電力電子技術(shù)第三章

第三章直流—交流變換技術(shù)

主講：李善壽電話(huà):0551-351314電力電子技術(shù)當(dāng)前1頁(yè)，總共98頁(yè)。3.1概述一、逆變概念逆變——與整流相對(duì)應(yīng)，直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變；交流側(cè)接負(fù)載，為無(wú)源逆變；本章講述無(wú)源逆變。二、逆變器的分類(lèi)（1）按功率器件分：半控器件逆變電路、全控器件逆變電路（2）按輸出波形分：方波輸出逆變器、正弦波輸出逆變器、其他輸出波形逆變器當(dāng)前2頁(yè)，總共98頁(yè)。3.1概述（3）按輸入直流電源形式分：電壓源逆變器、電流源逆變器三、逆變器的工業(yè)應(yīng)用變頻變壓電源VVVF，即變頻器。通常用于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速；恒頻恒壓電源CVCF，典型代表是UPS，以及其它的各種電源；感應(yīng)加熱用交流電源，要求頻率可以在一定范圍內(nèi)變化。當(dāng)前3頁(yè)，總共98頁(yè)。3.1概述四、常用逆變電路結(jié)構(gòu)常用結(jié)構(gòu)分為：推挽、半橋、全橋三種（1）推挽逆變電路當(dāng)前4頁(yè)，總共98頁(yè)。3.1概述VT2導(dǎo)通，變壓器一次側(cè)兩個(gè)繞組的同名端電壓極性為正，負(fù)載側(cè)兩端電壓為上正下負(fù)，而同時(shí)由于VT2導(dǎo)通、VT1截止，有：VT2和VT1均沒(méi)有觸發(fā)信號(hào)，都不導(dǎo)通，變壓器二次繞組沒(méi)有感應(yīng)電壓，負(fù)載兩端電壓為0，且VT2和VT1兩端電壓都為Ui。VT1有門(mén)極信號(hào)可以觸發(fā)導(dǎo)通，因此變壓器一次側(cè)兩個(gè)繞組的同名端電壓極性為負(fù)，負(fù)載側(cè)兩端電壓為上負(fù)下正，而同時(shí)由于VT1導(dǎo)通、VT2截止，有：當(dāng)前5頁(yè)，總共98頁(yè)。3.1概述（2）半橋逆變電路當(dāng)前6頁(yè)，總共98頁(yè)。3.1概述（1）VT1和VT2在一個(gè)周期內(nèi)交替導(dǎo)通，各自導(dǎo)通半個(gè)周期。輸出電壓uo為矩形波，其幅值為Um=Ud/2。（2）此電路所帶負(fù)載為感性負(fù)載，所以電流輸出波形滯后電壓一定角度。如圖所示，在t2時(shí)刻前，VT1導(dǎo)通、VT2關(guān)斷，t2時(shí)刻VT2開(kāi)通、VT1關(guān)斷，但是由于所帶負(fù)載是感性負(fù)載，所以電流不能立刻反向，先通過(guò)VD2續(xù)流一直到電流達(dá)到零為止，此時(shí)VD2截止、VT2正式開(kāi)通，電流反向。其余工作過(guò)程類(lèi)似。當(dāng)前7頁(yè)，總共98頁(yè)。3.1概述（3）全橋逆變電路當(dāng)前8頁(yè)，總共98頁(yè)。一、基本電路結(jié)構(gòu)3.2單相方波逆變電路當(dāng)前9頁(yè)，總共98頁(yè)。3.2單相方波逆變電路

二、理想條件假定1、器件特性理想：功率器件無(wú)損耗、無(wú)延時(shí)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換瞬間完成；隨著技術(shù)進(jìn)步，實(shí)際器件與理想狀況差別越來(lái)越小。2、電源特性理想：逆變能量來(lái)源為理想直流電壓源；實(shí)際電路是低內(nèi)阻大容量直流母線電容來(lái)逼近的。3、電路特性理想：逆變電路忽略分布、寄生參數(shù)的影響，連接線為理想零阻抗；實(shí)際電路采用材料和電路布局的改善來(lái)逼近這種狀態(tài)。4、負(fù)載特性理想：負(fù)載為理想線性元件，電阻無(wú)寄生電感和電容，電抗器無(wú)損耗和飽和，電容器無(wú)等效串并聯(lián)電阻和電感。實(shí)際線性負(fù)載在一定范圍內(nèi)可以視為理想。當(dāng)前10頁(yè)，總共98頁(yè)。3.2單相方波逆變電路三、電路分析的目的1、理解逆變的工作原理2、了解器件工作中的狀態(tài)（電壓、電流波形）3、分析相關(guān)電流、電壓的數(shù)值關(guān)系四、電路工作分析1、波形控制規(guī)律（1）VT1、VT3和VT2、VT4分為兩個(gè)工作組，工作狀態(tài)（開(kāi)通和關(guān)斷）互補(bǔ)。（2）假定輸出交流電周期為T(mén)，則VT1、VT3和VT2、VT4分別工作T/2時(shí)間，即開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)間分別為T(mén)/2。當(dāng)前11頁(yè)，總共98頁(yè)。3.2單相方波逆變電路2、電路工作波形分析（1）各橋臂由MOSFET與反并二極管組成，當(dāng)MOSFET一旦開(kāi)通，橋臂可以正反向流動(dòng)電流，此時(shí)橋臂可以視為短路；在0～期間，VT1、VT3開(kāi)通，；～2期間，VT2、VT4開(kāi)通，；一個(gè)周期內(nèi)電壓平均值為零（直流分量為零），因此負(fù)載上電流波形的直流分量也為零，穩(wěn)態(tài)時(shí)電流瞬時(shí)值必然有正有負(fù)，各半周期的電流起始值與電流終值必然方向相反。（2）0～1時(shí)段，ug1、3>0，VT1、VT3開(kāi)通，對(duì)于電感負(fù)載，電流滯后，此時(shí)VD1、VD3續(xù)流，電流方向：A－VD1－Cd－VD3－B，由于二極管續(xù)流存在，VT1、VT3實(shí)際不能導(dǎo)通；ug2、4=0，VT2、VT4關(guān)斷。當(dāng)前12頁(yè)，總共98頁(yè)。3.2單相方波逆變電路

（3）1~時(shí)段，ug1、3>0，電流過(guò)零，VT1、VT3正常開(kāi)通，電流方向：VT1－A－B－VT3，形成負(fù)載電流正半波；ug2、4=0，VT2、VT4關(guān)斷。（4）~2時(shí)段，ug1、3=0，VT1、VT3關(guān)斷，ug2、4>0，VT2、VT4開(kāi)通，對(duì)于電感負(fù)載，電流滯后，此時(shí)VD2、VD4續(xù)流，電流方向：B－VD2－Cd－VD4－A,由于二極管續(xù)流存在，VT2、VT4實(shí)際不能導(dǎo)通。（5）2~2時(shí)段，ug2、4>0，電流過(guò)零，VT2、VT4正常開(kāi)通，電流方向：VT2－B－A－VT4，形成負(fù)載電流負(fù)半波；ug1、3=0，VT1、VT3關(guān)斷。當(dāng)前13頁(yè)，總共98頁(yè)。3.2單相方波逆變電路當(dāng)前14頁(yè)，總共98頁(yè)。3.2單相方波逆變電路3、相關(guān)參數(shù)計(jì)算（1）按傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)分析，輸出電壓：（2）基波電壓幅值：（3）基波電壓有效值：（4）基波電壓增益：

當(dāng)前15頁(yè)，總共98頁(yè)。3.2單相方波逆變電路（5）諧波失真度：其中：為基波幅值的標(biāo)么值（6）輸入電流分析a、電流波形正負(fù)幅值相等

0～期間：

R～L電路電流的三要素法公式：當(dāng)前16頁(yè)，總共98頁(yè)。3.2單相方波逆變電路～2期間：

由于輸入電壓的平均值為零（直流分量為零），輸出電流的直流分量亦為零。則：當(dāng)前17頁(yè)，總共98頁(yè)。3.2單相方波逆變電路b、電流幅值計(jì)算在時(shí)刻有：當(dāng)前18頁(yè)，總共98頁(yè)。3.2單相方波逆變電路4、方波逆變電路的特點(diǎn)（1）方波逆變電路輸出為交變方波，各占50%周期，與負(fù)載性質(zhì)無(wú)關(guān)，在電路和參數(shù)確定情況下，輸出電壓形狀和幅值都不可調(diào)節(jié)；（2）輸出電壓諧波含量豐富。方波輸出除基波外還包含奇次諧波，第n次諧波的幅值與其頻率成反比。諧波含量高的逆變器如果用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，會(huì)造成定子諧波電流銅損明顯增加和較大幅度轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；（3）直流電壓利用率較高，基波電壓增益的物理意義是表示一定幅值的直流電壓可以逆變產(chǎn)生的交流輸出電壓基波有效值，又稱(chēng)作直流電壓利用率。當(dāng)前19頁(yè)，總共98頁(yè)。3.3單相方波逆變電路的電壓控制一、單相方波逆變的輸出電壓控制的基本方法調(diào)節(jié)直流母線電壓：可以通過(guò)相控整流或者整流后加DC-DC變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)；移相調(diào)壓控制：兩套方波逆變器通過(guò)變壓器進(jìn)行串聯(lián)移相調(diào)壓或通過(guò)移相調(diào)壓全橋逆變電路實(shí)現(xiàn)。方波PWM電壓控制：在輸出方波電壓中加入脈寬調(diào)制波，調(diào)節(jié)輸出電壓的平均值，從而調(diào)節(jié)輸出電壓當(dāng)前20頁(yè)，總共98頁(yè)。3.3單相方波逆變電路的電壓控制二、兩級(jí)調(diào)壓逆變電路電路結(jié)構(gòu)電路特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：分級(jí)調(diào)壓、調(diào)頻，調(diào)節(jié)方便；缺點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低。DC/DC變換DC/AC變換UdcUdUac當(dāng)前21頁(yè)，總共98頁(yè)。3.3單相方波逆變電路的電壓控制三、電流連續(xù)工作狀態(tài)下移相調(diào)壓控制1、移相調(diào)壓的工作原理

ug1、ug4互補(bǔ)輸出，ug2、ug3互補(bǔ)輸出，但兩組信號(hào)的相位在0～之間可調(diào)，輸出脈寬可以變化，從而調(diào)節(jié)輸出電壓基波和有效值。（1）ωt＝0時(shí)刻開(kāi)始，0～θ1時(shí)間段：此時(shí)ug1,3>0、ug2,4=0，VT1、VT3所在橋臂導(dǎo)通，由于是感性負(fù)載，電流滯后，此時(shí)負(fù)載電流與電壓反向，因此VD3、VD1導(dǎo)通，負(fù)載電感儲(chǔ)能向直流母線回饋，負(fù)載電流絕對(duì)值按照指數(shù)規(guī)律下降，直到θ1時(shí)刻負(fù)載電流過(guò)零，負(fù)載電壓Uo＝+Ud，直流母線的輸入電流與負(fù)載電流相同。當(dāng)前22頁(yè)，總共98頁(yè)。3.3單相方波逆變電路的電壓控制當(dāng)前23頁(yè)，總共98頁(yè)。3.3單相方波逆變電路的電壓控制（2）θ1時(shí)刻開(kāi)始，θ1～θ2時(shí)間段：此時(shí)ug1,3>0、ug2,4=0，VT1、VT3所在橋臂導(dǎo)通，負(fù)載電流由VD3、VD1轉(zhuǎn)換到VT3、VT1，負(fù)載電流按照指數(shù)規(guī)律正向增大，負(fù)載電壓Uo＝+Ud，直流母線的輸入電流與負(fù)載電流相同。（3）θ2時(shí)刻開(kāi)始，θ2～θ3時(shí)間段：此時(shí)ug1,2>0、ug3,4=0，VT1、VT2所在橋臂導(dǎo)通，由于電感的續(xù)流作用，負(fù)載電流由VT3切換到VD2，VT1繼續(xù)導(dǎo)通，此時(shí)負(fù)載被VT1、VD2“短路”，負(fù)載電感儲(chǔ)能在負(fù)載電阻中消耗，io以較小的斜率指數(shù)下降，負(fù)載電壓Uo＝0，直流母線的輸入電流為0。當(dāng)前24頁(yè)，總共98頁(yè)。3.3單相方波逆變電路的電壓控制（4）θ3時(shí)刻開(kāi)始，θ3～θ4時(shí)間段：此時(shí)ug1,3=0、ug2,4>0，VT2、VT4所在橋臂導(dǎo)通，由于電感的續(xù)流作用，負(fù)載電流由VD2、VT1轉(zhuǎn)換到VD2、VD4，負(fù)載電感儲(chǔ)能向直流母線回饋，負(fù)載電流按照指數(shù)規(guī)律下降，直到θ4時(shí)刻負(fù)載電流過(guò)零，負(fù)載電壓Uo＝-Ud，直流母線輸入電流與負(fù)載電流相反。（5）θ4時(shí)刻開(kāi)始，θ4～θ5時(shí)間段：此時(shí)ug1,3=0、ug2,4>0，VT2、VT4所在橋臂導(dǎo)通，負(fù)載電流由VD2、VD4切換到VT2、VT4，負(fù)載電流按照指數(shù)規(guī)律反向增加，負(fù)載電壓Uo＝-Ud，直流母線輸入電流與負(fù)載電流相反。當(dāng)前25頁(yè)，總共98頁(yè)。3.3單相方波逆變電路的電壓控制（6）θ5時(shí)刻開(kāi)始，θ5～θ6時(shí)間段：此時(shí)ug1,2=0、ug3,4>0，VT3、VT4所在橋臂導(dǎo)通，由于電感的續(xù)流作用，負(fù)載電流由VT2切換到VD3，VT4繼續(xù)導(dǎo)通，此時(shí)負(fù)載被VT4、VD3“短路”，負(fù)載電感儲(chǔ)能在負(fù)載電阻中消耗，io的絕對(duì)值以較小的斜率指數(shù)下降，負(fù)載電壓Uo＝0，直流母線輸入電流為0。當(dāng)前26頁(yè)，總共98頁(yè)。3.3單相方波逆變電路的電壓控制2、方波移相調(diào)壓逆變電路的輸出電壓分析（1）輸出電壓波形特點(diǎn)Uo＋Ud－Ud當(dāng)前27頁(yè)，總共98頁(yè)。3.3單相方波逆變電路的電壓控制（2）輸出電壓分析 輸出電壓：（3）諧波分析 各次諧波幅值

各次諧波相對(duì)幅值（以、時(shí)的為基準(zhǔn)值）當(dāng)前28頁(yè)，總共98頁(yè)。當(dāng)前29頁(yè)，總共98頁(yè)。3.3單相方波逆變電路的電壓控制3、移相全橋逆變電路特點(diǎn)單級(jí)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高調(diào)節(jié)控制信號(hào)相位變化，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，實(shí)質(zhì)上是改變輸出正負(fù)脈沖寬度調(diào)節(jié)電壓，實(shí)質(zhì)上是脈寬調(diào)制輸出諧波含量仍然很高當(dāng)前30頁(yè)，總共98頁(yè)。3.3單相方波逆變電路的電壓控制四、矩形波調(diào)制逆變電壓控制1、矩形波調(diào)制逆變電路工作原理

輸出電壓波形正半波時(shí)，ug1恒定高電壓，VT1恒開(kāi)通，ug4恒定為低電平，VT4恒定關(guān)斷，ug2、ug3為互補(bǔ)脈沖輸出，其脈沖寬度恒定，脈沖頻率可變，從而調(diào)節(jié)脈寬的占空比，調(diào)節(jié)輸出電壓的基波值和平均值。輸出電壓波形負(fù)半波時(shí)，ug2恒定高電壓，VT2恒開(kāi)通，ug3恒定為低電平VT3恒定關(guān)斷，ug1、ug4為互補(bǔ)脈沖輸出，控制規(guī)律與正半波相同，如圖所示。當(dāng)前31頁(yè)，總共98頁(yè)。第二節(jié)單相方波逆變電路當(dāng)前32頁(yè)，總共98頁(yè)。3.3單相方波逆變電路的電壓控制2、矩形波調(diào)制電壓控制逆變電路的輸出電壓分析（1）輸出電壓波形特點(diǎn)矩形波的相對(duì)脈寬系數(shù)

，為矩形波最大脈寬當(dāng)前33頁(yè)，總共98頁(yè)。3.3單相方波逆變電路的電壓控制（2）輸出電壓分析 輸出電壓：（3）諧波分析 假定斬波周期為T(mén)C（頻率fC)

；電路工作周期為T(mén)（頻率f）；則設(shè)定載波比為：各次諧波與載波比的關(guān)系如下圖（，諧波分布圖）當(dāng)前34頁(yè)，總共98頁(yè)。當(dāng)前35頁(yè)，總共98頁(yè)。3.3單相方波逆變電路的電壓控制3、矩形波調(diào)制電壓控制逆變電路特點(diǎn)單級(jí)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高當(dāng)值較低的時(shí)候，電路諧波含量仍很高當(dāng)值較高的時(shí)候，諧波含量有所下降，但諧波次數(shù)仍然很低（低次諧波含量大），且淺控時(shí)諧波含量增大。當(dāng)前36頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制一、逆變電路諧波控制的基本方法

通過(guò)前面的介紹，方波逆變電路解決了調(diào)頻、調(diào)壓等問(wèn)題，對(duì)于如感應(yīng)加熱等應(yīng)用已經(jīng)不存在問(wèn)題，但若將逆變電路應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速之類(lèi)的應(yīng)用場(chǎng)合，存在的主要問(wèn)題是諧波含量偏高；因此，解決諧波問(wèn)題是逆變電源應(yīng)用于調(diào)速、UPS等場(chǎng)合的關(guān)鍵。常用的諧波控制方法有：SPWM調(diào)制法、電流跟蹤法、指定消諧法等多種方法。當(dāng)前37頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制二、SPWM調(diào)制技術(shù)及其應(yīng)用1、正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)的理論基礎(chǔ)

采樣控制理論中有一個(gè)重要結(jié)論：形狀不同但面積相等的窄脈沖加之于線性環(huán)節(jié)時(shí)，得到的輸出效果基本相同。如圖所示，分別是矩形、三角形、正弦半波窄脈沖和理想單位脈沖函數(shù)為波形的電壓源u(t)施加于R、L負(fù)載上的情況，當(dāng)負(fù)載時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于激勵(lì)脈沖持續(xù)時(shí)間時(shí)，響應(yīng)i(t)基本一致，只在上升段有所不同。由于響應(yīng)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的下降段體現(xiàn)了低頻成份，持續(xù)時(shí)間短的上升段體現(xiàn)了響應(yīng)的高頻分量，因此各個(gè)響應(yīng)按傅里葉分析在低頻段基本一致，差別存在于高頻段。當(dāng)激勵(lì)脈沖越窄（或負(fù)載慣性常數(shù)與脈沖持續(xù)時(shí)間相差越大），則響應(yīng)的高頻段所占比例愈小，整個(gè)響應(yīng)愈相近。當(dāng)前38頁(yè)，總共98頁(yè)。當(dāng)前39頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制

線性系統(tǒng)周期性窄脈沖群的響應(yīng)可以等效為各個(gè)窄脈沖相應(yīng)的疊加，這樣某一以時(shí)間為自變量的激勵(lì)函數(shù)加在慣性環(huán)節(jié)上的響應(yīng)可以被等效為按時(shí)間段與之面積相等的窄脈沖序列加在同一環(huán)節(jié)上得到的響應(yīng)。利用等面積序列脈沖等效正弦半波相應(yīng)時(shí)間段的面積就形成了一系列脈寬隨正弦波瞬時(shí)值變動(dòng)的脈沖序列－－即SPWM波，如圖所示。開(kāi)關(guān)功率變換器輸出為脈沖函數(shù)，利用高頻SPWM波施加于負(fù)載，并配置低通濾波環(huán)節(jié)就能夠產(chǎn)生需要的低頻正弦響應(yīng)－－即SPWM調(diào)制技術(shù)的基本原理與方法。當(dāng)前40頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制2、自然采樣法－－產(chǎn)生SPWM波的基本方法按照三角波（或鋸齒波、統(tǒng)稱(chēng)為載波）與正弦波（調(diào)制波）比較，產(chǎn)生SPWM脈沖序列的方法稱(chēng)為自然采樣法。正弦波在不同相位角時(shí)其值不同，與三角波相交所得脈沖寬度也不同；當(dāng)正弦波頻率變化和幅值變化時(shí)，各個(gè)脈沖寬度也相應(yīng)發(fā)生變化。利用模擬電路可以方便的實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，將正弦波與三角波施加于比較器的兩個(gè)輸入，其輸出即為SPWM波，因此這種方法在模擬控制方式中比較常用，但作為數(shù)字控制時(shí)由于計(jì)算工作量大，一般不常用。當(dāng)前41頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制自然采樣法示意：uc為三角載波，周期為T(mén)cus為正弦調(diào)制波，周期為T(mén)s當(dāng)us>uc時(shí)，輸出＋Uo

當(dāng)us<uc時(shí)，輸出－Uo一般有：Ts>>Tc

usm≤

ucm當(dāng)前42頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制3、規(guī)則采樣法（自然采樣法的改進(jìn)－－適合數(shù)字控制）規(guī)則采樣法的原理

以載波周期谷點(diǎn)時(shí)刻調(diào)制波瞬時(shí)值為整個(gè)載波周期內(nèi)調(diào)制波的幅值，這樣調(diào)制波與與載波比較得到SPWM信號(hào)的方法稱(chēng)為規(guī)則采樣法。規(guī)則采樣法的特點(diǎn)（1）相當(dāng)于以載波周期谷點(diǎn)時(shí)刻調(diào)制波瞬時(shí)值為基準(zhǔn)的階梯波代替正弦調(diào)制波來(lái)產(chǎn)生SPWM波；（2）在數(shù)字控制系統(tǒng)中，SPWM信號(hào)由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生，各個(gè)脈沖起始與終止時(shí)刻需要實(shí)時(shí)計(jì)算或查表，采用這種方法計(jì)算工作量大為減小，因此，在數(shù)字控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。當(dāng)前43頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制規(guī)則采樣法示意：

uc為三角載波，周期為T(mén)cus為正弦調(diào)制波，周期為T(mén)s以載波周期谷點(diǎn)時(shí)刻調(diào)制波瞬時(shí)值為整個(gè)載波周期內(nèi)調(diào)制波的幅值us(t0)當(dāng)us>uc時(shí)，輸出＋Uo

當(dāng)us<uc時(shí)，輸出－Uo當(dāng)前44頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制

規(guī)則采樣法的等效示意圖當(dāng)前45頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制幾個(gè)概念SPWM采用的調(diào)制波為正弦波，載波uc是峰峰值為2Ucm，頻率為fc的三角波幅度調(diào)制比：頻率調(diào)制比（載波比）：當(dāng)前46頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制4、雙極性SPWM控制逆變的原理與分析（自然采樣法的應(yīng)用）（1）引入一個(gè)固定頻率、固定幅值的三角波uc－－三角載波。（2）引入一個(gè)與輸出頻率相同、幅值不超過(guò)三角波的正弦波us－－調(diào)制波。（3）將調(diào)制波與三角載波進(jìn)行比較，輸出一系列脈寬按正弦規(guī)律變化的方波－－SPWM波，用來(lái)控制橋式逆變器的兩組開(kāi)關(guān)。（4）控制方法：

Us>Uc時(shí)，VT1、VT3導(dǎo)通，VT2、VT4關(guān)斷，輸出電壓+Ud

Us<Uc時(shí)，VT2、VT4導(dǎo)通，VT1、VT3關(guān)斷，輸出電壓-Ud當(dāng)前47頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制（5）輸出波形調(diào)頻、調(diào)壓的實(shí)現(xiàn)雙極性SPWM波的特點(diǎn)：輸出基波頻率與調(diào)制波相同，輸出基波電壓與幅度調(diào)制比相關(guān)，輸出諧波頻率為調(diào)制波頻率的整數(shù)倍。因此，固定三角載波的頻率和幅值，改變調(diào)制波的頻率和幅值就可以改變輸出SPWM波中正弦基波的頻率和幅值。（6）輸出基波電壓與直流電壓利用率基波電壓幅值：

在幅度調(diào)制比不超過(guò)1時(shí)，雙極性SPWM的輸出電壓基波幅值與幅度調(diào)制比成正比直流電壓利用率：當(dāng)前48頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制當(dāng)前49頁(yè)，總共98頁(yè)。當(dāng)前50頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制（7）雙極性控制的特點(diǎn)直流電壓利用率低，解決的方法是采用過(guò)調(diào)制或注入諧波調(diào)制；開(kāi)關(guān)頻率提高是改善輸出諧波特性根本辦法，但也帶來(lái)相應(yīng)的損耗；橋臂互補(bǔ)工作的可靠性問(wèn)題要求加入“死區(qū)時(shí)間”，但降低了電路的直流電壓利用率并引入理論上沒(méi)有的低頻諧波（3、5、7。。。次諧波）等不良影響。當(dāng)前51頁(yè)，總共98頁(yè)。當(dāng)前52頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制5、單極性SPWM控制逆變的方法（倍頻控制的SPWM方法）（1）引入一個(gè)固定頻率、固定幅值的三角波uc－三角載波。（2）引入一個(gè)與輸出頻率相同、幅值不超過(guò)三角波的正弦波us－調(diào)制波。（3）將調(diào)制波us與三角載波uc進(jìn)行比較，輸出一系列脈寬按正弦規(guī)律變化的方波－SPWM波，用來(lái)控制橋式逆變器的VT1、VT4，將調(diào)制波-us與三角載波uc進(jìn)行比較，輸出一系列脈寬按正弦規(guī)律變化的方波－SPWM波，用來(lái)控制橋式逆變器的VT2、VT3，根據(jù)頻譜分析結(jié)果，輸出波形中除與調(diào)制波相同頻率的波形幅值較大外，其余的諧波含量主要為與三角載波頻率相關(guān)的高次諧波，最低為三角載波頻率的2倍，由于三角載波頻率較高，比較容易濾除。當(dāng)前53頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制（4）控制方法：

us>uc時(shí)，VT1導(dǎo)通，VT4關(guān)斷，輸出電壓+Ud

us<uc時(shí)，VT4導(dǎo)通，VT1關(guān)斷，輸出電壓-Ud

-us>uc時(shí)，VT2導(dǎo)通，VT3關(guān)斷，輸出電壓+Ud-us<uc時(shí)，VT3導(dǎo)通，VT2關(guān)斷，輸出電壓-Ud例、t1--t2時(shí)間段：

us<uc，VT4導(dǎo)通，VT1關(guān)斷-us<uc，VT3導(dǎo)通，VT2關(guān)斷因此，VT3、VT4導(dǎo)通，輸出電壓uAB=0V當(dāng)前54頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制

t3--t4時(shí)間段：

us>uc，VT1導(dǎo)通，VT4關(guān)斷-us<uc，VT3導(dǎo)通，VT2關(guān)斷因此，VT1、VT3導(dǎo)通，輸出電壓uAB=Ud

t5--t6時(shí)間段：

us>uc，VT1導(dǎo)通，VT4關(guān)斷-us>uc，VT2導(dǎo)通，VT3關(guān)斷因此，VT1、VT2導(dǎo)通，輸出電壓uAB=0

t7—t8時(shí)間段：-us>uc，VT2導(dǎo)通，VT3關(guān)斷

us<uc，VT4導(dǎo)通，VT1關(guān)斷因此，VT2、VT4導(dǎo)通，輸出電壓uAB=-Ud當(dāng)前55頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制當(dāng)前56頁(yè)，總共98頁(yè)。第三節(jié)單相SPWM逆變電路當(dāng)前57頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制（5）輸出波形調(diào)頻、調(diào)壓的實(shí)現(xiàn)雙極性SPWM波的特點(diǎn)：輸出基波頻率與調(diào)制波相同，輸出基波電壓與幅度調(diào)制比相關(guān)，輸出諧波頻率為調(diào)制波頻率的偶數(shù)倍。因此，固定三角載波的頻率和幅值，改變調(diào)制波的頻率和幅值就可以改變輸出SPWM波中正弦基波的頻率和幅值。（6）輸出基波電壓與直流電壓利用率基波電壓幅值：

在幅度調(diào)制比不超過(guò)1時(shí)，單極性SPWM的輸出電壓基波幅值與幅度調(diào)制比成正比直流電壓利用率：當(dāng)前58頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制（7）單極性控制的特點(diǎn)輸出電壓、輸入電源電流的諧波性能優(yōu)于雙極性調(diào)制其他性能與雙極性調(diào)制類(lèi)似。當(dāng)前59頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制6、SPWM調(diào)制的相關(guān)技術(shù)（1）調(diào)制方式異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不保持同步關(guān)系，通常保持載波頻率不變，而調(diào)制波頻率可變，因此載波比（頻率調(diào)制比）可變，在調(diào)制信號(hào)半個(gè)周期內(nèi)，脈沖個(gè)數(shù)、脈沖相位也不固定；正負(fù)半周內(nèi)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)。同步調(diào)制載波比（頻率調(diào)制比）等于常數(shù)，在變頻時(shí)使載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)保持同步。在調(diào)制信號(hào)半個(gè)周期內(nèi)，脈沖個(gè)數(shù)、脈沖相位固定；正負(fù)半周內(nèi)脈沖對(duì)稱(chēng)，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也對(duì)稱(chēng)。當(dāng)前60頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制分段同步調(diào)制把逆變電路輸出頻率分為多個(gè)頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)分別采用同步調(diào)制，各頻段采用不同載波比（頻率調(diào)制比）。這樣克服了同步調(diào)制低頻段載波頻率降低的弊端。（2）過(guò)調(diào)制提高直流電壓利用率當(dāng)時(shí)，進(jìn)入過(guò)調(diào)制狀態(tài)（），對(duì)于部分相應(yīng)輸出（相當(dāng)于削頂調(diào)制波與載波比較），此時(shí)電路諧波增加，但直流電壓的利用率也同樣提高。也可以利用梯形波代替正弦調(diào)制波來(lái)取得類(lèi)似的效果。另一種辦法是在正弦調(diào)制波中同步疊加三次諧波形成馬鞍波作為調(diào)制波，其效果也同樣提高直流電壓的利用率，但僅增加三次諧波，鑒于三相對(duì)稱(chēng)電路的特點(diǎn)，這種方法在三相電路比較常用。當(dāng)前61頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制三、電流跟蹤PWM的工作原理與應(yīng)用1、電流跟蹤法的原理引入一個(gè)與輸出電流頻率相同的正弦波is－－參考波引入一個(gè)信號(hào)偏差－－偏差閾值將輸出電流與輸入電流比較：當(dāng)輸出電流io>is+時(shí)，輸出-U；當(dāng)輸出電流io<is-時(shí)，輸出+U；以此產(chǎn)生PWM波加在負(fù)載上，結(jié)果使輸出電流基波強(qiáng)制跟隨is變化，偏差為±當(dāng)前62頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制2、電流跟蹤法的雙極性控制應(yīng)用（1）電流跟蹤的實(shí)現(xiàn)原理引入一個(gè)滯環(huán)比較器和一個(gè)誤差運(yùn)算器，將參考電流信號(hào)is與輸出電流的反饋信號(hào)io進(jìn)行誤差運(yùn)算，其結(jié)果輸入一個(gè)滯環(huán)比較器進(jìn)行調(diào)制，輸出波形即為需要的控制波形。isio+Δ-Δ+U-U-+PWM當(dāng)前63頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制（2）控制方法：輸出電流io>is+時(shí)，VT1、VT3關(guān)斷，VT2、VT4導(dǎo)通，輸出-Ud輸出電流io<is-時(shí)，VT2、VT4關(guān)斷，VT1、VT3導(dǎo)通，輸出+Ud（3）輸出波形調(diào)頻、調(diào)幅的實(shí)現(xiàn)：改變參考波is的頻率和幅值，就可以改變輸出電流基波的頻率和幅值（4）電流跟蹤法的特點(diǎn)：直接以輸出電流為控制對(duì)象，系統(tǒng)具有快速的瞬態(tài)響應(yīng)；以輸出電流為控制對(duì)象，系統(tǒng)無(wú)條件穩(wěn)定，具有較高的穩(wěn)定性；以電流為控制對(duì)象，容易防止變壓器偏磁現(xiàn)象，避免磁路飽和；開(kāi)關(guān)頻率不固定，輸出頻譜可變，實(shí)際應(yīng)用需要采取一定措施。當(dāng)前64頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制當(dāng)前65頁(yè)，總共98頁(yè)。第三節(jié)單相SPWM逆變電路當(dāng)前66頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制四、指定消諧法的原理與應(yīng)用1、指定消諧法的原理控制輸出電壓脈沖列的電角度以消除逆變器輸出電壓中某些危害較大的諧波（一般是低次諧波），控制基波分量大小，這種方法就是指定消諧法。2、單極性調(diào)制諧波消除技術(shù)采用如圖的單極性調(diào)制波，該波形為奇函數(shù)，對(duì)稱(chēng)于，波形中只含有奇次諧波，有：

當(dāng)前67頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制假定波形幅度為Ud，將方波在半波內(nèi)斬切為M個(gè)脈沖，其斬切角分別為，則對(duì)于奇數(shù)n和任意M有：其中：當(dāng)前68頁(yè)，總共98頁(yè)。注意到是n次諧波電壓的峰值，對(duì)于任意的M，只要令：式中i是要消除的諧波次數(shù)，它應(yīng)有M-1個(gè)奇整數(shù)，從而得出一組方程，它的解即消除了M-1個(gè)諧波。以此方法確定多個(gè)開(kāi)關(guān)角，從而確定單極性控制波形。3.4單相方波逆變電路的諧波控制當(dāng)前69頁(yè)，總共98頁(yè)。3.4單相方波逆變電路的諧波控制當(dāng)前70頁(yè)，總共98頁(yè)。3.5三相逆變電路一、三相方波逆變電路1、電路結(jié)構(gòu)三相方波逆變電路常用三相橋式電路結(jié)構(gòu)，如圖a)，有時(shí)輸入端采用電容分壓構(gòu)成中點(diǎn)與負(fù)載中點(diǎn)相連2、脈沖控制策略每一個(gè)主開(kāi)關(guān)管的控制脈沖寬度為rad，同一橋臂上下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管脈沖互補(bǔ)。相鄰橋臂之間的脈沖相序互差2/3rad，即相鄰序號(hào)主開(kāi)關(guān)之間的脈沖相序相差/3rad。當(dāng)前71頁(yè)，總共98頁(yè)。當(dāng)前72頁(yè)，總共98頁(yè)。3.5三相逆變電路3、三相逆變電路純電阻負(fù)載狀態(tài)波形分析控制脈沖條件下主電路結(jié)構(gòu)形態(tài)示例當(dāng)前73頁(yè)，總共98頁(yè)。3.5三相逆變電路電路工作分析條件假定分析條件：Ra=Rb=Rc＝R，中心點(diǎn)O為電位參考點(diǎn)；電路工作于穩(wěn)態(tài)；器件、電路、電源均具有理想特性。工作波形分析A、0~/3時(shí)段：VT1、VT5、VT6導(dǎo)通，UAO=UCO=+Ud/3UBO=-Ud/3

B、/3~2/3時(shí)段：VT1、VT2、VT6導(dǎo)通，UBO=UCO=-Ud/3UAO=+2Ud/3C、2/3~時(shí)段：VT1、VT2、VT3導(dǎo)通，UAO=UBO=+Ud/3UCO=-2Ud/3D、~4/3時(shí)段：VT2、VT3、VT4導(dǎo)通，UAO=UCO=-Ud/3UBO=+2Ud/3其余各時(shí)段分析類(lèi)似，由此得到輸出電壓波形如下圖。E、電流波形：由于是純電阻負(fù)載，電流波形與電壓波形相似當(dāng)前74頁(yè)，總共98頁(yè)。第五節(jié)三相逆變電路當(dāng)前75頁(yè)，總共98頁(yè)。3.5三相逆變電路輸出相電壓分析輸出相電壓為六階梯波（四電平波形），呈半波對(duì)稱(chēng)奇函數(shù)特性，按傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)有：相電壓基波幅值：相電壓基波有效值：相電壓有效值：當(dāng)前76頁(yè)，總共98頁(yè)。3.5三相逆變電路輸出線電壓分析輸出線電壓為調(diào)寬方波（三電平波形），呈半波對(duì)稱(chēng)奇函數(shù)特性，按傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)有：線電壓基波幅值：線電壓基波有效值：線電壓有效值：當(dāng)前77頁(yè)，總共98頁(yè)。3.5三相逆變電路輸入、輸出電流分析輸入端電流：輸出電流：純電阻負(fù)載，與輸出電壓有對(duì)應(yīng)關(guān)系直流輸入功率當(dāng)前78頁(yè)，總共98頁(yè)。3.5三相逆變電路三相方波逆變電路的特點(diǎn)輸出諧波含量比較高，輸出相電壓諧波失真度輸出電壓不可調(diào)，傳統(tǒng)解決方法是前面增加一級(jí)DC-DC變換器；直流電壓利用率不高，線電壓基波有效值與直流母線電壓之比－－直流電壓利用率為：當(dāng)前79頁(yè)，總共98頁(yè)。3.5三相逆變電路4、感性負(fù)載</3時(shí)電路工作情況分析（1）電路工作模式由于電感存在，晶體管兩端并聯(lián)二極管具有反向續(xù)流作用，電路工作形態(tài)可以分為三種類(lèi)型：第一種：三個(gè)導(dǎo)電臂均由晶體管導(dǎo)通。

UAO=UBO=+Ud/3UCO=-2Ud/3UAB=UAO–UBO=0第二種：兩個(gè)晶體管和一個(gè)二極管導(dǎo)通。

UAO=UBO=+Ud/3UCO=-2Ud/3UAB=UAO–UBO=0第三種：一個(gè)晶體管和兩個(gè)二極管導(dǎo)通。

UAO=UBO=+Ud/3UCO=-2Ud/3UAB=UAO–UBO=0

當(dāng)前80頁(yè)，總共98頁(yè)。3.5三相逆變電路圖5－5當(dāng)前81頁(yè)，總共98頁(yè)。3.5三相逆變電路

由此可見(jiàn)，盡管電路工作于不同狀態(tài)，電路輸出電壓與純電阻（無(wú)二極管續(xù)流）狀態(tài)一樣，電流波形分析如下圖（5-6）。圖中，電流基波滯后電壓基波角度0<</3。

同理可以分析>/3時(shí)的工作情況，如圖（5-7）。當(dāng)前82頁(yè)，總共98頁(yè)。第五節(jié)三相逆變電路當(dāng)前83頁(yè)，總共98頁(yè)。第五節(jié)三相逆變電路當(dāng)前84頁(yè)，總共98頁(yè)。3.5三相逆變電路二、三相SPWM逆變電路1、電路結(jié)構(gòu)三相SPWM逆變電路結(jié)構(gòu)等同于三相方波逆變電路結(jié)構(gòu)，如圖a)，區(qū)別僅在于控制信號(hào)的時(shí)序分布。2、脈沖控制策略載波信號(hào)為對(duì)稱(chēng)三角波uc，幅度Ucm，頻率fc；調(diào)制信號(hào)為三相正弦波uga、ugb、ugc，幅度Ugm，頻率f（逆變輸出電壓頻率）調(diào)制信號(hào)與三角波比較形成三相SPWM波分別控制三個(gè)橋臂，uga的調(diào)制波控制VT1、4橋臂，ugb的調(diào)制波控制VT3、6橋臂，ugc的調(diào)制波控制VT5、2橋臂；同橋臂上下管脈沖互補(bǔ)。當(dāng)前85頁(yè)，總共98頁(yè)。第五節(jié)三相逆變電路當(dāng)前86頁(yè)，總共98頁(yè)。3.5三相逆變電路3、三相SPWM逆變電路輸出電壓波形分析（1）~區(qū)間：、（2）