1、电力电子学电课无源逆变优选电力电子学电课无源逆变第六章第六章 无源逆变电路无源逆变电路6.1 概概 述述 无源逆变无源逆变直流直流 交流（向负载直接供电）交流（向负载直接供电）无源逆变电路简称逆变电路无源逆变电路简称逆变电路 通常由全控器件构成通常由全控器件构成 逆变与变频逆变与变频逆变电路经常与变频的概念联系在一起逆变电路经常与变频的概念联系在一起变频电路：变频电路：分为交交变频和交直交变频两种，后者由交直分为交交变频和交直交变频两种，后者由交直变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变变换和直交变换两部分组成，后一部分就是逆变 无源逆变技术的应用无源逆变技术的应用逆变电路逆变电路交流负载供
2、电交流负载供电直流电源给交流负载供电直流电源给交流负载供电交流电源：交流电源：列车照明、感应加热电源、电解电镀电列车照明、感应加热电源、电解电镀电源、不停电电源（源、不停电电源（UPS）、高频焊机、高频）、高频焊机、高频电子镇流器和航空电源等电子镇流器和航空电源等 交流调速系统：交流调速系统：铁道牵引、大型工矿机铁道牵引、大型工矿机车、城市有轨交通（地铁车、城市有轨交通（地铁和轻轨车）、重型电传动和轻轨车）、重型电传动汽车和矿井提升设备等汽车和矿井提升设备等RO1 Brake Control+24VBrake Resistor逆变器的基本类型逆变器的基本类型 按电路结构分类按电路结构分类桥式桥
3、式零式零式 按输出相数分类按输出相数分类单相单相多相多相 按器件分类按器件分类半控型半控型全控型全控型 按调制方法分类按调制方法分类PWMPAM方波、阶梯波方波、阶梯波 按导通的角度分类按导通的角度分类180 120 按强迫换流的特点按强迫换流的特点谐振型谐振型并联电容型等并联电容型等 按直流侧电源的性质分类（常用此分类）按直流侧电源的性质分类（常用此分类）电压型逆变器电压型逆变器 电流型逆变器电流型逆变器直流侧电源为直流侧电源为准恒压源准恒压源直流侧电源为直流侧电源为准恒流源准恒流源6.2 无源逆变电路原理无源逆变电路原理一、一、单相半桥逆变电路单相半桥逆变电路1、电路结构、电路结构2、工作
4、原理、工作原理/波形分析波形分析T1导通、导通、T2截止：截止：Uan=Ud/2T1截止、截止、T2导通：导通：Uan=-Ud/2结结 论论 T1、T2轮流导通，使直流变为交流轮流导通，使直流变为交流 改变改变T1、T2的切换频率，便可改变的切换频率，便可改变输出交流的频率，即变频输出交流的频率，即变频 与输出电压同方向的电流流过开关与输出电压同方向的电流流过开关管管T，与输出电压反方向的电流流过，与输出电压反方向的电流流过二极二极D，因此在电压型逆变器中二极，因此在电压型逆变器中二极D是必须的，它提供了反向电流通路，是必须的，它提供了反向电流通路，故称为反馈二极管。同时故称为反馈二极管。同时
5、D又起着使又起着使负载电流连续的作用，因此又称为续负载电流连续的作用，因此又称为续流二极管流二极管 T1、T2不能同时导通，否则将出不能同时导通，否则将出现直流电源短路现直流电源短路贯穿短路。因贯穿短路。因此电压型逆变器同一桥臂上、下管此电压型逆变器同一桥臂上、下管的控制必须遵循的控制必须遵循“先断后开先断后开”原则原则3、基本关系、基本关系输出电压有效值输出电压有效值输出电压表达式输出电压表达式基波电压有效值基波电压有效值电感负载电流峰值电感负载电流峰值 R-L负载电流基波分量负载电流基波分量5,3,1sin2ndantnnUuddUUU45.0221)sin()(2)(12211tLRUt
6、ioLfUdom08/I2422/12/02dTodoanUdtUTU二、单相全桥逆变电路二、单相全桥逆变电路1、电路结构、电路结构2、工作原理、波形分析、工作原理、波形分析T1、T4导通，导通，T2、T3截止：截止：Uan=Ud T1、T4截止，截止，T2、T3导通：导通：Uan=-Ud 3、基本关系、基本关系输出电压表达式输出电压表达式基波电压有效值基波电压有效值电感负载电流峰值电感负载电流峰值 R-L负载电流负载电流 其中其中5,3,1sin4)(nDabtnnUtuDDUUU9.0241LfUDom04/I5,3,11)sin(nnnmotnnZUi22)(LnRZnRLnnarcta
7、n四、两种单相逆变电路比较四、两种单相逆变电路比较1、单相全桥逆变电路、单相全桥逆变电路在单相逆变电路中，全桥逆变电路应用最多在单相逆变电路中，全桥逆变电路应用最多2、单相半桥逆变电路、单相半桥逆变电路结构简单，所用器件比全桥电路少一半。结构简单，所用器件比全桥电路少一半。但输但输出交流电压幅值低，且直流侧需要两个电容串出交流电压幅值低，且直流侧需要两个电容串联，工作时需要控制两个电容器电压的均衡联，工作时需要控制两个电容器电压的均衡常用于几常用于几KW以下的小功率逆变电源等场合以下的小功率逆变电源等场合Uan=Ud（2）器件的导通时间ton、关断时间toff对M的限制（最小脉宽与最小间歇的限
8、制）：Uan=Ud不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周常用于几KW以下的小功率逆变电源等场合四、同步调制与异步调制2、对脉宽调制的制约条件如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波？异步调制和、同步调制和分段同步调制Uan=-Ud电压型逆变器与电流型逆变器特点比较：2、无源逆变电路的分类R-L负载电流基波分量电路对功率器件关断时间（即电流滞环跟踪控制的原理 三相逆变器一般采用双极性调制，三相调制信号ura、urb和urc的相位依次相差120，三相公用一个三角波载波uc，一般取N为奇数且为3的整倍数3 三相逆变器工作原理铁道牵引、大型工矿机车、城市有轨交通（地铁和轻轨车）、重
9、型电传动汽车和矿井提升设备等（b）A相电流波形ia逆变电路经常与变频的概念联系在一起6.3 三相逆变器工作原理三相逆变器工作原理一、一、三相电压型逆变器工作原理三相电压型逆变器工作原理 负载连接方式负载连接方式 型连接型连接 Y型连接型连接l 电路结构电路结构 根据各管导通根据各管导通时间分：时间分：180 导电型导电型 120 导电型导电型电压型三相桥式逆变器原理图电压型三相桥式逆变器原理图1、功率器件的控制规律、功率器件的控制规律 导通顺序导通顺序 六个阶段，依次相差六个阶段，依次相差60 任何时刻有三个开关管同任何时刻有三个开关管同时导通时导通 各管导通各管导通180 OUG1 tOUG
10、2 tOUG3 tOUG4 tOUG5 tOUG6 tT12T2T3T4T5T6 2、各阶段等值电路及电压值、各阶段等值电路及电压值3、电压波形、电压波形相电压波形（六阶梯波）相电压波形（六阶梯波）线电压波形（矩形波）线电压波形（矩形波）电压型逆变器：电压型逆变器：输出电压波形与负载性质（负载阻抗角）无关输出电压波形与负载性质（负载阻抗角）无关4、感性负载电流、感性负载电流负载电流阻抗角小于负载电流阻抗角小于60 （a）A相电压波形相电压波形U Uanan（b b）A A相电流波形相电流波形i ia a（c c）T T1 1的电流波形的电流波形i iT1T1（d d）D D4 4的电流波形的电
11、流波形i iD4D4（e e）直流输入电流）直流输入电流i id d负载电流阻抗角大于负载电流阻抗角大于60 电压型逆变器：电压型逆变器：输出电流波形与负载性质（负载阻抗角）有关输出电流波形与负载性质（负载阻抗角）有关 直流侧电流是脉动电流直流侧电流是脉动电流5、电压表达式、电压表达式相电压表达式相电压表达式线电压表达式线电压表达式.)11sin1117sin715sin51(sin2ttttUudan.)11sin1117sin715sin51(sin32ttttUudab方波控制时：方波控制时：输出电压中含有大量的谐波分量，特别是输出电压中含有大量的谐波分量，特别是5、7、11、13次等谐
12、波次等谐波相电压有效值相电压有效值线电压有效值线电压有效值dddanUUUU471.033223342122ddabUUU816.0)3(242方波控制时：方波控制时：交流输出电压与直流侧电压的关系固定，即方波交流输出电压与直流侧电压的关系固定，即方波 输出电压型逆变器本身不能调节输出电压。若想输出电压型逆变器本身不能调节输出电压。若想 调节逆变器输出电压，只有通过调节直流侧电压，调节逆变器输出电压，只有通过调节直流侧电压，即通过即通过PAM控制方式实现控制方式实现120 导通型三相逆变器的输出波形导通型三相逆变器的输出波形 相电压波形相电压波形 线电压波形线电压波形180 导通方式和导通方式
13、和 120 导通方式的比较：导通方式的比较：120 方式上下两管间有方式上下两管间有60 的间隙，对换流的间隙，对换流有利，但是管子的利用率低，且若采用星形接法，有利，但是管子的利用率低，且若采用星形接法，则始终有一相断开，在换流时会引起较高的感应则始终有一相断开，在换流时会引起较高的感应势，而势，而180 方式无论在三角形还是星形接法时，方式无论在三角形还是星形接法时，正常工作都不会产生过电压，故正常工作都不会产生过电压，故180 方式应用较方式应用较为普遍为普遍感性负载情况感性负载情况 负载电流滞后角小于负载电流滞后角小于60 （a）A相电压波形相电压波形（b）A相电流波形相电流波形（c）
14、T1的电流波形的电流波形（d）D4的电流波形的电流波形（e）直流输入电流）直流输入电流感性负载下逆变器中可能有三种电流：、SPWM控制的目的、基本原理 输出电流与负载性质无关（）下图为规则采样的两种方法 输出电压与负载性质无关（）异步调制和、同步调制和分段同步调制 画出无源逆变器工作在180导通方式下，输出电压uAB的波形图；负载电感L越大，fc越小优选电力电子学电课无源逆变与两电平逆变电路相比，三电平逆变电路有什么优缺点？直流侧电流是脉动电流2、基本原理（说明SPWM波与正弦波如何等效问题）通常由全控器件构成6-4 IGBT三相电压型无源逆变电路，负载型联接，工作在180导点方式下，带电阻电
15、感负载，画出完整的主电路图，以及在负载阻抗角60两种情况下的输出电压uan、uao、uab、输出电流 ia、开关电流iT1、iD4直流侧电流 id 的波形（注：n为负载中点，o为直流电源中点）。期的脉冲也不对称波形对称性差3、分段同步调制：异步调制和同步调制的综合应用 桥臂必须是“逆阻型”桥臂结构简单，所用器件比全桥电路少一半。根据输出电压波形的极性可分为单极性（或不对称）若想调节逆变器输出电流，则只负载电流滞后角负载电流滞后角大于大于60 感性负载下逆变器中可能有三种电流：感性负载下逆变器中可能有三种电流：功率电流功率电流 它通过两个或三个逆变管，将能量从直流它通过两个或三个逆变管，将能量从
16、直流电源送到负载电源送到负载环路电流环路电流 它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反它在逆变器内部经过一个逆变管和一个反馈二极管，形成环流，但此环流不经过电源馈二极管，形成环流，但此环流不经过电源反馈电流反馈电流 它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈它通过两个反馈二极管将负载的能量反馈到直流电源中去到直流电源中去（三）电压型逆变器有功功率的反馈（三）电压型逆变器有功功率的反馈 电动机负载工作在发电机状态时，其发出的电电动机负载工作在发电机状态时，其发出的电能通过逆变器电路中的反馈二极管能通过逆变器电路中的反馈二极管D1D6回馈回馈到直流侧，使直流侧电压到直流侧，使直流侧电压Ud升高升高 为限制为
17、限制Ud，必需将回馈的电能消耗掉或回馈到，必需将回馈的电能消耗掉或回馈到电网，具体方案有：电网，具体方案有：通过制动单元消耗掉通过制动单元消耗掉通过有源逆变桥回馈到电网（见再生方案通过有源逆变桥回馈到电网（见再生方案1）通过脉冲整流器回馈到电网（见再生方案通过脉冲整流器回馈到电网（见再生方案2）再生方案再生方案1 系统可四象限运行系统可四象限运行 功率因数低功率因数低 谐波电流大谐波电流大 主电路复杂主电路复杂通过有源逆变器将再生能量反馈给电网通过有源逆变器将再生能量反馈给电网逆变器逆变器/电机系统的再生方案一电机系统的再生方案一 再生方案再生方案2 系统可四象限运行系统可四象限运行 功率因数
18、高（接近于功率因数高（接近于1）谐波电流小谐波电流小 控制较复杂控制较复杂通过脉冲变流器将再生能量反馈给电网通过脉冲变流器将再生能量反馈给电网逆变器逆变器/电机系统的再生方案二电机系统的再生方案二二、三相电流型逆变器工作原理二、三相电流型逆变器工作原理1、电路结构：、电路结构：电流型逆变器：电流型逆变器：感性负载时，输出侧要接电容以吸收换流时负载电感中存的能量感性负载时，输出侧要接电容以吸收换流时负载电感中存的能量 桥臂必须是桥臂必须是“逆阻型逆阻型”桥臂桥臂另外一种电路形式另外一种电路形式优点：优点：由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型逆变器小得多
19、逆变器小得多 电路对晶闸管关断时间（即晶闸管的快速性）电路对晶闸管关断时间（即晶闸管的快速性）的要求比电压型逆变器的要求低，电路相对电的要求比电压型逆变器的要求低，电路相对电压型也比较简单，造价略低压型也比较简单，造价略低2、工作原理及主要波形（以、工作原理及主要波形（以1200导电方式为例）导电方式为例）功率器件的控制规律功率器件的控制规律OUG1T1OG2OG3OG4OG5T1T2T3T4T5OG6T6T62 22T2T3T42T52T62UUUUU线线电流波形电流波形负载负载型连型连接时的相接时的相电流波形电流波形电流型逆变器电流型逆变器 输出电流波形与负载性质（负载阻抗角）无关输出电流
20、波形与负载性质（负载阻抗角）无关电流型三相逆变电路电流型三相逆变电路 1200导电的相电流、线电流波形导电的相电流、线电流波形延迟时间的长短主要由管子的关断时间决定。2、基本原理（说明SPWM波与正弦波如何等效问题）与两电平逆变电路相比，三电平逆变电路有什么优缺点？使脉冲列电压的作用效果尽量接近正弦波电压的作用效果负载电流滞后角大于60 4、SPWM技术运用于电压型逆变器中，当改变 可改变逆变器输出电压幅值；T1、T2不能同时导通，否则将出现直流电源短路贯穿短路。同一桥臂上的两个管子处于互补工作状态无源逆变电路简称逆变电路通过脉冲变流器将再生能量反馈给电网 SPWM波形生成方式；参考电流i*变
21、化率越大，fc越小在双极性PWM控制方式中，同一桥臂的两个管子是互补工作的。期的脉冲也不对称波形对称性差通过有源逆变桥回馈到电网（见再生方案1）一般用等腰三角形波作为载波通过有源逆变器将再生能量反馈给电网电流型三相逆变电路 1200导电的相电流、线电流波形1、目标函数正弦电压输出量中含有大量的5、7、11、13次谐波 负载负载 型连接时：型连接时：.)11sin1117sin715sin51(sin2ttttIidAB方波控制时：方波控制时：输出电流中含大量谐波分量，特别是输出电流中含大量谐波分量，特别是5、7、11、13次等谐波次等谐波 交流输出电流与直流侧电流的关系固定，即方波输出电流型逆
22、交流输出电流与直流侧电流的关系固定，即方波输出电流型逆 变器本身不能调节输出电流。若想调节逆变器输出电流，则只变器本身不能调节输出电流。若想调节逆变器输出电流，则只 有通过调节直流侧电流，即通过有通过调节直流侧电流，即通过PAM控制方式实现控制方式实现线电流线电流表达式表达式相电流相电流表达式表达式.)11sin1117sin715sin51(sin32ttttIissssdA理想情况下，相电流中：理想情况下，相电流中：基波电流的幅值为基波电流的幅值为基波电流有效值为基波电流有效值为相电流的有效值为相电流的有效值为ddAmIII1.132)1(ddAIII78.06)1(ddAIII816.0
23、432123、电流型逆变器有功功率的反馈、电流型逆变器有功功率的反馈：再生方案再生方案1将交流电源端的相控整流器控制角后移到将交流电源端的相控整流器控制角后移到90，使整流器成为有源逆变器，工作在再生状态使整流器成为有源逆变器，工作在再生状态 再生方案再生方案2通过脉冲变流器将再生能量反馈给电网通过脉冲变流器将再生能量反馈给电网4、特点：、特点：由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型 逆变器小得多。电路对功率器件关断时间（即逆变器小得多。电路对功率器件关断时间（即 功率器件快速性）的要求比电压型逆变器的要功率器件快速性）的要求比电压型逆变器的要 求低求
24、低 不需要增设反并联的再生变流装置不需要增设反并联的再生变流装置 电感重量、体积都很大电感重量、体积都很大，实际使用不如电压，实际使用不如电压型逆变器广泛型逆变器广泛 小小 结结电压型逆变器与电流型逆变器特点比较：电压型逆变器与电流型逆变器特点比较：直流侧电路直流侧电路桥臂桥臂桥臂控制桥臂控制交流输出电路交流输出电路交流输出电压、电流与负载性质是否有关交流输出电压、电流与负载性质是否有关有功功率反馈有功功率反馈6.4 PWM技术技术 方波控制逆变器的问题方波控制逆变器的问题本身不能调节输出量本身不能调节输出量幅值幅值输出量中含有大量的输出量中含有大量的5、7、11、13次谐波次谐波 解决方法解
25、决方法采用采用PWM控制技术控制技术 本课程主要讨论电压型本课程主要讨论电压型PWM逆变器控制方法逆变器控制方法PWMPWM控制的控制的理论基础理论基础冲量等效原理冲量等效原理理论基础 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有 惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积冲量指窄脉冲的面积指环节的输出响应波形基本相同指环节的输出响应波形基本相同方波窄脉冲方波窄脉冲三角波窄脉冲三角波窄脉冲正弦半波窄脉冲正弦半波窄脉冲单位冲击函数单位冲击函数形状不同而冲量相同的各种窄脉冲：形状不同而冲量相同的各种窄脉冲：一、正弦脉宽调制（一、正弦脉宽调制（SPWM）原理）原理1、目标函数、目标函数正弦电压正弦电压
26、使脉冲列电压的作用效果尽量接近正弦波电压的作用效果使脉冲列电压的作用效果尽量接近正弦波电压的作用效果2、基本原理、基本原理 根据冲量等效（面积等效）原理，用一组根据冲量等效（面积等效）原理，用一组幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲列来幅值相等、宽度按正弦规律变化的脉冲列来代替正弦波代替正弦波 按同一比例改变各脉冲的宽度即可改变等按同一比例改变各脉冲的宽度即可改变等效正弦波的幅值效正弦波的幅值Ou t 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Ou tOu t1、定义载波频率fc与调制波频率fr之比为载波比N，定义调制波与载波的幅值之比为调制比M
27、SPWM脉冲的一般表达式：2、无源逆变电路的分类 输出电压中含有大量的谐波分量，特别是5、7、11、它通过两个或三个逆变管，将能量从直流电源送到负载 输出电流中含大量谐波分量，特别是5、7、11、13次等谐波6、SPWM电压型逆变器采用同步调制，其特点有：3 三相逆变器工作原理按同一比例改变各脉冲的宽度即可改变等效正弦波的幅值通过有源逆变桥回馈到电网（见再生方案1）T1、T2不能同时导通，否则将出现直流电源短路贯穿短路。2、工作原理及主要波形（以1200导电方式为例）期的脉冲也不对称波形对称性差1、目标函数正弦电压当ura 如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波？如何用一系列等幅不等宽
28、的脉冲来代替一个正弦半波？SPWMSPWM波波若要改变等效输出正弦若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可变各脉冲宽度即可Ou tOu tOu t3、SPWM的控制方法的控制方法（说明（说明SPWM波实现方法问题）波实现方法问题）离线计算法：根据输出正弦波的频率、幅值和离线计算法：根据输出正弦波的频率、幅值和半个周期内的脉冲数计算半个周期内的脉冲数计算PWM波各脉冲的宽波各脉冲的宽度和间隔度和间隔 缺点：计算量大，繁琐缺点：计算量大，繁琐调制法：将目标函数（波形）作为调制信号，通调制法：将目标函数（波形）作为调制信号，通过对载波的调制得到过对载波的调制得到P
29、WM波形波形 一般用等腰三角形波作为载波一般用等腰三角形波作为载波 根据输出电压波形的极性可分为单极性（或不对称）根据输出电压波形的极性可分为单极性（或不对称）调制和双极性（或对称）调制调制和双极性（或对称）调制 正半周：正半周：T1导通，导通，T4交替通断（当交替通断（当uruc时导通、时导通、uruc时时导通、导通、uruc时：时：T1、T4导通，导通，T2、T3截止，截止，uo=UDuruc时，时，上桥臂上桥臂T1导通，下桥臂导通，下桥臂T4关关断，断，uao=Ud/2；当；当ura90，指环节的输出响应波形基本相同将实际电流i与参考电流i*比较三、对脉宽调制的制约条件三、对脉宽调制的制
30、约条件 1 1、定义载波频率、定义载波频率f fc c与调制波频率与调制波频率f fr r之比为载波比之比为载波比N N，定义调制波与载波的幅值之比为调制比定义调制波与载波的幅值之比为调制比MrcffN cmrmUUM 2、对脉宽调制的制约条件、对脉宽调制的制约条件（1）器件开关频率对）器件开关频率对N N的限制：为了使逆变器的的限制：为了使逆变器的输出波形尽量接近正弦波，应尽可能增大输出波形尽量接近正弦波，应尽可能增大N N，但但N N必须满足下列条件必须满足下列条件号频率频段内最高正弦调制信关频率功率开关器件的允许开N（2）器件的导通时间）器件的导通时间ton、关断时间、关断时间toff对
31、对M的限制的限制（最小脉宽与最小间歇的限制）：（最小脉宽与最小间歇的限制）：为保证主电路开关器件的安全工作，必须使调为保证主电路开关器件的安全工作，必须使调制成的脉冲波有个最小脉宽与最小间歇的限制，制成的脉冲波有个最小脉宽与最小间歇的限制，以保证最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间以保证最小脉冲宽度大于开关器件的导通时间ton，而最小脉冲间歇大于器件的关断时间，而最小脉冲间歇大于器件的关断时间toff 因此对因此对M有限制有限制，M在在01之间，之间，实际上小于实际上小于1 1 四、同步调制与异步调制四、同步调制与异步调制 根据调频过程载波比的变化情况，根据调频过程载波比的变化情况，PWMPWM
32、调制方式可分为调制方式可分为 异步调制和、同步调制和异步调制和、同步调制和分段同步调制分段同步调制1、异步调制、异步调制：载波信号和调制信号不同步的调制方式，：载波信号和调制信号不同步的调制方式，通常通常保持保持f fc c固定不变，当固定不变，当f fr r变化时，载波比变化时，载波比N N是变化的是变化的特点：特点：在信号波的半周期内，在信号波的半周期内，PWMPWM波的脉冲个数不固定，相位也波的脉冲个数不固定，相位也 不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/41/4周周 期的脉冲也不对称期的脉冲也不对称波形对称性差波形对称性差当当f f
33、r r较低时，较低时，N N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小称产生的不利影响都较小低频特性相对较好低频特性相对较好当当f fr r增高时，增高时，N N减小，一周期内的脉冲数减少，减小，一周期内的脉冲数减少，PWMPWM脉脉冲不对称的影响变大冲不对称的影响变大高频特性相对较差高频特性相对较差2、同步调制：、同步调制：载波载波信号和调制信号保信号和调制信号保持同步的调制方式，持同步的调制方式，当变频时使载波与当变频时使载波与信号波保持同步，信号波保持同步，即即N N等于常数等于常数图6-10ucurUurVurWuuUNuVNOttttO
34、OOuWN2Ud2Ud 同步调制三相同步调制三相PWM波形波形要求：三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称特点：高频特性特点：高频特性好；低频特性差好；低频特性差分段同步调制方式举例分段同步调制方式举例 00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr/Hzfc/kHz3、分段、分段同步调制：同步调制：异步调制异步调制和同步调和同步调制的综合制的综合应用应用讨论：把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高
35、的N，使载波频率不致过低为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换 的方法结论：同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容 易实现可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近五、五、SPWM波形生成方式波形生成方式（一）模拟控制（一）模拟控制 生成方式生成方式 特点：实时性好，但控制电路复杂，可靠性差特点：实时性好，但控制电路复杂，可靠性差（二）（二）SPWM的数字控制生成方式的数字控制生成方式 数字控制生成方式（包括用微机实时计算生成或数字控制生成方式（包括用微机实时计算生成或用专用芯片生成）用专用芯片生成）目前最常用的生成方
36、式目前最常用的生成方式 特点：控制电路简单、可靠特点：控制电路简单、可靠用微机实时计算生成用微机实时计算生成SPWM控制信号时，关键控制信号时，关键问题是如何快速、准确地计算出脉冲宽度。这问题是如何快速、准确地计算出脉冲宽度。这主要取决于脉冲宽度计算方法和微机的计算速度主要取决于脉冲宽度计算方法和微机的计算速度专用芯片生成：控制电路简单、可靠且实时性好专用芯片生成：控制电路简单、可靠且实时性好脉冲宽度经典计算方法介绍脉冲宽度经典计算方法介绍1、基本概念、基本概念自然采样法自然采样法：按照正：按照正弦调制波与三角载弦调制波与三角载波的自然交点，采波的自然交点，采集脉冲前、后沿时集脉冲前、后沿时刻
37、，生成刻，生成SPWM波波形，叫做自然采样形，叫做自然采样法法（Natural Sampling）规则采样法：按照某种规则采集脉冲前、后沿时刻，规则采样法：按照某种规则采集脉冲前、后沿时刻，生成生成SPWM波形，叫做规则采样法（波形，叫做规则采样法（Regular Sampling）。下图为规则采样的两种方法）。下图为规则采样的两种方法2、自然采样法脉宽计算自然采样法脉宽计算ActMTt1sin22121 超越方程，求解困难，虽能确切反映正弦脉宽调制的原始方法，超越方程，求解困难，虽能确切反映正弦脉宽调制的原始方法，却不适于微机实时控制却不适于微机实时控制BctMTt1sin22123BAct
38、tMTt112sinsin2123、规则采样法、规则采样法II脉宽计算脉宽计算ectMTt12sin1223121tTttc 规则采样法的实质是用阶梯规则采样法的实质是用阶梯波来代替正弦波，从而简化了波来代替正弦波，从而简化了算法，适合微机实时控制算法，适合微机实时控制 课课 堂堂 思思 考考 1、获得、获得SPWM波形的基本方法有：硬件生成法、波形的基本方法有：硬件生成法、和和 。2、采用、采用SPWM控制的电压型逆变电路中，载波频率越高，则输出电压中控制的电压型逆变电路中，载波频率越高，则输出电压中的谐波频率越的谐波频率越 。3、SPWM控制的逆变电路，输出控制的逆变电路，输出SPWM波半
39、周期包含波半周期包含25个脉冲波，设逆个脉冲波，设逆变器输出电压基波频率为变器输出电压基波频率为200Hz，则电路中开关管的工作频率为，则电路中开关管的工作频率为 。4、SPWM技术运用于电压型逆变器中，当改变技术运用于电压型逆变器中，当改变 可改变逆变器输出电可改变逆变器输出电压幅值；当改变压幅值；当改变 可改变逆变器输出电压频率；当改变可改变逆变器输出电压频率；当改变 可改变开可改变开关管的工作频率。关管的工作频率。5、电压型无源逆变电路：、电压型无源逆变电路：输出电压与负载性质无关输出电压与负载性质无关（）输出电流与负载性质无关输出电流与负载性质无关（）直流侧电流有脉动直流侧电流有脉动（
40、）上、下桥臂的控制需遵循上、下桥臂的控制需遵循“先断后开先断后开”的原则的原则（）6、SPWM电压型逆变器采用同步调制，其特点有：电压型逆变器采用同步调制，其特点有：在调频过程中载波频率不变在调频过程中载波频率不变（）在调频过程中载波比不变在调频过程中载波比不变（）低频运行时输出电压波形对称性好低频运行时输出电压波形对称性好（）低频运行时输出电压谐波分量较小低频运行时输出电压谐波分量较小（）.1.4 小结小结1、无源逆变：直流、无源逆变：直流 交流（向负载直接供电）交流（向负载直接供电）2、无源逆变电路的分类、无源逆变电路的分类3、三种单相电压型逆变电路的工作原理、特点三种单相电压型逆变电路的
41、工作原理、特点4、三相电压型逆变电路的结构、工作原理分析；三相电流型逆变、三相电压型逆变电路的结构、工作原理分析；三相电流型逆变电路的结构、工作原理分析；电压型逆变电路与电流型逆变电电路的结构、工作原理分析；电压型逆变电路与电流型逆变电路的特点比较路的特点比较、方波控制逆变器的缺点、方波控制逆变器的缺点、SPWM控制的目的、基本原理控制的目的、基本原理 单极性调制、双单极性调制的原理、特点单极性调制、双单极性调制的原理、特点 三相逆变器一般采用双极性调制，三相调制信号三相逆变器一般采用双极性调制，三相调制信号ura、urb和和urc的的相位依次相差相位依次相差120，三相公用一个三角波载波，三
42、相公用一个三角波载波uc，一般取，一般取N为为奇数且为奇数且为3的整倍数的整倍数 对脉宽调制的制约条件对脉宽调制的制约条件 何为异步调制、同步调制和分段同步调制，三者的特点何为异步调制、同步调制和分段同步调制，三者的特点 SPWM波形生成方式；自然采样法、规则采样法的原理及特点波形生成方式；自然采样法、规则采样法的原理及特点6.56.5其它其它PWMPWM控制方法控制方法 一、电流跟踪控制一、电流跟踪控制PWM 目标函数目标函数正弦电流正弦电流使实际输出电流尽量接近正弦参考电流使实际输出电流尽量接近正弦参考电流 电流跟踪控制的方法很多，最基本的方法是电电流跟踪控制的方法很多，最基本的方法是电流
43、滞环跟踪控制流滞环跟踪控制，其它方法都是对滞环跟踪控，其它方法都是对滞环跟踪控制的改进制的改进 电流滞环跟踪控制的原理电流滞环跟踪控制的原理 设定参考电流设定参考电流i i*环及环宽环及环宽2h 将实际电流将实际电流i i与参考电流与参考电流i i*比较比较 根据比较结果控制上、下桥臂根据比较结果控制上、下桥臂 电流滞环跟踪控制电流滞环跟踪控制的原理的原理 设定参考电流设定参考电流i i*环及环及环宽环宽2h 将实际电流将实际电流i i与参考与参考电流电流i i*比较比较 根据比较结果控制上、根据比较结果控制上、下桥臂下桥臂 电流滞环跟踪控制的特点电流滞环跟踪控制的特点属于闭环控制（跟踪型属于
44、闭环控制（跟踪型PWM控制的共同特点）控制的共同特点）不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波电流控制的精度与滞环比较器的环宽有关电流控制的精度与滞环比较器的环宽有关 环宽大：谐波电流分量大，但开关频率低环宽大：谐波电流分量大，但开关频率低 环宽小：谐波电流分量小，但开关频率高环宽小：谐波电流分量小，但开关频率高开关频率不固定开关频率不固定电流响应快电流响应快控制电路简单控制电路简单 影响开关频率的因素影响开关频率的因素dadchLdtdiLEttfU2U4112221 开关频率开关频率fc与环宽与环宽2h成反比成反比 负载电感负载电感L越大，越大，
45、fc越小越小 直流侧电压直流侧电压Ud值越大，值越大，fc越大越大 参考电流参考电流i i*变化率越大，变化率越大，fc越小越小 负载反电势负载反电势Ea越大，越大，fc越小越小 最大的开关频率发生在最大的开关频率发生在Ea=0（电机堵转）且参（电机堵转）且参考电流考电流i i*的变化率为零的时刻，此时的变化率为零的时刻，此时,23,28Umax0thLfdc 为了在功率器件的允许开关频率为了在功率器件的允许开关频率 范围内得到较好的范围内得到较好的电流波形，派生出了很多种电流跟踪控制方法，这些电流波形，派生出了很多种电流跟踪控制方法，这些控制方法的实质是：使任何时刻实际开关频率尽可能控制方法
46、的实质是：使任何时刻实际开关频率尽可能达到最大设计值达到最大设计值PWM控制技术总结控制技术总结 PWM控制技术在电力电子领域有着广泛的应控制技术在电力电子领域有着广泛的应用，它推动了电力电子技术的发展用，它推动了电力电子技术的发展 谐波消除谐波消除PWM技术在晶闸管逆变器上用得较技术在晶闸管逆变器上用得较多，它较好地解决了在开关频率不高的情况下多，它较好地解决了在开关频率不高的情况下消除危害最严重的谐波的问题消除危害最严重的谐波的问题 电流跟踪控制电流跟踪控制PWM技术要求功率开关器件具技术要求功率开关器件具有较高的开关频率，通常只用在有较高的开关频率，通常只用在IGBT逆变器逆变器上上 重
47、点掌握重点掌握SPWM技术技术 T1、T2不能同时导通，否则将出现直流电源短路贯穿短路。4、SPWM技术运用于电压型逆变器中，当改变 可改变逆变器输出电压幅值；2、同步调制：载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数通常由全控器件构成 T1、T2不能同时导通，否则将出现直流电源短路贯穿短路。在单相逆变电路中，全桥逆变电路应用最多电流控制的精度与滞环比较器的环宽有关（2）器件的导通时间ton、关断时间toff对M的限制（最小脉宽与最小间歇的限制）：使整流器成为有源逆变器，工作在再生状态脉冲宽度经典计算方法介绍（a）A相电压波形Uan在电压型逆变器输出的SP
48、WM电压波形中对负载有用的只是基波电压，谐波电压在负载上产生谐波电流，只会给负载带来负面影响，如产生谐波损耗、噪音、脉动转矩。一、正弦脉宽调制（SPWM）原理2、自然采样法脉宽计算根据调频过程载波比的变化情况，PWM调制方式可分为把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同由于有大电感抑流，短路的危险性也比电压型使整流器成为有源逆变器，工作在再生状态下图为规则采样的两种方法通过有源逆变桥回馈到电网（见再生方案1）习习 题题6-1 无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？无源逆变电路和有源逆变电路有何不同？6-2 电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？电压型逆变电路中反馈
49、二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？6-3 三相电压型逆变电路，负载型联接，三相电压型逆变电路，负载型联接，180导电方导电方式，式，Ud=100V，求输出相电压的有效值，求输出相电压的有效值Uan和基波有效和基波有效值值Uan1，输出线电压的有效值，输出线电压的有效值Uab、基波有效值、基波有效值Uab1 和和 5 次谐波有效值次谐波有效值Uab5。6-4 IGBT三相电压型无源逆变电路，负载型联接，工三相电压型无源逆变电路，负载型联接，工作在作在180导点方式下，带电阻电感负载，画出完整的导点方式下，带电阻电感负载，画出完整的主电
50、路图，以及在负载阻抗角主电路图，以及在负载阻抗角 60两种情两种情况下的输出电压况下的输出电压uan、uao、uab、输出电流、输出电流 ia、开关电流、开关电流iT1、iD4直流侧电流直流侧电流 id 的波形（注：的波形（注：n为负载中点，为负载中点，o为为直流电源中点）。直流电源中点）。6-5 在逆变器中为什么要采用在逆变器中为什么要采用PWM技术？技术？6-6 单极性和双极性单极性和双极性PWM调制有什么区别？调制有什么区别？6-7 载波比和调制比如何定义？是不是越大越好？分别受载波比和调制比如何定义？是不是越大越好？分别受什么因素限制？它们与输出电压和输出频率有何关系？什么因素限制？它
