElectronics121

考慮電網(wǎng)電壓波動(dòng)為-a%時(shí)也應(yīng)輸出額定功率，此時(shí)直流脈動(dòng)電流平均分量Idmax為