電力電子課件及復(fù)習(xí)提綱第七章逆變電路

第七章逆變電路

7.1引言7.2開關(guān)器件的換流方式7.3電壓型方波逆變器7.4逆變器的PWM調(diào)制技術(shù)7.5單相SPWM逆變器7.6三相PWM逆變器7.7PWM逆變器橋臂封鎖時(shí)間對電壓的影響7.8逆變器的其它電路結(jié)構(gòu)和控制7.9逆變器的整流運(yùn)行模式7.10電流型逆變電路小結(jié)

首頁下頁返回第七章逆變電路7.1前言7.1.1實(shí)現(xiàn)逆變的基本概念逆變將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姟Ｄ孀冸娐穼⒅绷麟娹D(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姷碾娐?。逆變器在逆變電路加上一些控制和保護(hù)等器件。下頁上頁返回第七章逆變電路變頻通過改變晶閘管觸發(fā)脈沖之間的間隔時(shí)間，而改變提供給負(fù)載的交流電頻率。LdududaisUsLdVT2VT3VT4VT1IdLs交流電源+Udid-下頁上頁返回第七章逆變電路+Udid-ucubua645312n交流電壓源LdududaisUsLdVT2VT3VT4VT1IdLs下頁上頁返回第七章逆變電路ucubuaa=120°a=120°ubauacucbucaubaubcuab0ubauacucbucaUdubcuabucbwtwt0t5t4t3t2t1t7t6t4～t7各換流時(shí)刻存在類似的換流機(jī)理。下頁上頁返回第七章逆變電路無源逆變器

交流側(cè)與負(fù)載相連的逆變器。

逆變器有源逆變器無源逆變器有源逆變器交流側(cè)與電源相連的逆變器。變頻電路交—交變頻電路交—直—交變頻電路交—直變換電路直—交變換電路整流電路逆變電路下頁上頁返回第七章逆變電路下頁上頁返回第七章逆變電路自換流逆變器

具有強(qiáng)迫換流能力的逆變器

。

自換流逆變器二極管整流器自換流逆變器逆變器i0

＋-＋u0

Ud

-交流電動機(jī)50Hz交流電源

下頁上頁返回第七章逆變電路自換流逆變器用于交流電動機(jī)驅(qū)動和提供不間斷的交流電源（UPS），它產(chǎn)生一個(gè)幅值和頻率均可控的正弦交流輸出。

逆變器的功率可雙向流動。自換流逆變器二極管整流器交流電動機(jī)50Hz交流電源

i0

＋-＋u0

Ud

-下頁上頁返回第七章逆變電路交流電動機(jī)有時(shí)會減速或反向運(yùn)行，逆變器應(yīng)能提供滯后電流通道。電動機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，所發(fā)出的電能由交流側(cè)向直流側(cè)流動，此時(shí)逆變器運(yùn)行于整流模式。

自換流逆變器二極管整流器交流電動機(jī)50Hz交流電源

i0

＋-＋u0

Ud

-下頁上頁返回第七章逆變電路逆變器采用全控型的電力電子器件作為開關(guān)，具有自換流的功能。逆變器在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)滿足負(fù)載運(yùn)行的各種要求。自換流逆變器二極管整流器交流電動機(jī)50Hz交流電源

i0

＋-＋u0

Ud

-下頁上頁返回第七章逆變電路tU0i003214在區(qū)間2和4，u0和i0的符號相反，p0從交流側(cè)流向直流側(cè)，為整流器運(yùn)行模式。在區(qū)間1的u0和i0為正，區(qū)間3的u0和i0為負(fù)。在區(qū)間1和3，瞬時(shí)功率p0是從直流側(cè)流向交流側(cè)，對應(yīng)逆變器運(yùn)行模式。下頁上頁返回第七章逆變電路

i0是可逆的，u0的極性可以是任意的，與i0的方向無關(guān)。只要逆變器滿足四象限運(yùn)行要求，就能完成驅(qū)動交流負(fù)載的任務(wù)。

自換流逆變器二極管整流器交流電動機(jī)50Hz交流電源

i0

＋-＋u0

Ud

-下頁上頁返回第七章逆變電路電壓源型逆變器逆變器的輸入是直流電壓源電流源型逆變器逆變器的輸入是直流電流源直流側(cè)通過串聯(lián)電感的形式保證電流的恒定下頁上頁返回第七章逆變電路7.1.2逆變器的分類輸出為交流電，頻率和幅值可調(diào)。為了保證輸出電壓的基波分量盡可能大，可以改變PWM的控制方式。

脈寬調(diào)制型逆變器PWM型逆變器

自換流逆變器二極管整流器交流電動機(jī)50Hz交流電源

i0

＋-＋u0

Ud

-下頁上頁返回第七章逆變電路方波控制方式要求在一個(gè)交流輸出周期中均勻的輸出六個(gè)脈沖序列（三相逆變器），在電壓源型逆變器中，要想得到較高的交流輸出電壓，可將逆變器的控制方式設(shè)定為方波輸出，能有效提高等效基波電壓的幅值。方波調(diào)制方式保留了輸出頻率的控制。方波逆變器下頁上頁返回第七章逆變電路移相式單相逆變器

對單相逆變器的兩個(gè)橋臂分別實(shí)行方波輸出控制，而輸出電壓是兩個(gè)橋臂的輸出方波之和或兩方波之差。優(yōu)點(diǎn)：能夠方便地改變輸出電壓的相位。移相式單相逆變器具有脈寬調(diào)制型逆變器和方波逆變器兩類逆變器的特點(diǎn)，它是實(shí)現(xiàn)單極性逆變器的基礎(chǔ)。移相技術(shù)只適用于單相逆變器，不適用于三相逆變中。第七章逆變電路7.2開關(guān)器件的換流方式

開關(guān)換流

變流電路的開關(guān)在工作過程中電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路的轉(zhuǎn)移。

換相

換流下頁上頁返回下頁上頁返回第七章逆變電路全控型器件通過對門極的控制使其關(guān)斷，半控型器件的晶閘管須利用外部條件或采取其它措施才能使其關(guān)斷。通態(tài)斷態(tài)通態(tài)斷態(tài)無論支路是由全控型還是半控型電力電子器件組成，只要給門極適當(dāng)?shù)尿?qū)動信號，就可以使其開通。下頁上頁返回第七章逆變電路器件換流利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。IGBT電力MOSFETGTOGTR等全控型器件電路中的換流方式換流方式的分類下頁上頁返回第七章逆變電路電網(wǎng)換流由電網(wǎng)提供換流電壓實(shí)現(xiàn)換流。借助于電網(wǎng)電壓實(shí)現(xiàn)的換流方式整流狀態(tài)有源逆變狀態(tài)換流時(shí)把負(fù)的電網(wǎng)電壓施加在欲關(guān)斷的晶閘管上使其關(guān)斷。電網(wǎng)換流不需要器件具有門極可關(guān)斷能力，不需要為換流附加任何元件，不適用于沒有交流電網(wǎng)的無源逆變電路。下頁上頁返回第七章逆變電路負(fù)載換流由負(fù)載提供換流電壓的換流方式。凡是負(fù)載電流的相位超前于負(fù)載電壓的場合，都可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。當(dāng)負(fù)載為容性負(fù)載時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流；當(dāng)負(fù)載為同步電動機(jī)時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。下頁上頁返回第七章逆變電路負(fù)載為阻感特性，在負(fù)載兩端并聯(lián)了一個(gè)大電容，整個(gè)負(fù)載就略呈容性，為負(fù)載換流提供了晶閘管關(guān)斷時(shí)的反向電壓。Ld

LUd

i0

u0

RCVT4VT3VT2VT1id

為保證直流電流的平穩(wěn)性，在直流側(cè)需串聯(lián)一個(gè)大電感Ld，工作過程中可以認(rèn)為基本沒有脈動。下頁上頁返回第七章逆變電路UVT0U0wt0wtiVT1iVT4wtt1wtUVT4UVT100i0iiU0iVT2iVT3直流電流近似為恒定值，兩個(gè)橋臂的開關(guān)切換僅使電流流通路徑改變，負(fù)載電流基本呈矩形波。串并聯(lián)負(fù)載對基波電流接近并聯(lián)諧振的狀態(tài)，對基波電流的阻抗較大而對諧波電流的阻抗較小，因此負(fù)載電壓波形接近正弦波。下頁上頁返回第七章逆變電路UVT0U0wt0wtiVT1iVT4wtt1wtUVT4UVT100i0iiU0iVT2iVT3設(shè)在t1時(shí)刻前VT1、VT4為通態(tài)，VT2、VT3為斷態(tài)，u0、i0均為正，VT2、VT3上施加的電壓為u0。在t1時(shí)刻觸發(fā)VT2、VT3使其開通，負(fù)載電壓u0通過VT2、VT3分別加到VT4、VT2上，使其承受反向電壓而關(guān)斷，電流從VTl、VT4轉(zhuǎn)移到VT3、VT2。下頁上頁返回第七章逆變電路UVT0U0wt0wtiVT1iVT4wtt1wtUVT4UVT100i0iiU0iVT2iVT3VT2、VT3到VT4、VTl換流過程和VTl、VT4到VT3、VT2換流過程類似。下頁上頁返回第七章逆變電路強(qiáng)迫換流設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反向電壓或反向電流的換流方式。常用強(qiáng)迫換流的方式

直接式諧振式下頁上頁返回第七章逆變電路直接耦合式強(qiáng)迫換流由換流電路內(nèi)電容直接提供換流電壓的方式。當(dāng)欲關(guān)斷圖中的晶閘管VT時(shí)，必須先讓圖中的容電C得到圖示的反極性電壓，這樣在開關(guān)S閉合時(shí)，就可以使晶閘管承受反向電壓而關(guān)斷。CS負(fù)載VT-+下頁上頁返回第七章逆變電路諧振式強(qiáng)迫換流通過換流電路中的電容和電感的諧振來提供強(qiáng)迫換流的電壓或電流的換流方式。CS負(fù)載VT-+VDLCS負(fù)載VT-+VDL下頁上頁返回第七章逆變電路CS負(fù)載VT+-VDL晶閘管在LC振蕩的前半個(gè)周期內(nèi)關(guān)斷晶閘管在LC振蕩的后半個(gè)周期內(nèi)關(guān)斷CS負(fù)載VT+-VDL下頁上頁返回第七章逆變電路CS負(fù)載VT+-VDL當(dāng)開關(guān)S閉合后，LC的諧振電流將反向流過晶閘管VT，該電流與VT的負(fù)載電流相減，直到VT的合成正向電流減至零后，這個(gè)諧振電流才從二極管VD中流過。下頁上頁返回第七章逆變電路CS負(fù)載VT+-VDL在開關(guān)S閉合后，LC諧振電流先是正向流過VT并和VT中原有負(fù)載電流疊加，經(jīng)半個(gè)諧振周期

之后，反向諧振電流才流經(jīng)VT，VT中的電流逐漸減小，直到VT的合成正向電流減至零后，諧振電流才從二極管VD中流過。下頁上頁返回第七章逆變電路電壓換流給晶閘管加上反向電壓而使其關(guān)斷的換流。電流換流先使晶閘管電流減為零，然后通過反并聯(lián)二極管使其加上反向電壓的換流。器件換流負(fù)載換流強(qiáng)迫換流電網(wǎng)換流適用于全控型器件自換流外部換流適用于晶閘管下頁上頁返回第七章逆變電路采用自換流方式的逆變電路。自換流逆變電路采用外部換流方式的逆變電路。外部換流逆變電路熄滅換流電流不是從一個(gè)支路向另一個(gè)支路的轉(zhuǎn)移，而是在支路內(nèi)部終止而變?yōu)榱?。第七章逆變電?.3電壓型方波逆變器

下頁上頁返回直流側(cè)是電壓源。電壓型逆變器直流側(cè)是電流源。電流型逆變器下頁上頁返回第七章逆變電路電壓型逆變電路特點(diǎn)直流側(cè)電壓基本無脈動，直流回路呈現(xiàn)低阻抗。交流側(cè)輸出電壓波形為矩形波，與負(fù)載的性質(zhì)無關(guān)，交流側(cè)輸出電流波形和相位由負(fù)載的性質(zhì)決定。當(dāng)交流側(cè)為阻感負(fù)載時(shí)，逆變器需向負(fù)載提供無功功率，直流側(cè)的電容起到緩沖無功功率的作用。反過來，逆變器為交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功提供通道，逆變橋各臂一般并聯(lián)有反饋二極管。下頁上頁返回第七章逆變電路7.3.1單相逆變電路uot3

U/20tVT1

VD2

VD1

VD2

VD1

VT2

VT1

VT2

t0-U/2t2

t1

t5

t4

t6

io單橋臂逆變電路單橋臂逆變電路單橋臂逆變電路工作波形VD2

VD1

Au0

VT2

VT1

-NUd/2PRUd/2Ud

+0i0

L下頁上頁返回第七章逆變電路uot3

U/20tVT1

VD2

VD1

VD2

VD1

VT2

VT1

VT2

t0-U/2t2

t1

t5

t4

t6

io輸出電壓為矩形波，幅值Um=Ud/2。輸出電流波形隨負(fù)載情況而異。t3時(shí)刻到來后，輸出電流i0降為零，VD2截止，VT2開通，i0開始反向。給VT2開通信號。VT1關(guān)斷，VD2導(dǎo)通續(xù)流。設(shè)t2時(shí)刻以前VT1為通態(tài)，VT2為斷態(tài)。t2時(shí)刻給VTl發(fā)出關(guān)斷信號，同時(shí)下頁上頁返回第七章逆變電路uot3

U/20tVT1

VD2

VD1

VD2

VD1

VT2

VT1

VT2

t0-U/2t2

t1

t5

t4

t6

iot4時(shí)刻給VT2關(guān)斷信號，給VT1開通信號后，VT2關(guān)斷，VD1先導(dǎo)通續(xù)流。t5時(shí)刻VT1開通。當(dāng)VT1或VT2為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓同方向。

當(dāng)VDl或VD2為通態(tài)時(shí)，負(fù)載電流和電壓反向，負(fù)載電感將其吸收的無功能量反饋回直流側(cè)。下頁上頁返回第七章逆變電路負(fù)載向直流側(cè)提供反饋能量通道的二極管。反饋二極管使負(fù)載電流連續(xù)作用的二極管。續(xù)流二極管單橋臂逆變電路的優(yōu)點(diǎn)：簡單、使用器件少。單橋臂逆變電路的缺點(diǎn)：輸出交流電壓的幅值Um僅為Ud/2，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)電容器的電壓均衡。下頁上頁返回第七章逆變電路單相全橋逆變電路u0

VT4

VT3

-CRUd

+i0

LVT1

VT2

VD3

VD2

VD1

VD4

兩個(gè)開關(guān)對交替導(dǎo)通，每對開關(guān)導(dǎo)通180o

，對負(fù)載形成交流電壓。全橋逆變器輸出電壓u0的波形與單橋臂輸出電壓u0的波形相同，僅幅值增加一倍。uot3

U0tVT14

VD23

VD144VD23

VD14

VT23

VT14

VT23

t0-Ut2

t1

t5

t4

t6

io單橋臂逆變電路的無功交換分析適用于全橋逆變電路。下頁上頁返回第七章逆變電路幅值為Ud的180°矩形方波電壓的傅立葉級數(shù)表達(dá)式為：基波的幅值：基波有效值：上述公式也適用于單橋臂逆變電路，只須將式中的Ud換成Ud/2。下頁上頁返回第七章逆變電路7.3.2三相逆變器u0

VT4

VT3

-CRUd

+i0

LVT1

VT2

VD3

VD2

VD1

VD4

三相橋式逆變電路可以看成是由3個(gè)單橋臂逆變電路組合而成。nVD2

VD1

0VT2

VT1

-NUd/2PUd/2Ud

+Wiv

VD4

VT4

VD3

VT3

VD5

VT5

VD6

VT6

VUiuiw

id

下頁上頁返回第七章逆變電路與單相的單橋臂、全橋逆變電路一樣，電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式采用180°導(dǎo)電方式，同一橋臂中的上、下兩個(gè)開關(guān)交替導(dǎo)電，各相橋臂導(dǎo)電的角度依次相差120°。nVD2

VD1

0VT2

VT1

-NUd/2PUd/2Ud

+Wiv

VD4

VT4

VD3

VT3

VD5

VT5

VD6

VT6

VUiuiw

id

下頁上頁返回第七章逆變電路在任一瞬間，三相逆變電路總有3個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通。由于同一橋臂上、下兩個(gè)開關(guān)各自導(dǎo)通180°，因此三相逆變器的每次換流都在同一橋臂上、下兩個(gè)開關(guān)之間進(jìn)行。nVD2

VD1

0VT2

VT1

-NUd/2PUd/2Ud

+Wiv

VD4

VT4

VD3

VT3

VD5

VT5

VD6

VT6

VUiuiw

id

下頁上頁返回第七章逆變電路縱向換流三相逆變器的每次換流都是在同一橋臂上、下兩個(gè)開關(guān)之間進(jìn)行。nVD2

VD1

0VT2

VT1

-NUd/2PUd/2Ud

+Wiv

VD4

VT4

VD3

VT3

VD5

VT5

VD6

VT6

VUiuiw

id

下頁上頁返回第七章逆變電路tidtttttt00000000uW0uU0uV0iUuUnun0uUVUd/2Ud2Ud/3Ud/6Ud/6當(dāng)開關(guān)1導(dǎo)通時(shí)：

uU0’=Ud/2當(dāng)開關(guān)4導(dǎo)通時(shí)：

uU0’=－Ud/2uU0’的波形是幅值為Ud／2矩形波U相輸出下頁上頁返回第七章逆變電路V、W兩相的電壓波形uV0、uW0與U相波形uU0相同，只是相位依次相差120°。

V、W相輸出tidtttttt00000000uW0uU0uV0iUuUnun0uUVUd/2Ud2Ud/3Ud/6Ud/6下頁上頁返回第七章逆變電路tidtttttt00000000uW0uU0uV0iUuUnun0uUVUd/2Ud2Ud/3Ud/6Ud/6負(fù)載線電壓分別為：

uUV=uU0-uV0uVW=uV0-uW0uWU=uW0-uU0負(fù)載相電壓分別為：

uUn=uU0-un0uVn=uV0-un0uWn=uW0-un0下頁上頁返回第七章逆變電路交流負(fù)載中點(diǎn)n與直流電源假想中點(diǎn)0之間的電壓為：設(shè)交流負(fù)載為三相對稱負(fù)載，則應(yīng)有uUn+uVn+uWn=0，由此可得：un0的波形為矩形波，頻率為uU0頻率的3倍、幅值為Ud/6。下頁上頁返回第七章逆變電路tidtttttt00000000uW0uU0uV0iUuUnun0uUVUd/2Ud2Ud/3Ud/6Ud/6根據(jù)式uUn=uU0-un0uVn=uV0-un0uWn=uW0-un0

Un0=1/3(uU0+uV0+uW0)

可得uUn

、

uVn、uWn的波形，uVn、uWn的電壓波形與uUn相位依次相差120o。下頁上頁返回第七章逆變電路若已知負(fù)載參數(shù)，可由uUn的波形求出U相電流iU的波形。負(fù)載的功率因數(shù)角j不同，則各相線電流的波形和相位會有所不同。tidtttttt00000000uW0uU0uV0iUuUnunNuUVUd/2Ud2Ud/3Ud/6Ud/6下頁上頁返回第七章逆變電路當(dāng)U相橋臂的VT1由通態(tài)轉(zhuǎn)換到斷態(tài)時(shí)，感性負(fù)載電流通過U相下橋臂的二極管VD4續(xù)流。在滯后電流降為零后，U相下橋臂中的VT4開始導(dǎo)通反向電流。VD2

VD1

0VT2

VT1

-NUd/2PUd/2Ud

+Wiv

LVD4

VT4

VD3

VT3

VD5

VT5

VD6

VT6

VUiuiw

id

下頁上頁返回第七章逆變電路tidtttttt00000000uW0uU0uV0iUuUnun0uUVUd/2Ud2Ud/3Ud/6Ud/6iV、iW的波形和iU形狀相同，相位依次相差120o。將U、V、W三個(gè)橋臂的電流相加，可得直流側(cè)電流id的波形。特點(diǎn):逆變器由直流側(cè)向交流側(cè)傳送的功率是脈動的，脈動的平均值與無脈動的值大體相同。下頁上頁返回第七章逆變電路將uUV展開成傅里葉級數(shù)得：式中，n＝6k±1；k為自然數(shù)。下頁上頁返回第七章逆變電路輸出線電壓有效值UUV為：基波幅值(UUVm)1為：基波有效值UUV1為：下頁上頁返回第七章逆變電路將uUN展開成傅里葉級數(shù)得：式中，n＝6k±1；k為自然數(shù)。下頁上頁返回第七章逆變電路tidtttttt00000000uW0uU0uV0iUuUnunNuUVUd/2Ud2Ud/3Ud/6Ud/6基波幅值(UUnm)1為:負(fù)載相電壓有效值UUN為:基波有效值UUnl為：下頁上頁返回第七章逆變電路

逆變器180o導(dǎo)電方式中，為了防止同一橋臂上、下兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通而引起橋臂直通的直流側(cè)電源短路，要采取“先斷后通”的措施?？刂扑绤^(qū)時(shí)間橋臂封鎖時(shí)間橋臂封鎖時(shí)間對應(yīng)關(guān)斷的開關(guān)先發(fā)出關(guān)斷信號，待其關(guān)斷后留一定的時(shí)間余量，然后再給應(yīng)導(dǎo)通的開關(guān)發(fā)出開通信號的時(shí)間間隔。第七章逆變電路7.4逆變器的PWM調(diào)制技術(shù)

下頁上頁返回7.4.1PWM調(diào)制技術(shù)的基本思想在不改變電路結(jié)構(gòu)的前提下使輸出電壓的波形明顯得到改善。脈寬調(diào)制技術(shù)在原有方波輸出的電平中對稱地增加若干個(gè)“電壓缺口”，以模擬多重化技術(shù)中“階梯”數(shù)的變化，使之在保證基波輸出幅值的前提下，達(dá)到減少或消除部分諧波的目的。調(diào)制第七章逆變電路下頁上頁返回改變輸出電平的寬度，或改變電壓缺口的寬度，且這種缺口是由輸出的電平幅值直接跳變到零，或直接跳變到負(fù)值的調(diào)制。脈寬調(diào)制PWM調(diào)制脈寬調(diào)制PWM調(diào)制可使輸出電壓的諧波次數(shù)由較低的頻段移到較高的頻段，高頻濾波較容易實(shí)現(xiàn)，成本降低，控制更加靈活。第七章逆變電路下頁上頁返回p2p0-1.0a12p32pw1tp-a3p-a2p-a1p+a11.0基波電壓a2a3缺口7p缺口6缺口1缺口5缺口8缺口2缺口3缺口4利用半個(gè)周波內(nèi)的三個(gè)控制度，可以控制基波幅值，還可以用來消除兩個(gè)特定的諧波。方波調(diào)制方式和PWM調(diào)制方式的結(jié)合第七章逆變電路下頁上頁返回圖示的開關(guān)頻率是方波輸出方式下開關(guān)頻率的7倍。由方波計(jì)算公式可知，方波輸出對應(yīng)的基波電壓標(biāo)幺值為：p2p0-1.0a12p32pw1tp-a3p-a2p-a1p+a11.0基波電壓a2a3缺口7p缺口6缺口1缺口5缺口8缺口2缺口3缺口4第七章逆變電路下頁上頁返回為了消除5次、7次諧波，在半個(gè)基波周波中增加了四個(gè)電壓缺口，此時(shí)，輸出電壓的標(biāo)幺值變?yōu)椋簆2p0-1.0a12p32pw1tp-a3p-a2p-a1p+a11.0基波電壓a2a3缺口7p缺口6缺口1缺口5缺口8缺口2缺口3缺口4第七章逆變電路下頁上頁返回0a3a2a160402050100800604020103014.24°22.06°基波分量占最大基波值的百分比缺口寬度（角度）待定參數(shù)α1、α2、α3確定電壓缺口的寬度、起始點(diǎn)的定位，是基波輸出電壓和擬消除諧波的函數(shù)。多，極限情況就達(dá)到了正弦調(diào)制PWM的調(diào)制效果，線性段的最大基波輸出幅值則降為1（標(biāo)幺值）。只要電壓缺口越多，可消除的指定諧波也越第七章逆變電路下頁上頁返回PWM調(diào)制方法中，除了有幾個(gè)電壓缺口外，每相輸出電壓基本上都是方波，產(chǎn)生這些電壓缺口的目的是控制輸出基波幅值。缺點(diǎn)：PWM調(diào)制技術(shù)會產(chǎn)生很大的諧波分量。優(yōu)點(diǎn)：PWM調(diào)制技術(shù)電路比較簡單，所需開關(guān)數(shù)量較少。利用大規(guī)模集成電路和高速DSP微控制器，可以實(shí)現(xiàn)這種特定諧波消除的控制技術(shù)。第七章逆變電路下頁上頁返回7.4.2SPWM調(diào)制的有關(guān)概念直流–交流逆變電路中的控制信號uctr可以是恒定的或隨時(shí)間變化，該調(diào)制信號的輸出是這個(gè)調(diào)制信號與開關(guān)頻率恒定的三角波進(jìn)行比較后產(chǎn)生。SPWM通過改變占空比實(shí)現(xiàn)控制，它不僅可有效的控制平均直流輸出電壓的幅值，而且還能根據(jù)調(diào)制信號的頻率來控制逆變器的基波輸出頻率。控制信號uctr是正弦波，逆變器輸出的是幅值和頻率均可控的正弦波。SPWM調(diào)制第七章逆變電路下頁上頁返回uctr：控制信號f1:調(diào)制頻率ma

:幅值調(diào)制fs三角波utri的頻率載波頻率開關(guān)頻率(Uctrm≤Utrim)Uctr<UtriTA-:通,TA+:斷tUA000UA0_11/fs

tUctrUUtrit=0Uctr>UtriTA+:通,TA-:斷1.21.00.80.60.40.20.013mf+2mf3mf2mfmf+22mf+1h×f1次諧波ma=0.8,mf=15mf為奇數(shù)Ud/2

-Ud/2

第七章逆變電路下頁上頁返回Uctrm：:控制信號峰值Utrim：三角波信號幅值mf

：頻率調(diào)制上、下橋臂開關(guān)是否導(dǎo)通取決于uctr和utri的比較結(jié)果，與輸出電流i0的方向無關(guān)。Uctr<UtriTA-:通,TA+:斷tUA000UA0_11/fs

tUctrUUtrit=0Uctr>UtriTA+:通,TA-:斷1.21.00.80.60.40.20.013mf+2mf3mf2mfmf+22mf+1h×f1次諧波ma=0.8,mf=15mf為奇數(shù)Ud/2

-Ud/2

第七章逆變電路下頁上頁返回當(dāng)uctr>utri時(shí)，TA+閉合，TA-關(guān)斷，此時(shí)的輸出電壓為:uA0=Ud/2當(dāng)uctr<utri，TA-閉合，TA+關(guān)斷，輸出電壓為:

uA0=﹣Ud/2

Uctr<UtriTA-:通,TA+:斷tUA000UA0_11/fs

tUctrUUtrit=0Uctr>UtriTA+:通,TA-:斷1.21.00.80.60.40.20.013mf+2mf3mf2mfmf+22mf+1h×f1次諧波ma=0.8,mf=15mf為奇數(shù)Ud/2

-Ud/2

第七章逆變電路下頁上頁返回局部放大0tuA0tuctrUd/2Utrimutri-Ud/2uctr0utri

基波分量峰值(UA0m)1是ma與Ud/2的乘積(uctr≤utrim)uA0與

Ud、uctr/utri

成正比:當(dāng)ma≤1.0時(shí)1第七章逆變電路下頁上頁返回均值”。當(dāng)瞬時(shí)平均值按照一定規(guī)律變化時(shí)，輸出電壓的平均值在所考慮的開關(guān)周期內(nèi)也跟著作相應(yīng)的變化。輸出波的頻率和幅值與調(diào)制波相對應(yīng)。假設(shè)在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，uctr的變化很小，mf的值較大，則可以近似認(rèn)為uA0在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)的“瞬時(shí)平均值”不變，而在下一個(gè)開關(guān)周期可以改變?yōu)榱硪粋€(gè)“瞬時(shí)平局部放大0tuA0tuctrUd/2Utrimutri-Ud/2uctr0utri第七章逆變電路下頁上頁返回SPWM調(diào)制技術(shù)選擇正弦波為調(diào)制波，當(dāng)開關(guān)頻率很高時(shí)，對應(yīng)的輸出電壓平均值是正弦波的調(diào)制技術(shù)。正弦PWM調(diào)制技術(shù)SPWM調(diào)制技術(shù)

在SPWM調(diào)制方式下，輸出電壓波形是幅值相等、寬度變化的一系列矩形波，輸出電壓的基波分量與調(diào)制波的頻率和幅值對應(yīng)。第七章逆變電路下頁上頁返回若控制電壓為正弦波的頻率以f1=w1/2p變化，則該頻率為逆變器輸出給定頻率，或?yàn)榛l率：

uctr(t)=Uctrm

sinw1t(Uctrm≤Utrim)基頻分量（uA0)1以正弦規(guī)律變化，與uctr同相，表達(dá)式為：由此可得:ma≤1.0第七章逆變電路下頁上頁返回SPWM調(diào)制方式下，當(dāng)ma≤1.0、直流電壓Ud恒定時(shí)，輸出電壓的基波分量幅值與ma呈線性關(guān)系。逆變器輸出電壓波形并不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，而是由間隔不等、幅值相同的一系列脈沖方波組成，該系列方波可以認(rèn)為是基波分量f1與其它各次諧波分量之和。第七章逆變電路下頁上頁返回逆變器輸出電壓波形中的諧波頻率2PWM所產(chǎn)生的諧波頻率以旁瓣的形式圍繞著開關(guān)頻率及開關(guān)頻率的倍數(shù)附近。諧波幅值越靠近mf及其倍數(shù)次諧波的位置時(shí)，對應(yīng)的諧波幅值越大。當(dāng)頻率調(diào)制比mf

≤9時(shí)，諧波存在的位置與上述情況相同，但諧波幅值與mf無關(guān)。第七章逆變電路下頁上頁返回輸出電壓的諧波頻率為：

fh=h

f1=(j

mf

k)

f1

式中：h為諧波次數(shù)：h=j

mf

k，當(dāng)h=1時(shí)，表示基波分量。mf為奇整數(shù)。k和j均為整數(shù)，當(dāng)j為奇數(shù)時(shí)，k為偶數(shù)；當(dāng)j為偶數(shù)時(shí)，則k為奇數(shù)。第七章逆變電路下頁上頁返回諧波mf應(yīng)是奇整數(shù)3Uctr<UtriTA-:通,TA+:斷tUA000UA0_11/fs

tUctrUUtrit=0Uctr>UtriTA+:通,TA-:斷1.21.00.80.60.40.20.013mf+2mf3mf2mfmf+22mf+1h×f1次諧波ma=0.8,mf=15mf為奇數(shù)Ud/2

-Ud/2

mf的值為一個(gè)奇整數(shù)，輸出波形具有奇對稱，即:f(﹣t)=﹣f(t)和半波對稱f(t)=﹣f(t+T1/2)uA0的波形中只含有奇次諧波而沒有偶次諧波。第七章逆變電路下頁上頁返回PWM的諧波幅值隨ma的變化0.60.20.21.1500.0610.3350.0440.1901.2420.0161基波h0.40.4mamfmf±2mf±42mf±12mf±32mf±53mf3mf±23mf±43mf±64mf±14mf±34mf±54mf±70.1630.0120.3260.0240.1230.1390.0120.1570.0700.60.3700.0711.0060.1310.0830.2030.0470.0080.1320.0340.80.80.3140.1390.0130.8180.2200.1710.1760.1040.0160.1050.1150.0840.0171.01.00.6010.3180.0180.1810.2120.0330.1130.0620.1570.0440.0680.0090.1190.050第七章逆變電路下頁上頁返回例

已知圖中電路Ud=300V，ma=0.8,mf=39，而且基波為47Hz。試計(jì)算基波電壓的有效值，并用表7.1計(jì)算uA0中的主要諧波。解

從PWM的諧波幅值隨ma的變化表中知，當(dāng)h為一確定值時(shí),輸出電壓的有效值由下式確定:VD2

VD1

Au0

VT2

VT1

-NUd/2PRUd/2Ud

+0i0

L第七章逆變電路下頁上頁返回計(jì)算得到的基波及諧波電壓有效值分別為：(UA0)1=106.7×0.8=84.86V47HZ時(shí)(UA0)37=106.07×0.22=23.33V1739HZ時(shí)(UA0)39=106.07×0.818=86.76V1833HZ時(shí)(UA0)41=106.07×0.22=23.33V1927HZ時(shí)(UA0)77=106.07×0.314=33.31V3619HZ時(shí)(UA0)79=106.07×0.314=33.31V3713HZ時(shí)………第七章逆變電路下頁上頁返回SPWM的輸出波可以等效為基波和其它各次諧波的合成。諧波頻率越高就越容易濾波，希望頻率調(diào)制比mf越大越好。當(dāng)ma≤1.0時(shí)，mf與開關(guān)頻率成正比，mf越大，則開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷的頻率越高。希望開關(guān)速度越低越好。第七章逆變電路下頁上頁返回開關(guān)頻率一般在6kHz～20kHz之間進(jìn)行選擇。若開關(guān)頻率增加到20kHz以上時(shí)，不論采用什么樣的低功耗器件，開關(guān)損耗都會達(dá)到難于接受的程度。若開關(guān)頻率高于20kHz時(shí)，mf有可能大于100。mf的大小決定了三角波頻率和控制電壓頻率的相對關(guān)系。第七章逆變電路下頁上頁返回1小mf的情況（mf≤21）Uctr<UtriTA-:通,TA+:斷tUA000UA0_11/fs

tUctrUUtrit=0Uctr>UtriTA+:通,TA-:斷1.21.00.80.60.40.20.013mf+2mf3mf2mfmf+22mf+1h×f1次諧波ma=0.8,mf=15mf為奇數(shù)Ud/2

-Ud/2

當(dāng)mf較小時(shí)，應(yīng)采用同步PWM，保證mf始終是一個(gè)常數(shù)。第七章逆變電路下頁上頁返回當(dāng)mf值較大時(shí)，可采用異步PWM調(diào)制技術(shù)。mf不一定是奇整數(shù)，但由于此時(shí)的諧波處于較高的頻段，且諧波的幅值較小，較容易設(shè)計(jì)濾波電路。2大mf的情況（mf>21）在異步PWM調(diào)制技術(shù)中，三角波頻率保持恒定，通過改變調(diào)制頻率（或控制信號頻率）以得到異步調(diào)制的效果。mf的值一般是非整數(shù)。異步PWM調(diào)制技術(shù)載波頻率和調(diào)制頻率不是同步變化。第七章逆變電路下頁上頁返回3超調(diào)制（ma>1.0）當(dāng)SPWM在ma≤1.0的線性范圍內(nèi)工作時(shí)，其基波分量的幅值與幅值調(diào)制比ma的關(guān)系可由下式確定。缺點(diǎn):逆變器輸出的基波幅值達(dá)不到理想值。第七章逆變電路下頁上頁返回

交流輸入電壓的有效值為380V，經(jīng)電壓型整流器后得到的理想直流電壓為逆變器在線性范圍內(nèi)的最高基波交流輸出電壓的有效值僅為：這個(gè)最大交流電壓的有效值無法滿足380V交流異步電動機(jī)變頻調(diào)速的需要，這是由于在PWM調(diào)制輸出的電壓波形中含有大量電壓缺口所造成。例第七章逆變電路下頁上頁返回超調(diào)制調(diào)制波的幅值大于載波幅值。

與線性調(diào)制范圍（ma≤1.0）相比，超調(diào)制使輸出電壓頻譜在所有奇次諧波上有更大的幅值。

在超調(diào)制工作方式下基波幅值將不隨幅值調(diào)制比ma線性變化。h0.51.00ma=2.5mf=1553971112119171513272523(UA0m)h/(Ud/2)第七章逆變電路下頁上頁返回1.00mamf＝153.241.0超調(diào)區(qū)方波區(qū)線性區(qū)1.27304/p(UA0m)1/(Ud/2)當(dāng)mf=15、幅值調(diào)制比在1.0≤ma≤3.24的超調(diào)制范圍內(nèi)時(shí)，基波輸出電壓的幅值(UA0m)1/(Ud/2)與mf為非線性關(guān)系，但整體上它隨著ma的增加而增加。第七章逆變電路下頁上頁返回1.00mamf＝153.241.0超調(diào)區(qū)方波區(qū)線性區(qū)1.27304/p(UA0m)1/(Ud/2)在線性范圍內(nèi)(ma≤1.0)，(UA0m)1/(Ud/2)與ma為線性關(guān)系。在線性調(diào)制區(qū)，基波輸出電壓的幅值與ma是線性變化關(guān)系，但與mf基本上無關(guān)。第七章逆變電路下頁上頁返回當(dāng)ma足夠大時(shí)h0.51.00ma=2.5mf=1553971112119171513272523(UA0m)h/(Ud/2)當(dāng)ma的值足夠大時(shí)，基波輸出電壓的幅值基本保持不變。于載波幅值時(shí)，輸出電壓的波形已由一系列等幅、不等寬的脈沖波變成了矩形波，此時(shí)的基波輸出電壓幅值已達(dá)到方波輸出電壓所對應(yīng)的基波分量的最大值(4/p)

(Ud/2)。當(dāng)調(diào)制波幅值遠(yuǎn)大第七章逆變電路下頁上頁返回7.4.3方波輸出模式方波當(dāng)ma足夠大時(shí)，調(diào)制波（控制波uctr）與載波（三角波）只是在調(diào)制波為0的附近相交，其它位置均沒有相交點(diǎn)的輸出波形。

方波調(diào)制是SPWM調(diào)制的一個(gè)特例。第七章逆變電路下頁上頁返回方波模式的優(yōu)點(diǎn):逆變開關(guān)的狀態(tài)在每周期內(nèi)切換兩次。開關(guān)速度較慢。方波模式的缺點(diǎn):逆變器不能調(diào)整輸出電壓的幅值。第七章逆變電路下頁上頁返回7.5單相SPWM逆變器7.5.1單相單橋臂逆變器Udid0NPAC-C+VD+VD-VT+VT-i0+-+-+-u0+-Ud/2Ud/2單相單橋臂逆變器的輸出電壓是A點(diǎn)相對于參考點(diǎn)“0”點(diǎn)的電位，即:u0=uA0

第七章逆變電路下頁上頁返回Uctr<UtriTA-:通,TA+:斷tUA000UA0_11/fs

tUctrUUtrit=0Uctr>UtriTA+:通,TA-:斷1.21.00.80.60.40.20.013mf+2mf3mf2mfmf+22mf+1h×f1次諧波ma=0.8,mf=15mf為奇數(shù)Ud/2

-Ud/2

假設(shè)采用SPWM調(diào)制，此時(shí)的輸出電壓波形與右圖相同。第七章逆變電路下頁上頁返回Udid0NPAC-C+VD+VD-VT+VT-i0+-+-+-u0+-Ud/2Ud/2不考慮開關(guān)狀態(tài)，電容器C+和C-平均分配電流。當(dāng)VT+處于通態(tài)時(shí)，VT+和VD+均可導(dǎo)通電流。當(dāng)VT-處于通態(tài)時(shí)，i0的方向決定VT-或VD-導(dǎo)通。輸出電流在C+和C-之間切換，平均分擔(dān)負(fù)載電流。第七章逆變電路下頁上頁返回7.5.2單相全橋逆變器Ud

id0NPBi0u0=uA0-uB0AUd/2+-Ud/2+-+-+-在直流輸入電壓相等時(shí)，全橋逆變器的輸出電壓是單橋臂逆變器輸出電壓的兩倍。若輸出相同功率的話，全橋逆變器的輸出的電流和開關(guān)器件的電流是單橋臂逆變器的一半。第七章逆變電路下頁上頁返回若兩者的輸出電流相同，全橋逆變器的輸出功率為單橋臂逆變器輸出功率的兩倍。在需要大功率傳輸?shù)那闆r下，全橋逆變器所需并聯(lián)裝置較少。全橋逆變器的優(yōu)點(diǎn):Ud

id0NPBi0u0=uA0-uB0AUd/2+-Ud/2+-+-+-第七章逆變電路下頁上頁返回7.5.2.1雙極性SPWMUd

id0NPBi0u0=uA0-uB0AUd/2+-Ud/2+-+-+-在SPWM調(diào)制模式下，橋臂A的輸出電壓波形與基本單橋臂逆變器的輸出波形相同。根據(jù)圖中所示的uctr和utri的比較結(jié)果決定導(dǎo)通狀態(tài)。u0t00u011/fstuctruutriUd/2-Ud/2第七章逆變電路下頁上頁返回u0t00u011/fstuctruutriUd-Ud因此橋臂B的輸出與橋臂A的輸出相反:當(dāng)VTA+導(dǎo)通時(shí)，

uA0=Ud/2VTB－也導(dǎo)通，

uB0=–Ud/2

第七章逆變電路下頁上頁返回得到：U01m=ma

Ud(ma

1.0)

Ud<U01m<4Ud/p(ma>1.0)全橋逆變器的輸出電壓的基波峰值U01m可根據(jù)等式第七章逆變電路下頁上頁返回例

如圖所示的全橋逆變器，已知Ud=300V，ma=0.8，mf=39，基波為47Hz。若逆變器采用雙極性SPWM調(diào)制模式，試計(jì)算輸出電壓u0的基波電壓有效值和主要諧波的諧波分量幅值。Ud

id0NPBi0u0=uA0-uB0AUd/2+-Ud/2+-+-+-第七章逆變電路下頁上頁返回解

由等式fh=h

f1=(j

mf

k).f1

可知，u0中的諧波可由表7.1和例7.1中的諧波乘以2得到，因此，根據(jù)等式得到任意諧波h的均方根電壓的表達(dá)式為：第七章逆變電路下頁上頁返回計(jì)算得到的基波和各次諧波電壓值分別為：U01=212.13×0.8=169.7V47HZ時(shí)(U01)37=212.13×0.22=46.67V1739HZ時(shí)(U01)39=212.13×0.818=173.25V1833HZ時(shí)(U01)41=212.13×0.22=46.67V1927HZ時(shí)(U01)77=212.13×0.314=66.60V3619HZ時(shí)(U01)79=212.13×0.314=66.60V3713HZ時(shí)……第七章逆變電路下頁上頁返回e0id濾波器LLCf1Cf2i0Lf1Lf2SPWM逆變器濾波器等效負(fù)荷fs→∞Lf1,Cf1→0fs→∞Lf2,Cf2→0fs+Ud-+-+u0-假設(shè)直流側(cè)和交流側(cè)的兩個(gè)LC高頻濾波器是理想濾波器，沒有任何損耗，并將所有的諧波完全濾除。同時(shí)假設(shè)逆變器的開關(guān)頻率很高，接近無窮大。交流和直流側(cè)濾波器中L和C的值都接近0。第七章逆變電路下頁上頁返回e0id濾波器LLCf1Cf2i0Lf1Lf2SPWM逆變器濾波器等效負(fù)荷fs→∞Lf1,Cf1→0fs→∞Lf2,Cf2→0fs+Ud-+-+u0-有了前面的假設(shè)，可認(rèn)為圖中的u0是理想的正弦波。若基波頻率為f1，，則輸出電壓表達(dá)式為：第七章逆變電路下頁上頁返回e0id濾波器LLCf1Cf2i0Lf1Lf2SPWM逆變器濾波器等效負(fù)荷fs→∞Lf1,Cf1→0fs→∞Lf2,Cf2→0fs+Ud-+-+u0-e0是頻率為f1的正弦波，輸出電流也是正弦波，負(fù)載電流滯后u0一個(gè)角度。輸出電流為：式中，j為i0(t)滯后u0(t)的功率因數(shù)角。第七章逆變電路下頁上頁返回7.5.2.2單極性SPWM

橋臂A通過utri與uctr比較產(chǎn)生控制邏輯。橋臂B通過utri與-uctr比較產(chǎn)生控制邏輯。Utritu0Uctr-UctrUANTB+通TA-斷-Uctr>Utri000tttUdUBNUdUdU011.00.80.60.40.20.01mf3mf2mf(UA)h/Udh次諧波2mf-12mf+1u0=uAN-uBN4mf-UdUctr>Utri第七章逆變電路下頁上頁返回

uctr和三角波比較產(chǎn)生以下邏輯信號后再控制橋臂A：uctr﹥utri

:VTA+閉合，uAN=Ud

uctr﹤utri:

VTA-閉合,uAN=0

Utritu0Uctr-UctrUANTB+通TA-斷-Uctr>Utri000tttUdUBNUdUdU011.00.80.60.40.20.01mf3mf2mf(UA)h/Udh次諧波2mf-12mf+1u0=uAN-uBN4mf-UdUctr>Utri第七章逆變電路下頁上頁返回(-uctr)﹥utri

:VTB+閉合，uBN=Ud

(-uctr)﹤utri:

VTB-閉合,uBN=0

-uctr和相同的三角波的比較產(chǎn)生邏輯信號再控制橋臂B：Utritu0Uctr-UctrUANTB+通TA-斷-Uctr>Utri000tttUdUBNUdUdU011.00.80.60.40.20.01mf3mf2mf(UA)h/Udh次諧波2mf-12mf+1u0=uAN-uBN4mf-UdUctr>Utri第七章逆變電路下頁上頁返回

單極性全橋逆變器工作時(shí)4種開關(guān)組合：VTA+，VTB-閉合：

uAN=Ud,uBN=0,u0=UdVTA－，VTB+閉合：

uAN=0uBN=Udu0=-UdUtritu0Uctr-UctrUANTB+通TA-斷-Uctr>Utri000tttUdUBNUdUdU011.00.80.60.40.20.01mf3mf2mf(UA)h/Udh次諧波2mf-12mf+1u0=uAN-uBN4mf-UdUctr>Utri第七章逆變電路下頁上頁返回Utritu0Uctr-UctrUANTB+通TA-斷-Uctr>Utri000tttUdUBNUdUdU011.00.80.60.40.20.01mf3mf2mf(UA)h/Udh次諧波2mf-12mf+1u0=uAN-uBN4mf-UdUctr>UtriVTA+，VTB+閉合：

uAN=UduBN=Udu0=0VTA－，VTB-閉合：

uAN=0uBN=0u0=0