1、5.15.1概述概述5.2 5.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路5.1.1 逆變電路的分類5.1.2 DC/AC變換的工作原理5.1.3 逆變電路的換流方式5.2.1 單相電壓型逆變電路5.2.2 三相電壓型逆變電路第第5 5章章 DC/ACDC/AC變換技術變換技術第第5 5章章 DC/ACDC/AC變換技術變換技術5.35.3逆變電路的逆變電路的SPWM控制技術控制技術5.3.1 PWM控制的基本原理5.3.2 SPWM調制技術5.3.3 SPWM控制技術5.3.4 PWM逆變電路的諧波分析5.3.5 PWM逆變電路的多重化5.3.6 PWM跟蹤控制技術nDC/AC變換是把直流電變換成交流

2、電，也稱變換是把直流電變換成交流電，也稱逆變逆變。n逆變電路分逆變電路分有源逆變有源逆變和和無源逆變無源逆變兩種。兩種。n把直流電經過把直流電經過DC/AC變換，向交流電源反饋能量的逆變換，向交流電源反饋能量的逆變電路稱之為變電路稱之為有源逆變有源逆變；n把直流電經過把直流電經過DC/AC變換，直接向非電源負載供電的變換，直接向非電源負載供電的逆變電路稱之為逆變電路稱之為無源逆變無源逆變。n有源逆變在前面章節已經分析過了，本章主要介紹無有源逆變在前面章節已經分析過了，本章主要介紹無源逆變技術。源逆變技術。5.1 概述概述5.1.1逆變電路的分類逆變電路的分類 逆變電路分類方法有以下幾種：逆變電

3、路分類方法有以下幾種： 根據輸入直流電源的性質根據輸入直流電源的性質n電壓型逆變電路（電壓型逆變電路（VSTI） 在直流電源側設置儲能元件。采用大電容作為儲能元件，在直流電源側設置儲能元件。采用大電容作為儲能元件，保證電壓的穩定；保證電壓的穩定；n電流型逆變電路（電流型逆變電路（CSTI）。）。 采用大電感作為儲能元件，是為了保證電流的穩定。采用大電感作為儲能元件，是為了保證電流的穩定。 根據逆變電路結構：根據逆變電路結構：n半橋式半橋式n全橋式全橋式n推挽式逆變電路。推挽式逆變電路。5.1.1逆變電路的分類逆變電路的分類 根據所用的電力電子器件的換流：根據所用的電力電子器件的換流：n自關斷（

4、如自關斷（如 GTO、GTR、電力、電力 MOSFET、IGBT 等）等）n強迫換流強迫換流n交流電源電動勢換流交流電源電動勢換流n負載諧振換流負載諧振換流 根據電壓和頻率控制方法不同可分為根據電壓和頻率控制方法不同可分為n脈沖寬度調制（脈沖寬度調制（PWM）逆變電路）逆變電路n脈沖幅值調制（脈沖幅值調制（PAM）逆變電路）逆變電路n用階梯波調幅或用數臺逆變器通過變壓器實現串并聯的用階梯波調幅或用數臺逆變器通過變壓器實現串并聯的移相調壓移相調壓，這類逆變器稱為，這類逆變器稱為方波或階梯波逆變器方波或階梯波逆變器。5.1.2 DC/AC變換的工作原理變換的工作原理 基本工作原理基本工作原理n單相

5、橋式無源逆變電路，開關單相橋式無源逆變電路，開關 S1、S2、S3、S4表示電力電表示電力電子開關器件的子開關器件的 4個橋臂，均為理想開關。個橋臂，均為理想開關。n當開關當開關 S1、S4閉合，閉合，S2、S3斷開時，斷開時， uo為正；為正；n當開關當開關 S1、S4斷開，斷開，S2、S3閉合時，閉合時， uo為負。為負。n直流電轉換為交流電。直流電轉換為交流電。5.1.2 DC/AC變換的工作原理變換的工作原理n改變兩組開關切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。改變兩組開關切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。n當負載為阻性負載時，負載電流當負載為阻性負載時，負載電流 io和電壓和電壓 uo

6、的波形形狀的波形形狀相同，相位也相同。相同，相位也相同。n當負載為感性負載時，當負載為感性負載時， io相位滯后于相位滯后于 uo，兩者波形的形，兩者波形的形狀也不同。狀也不同。 5.1.2 DC/AC變換的工作原理變換的工作原理逆變電路的基本結構逆變電路的基本結構n要構成一個完整的逆變器系統除了主電路之外還要有輸要構成一個完整的逆變器系統除了主電路之外還要有輸入、輸出、驅動與控制、保護等電路。入、輸出、驅動與控制、保護等電路。5.1.3 逆變電路的換流方式逆變電路的換流方式n逆變電路工作時，電流從一個支路向另一個支路轉移的逆變電路工作時，電流從一個支路向另一個支路轉移的過程稱為過程稱為換流換

7、流，也常稱為，也常稱為換相換相。n從斷態到通態時，只要門極給以適當的驅動控制信號，從斷態到通態時，只要門極給以適當的驅動控制信號，就可以使其開通。就可以使其開通。n從通態到斷態，對于半控型器件的晶閘管來說，就不能從通態到斷態，對于半控型器件的晶閘管來說，就不能通過對門極的控制使其關斷，必須利用外部條件或采取通過對門極的控制使其關斷，必須利用外部條件或采取相應措施才能使其關斷。相應措施才能使其關斷。n研究換流方式主要是研究如何使器件關斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關斷。5.1.3 逆變電路的換流方式逆變電路的換流方式 換流方式可分為以下幾種：換流方式可分為以下幾種： 器件換流器件換流 利用

8、全控型器件自身的關斷能力進行換流稱為器件換流，利用全控型器件自身的關斷能力進行換流稱為器件換流，在采用在采用 IGBT、MOSFET、GTO、GTR 等全控型器件的電等全控型器件的電路中，其換流方式均為器件換流。路中，其換流方式均為器件換流。 電網換流電網換流n由電網提供換流電壓稱為電網換流，也稱為由電網提供換流電壓稱為電網換流，也稱為“自然換流自然換流”。n整流電路，有源逆變，都屬于電網換流。整流電路，有源逆變，都屬于電網換流。n這種換流方式不要求器件具有門極關斷能力，也不需要為這種換流方式不要求器件具有門極關斷能力，也不需要為換流附加任何器件，但不適用于無源逆變電路。換流附加任何器件，但不

9、適用于無源逆變電路。5.1.3 逆變電路的換流方式逆變電路的換流方式 換流方式可分為以下幾種：換流方式可分為以下幾種：負載換流負載換流n由負載提供換流電壓稱為負載換流。由負載提供換流電壓稱為負載換流。n凡是負載電流的相位超前于負載電壓的場合，都可以實現凡是負載電流的相位超前于負載電壓的場合，都可以實現負載換流。當負載為電容性負載時，即可實現負載換流。負載換流。當負載為電容性負載時，即可實現負載換流。 強迫換流強迫換流n通過附加的換流裝置，給欲關斷的晶閘管強迫施加反向電通過附加的換流裝置，給欲關斷的晶閘管強迫施加反向電壓換流方式稱為強迫換流。強迫換流通常由電感、電容、壓換流方式稱為強迫換流。強迫

10、換流通常由電感、電容、小容量晶閘管等組成。小容量晶閘管等組成。 器件換流只適用于全控型器件，其余三種方式主要用于晶器件換流只適用于全控型器件，其余三種方式主要用于晶閘管。閘管。5.2 電壓型逆變電路電壓型逆變電路 常用的電壓型逆變電路有：常用的電壓型逆變電路有：n5.2.1 單相電壓型逆變單相電壓型逆變n5.2.2 三相電壓型逆變三相電壓型逆變 主要介紹電壓型逆變電路的基本構成、工作原理和特主要介紹電壓型逆變電路的基本構成、工作原理和特性。性。5.2.1單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路 單相半橋逆變電路單相半橋逆變電路n兩個橋臂，每個橋臂由兩個橋臂，每個橋臂由 1個個可控器件和可控器件和

11、1個反并聯二極個反并聯二極管組成。管組成。n兩只電容的容量足夠大，電兩只電容的容量足夠大，電容電壓保持為容電壓保持為 基本不變。基本不變。n兩個電容的連接點便成為直流電源的中點，負載連接在直流兩個電容的連接點便成為直流電源的中點，負載連接在直流電源中點和兩個橋臂連接點之間。電源中點和兩個橋臂連接點之間。nV1、V2是全控型開關器件，它們交替地處于通、斷狀態。是全控型開關器件，它們交替地處于通、斷狀態。n等效負載電壓、電流分別用等效負載電壓、電流分別用 uo、 io表示表示5.2.1單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路 工作原理工作原理n在在0tT0/2期間，期間， 給給V1加柵極加柵極信號，即

12、信號，即V1導通，導通，V2截止，則截止，則輸出電壓輸出電壓uo=+Ud/2；n在在T0/2tT0期間，期間， 給給V2加柵加柵極信號，即極信號，即V2導通，導通，V1截止，截止，則輸出電壓則輸出電壓uo=-Ud/2；n因此因此uo為矩形波，其幅值為為矩形波，其幅值為 Ud/2。5.2.1單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路 電流情況電流情況n輸出電流輸出電流 io波形隨負載情況而波形隨負載情況而異。異。n當負載為阻性負載時，其電流當負載為阻性負載時，其電流波形與電壓相同；波形與電壓相同；n當為純感性負載時，其電流波當為純感性負載時，其電流波形如圖形如圖 c) nR、L負載時電流波形圖負載時電

13、流波形圖 d)5.2.1單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路nT0/2以前以前 V1導通，導通，V2關斷。關斷。nt=T0/2時，給時，給V1關斷信號，給關斷信號，給 V2開通信號開通信號n則則V1關斷，負載中的電流關斷，負載中的電流io不不能改變方向，能改變方向，VD2導通續流。導通續流。n在在t2時刻時刻io降為零，降為零，VD2截止，截止，V2開通，開通，io開始反向。開始反向。n同樣，在同樣，在t=T0時刻給時刻給V2關斷信關斷信號，給號，給V1開通信號后，開通信號后，V2關斷，關斷，VD1先導通續流，先導通續流，io=0時時V1才開才開通。通。5.2.1單相電壓型逆變電路單相電壓型逆

14、變電路n當當V1導通或導通或V2導通時，電壓電流導通時，電壓電流同向，直流側向負載提供能量；同向，直流側向負載提供能量；n當當 VD1或或 VD2導通時，負載電流導通時，負載電流和電壓反向，負載電感中儲存的和電壓反向，負載電感中儲存的能量向直流側反饋。能量向直流側反饋。n暫存在暫存在C中，起著緩沖的作用。中，起著緩沖的作用。n二極管二極管 VD1、VD2起著使負載電起著使負載電流連續的作用，也是負載向直流流連續的作用，也是負載向直流側反饋能量的通道，故稱為側反饋能量的通道，故稱為續流續流二極管或反饋二極管二極管或反饋二極管。5.2.1單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路n逆變器輸出電壓逆變器輸

15、出電壓 uo為為 180的方波，幅度為的方波，幅度為Ud/2。輸出電。輸出電壓的有效值為壓的有效值為 n傅里葉分解得傅里葉分解得n輸出電壓輸出電壓uo基波分量的有效值為基波分量的有效值為n輸出電流輸出電流io基波分量為基波分量為 02200242TddoUUUdtT11222( )sin()()ooUittRLo11(sinsin3sin5)325dttUtUo120.452ddUUU5.2.1單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路l 優點優點：電路簡單，使用器件少。缺點缺點：輸出交流電壓幅值為Ud/2，且直流側需兩電容器串聯，要控制兩者電壓均衡。應用應用：用于幾kW以下的小功率逆變電源。l半橋

16、逆變電路是分析單相全橋、三相橋式電路分析的基礎。5.2.1單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路2. 單相全橋逆變電路單相全橋逆變電路n4 4個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成。個橋臂，可以看成由兩個半橋電路組合而成。n兩對橋臂交替各導通兩對橋臂交替各導通 180。圖5.4 電壓型全橋逆變電路n其輸出電壓其輸出電壓 uo的波形也是矩的波形也是矩形波，形波，Uom= Ud。n輸出電流波形與半橋電路形輸出電流波形與半橋電路形狀相同，幅值增加一倍。狀相同，幅值增加一倍。n 電阻性負載電阻性負載n 電感性負載電感性負載tOuoUd 定量分析定量分析n把幅值為把幅值為 Ud的矩形波的矩形波 uo展開成

17、傅里葉級數得：展開成傅里葉級數得：n其中基波的幅值其中基波的幅值 Uo1m為為n基波有效值基波有效值 Uo1為為n基波電流基波電流 io1為為 式中式中0141.27dmdUUU5.2.1單相電壓型逆變電路單相電壓型逆變電路411(sinsin3sin5.)35doUuttt12 20.9dodUUU12241sin()()doUitRLarctan(/)L R5.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路n電路的直流側實際只有電路的直流側實際只有 1 個電容個電容n為了分析方便，畫作串聯的為了分析方便，畫作串聯的2個電容器并標出了假想中個電容器并標出了假想中點點N，在應用中并不需要該中性點

18、。，在應用中并不需要該中性點。n電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式有兩種，即電壓型三相橋式逆變電路的基本工作方式有兩種，即180和和120導電方式。導電方式。圖5.5 三相電壓型橋式逆變電路5.2.2 三相電壓型逆變電路三相電壓型逆變電路 180導電方式導電方式n每個橋臂的導電每個橋臂的導電180，同一，同一相上下相上下2個橋臂交替導電，各個橋臂交替導電，各相開始導電角度相差相開始導電角度相差 120。n任一瞬間，任一瞬間，3個橋臂同時導通，個橋臂同時導通，可能是上可能是上1下下2個臂，也可能是個臂，也可能是上上2個下個下1個臂同時導通。個臂同時導通。n每次換流（隔每次換流（隔60）都是在同

19、都是在同一相上下一相上下2個橋臂之間進行的，個橋臂之間進行的，被稱為被稱為縱向換流。縱向換流。n在在0SPWM波Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Out5.3.1 PWM 控制的基本原理控制的基本原理OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Out5.3.1 PWM 控制的基本原理控制的基本原理SPWM波形波形 脈沖寬度按正弦規律脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的變化而和正弦波等效的PWM波形。波形。要改變等效輸出正弦波幅要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈值，按同一比例改變各脈沖寬度即可沖寬度即可tOua

20、)b)圖6-3Out圖3.42 用PWM波代替正弦半波5.3.1 PWM 控制的基本原理控制的基本原理OtUd-Ud 對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為波為：OtUd-Ud 根據面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的根據面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。波，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。5.3.1 PWM 控制的基本原理控制的基本原理 單極性正弦脈寬調制單極性正弦脈寬調制n單相橋式單相橋式 PWM 逆變電路，負載為

21、感性。逆變電路，負載為感性。IGBT 作為開作為開關器件，其控制方法采用單極性正弦脈寬調制關器件，其控制方法采用單極性正弦脈寬調制5.3.1 PWM 控制的基本原理控制的基本原理5.3.1 PWM 控制的基本原理控制的基本原理在正半周期在正半周期lV2、V3一直處于截止狀態，一直處于截止狀態，V1一直保持導通，一直保持導通，V4交替通斷。交替通斷。lV4導通時，負載上所加的電壓導通時，負載上所加的電壓為直流電源電壓為直流電源電壓 Ud。lV4關斷時，負載電流將通過二關斷時，負載電流將通過二極管極管VD3續流，負載上所加電續流，負載上所加電壓為壓為0。在負半周期在負半周期lV1、V4一直處于截止

22、，一直處于截止，V2保保持導通，持導通，V3交替通斷。交替通斷。lV3導通時，負載電壓導通時，負載電壓 -Ud。lV3關斷時，關斷時，VD4續流，負載電續流，負載電壓為壓為0。5.3.1 PWM 控制的基本原理控制的基本原理因此，在負載上可得到因此，在負載上可得到 0和和Ud 三種電平。三種電平。在正半周期在正半周期lV2、V3一直處于截止狀態，一直處于截止狀態，V1一直保持導通，一直保持導通，V4交替通斷。交替通斷。lV4導通時，負載上所加的電壓導通時，負載上所加的電壓為直流電源電壓為直流電源電壓 Ud。lV4關斷時，負載電流將通過二關斷時，負載電流將通過二極管極管VD3續流，負載上所加電續

23、流，負載上所加電壓為壓為0。 控制控制 通斷的方法通斷的方法n調制波調制波ur，載波信號，載波信號 uc。n uc在在ur的正半周為正極性的三的正半周為正極性的三角波，在角波，在ur負半周為負極性的負半周為負極性的三角波。三角波。n在在 ur和和 uc的 交 點 時 刻 控 制的 交 點 時 刻 控 制IGBT通斷。通斷。n在在ur的正半周，的正半周，V1保持導通，保持導通，V2保持關斷，當保持關斷，當uruc時，使時，使 V4導通，導通，V3關斷，負載電壓關斷，負載電壓 uo= Ud；當；當 ur uc時，使時，使 V4關關斷，斷，V3導通導通(VD3先續流先續流)，uo=0。5.3.1 P

24、WM 控制的基本原理控制的基本原理urucuOtOtuouo1uoUd-Ud在在ur的負半周，的負半周，V1保持關斷，保持關斷，V2保持導通。保持導通。n當當 ur uc時使時使 V3關斷，關斷，V4導通，導通，uo=0。這樣，得到這樣，得到SPWM 波形波形 uo。 像這樣，在像這樣，在ur的半個周期內三角的半個周期內三角波載波只在一個方向變化，所波載波只在一個方向變化，所得到的輸出得到的輸出PWM 波形也只在一波形也只在一個方向變化的控制方式稱為個方向變化的控制方式稱為單單極性極性 SPWM 控制方式控制方式。5.3.1 PWM 控制的基本原理控制的基本原理urucuOtOtuouo1uo

25、Ud-Ud表示uo中的基波分量2. 雙極性正弦脈寬調制雙極性正弦脈寬調制nur的半個周期內，載波是在的半個周期內，載波是在正、負兩個方向變化的。正、負兩個方向變化的。n在在uc的一周期內，輸出的的一周期內，輸出的 PWM 波形只有波形只有Ud兩種電兩種電平。平。n仍然在調制信號仍然在調制信號ur和載波信和載波信號號uc的交點時刻控制各開關的交點時刻控制各開關器件的通斷。器件的通斷。nur正負半周，對各開關器件正負半周，對各開關器件的控制規律相同。的控制規律相同。5.3.1 PWM 控制的基本原理控制的基本原理urucuOtOtuouo1uoUd- Ud5.3.1 PWM 控制的基本原理控制的基

26、本原理urucuOtOtuouo1uoUd- Ud2. 雙極性正弦脈寬調制雙極性正弦脈寬調制n當當uruc時，給時，給V1和和V4開通開通信號，給信號，給V2、V3關斷信號，關斷信號，輸出電壓輸出電壓 uo= Ud。n當當uruc時，給時，給V1通信號，通信號，給給V4斷信號，斷信號，uUN=Ud/2。n當當urUuc時，給時，給V4通信號，通信號，給給V1斷信號，斷信號，uUN=-Ud/2。ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32 Ud5.3.1 PWM 控制的基本原理控制的基本原理3.三

27、相橋式三相橋式PWM逆變電路逆變電路以U相為例分析控制規律控制規律：n當給當給V1(V4)加導通信號時，加導通信號時，可能是可能是V1(V4)導通，也可能導通，也可能是是VD1(VD4)導通。導通。nuUN、uVN和和uWN的的PWM波波形只有形只有Ud/2兩種電平兩種電平。ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32 Ud5.3.1 PWM 控制的基本原理控制的基本原理3.三相橋式三相橋式PWM逆變電路逆變電路以U相為例分析控制規律控制規律：n線電壓線電壓uUV的波形可由的波形可由uUN-uV

28、N得到得到。n當當1和和6通時，通時，uUV=Ud，當，當3和和4通時，通時，uUV=-Ud，當，當1和和3或或4和和6通時，通時，uUV=0。ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32 Ud5.3.1 PWM 控制的基本原理控制的基本原理3.三相橋式三相橋式PWM逆變電路逆變電路以U相為例分析控制規律控制規律：n輸出線電壓輸出線電壓PWM波有波有Ud和和0三種電平構成。三種電平構成。n負 載 相 電 壓負 載 相 電 壓 P W M 波 由波 由(2/3)Ud、(1/3)Ud和和0共共5種電

29、平組成。種電平組成。ucurUurVurWuuUNuVNuWNuUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32 Ud5.3.1 PWM 控制的基本原理控制的基本原理3.三相橋式三相橋式PWM逆變電路逆變電路以U相為例分析控制規律控制規律：n輸出線電壓輸出線電壓PWM波有波有Ud和和0三種電平構成。三種電平構成。n負 載 相 電 壓負 載 相 電 壓 P W M 波 由波 由(2/3)Ud、(1/3)Ud和和0共共5種電平組成。種電平組成。防直通的死區時間防直通的死區時間u同一相上下兩臂的驅動信號同一相上下兩臂的驅動信號互補，為防止上下臂直通

30、造互補，為防止上下臂直通造成短路，留一小段上下臂都成短路，留一小段上下臂都施加關斷信號的死區時間。施加關斷信號的死區時間。u死區時間的長短主要由開關死區時間的長短主要由開關器件的關斷時間決定。器件的關斷時間決定。u死區時間會給輸出的死區時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。正弦波。5.3.2 SPWM調制技術調制技術v根據載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調制方式分為異步調制異步調制和同步調制同步調制。 通常保持fc固定不變，當fr變化時，載波比N是變化的 在信號波的半周期內，PWM波的脈沖個數不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周

31、期內前后1/4周期的脈沖也不對稱。 當fr較低時，N較大，一周期內脈沖數較多，脈沖不對稱產生的不利影響都較小 當fr增高時，N減小，一周期內的脈沖數減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大載波比載波比載波頻率fc與調制信號頻率fr之比，N= fc / fr1. 異步調制異步調制載波信號和調制信號不同步的調制方式5.3.2 SPWM調制技術調制技術2） 同步調制同步調制載波信號和調制信號保持同步的調制方式，當變頻時使載波與信號波保持同步，即N等于常數。ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud 基本同步調制方式，fr變化時N不變，信號波一周期內輸出脈沖數固定。 三相電路中公

32、用一個三角波載波，且取N為3的整數倍，使三相輸出對稱。 為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應取奇數。 fr很低時，fc也很低，由調制帶來的諧波不易濾除。 fr很高時，fc會過高，使開關器件難以承受。5.3.2 SPWM調制技術調制技術分段同步調制分段同步調制把整個fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內保持N恒定，不同頻段的N不同。在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高；在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低。00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321圖6-11fr /Hzfc /kHz分段同步調制時，在不同的頻率段內，

33、載波頻率的變化分段同步調制時，在不同的頻率段內，載波頻率的變化范圍應該保持一致。范圍應該保持一致。5.3.3 SPWM控制技術控制技術 自然采樣法自然采樣法n按照按照SPWM控制的基本原理、在正弦波和三角波的自然交點控制的基本原理、在正弦波和三角波的自然交點時刻控制功率開關器件的通斷，這種生成時刻控制功率開關器件的通斷，這種生成SPWM波形的方法波形的方法稱為稱為自然采樣法自然采樣法。n當正弦波頻率變化或幅值變化當正弦波頻率變化或幅值變化時，各脈沖的寬度也相應變化，時，各脈沖的寬度也相應變化，要準確生成要準確生成SPWM波形就應波形就應準確地算出正弦波和三角波的準確地算出正弦波和三角波的交點。

34、交點。n設三角波峰值為標幺值設三角波峰值為標幺值1，n則正弦調制波為則正弦調制波為tUurrrsinn三角波一個三角波一個Tc分為下降段和上升段分為下降段和上升段的方程為，的方程為，n正弦調制信號波正弦調制信號波l 自然采樣法計算公式自然采樣法計算公式三角波峰值三角波峰值 。令。令cUrrsinuMt4553144443311444CCCCCCCCCtnTnTtnTTUtnTnTtnTT rcUMU M稱調制系數稱調制系數5.3.3 SPWM控制技術控制技術n對應的脈沖寬度為對應的脈沖寬度為 = tA- - tBl 自然采樣法計算公式自然采樣法計算公式5.3.3 SPWM控制技術控制技術451

35、sin4431sin4Cr ACCr BCtnTMtTtnTMtT n正弦調制波和三角波的交點時刻正弦調制波和三角波的交點時刻 tA和和tB可按下式計算可按下式計算l求解這兩個超越方程是非常困難求解這兩個超越方程是非常困難的。這種方法在工程上直接應用的。這種方法在工程上直接應用不多，主要是費時且難于實現控不多，主要是費時且難于實現控制中在線計算。制中在線計算。 規則采樣法規則采樣法n應用較廣的工程實用方法，它的效果接近于自然采樣法。應用較廣的工程實用方法，它的效果接近于自然采樣法。5.3.3 SPWM控制技術控制技術 采用鋸齒波作為載波的規則采用鋸齒波作為載波的規則采樣法采樣法。n垂直的一邊，

36、和正弦調制波垂直的一邊，和正弦調制波交點時刻是確定的。交點時刻是確定的。n只需計算鋸齒波斜邊和正弦只需計算鋸齒波斜邊和正弦調制波的交點時刻調制波的交點時刻tAn計算量明顯減少。計算量明顯減少。v在三角波的負峰時刻在三角波的負峰時刻tD對正弦調對正弦調制波采樣而得到制波采樣而得到D點點v過過D點作一水平直線和三角波分點作一水平直線和三角波分別交于別交于A點和點和B點點v如圖所示確定如圖所示確定A、B點，在點，在A點點時刻時刻tA和和B點時刻點時刻tB控制功率開控制功率開關器件的通斷。關器件的通斷。采用三角波作為載波的規則采樣法。采用三角波作為載波的規則采樣法。 規則采樣法規則采樣法ucuOtur

37、TcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d5.3.3 SPWM控制技術控制技術采用三角波作為載波的規則采樣法。采用三角波作為載波的規則采樣法。 規則采樣法規則采樣法ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2dv自然采樣法中，脈沖中點不和自然采樣法中，脈沖中點不和三角波三角波(負峰點負峰點)重合。重合。v規則采樣法使兩者重合，使計規則采樣法使兩者重合，使計算大為簡化。算大為簡化。v脈沖寬度脈沖寬度和用自然采樣法得到和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近的脈沖寬度非常接近。5.3.3 SPWM控制技術控制技術 規則采樣法規則采樣法ucuOturTcADBOtuotAtDtBd

38、d d 2d2dl規則采樣法計算公式推導正弦調制信號波rrsinuMt三角波一周期內，脈沖兩邊間隙寬度ccr D1(1sin)24TTMtdd(5-14)M稱為調制系數調制系數，0M1；從圖得,r Dc1sin2/2/2MtTdcr D(1sin)2TMtd (5-13)5.3.3 SPWM控制技術控制技術 規則采樣法規則采樣法三相橋逆變電路三相橋逆變電路的情況三角波載波公用，三相正弦調制波相位依次差120同一三角波周期內三相的脈寬分別為dU、dV和dW，脈沖兩邊的間隙寬度分別為dU、d V和d W，同一時刻三相調制波電壓之和為零， 由式(5-14)得23cWVUTddd43c W V UTd

39、dd利用以上兩式可簡化三相SPWM波的計算。(5-15)(5-16)5.3.3 SPWM控制技術控制技術 用載波對正弦信號波調制，產生了和載波有關的諧波分量。用載波對正弦信號波調制，產生了和載波有關的諧波分量。 諧波諧波頻率和幅值頻率和幅值是衡量是衡量PWM逆變電路性能的重要指標。逆變電路性能的重要指標。 同步調制可看成異步調制的特殊情況，只分析同步調制可看成異步調制的特殊情況，只分析異步異步調制方式。調制方式。主要分析主要分析雙極性雙極性SPWM波形波形 分析方法分析方法v不同信號波周期的不同信號波周期的PWM波不同，無法直接以信號波周期波不同，無法直接以信號波周期為基準分析。為基準分析。v

40、以載波周期為基礎，再利用貝塞爾函數推導出以載波周期為基礎，再利用貝塞爾函數推導出PWM波的波的傅里葉級數表達式傅里葉級數表達式v分析過程相當復雜，結論卻簡單而直觀。分析過程相當復雜，結論卻簡單而直觀。5.3.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析諧波振幅c +kr)角頻率(n1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.60.81.01.21.4knM=1.0M=0.8M=0.5M=0圖中，不同M時單相橋式PWM逆變電路輸出電壓頻譜圖。1）單相的分析結果諧波角頻率為:crnk式中，n=1,3,5,時，k=0,2,4, ； n=2,4,6,時，k=1,3,5,

41、 PWM波中不含低次諧波，只含c及其附近的諧波以及2c、3c等及其附近的諧波。5.3.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析2）三相的分析結果輸出線電壓中的諧波角頻率為crnk式中，n=1,3,5,時，k=3(2m1)1，m=1,2,； n=2,4,6,時，。,2, 116, 1 ,016mmmmkl 圖中，不同M時三相橋式PWM逆變電路輸出電壓頻譜圖。公用載波信號時的情況。1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.60.8kn角頻率(nc +kr)諧波振幅1.01.2M=1.0M=0.8M=0.5M=05.3.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波

42、分析2）三相的分析結果三相和單相電路時的情況相比較。共同點是都不含低次諧波較顯著的區別是無載波角頻率整數倍的諧波。1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.60.8kn角頻率(nc +kr)諧波振幅1.01.2M=1.0M=0.8M=0.5M=05.3.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析諧波中幅值較高的是c 2r和2cr。u在實際電路中，采樣時刻的誤差以及設置的死區的影響，諧波的分布情況將更為復雜。諧波含量比理想條件下要多一些。uSPWM波中諧波主要是角頻率為wc、2wc及其附近的諧波，很容易濾除。u載波頻率越高，SPWM波形中諧波頻率就越高，所需濾

43、波器的體積就越小。 u當調制信號波不是正弦波時，諧波由兩部分組成：一部分是對信號波本身進行諧波分析所得的結果，另一部分是由于信號波對載波的調制而產生的諧波。后者的諧波分布情況和SPWM波的諧波分析一致。諧波分析小結5.3.4 PWM逆變電路的諧波分析逆變電路的諧波分析5.3.5 PWM逆變電路的多重化逆變電路的多重化l PWM多重化逆變電路，一般目的：提高等效開關頻率、減少開關損耗、減少和載波有關的諧波分量l PWM逆變電路多重化連接方式有變壓器方式和電抗器方式利用電抗器聯接的二重PWM逆變電路圖5.16 二重PWM型逆變電路 兩個單元逆變電路的載波信號相互錯開180輸出端相對于直流電源中點N

44、的電壓uUN=(uU1N+uU2N)/2,已變為單極性PWM波v輸出線電壓共有0、(1/2)Ud、Ud五個電平，比非多重化時諧波有所減少。v電抗器上所加電壓頻率為載波頻率，比輸出頻率高得多，只要很小的電抗器就可以了。v輸出電壓所含諧波角頻率仍可表示為nwc+kwr，但其中n為奇數時的諧波已全被除去，諧波最低頻率在2wc附近，相當于電路的等效載波頻率提高一倍。5.3.5 PWM逆變電路的多重化逆變電路的多重化5.3.6 PWM跟蹤控制技術跟蹤控制技術 PWM波形生成的第三種方法跟蹤控制方法跟蹤控制方法。 把希望輸出的波形作為指令信號，把實際波形作為 反饋信號，通過兩者的瞬時值比較來決定逆變電路

45、各開關器件的通斷，使實際的輸出跟蹤指令信號 變化。 常用的有滯環比較方式滯環比較方式和三角波比較方式三角波比較方式。 1)電流跟蹤控制電流跟蹤控制 跟蹤型PWM變流電路中，電電流跟蹤控制流跟蹤控制應用最多。tOiii*+D Ii*-D Ii*圖5.19 滯環比較方式的指令電流和輸出電流圖5. 18 滯環比較方式電流跟蹤控制舉例基本原理基本原理 把指令電流i*和實際輸出電流i的偏差i*-i作為滯環比較器輸入。 V1（或VD1）通時，i增大 V2（或VD2）通時，i減小通過環寬為2DI的滯環比較器的控制，i就在i*+D DI和i*-D DI的范圍內，呈鋸齒狀跟蹤指令電流i*。5.3.6 PWM跟蹤控制技術跟蹤控制技術1 滯環比較方式tOiii*+D Ii*-D Ii*圖5.19 滯環比較方式的指令電流和輸出電流圖5. 18 滯環比較方式電流跟蹤控制舉例參數的影響參數的影響 環寬過寬時，開關頻率低，跟蹤誤差大；環寬過窄時，跟蹤誤差小，但開關頻率過高，開關損耗增大。L大時，i的變化率小，跟蹤慢；L小時，i的變化率大，開關頻率過高。滯環環寬電抗器L的作用5.3.6 PWM跟蹤控制技術跟蹤控制技術 1)電流跟蹤控制電流跟蹤控制 跟蹤型PWM變流電路中，電電流跟蹤控制流跟蹤控制應用最多。1 滯環比較方式2) 三相的情況圖5.21 三相電流跟蹤型PWM逆變電路輸出